Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Powietrze to mieszanina gazów, dzięki której możesz oddychać. Ale czy jest to możliwe w każdych warunkach? Dlaczego nurek na głębokości 40 metrów musi używać specjalnej mieszaniny gazów zamiast powietrza? Dlaczego tylko nieliczni himalaiści potrafią wspiąć się na wysokość powyżej 8000 m bez korzystania z tlenu? Jeśli chcesz wiedzieć więcej, czytaj dalej.

Źródło: Mr.dudey (https://commons.wikimedia.org), . Nie wszystkie gazy są bezbarwne i całkowicie przezroczyste – gazowy jod ma barwę fioletową
Już potrafisz
  • dokonać podziału materii ze względu na jej stan skupienia;

  • stwierdzić, że gazy nie mają określonych kształtu ani objętości;

  • stwierdzić, że ciecze, ciała stałe i gazy wykazują różnice w budowie cząsteczkowej;

  • stwierdzić, że oddziaływania międzycząsteczkowe w gazach są najsłabsze.

Nauczysz się
  • jaka jest budowa cząsteczkowa gazów;

  • wymieniać właściwości gazów;

  • jakie są przyczyny zmian ciśnienia gazów;

  • opisywać transport ciepła w gazach;

  • co to jest przewodnictwo elektryczne gazów.

1. Budowa cząsteczkowa gazów

Cząsteczki w gazach w porównaniu z cząsteczkami i atomami w cieczach i ciałach stałych oddziałują ze sobą niezwykle słabo, a ich ruch jest chaotyczny i odbywa się w całej dostępnej przestrzeni.

Ruch cząsteczek w gazach
Zapamiętaj!

Bez względu na kształt naczynia cząsteczki gazu wypełniają całkowicie jego objętość.

Podczas ruchu cząsteczek gazu dochodzi do ich wzajemnych zderzeń oraz zderzeń ze ściankami naczynia. Uderzające cząsteczki wywierają nacisk na ścianki naczynia (podobnie jak rzucona piłka uderzająca w ścianę). Nacisk oznacza pewną średnią siłę działającą na ścianki (średnią, ponieważ liczba uderzających cząsteczek jest zmienna w czasie, ponadto prędkości cząsteczek są różne). Stosunek wartości tej siły do pola powierzchni ścianek nazywamy ciśnieniem gazu w zbiorniku.

Na poprzednich lekcjach dowiedziałeś się, że prędkości cząsteczek gazu są większe w wyższych temperaturach, zatem im wyższa temperatura, tym ciśnienie gazu będzie większe.

Gdybyś bez zmieniania temperatury zbiornika z gazem zmniejszył jego objętość, to – łatwo można to sobie wyobrazić – cząsteczki częściej uderzałyby w ścianki (przebywałyby krótsza drogę od ścianki do ścianki), co oznacza wzrost średniej siły działającej na ścianki, a zatem i wzrost ciśnienia.

Z tego wynika, że im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie gazu (zmniejszanie temperatury spowoduje spadek ciśnienia). Zmiany objętości wpływają zaś odwrotnie na ciśnienie: im większa objętość, tym niższe ciśnienie (zmniejszaniu się objętości gazu towarzyszy wzrost jego ciśnienia).

Dokładnie prawa opisujące tzw. parametry stanu gazu, czyli objętość, ciśnienie i temperaturę, oraz związki między nimi poznasz w toku dalszej nauki.

Polecenie 1

Zastanów się i odpowiedz, w jakiej sytuacji wzrost temperatury nie spowodowałby wzrostu ciśnienia?

2. Właściwości fizyczne gazów

Najbardziej rozpowszechnionym gazem w przyrodzie jest powietrze. Stanowi ono (gdy nie zawiera pary wodnej) mieszaninę azotu (78%), tlenu (21%), i pozostałych gazów takich jak dwutlenek węgla i gazy szlachetne, które stanowią tylko 1%. Para wodna występuje w powietrzu wilgotnym i może stanowić do kilku procent składu atmosfery blisko powierzchni Ziemi.

Źródło: Andrzej Bogusz, edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0. Wykres kołowy przedstawiający skład suchego powietrza atmosferycznego

Powietrze posłuży nam jako obiekt doświadczalny pozwalający lepiej poznać właściwości gazów.

Obserwacja 1

Wykazać, że gaz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje.

Co będzie potrzebne
  • szklanka (0,25 l);

  • miska lub garnek z wodą albo komora zlewozmywaka ze szczelnym korkiem;

  • plastikowa słomka z karbowanym przegubem do zaginania.

    Demonstrator do naczynia nalewa tyle wody, aby można w niej całkowicie zanurzyć szklankę. Demonstrator wkłada szklankę do wody kładzie na dnie by cała napełniła się wodą i taką odwraca dnem do góry. Następnie wyciąga dno szklanki ponad lustro wody, uważając jednak, aby jej krawędź nie przekroczyła poziomu lustra wody. Woda nadal wypełnia szklankę. Demonstrator wprowadza krótszy koniec rurki do napojów pod szklankę i delikatnie dmucha tak, aby w szklance znalazło się powietrze. Widoczne są usta, które wdmuchują powietrze przez słomkę do szklanki, widoczne bańki powietrza wypełniające szklankę. Powietrze zajmuje górną część szklanki. Demonstrator powtarza doświadczenie z naczyniem szklanym o kształcie wyraźnie innym od walcowatego kształtu szklanki.

Instrukcja
  1. Do miski lub garnka z wodą nalej tyle wody, aby dało się w niej całkowicie zanurzyć szklankę.

  2. Zanurz szklankę, tak aby cała wypełniła się wodą, po czym (pod wodą) odwróć naczynie do góry dnem.

  3. Wyciągnij dno szklanki ponad lustro wody, uważając jednak, aby krawędź naczynia pozostała zanurzona; woda powinna znajdować się w szklance.

  4. Zagięty (krótszy) koniec rurki wprowadź pod szklankę i delikatnie dmuchnij, tak aby w szklance znalazło się powietrze.

  5. Użyj naczynia, które będzie miało zupełnie inny kształt niż szklanka (np. kieliszek do wina, mała karafka), i powtórz doświadczenie.

Podsumowanie

Powietrze wprowadzone do naczynia wyparło z niego wodę i zajęło objętość ograniczoną ściankami szklanki i lustrem wody. Jaki możesz wyciągnąć wniosek z tego doświadczenia?

Załącznik do obserwacji
Zapamiętaj!

Gazy nie mają swojego kształtu. Przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują.

Obserwacja 2

Wykazać, że gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

Co będzie potrzebne
  • tabletka musująca (np. wapno);

  • mała fiolka wypełniona wodą;

  • mały balonik.

Instrukcja
  1. Włóż pokruszoną tabletkę musującą do wnętrza balonika.

  2. Umieść balonik na szyjce fiolki, tak aby w trakcie jego zakładania żadna część pokruszonej tabletki nie dostała się do wody.

  3. Pozwól, aby tabletka rozpuściła się w wodzie.

Podsumowanie

Balonik powoli napełnia się gazem uwolnionym na skutek reakcji chemicznej, która zaszła między tabletką musującą a wodą w fiolce – objętość balonika wzrasta. Oznacza to, że gaz samorzutnie wypełnia każdą dostępną objętość.

Załącznik do obserwacji
Zapamiętaj!

Gazy nie mają własnej objętości. Przybierają objętość naczynia, w którym się znajdują.

Jak widzisz, pod tym względem gazy nie różnią się od cieczy, które również przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Jednak ciecze wypełniają najczęściej tylko część naczynia. A jak to jest z gazami? Przyjrzyj się jeszcze raz poniższej animacji.

Ruch cząsteczek w gazach

Czy udało ci się zaobserwować sytuację, w której wszystkie cząsteczki zgromadziły się np. na górze naczynia, a jego dolna część pozostała pusta? Prawda, że nie?

Kiedy siedzisz przed komputerem i przeglądasz ten podręcznik (albo robisz coś innego), nie obawiasz się, że całe powietrze zgromadzi się pod sufitem i nie będziesz mieć czym oddychać. Takie rzeczy się nie zdarzają.

Zapamiętaj!

Gazy zawsze wypełniają całą dostępną im objętość!

Na stole leży napompowane koło samochodowe, obok pompka ręczna (nie nożna) do kół. Demonstrator naciska ręką oponę z boku bez wyraźnego efektu. Demonstartor podłącza pompkę ręczną do zaworu powietrznego koła. Zaciska zacisk co wciska iglicę w zaworze czyniąc go drożnym w obie strony. Tłok pompki jest wciśnięty. Demonstrator utrzymuje pompkę w pozycji pionowej. Widać jak tłok pompki jest wypychany przez powietrze z dętki, trzpień z uchwytem do pompowania podnosi się do góry. D. z widocznym wysiłkiem zatrzymuje ruch tłoka naciskając na rączkę ręką lub dwoma. Po chwili puszcza i tłok dalej się wysuwa. To samo koło samochodowe. Obok leży koło rowerowe z oponą i dętką z zaworem typu samochodowego. Obok wężyk ciśnieniowy zakończony z obu stron przyłączami do wentyli samochodowych. Wężyk na środku jest zaciśnięty imadełkiem ręcznym lub innym ściskiem. D. naciska bez skutku oponę samochodową po czym podnosi koło rowerowe i demonstruje sflaczają oponę, która łatwo poddaje się uciskowi dłoni. D. zakłada wężyka na wentyle obu kół. D. zdejmuje zacisk z wężyka. Po chwili D. naciska dłonią oponę koła rowerowego. Widać, że zrobiła się twarda. Stół, na stole pompa próżniowa z talerzem i kloszem. Obok na stole zawiązany ale nie napompowany balonik. D. podnosi balonik i demonstruje jaki jest sflaczały. Umieszcza balonik pod kloszem pompy próżniowej. D. wskazując na pompę. D. Włącza pompę. Widać jak balonik rośnie wypełniając coraz większą część klosza.
Obserwacja 3

Wykazać, że siła zewnętrzna może doprowadzić do zmniejszenia objętości gazu.

Co będzie potrzebne
  • plastikowa strzykawka.

Instrukcja
  1. Wyciągnij tłok do połowy objętości strzykawki.

  2. Zatkaj palcem jej wylot.

  3. Spróbuj wcisnąć z powrotem tłok przy zatkanym wylocie strzykawki.

Podsumowanie

Powietrze w strzykawce udało się ścisnąć. Zmiana objętości powietrza nie okazała się zbyt trudna.

Załącznik do obserwacji
Zapamiętaj!

W przeciwieństwie do ciał stałych i cieczy gazy są ściśliwe. Samorzutnie zwiększają one swoją objętość, jeśli tylko mają taką możliwość. Zmniejszanie ich objętości wymaga działania siły zewnętrznej. Zwiększanie objętości gazu prowadzące do zmniejszania ciśnienia nazywamy rozprężaniem gazu.

Polecenie 2

Podaj przykłady sytuacji z życia codziennego, w których doszło do rozprężenia gazu.

Zapamiętaj!

Podczas zwiększania objętości gazu i spadku ciśnienia dochodzi często do spadku temperatury tego gazu. Ten spadek jest tym większy, im szybciej zachodzi to zjawisko. Efekt jest widoczny m.in. podczas otwierania butelki z wodą gazowaną.

W wodzie gazowanej znajdują się bardzo drobne pęcherzyki dwutlenku węgla. Po otwarciu butelki gwałtownie zwiększają one swoją objętość (można je wtedy zobaczyć) i spada w nich temperatura. Ochłodzony gaz zmniejsza z kolei temperaturę wody. Zapytaj rodziców, jak wyglądało otrzymywanie wody gazowanej za pomocą syfonów z pojemnikami z CO2. Proces zwiększania objętości i spadku ciśnienia gazu trwał bardzo krótko, a temperatura spadała tak znacznie, że na powierzchni pojemnika osadzał się szron. Obecnie również można kupić syfony i pojemniki z dwutlenkiem węgla, jednak znacznie częściej używamy butelek z gotową wodą gazowaną.

Ciekawostka

Na głębokości 40 m pod powierzchnią wody panuje ciśnienie w przybliżeniu czterokrotnie większe niż na jej powierzchni. Nie oznacza to wcale, że tak samo będzie się zmianiać objętość płuc. Zmniejsza się ona aż dwukrotnie na każde 10 m zanurzenia! Na głębokości 40 m objętość płuc jest aż ośmiokrotnie mniejsza. Ciśnienie, jakie wywiera na nurka otaczająca go woda, jest wtedy większe od ciśnienia powietrza w jego płucach. Aby przeżyć, nurek musi korzystać z butli ze sprężonym powietrzem.

Źródło: Wusel007 (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0. Nurek na większych głębokościach musi oddychać sprężonym powietrzem

Czy to wszystko? Nie. Na głębokości około 30 m pojawiają się objawy tzw. narkozy azotowej. Sprężony azot wywiera negatywny wpływ na mózg, co objawia się występowaniem omamów i halucynacji. Na głębokości 40 m do oddychania nurek powinien użyć specjalnej mieszaniny gazów o zredukowanej ilości azotu.

Źródło: Thomas Quine (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0. Nurek oddycha specjalnie dobranymi mieszankami gazów
Ćwiczenie 1

3. Cieplne i elektryczne przewodnictwo gazów

Zapamiętaj!

Gazy są złymi przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego.

Obserwacja 4

Wykazać, że powietrze jest złym przewodnikiem ciepła.

Co będzie potrzebne
  • dwie jednakowe szklanki;

  • słoik o pojemości ok. 1 litra i takiej średnicy, aby do słoika można było wstawić szklankę; lepsza byłaby zamykana metalowa puszka o podobnej pojemności;

  • lodówka.

Instrukcja
  1. Do każdej szklanki wlej wodę o temperaturze pokojowej (do ¾ objętości).

  2. Jedną ze szklanek wstaw do słoika (lub puszki) i zamknij go pokrywką.

  3. Słoik (lub puszkę) ze szklanką i drugą szklankę z wodą wstaw do lodówki.

  4. Po 30 minutach sprawdź temperaturę wody w obu szklankach (termometrem lub po prostu włóż palec jednej dłoni do pierwszej szklanki, a drugiej – do drugiej).

Podsumowanie

Mimo że woda w obu szklankach znajduje się w takich samych warunkach, woda w szklance umieszczonej w słoiku jest cieplejsza. Oznacza to, że powietrze, podobnie jak i inne gazy, jest złym przewodnikiem ciepła.

Obserwacja 5

Wykazać, że powietrze jest złym przewodnikiem prądu elektrycznego.

Co będzie potrzebne
  • bateria 4,5 V;

  • żarówka 4,5 V;

  • przewody elektryczne.

Instrukcja
  1. Zbuduj obwód elektryczny zgodnie z poniższym rysunkiem.

    Źródło: Krzysztof Jaworski, OpenClips (http://pixabay.com/), . A – obwód zamknięty; B – obwód otwarty

  2. Na przemian otwieraj i zamykaj obwód.

Podsumowanie

Żarówka zaświeci, gdy obwód zostanie zamknięty. Nawet jeśli przewód będzie znajdował się blisko oprawki żarówki, ale nie będzie się z nią stykał, prąd elektryczny w obwodzie nie popłynie. Warstwa powietrza oddzielająca przewód od oprawki żarówki nie jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Zarówno powietrze, jak i pozostałe gazy, w normalnych warunkach nie przewodzą prądu elektrycznego.

Warto jednak pamiętać, że w niektórych warunkach gazy mogą przewodzić prąd elektryczny. Dzieje się tak np. podczas wyładowań atmosferycznych.

Podsumowanie

  • Cząsteczki w gazach słabo na siebie oddziałują, ich ruch jest chaotyczny i odbywa się w całej dostępnej przestrzeni.

  • Cząsteczki gazu wypełniają całkowicie objętość naczynia, bez względu na jego ksztalt. Podczas ruchu dochodzi do ich wzajemnych zderzeń i „bombardowania” ścianek pojemnika.

  • Najbardziej rozpowszechnionym gazem w przyrodzie jest powietrze. Jest ono mieszaniną azotu (78%) i tlenu (21%). Pozostały 1stanowią dwutlenek węgla i gazy szlachetne oraz para wodna.

  • Gazy nie mają kształtu – przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują.

  • Gazy nie mają określonej objętości – przybierają objętość naczynia, w którym się znajdują.

  • Gazy są ściśliwe (w przeciwieństwie do ciał stałych i cieczy).

  • Rozprężanie gazu polega na zwiększaniu jego objętości i spadku ciśnienia.

  • Rozprężaniu gazu często towarzyszy obniżenie jego temperatury, co jest najwyraźniej widoczne, gdy ten proces zachodzi gwałtownie.

  • Gazy są złymi przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego.

Praca domowa
Polecenie 3.1

Zastanów się i napisz, dlaczego w upalny dzień piłka plażowa wydaje się bardziej wypełniona powietrzem, niż kiedy jest chłodno.

Polecenie 3.2

Podaj przykłady praktycznego wykorzystania sprężania i rozprężania gazów.

Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

Słowniczek

ciśnienie (p)

– wielkość fizyczna definiowana jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez pole tej powierzchni. Jeżeli gaz jest zamknięty w zbiorniku, to cząsteczki lub atomy, które poruszają się chaotycznie uderzają w ścianki zbiornika i podczas zderzenia działają na nie siłą. Siły te są przyczyną ciśnienia wywieranego przez gaz na ścianki naczynia. Im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie gazu (zmniejszanie temperatury spowoduje spadek ciśnienia). Zmiany objętości wypływają odwrotnie na ciśnienie: im większa objętość, tym niższe ciśnienie (zmniejszaniu się objętości gazu towarzyszy wzrost jego ciśnienia).

gaz

– jeden z trzech stanów skupienia materii; cząsteczki w gazach znajdują się w znacznych odległościach od siebie, dużo większych od średnicy tych cząsteczek. Nieustannie poruszają się one względem siebie i się zderzają. Uderzają także w ścianki naczynia i wywierają na nie ciśnienie.

narkoza azotowa

– stan przypominający nadmierne spożycie alkoholu; charakteryzuje się obniżeniem sprawności umysłowej, brakiem koncentracji i koordynacji ruchowej. Dotyka nurków, którzy zanurzyli się na głębokość ponad 30 m, oddychając sprężonym powietrzem. Jest wynikiem wpływu azotu na organizm ludzki.

rozprężanie gazu

– proces polegający na zwiększaniu objętości gazu i spadku ciśnienia.

Zadanie podsumowujące

Ćwiczenie 2