Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

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.

R1VdddbaMhLPU1
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, CC BY-SA 3.0.
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
  • jak dokonać podziału materii ze względu na jej stan skupienia;

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

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

  • jak stwierdzić, że oddziaływania międzycząsteczkowe w gazach są najsłabsze.

Nauczysz się
  • budowy cząsteczkowej gazów;

  • właściwości gazów;

  • jakie są przyczyny zmian ciśnienia gazów;

  • opisywać transport ciepła w gazach;

  • czym jest przewodnictwo elektryczne gazów.

Budowa cząsteczkowa gazów

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

R1IU9rTDmVeu21
Animacja przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na animacji widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
Zapamiętaj!

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

Podczas ruchu cząsteczki gazu zderzają się ze sobą oraz uderzają w ścianki zbiornika. Uderzając, wywierają nacisk na ścianki naczynia (podobnie jak rzucona piłka uderzająca o ścianę). Nacisk ten oznacza, że pojawia się pewna średnia siła (średnia, ponieważ cząstki nie uderzają o ścianki jednocześnie, ponadto każda z cząsteczek ma różną prędkość). Stosunek wartości tej siły (oznaczanej literą F) do pola powierzchni ścianek (oznaczonej S) nazywamy ciśnieniem gazu pciśnienie pciśnieniem gazu p w zbiorniku.

Z poprzednich lekcji już wiesz, że prędkości cząsteczek gazu rosną wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego im wyższa jest temperatura, tym ciśnienie gazu będzie większe.

Gdyby, bez zmieniania temperatury zbiornika z gazem, zmniejszyć jego objętość, to – łatwo można to sobie wyobrazić – cząsteczki częściej uderzałyby w ścianki (przebywałyby krótsza drogę od ścianki do ścianki). Wtedy średnia siła działającej na ścianki wzrasta, a zatem wzrasta też ciśnienie.

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).

Prawa opisujące tzw. parametry stanu gazu, czyli objętość, ciśnienie i temperaturę, a także związki między nimi, poznasz w toku dalszej nauki.

1
Ćwiczenie 1
RIoGijK242iMY
W jakiej sytuacji wzrost temperatury nie spowoduje wzrostu ciśnienia? Możliwe odpowiedzi: 1. jeśli zwiększymy objętość naczynia, w jakim znajduje się gaz, proporcjonalnie do wzrostu temperatury, 2. jeśli zmniejszymy objętość naczynia, w jakim znajduje się gaz, proporcjonalnie do wzrostu temperatury, 3. taka sytuacja jest niemożliwa

Właściwości fizyczne gazów

Najbardziej rozpowszechnioną mieszaniną gazów w przyrodzie jest powietrze. W jego skład wchodzi głównie azot (78%) i tlen (21%). Pozostały  1 %  stanowią inne gazy, takie jak dwutlenek węgla, gazy szlachetne czy para wodna.

R24bOng5CnLmp1
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

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

Obserwacja 1

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

Co będzie potrzebne
  • szklanka 0,25 l;

  • miska, garnek z wodą bądź inne duże naczynie;

  • plastikowa słomka z karbowanym przegubem do zaginania.

    R1d7T5yRw1w5j
    Film dotyczący obserwacji gazów.

Instrukcja
  1. Do dużego naczynia 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?

Zapamiętaj!

Gazy przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują.

Obserwacja 2

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

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

  • mała fiolka (może być też mała butelka po napoju z wąską szyjką) 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. Podnieś balonik tak, żeby tabletka wpadła do wody. Pozwól, aby tabletka rozpuściła się.

R1ESYDrHNyn9O
Przebieg doświadczenia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
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.

Zapamiętaj!

Gazy 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.

R1IU9rTDmVeu21
Animacja przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na animacji widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

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!

RHZxCwOkJZ2LW
Film dotyczący rozszerzalności gazu.
Obserwacja 3

Wykażemy, 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.

RGq17DsHSfp2K
Przebieg doświadczenia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Podsumowanie

Powietrze w strzykawce na początku da się delikatnie ścisnąć, jednak przy dalszym wciskaniu pojawiają się coraz większe opory.

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 gazurozprężanie gazurozprężaniem gazu.

1
Ćwiczenie 2
RFHDxB6OuBcdk
Spośród poniższych, wybierz sytuacje, w których doszło do rozprężenia gazów Możliwe odpowiedzi: 1. Wypuszczenie powietrza z balonika, 2. Tworzenie się chmur, 3. Wrzenie wody, 4. Rozpylenie dezodorantu, 5. Przebicie opony
Zapamiętaj!

Podczas zwiększania objętości gazu i spadku jego ciśnienia, dochodzi też do spadku temperatury. Ten spadek jest tym większy, im szybciej objętość wzrasta. Efekt jest widoczny m.in. podczas otwierania butelki z wodą gazowaną czy rozpylania dezodorantu.

W wodzie gazowanej znajduje się rozpuszczony dwutlenek węgla. Po otwarciu butelki gaz ten gwałtownie ulatuje, zwiększając przy tym swoją objętość (można wtedy zobaczyć bąbelki) i ochładzając się. Zimniejszy 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 ciśnienieciśnienie pciśnienie w przybliżeniu czterokrotnie większe niż na jej powierzchni. Nie oznacza to wcale, że tak samo będzie się zmieniać 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.

RIoABPAYTz1yI1
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, CC BY-SA 3.0.

Czy to wszystko? Nie. Na głębokości około 30 m pojawiają się objawy tzw. narkozy azotowejnarkoza azotowanarkozy 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.

R18EAZs7TtG3Y1
Źródło: dostępny w internecie: pxfuel.com.
RuC85NLKFKK6D21
Ćwiczenie 3
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Gazy łatwo zmniejszają swoja objętość, ponieważ ich cząsteczki znajdują się daleko od siebie.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Gazy zwiększają swoją objętość, gdyż oddziaływania między cząsteczkami są bardzo słabe.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Cząsteczki gazów wykazują duże oddziaływania przyciągające i słabe oddziaływania odpychające.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

Cieplne i elektryczne przewodnictwo gazów

Zapamiętaj!

Gazy są złymi przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego.

Przewodnictwo cieplne powietrza
Obserwacja 4

Wykażemy, że powietrze nie jest dobrym 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 34objętości).

  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).

R1UIC6qyXvgyu
Przebieg doświadczenia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Podsumowanie

Mimo że woda w obu szklankach znajduje się w podobnych warunkach, woda w szklance umieszczonej w słoiku jest cieplejsza. Oznacza to, że powietrze niechętnie przewodzi ciepło, czyli jest złym przewodnikiem ciepła. Własność ta dotyczy wszystkich gazów.

Czy powietrze przewodzi prąd elektryczny?
Obserwacja 5

Wykażemy, 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.

    RnfDfhJy54fsL1
    Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

  2. Na przemian otwieraj i zamykaj obwód.

Podsumowanie

Żarówka zaświeci się, 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. Powietrze w normalnych warunkach nie przewodzi prądu elektrycznego.

Warto jednak pamiętać, że w niektórych warunkach powietrze może przewodzić prąd elektryczny (np. podczas wyładowań atmosferycznych). Istnieją też gazy zdolne przewodzić prąd elektryczny - więcej na ten temat dowiesz się podczas dalszej nauki.

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 kształt. Podczas ruchu dochodzi do ich wzajemnych zderzeń i „bombardowania” ścianek pojemnika.

  • Najbardziej znaną mieszaniną gazów w przyrodzie jest powietrze. Jest ono mieszaniną azotu 78% i tlenu 21%. Pozostały 1% stanowią, między innymi, dwutlenek węgla, gazy szlachetne czy 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 najłatwiej zaobserwować, gdy ten proces zachodzi gwałtownie.

  • Gazy są złymi przewodnikami ciepła.

  • Powietrze w normalnych nie przewodzi prądu elektrycznego, jednak niektóre gazy mają taką zdolność.

2
Ćwiczenie 4
R7FPpBxfdXApz
Łączenie par. Wybierz, co musi się stać z temperaturą, żeby zaszła dana sytuacja. Kiedy piłka plażowa wydaje się mieć mniej powietrza, mimo że została napompowana do pełna?. Możliwe odpowiedzi: Gdy temperatura spadnie, Gdy temperatura wzrośnie. Kiedy napompowany balonik 'sam' pęknie?. Możliwe odpowiedzi: Gdy temperatura spadnie, Gdy temperatura wzrośnie. Kiedy łatwiej będzie ścisnąć zakręconą, pustą butelkę po napoju?. Możliwe odpowiedzi: Gdy temperatura spadnie, Gdy temperatura wzrośnie
2
Ćwiczenie 5
RqV7dNMuMgVJX
Wybierz, czy dana sytuacja opisuje sprężanie czy rozprężanie powietrza? Sprężanie Możliwe odpowiedzi: 1. 'zamknięcie' gazu w butli do nurkowania, 2. użycie odświeżacza powietrza w spray'u, 3. pompowanie balonika, 4. pompowanie dętki rowerowej, 5. wypuszczenie powietrza z balonika, 6. przebicie opony Rozprężanie Możliwe odpowiedzi: 1. 'zamknięcie' gazu w butli do nurkowania, 2. użycie odświeżacza powietrza w spray'u, 3. pompowanie balonika, 4. pompowanie dętki rowerowej, 5. wypuszczenie powietrza z balonika, 6. przebicie opony
Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

Słownik

ciśnienie p
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) poruszające 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
gaz

jeden z trzech stanów skupienia materii; cząsteczki w gazach znajdują się w znacznych odległościach od siebie, dużo większych od średnicy tych cząsteczek. Gazy zajmują całą dostępną przestrzeń i przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Cząsteczki w gazach nieustannie poruszają się względem siebie, co jakiś czas się zderzając. Uderzają także w ścianki naczynia i wywierają na nie ciśnienie.

narkoza azotowa
narkoza azotowa

zaburzenie występujące u nurków wynikające z narkotycznego działania azotu znajdującego się w sprężonym powietrzu. Przypomina nieco stan podobny do stanu nadmiernego spożycia alkoholu; przy mniejszych głębokościach może się objawiać jako euforia (bądź panika), a wraz ze wzrostem głębokości obniża się sprawność umysłowa, a zdolność koncentracji i koordynacji ruchowej spada. Może nawet prowadzić do śmierci. Za granicę, poniżej której może wystąpić narkoza azotowa, przyjęto 30 m poniżej lustra wody.

rozprężanie gazu
rozprężanie gazu

proces polegający na zwiększaniu objętości gazu i spadku jego ciśnienia.

Zadanie podsumowujące

RJ7nWL0Tr96ZU21
Ćwiczenie 6
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Gazy są złymi przewodnikami ciepła.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Gazy mogą dobrze izolować przed utratą ciepła i być izolatorami prądu elektrycznego.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Gazy nigdy nie przewodzą prądu elektrycznego.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida