8.3: Kaasut ja paine

Kaasufaasi on ainutlaatuinen kolmesta aineellisesta olomuodostumasta siinä mielessä, että on olemassa joitakin yksinkertaisia malleja, joiden avulla voimme ennustaa kaikkien kaasujen fysikaalisen käyttäytymisen niiden identiteetistä riippumatta. Emme voi tehdä näin kiinteän ja nestemäisen tilan kohdalla. Itse asiassa tämän kaasujen käyttäytymistä koskevan ymmärryksen kehittäminen on historiallinen jakolinja alkemian ja modernin kemian välillä. Ensimmäiset edistysaskeleet kaasujen käyttäytymisen ymmärtämisessä teki 1600-luvun puolivälissä Robert Boyle, englantilainen tiedemies, joka perusti Royal Societyn (yksi maailman vanhimmista tieteellisistä järjestöistä).

Miten voimme mallintaa kaikkia kaasuja niiden kemiallisesta identiteetistä riippumatta? Vastaus löytyy lauseryhmästä, jota kutsutaan kaasujen kineettiseksi teoriaksi:

• Gaasit koostuvat pienistä hiukkasista, joita erottavat toisistaan suuret etäisyydet.
• Kaasuhiukkaset ovat jatkuvasti liikkeessä ja kokevat törmäyksiä toisten kaasuhiukkasten ja säiliönsä seinämien kanssa.
• Kaasuhiukkasten nopeus on yhteydessä kaasun lämpötilaan.
• Kaasuhiukkaset eivät koe minkäänlaista veto- tai hylkimisvoimaa toistensa kanssa.

Huomasitko, ettei mikään näistä väittämistä liity kaasun identiteettiin? Tämä tarkoittaa, että kaikkien kaasujen pitäisi käyttäytyä samalla tavalla. Kaasua, joka noudattaa näitä väittämiä täydellisesti, kutsutaan ideaalikaasuksi. Useimmat kaasut poikkeavat hieman näistä lausekkeista, ja niitä kutsutaan todellisiksi kaasuiksi. Todellisten kaasujen olemassaolo ei kuitenkaan vähennä kaasujen kineettisen teorian merkitystä.

Yksi kineettisen teorian väittämistä mainitaan törmäykset. Koska kaasuhiukkaset liikkuvat jatkuvasti, ne myös törmäävät jatkuvasti toisiinsa ja säiliönsä seinämiin. Tähän liittyy voimia, kun kaasuhiukkaset kimpoavat säiliön seinämiin (kuva \(\PageIndex{1}\)). Kaasuhiukkasten aiheuttama voima jaettuna säiliön seinämien pinta-alalla saadaan paine. Paine on ominaisuus, jonka voimme mitata kaasulle, mutta emme yleensä ota huomioon painetta kiinteille aineille tai nesteille.

Paineen perusyksikkö on newton neliömetriä kohti (N/m2). Tämä yhdistetty yksikkö määritellään uudelleen pascaliksi (Pa). Yksi pascal ei ole kovin suuri paine. Käyttökelpoisempi paineen yksikkö on bar, joka on 100 000 Pa (1 bar = 100 000 Pa). Muita yleisiä paineyksiköitä ovat ilmakehä (atm), joka alun perin määriteltiin maapallon ilmakehän keskimääräiseksi paineeksi merenpinnan tasolla, ja mmHg (millimetriä elohopeaa), joka on yhden millimetrin korkuisen elohopeapatsaan tuottama paine. Yksikköä elohopeamillimetriä kutsutaan myös torriksi, joka on nimetty italialaisen tiedemiehen Evangelista Torricellin mukaan, joka keksi barometrin 1600-luvun puolivälissä. Ilmakehän tarkempi määritelmä torrina ilmaistuna on, että 1 atm:ssa on tasan 760 torria. Bar vastaa 1,01325 atm. Kun otetaan huomioon kaikki näiden paineyksiköiden väliset suhteet, kyky muuntaa paineyksiköstä toiseen on hyödyllinen taito.

Kineettisessä teoriassa sanotaan myös, että yksittäisten kaasun hiukkasten välillä ei ole vuorovaikutusta. Vaikka tiedämme, että todellisissa kaasuissa on itse asiassa molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, kineettinen teoria olettaa, että kaasuhiukkaset ovat niin kaukana toisistaan, että yksittäiset hiukkaset eivät ”tunne” toisiaan. Näin ollen voimme kohdella kaasuhiukkasia pieninä materian palasina, joiden identiteetillä ei ole merkitystä tiettyjen fysikaalisten ominaisuuksien kannalta.