Chất khí là gì?
“Chất khí là gì?” Chất khí là tập hợp của các nguyên tử hay phân tử hay những hạt tự do chuyển động xung quanh không gian đó. Do các lực tương tác của các hạt là rất nhỏ nên các hạt sẽ ngẫu nhiên va chạm với nhau hoặc va vào thành chứa với tốc độ ngẫu nhiên (vận tốc các hạt chỉ thay đổi khi chúng va vào các hạt khác hoặc va vào thành chứa). Chất khí là một trong bốn trạng thái quan trọng nhất được tồn tại trong tự nhiên và không gian (các trạng thái còn lại chất rắn, chất lỏng và plasma). Chất khí được tạo ra bởi chất rắn ở nhiệt độ thấp và chúng được chuyển qua trạng thái lỏng ở nhiệt độ cao và đổi sang trạng thái khí khi tăng nhiệt độ lên cao hơn, nếu tiếp tục tăng cao nhiệt độ sẽ biến đổi sang trạng thái Plasma.
Các nguyên tố chất khí vẩn còn tồn tại trong tự nhiên và được sản xuất như là hydro (H2), nitơ (N2), oxy (O2), và hai halogen: flo (F2) và clo (Cl2). Khi chúng được nhóm cùng với các khí cao nguyên tố helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) và radon (Rn).
Các hạt khói trôi dạt cho ta thấy sự chuyển động của chất khí xung quanh
Tính chất của chất khí
Chất khí có tính chất khá nhẹ và chúng thường khó quan sát trực tiếp trong môi trường. Chất khí thường được mô tả qua bốn tính chất vật lý như: áp suất, thể tích, số lượng hạt, nhiệt độ.
Áp suất của chất khí
Áp suất chất khí trong phương trình thường được ký hiệu là “P” với đơn vị SI là pascal. Áp suất chất khí chúng thường được dùng để chỉ lực trung bình trên một đơn vị diện tích được tác động lên bề mặt của bình chứa. Trong một phạm vi cụ thể chúng ta có thể hình dung được dễ dàng các hạt chuyển động thăng chúng va chạm vào các thành, hoặc các hạt với nhau.
Áp suất của chất khí có nhiều mức dựa vào các tác động của tự nhiên hoặc dựa vào các hoạt động sản xuất, các thiết bị máy móc của con người để hình thành nên áp suất chất khí.
Nhiệt độ của chất khí
Nhiệt độ của chất khí được ký hiệu trên biểu diễn nhiệt độ trong phương trình là T với đơn vị SI là kelvins. Thông thường nhiệt độ của các chất khí thay đổi do điều kiện môi trường bên ngoài, chúng tạo ra các luồng khí nóng, khí lạnh,… Một số loại khí có nhiệt độ nóng lạnh do các thiết bị, sản phẩm mà con người tạo ra.
Thể tích riêng của chất khí
Thể tích riêng của chất khí chúng được sử dụng để biểu thị thể tích riêng trong phương trình là “v” với đơn vị SI là mét khối trên kilogam. Thể tích khí được chiếm bởi một đơn vị khối lượng của một chất khí giống nhau trong toàn bộ hệ thống ở trạng thái cân bằng, khá khó để đo thể tích khí khí vì thể tích không cụ thể là một thuộc tính mở rộng nào.
Mật độ và khối lượng riêng chất khí
Mật độ và khối lượng riêng chất khí được sử dụng để biểu thị mật độ trong phương trình là ρ (rho) với đơn vị SI là kilogam trên mét khối. Chất khí chúng có thể di chuyển tự do trong một bình chứa, khối lượng của chúng thường được đặc trưng bởi mật độ. Khối lượng riêng của chất khí là lượng khối lượng trên một đơn vị thể tích của một chất, hoặc nghịch đảo của khối lượng riêng.
Đối với chất khí thì mật độ có thể thay đổi trong một phạm vi rộng vì các hạt tự do di chuyển lại gần nhau hơn khi bị hạn chế bởi áp suất hoặc thể tích. Sự thay đổi của mật độ được gọi là khả năng nén. Giống như áp suất và nhiệt độ, tỷ trọng nó là một biến trạng thái của chất khí và sự thay đổi tỷ trọng trong bất kỳ quá trình nào cũng bị chi phối bởi các định luật nhiệt động lực học.
Đặc điểm của chất khí
Mặc dù chúng chuyển động của các hạt trong chất khí là ngẫu nhiên thì vận tốc của chúng vẩn có thể được mô tả theo thống kê bằng các phân bố như phân bố Maxwell-Boltzmann, phân bố Fermi hay phân bố Bose. Các phân bố này cho chúng ta thấy được sự phụ thuộc của dải biến đổi của vận tốc, cũng như vận tốc trung bình, vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì vận tốc trung bình của các hạt càng tăng và ngược lại.
Thuyết động học được mô tả một chất khí là tập hợp của một số lượng lớn các hạt siêu vi (nguyên tử hoặc phân tử). Các hạt này chúng đều chuyển động nhanh không ngừng nghỉ. Và có sự ngẫu nhiên trong những lần chúng va chạm với nhau và với thành vật chứa.
Chất Khí lý tưởng
Chất khí lý tưởng là một loại chất khí tưởng tượng, thì các phân tử là những chất điểm. Chứa các hạt giống nhau có kích thước vô cùng nhỏ so với thể tích của khối khí đó. Chuyển động hỗn loạn không ngừng và chúng không tương tác với nhau. Chúng chỉ va chạm đàn hồi với tường bao quanh khối khí. Từ chất khí lý tưởng, ta có thể suy ra gần đúng tính chất của các khí thực đó.
Dòng Khí lý tưởng được mô tả như trên có thể nó là xấp xỉ gần đúng cho khí thực. Dù cho khí thực không có các tính chất trên. Nhưng khi khí thực ở trạng thái áp suất cao và nhiệt độ thấp. Lực tương tác giữa các hạt trong khí (các phân tử hay nguyên tử) có ảnh hưởng trực tiếp đáng kể trong các tính chất của khí.
Thuyết động học của chất khí
Chất khí chúng bao gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
Các phân từ này chúng có cùng khối lượng khác nhau.
Các phân tử được chuyển động hỗn loạn, không ngừng nghỉ.
Các phân tử chuyển động nhanh, va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình, tạo ra áp suất lên thành bình.
Động năng trung bình của các phân tử khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ.
Nhiệt độ chất khí càng cao thì chúng sẽ chuyển động càng nhanh.
Năm 1738, Daniel Bernoulli xuất bản Hydrodynamica, đặt nền móng cho Thuyết động học của chất khí. Bernoulli thừa nhận lý thuyết vẫn còn được dùng đến ngày nay là chất khí bao gồm rất nhiều các phân tử chuyển động liên tục theo mọi hướng khác nhau. Lực tác động của chúng lên bề mặt tạo nên áp suất. Và nhiệt chính là động năng của chuyển động đó. Lý thuyết này đã không được chấp nhận ngay tại thời điểm đó, vì vẫn chưa có Định luật bảo toàn năng lượng. Và các nhà khoa học vẫn chưa có thể khẳng định sự va chạm giữa các phân tử với thành bình là chuyển động đàn hồi.
Ứng dụng chất khí đến đời sống con người
Các chất khí có thể là ứng dụng trong các lĩnh vực y tế như các khí sạch oxy cung cấp cho các máy thở, bình oxy, dùng điều chế, sản xuất thuốc, dược phẩm,…
Chất khí chúng được ứng dụng trong các hệ thống khu dân sinh, cung cấp các chất khí cho hoạt động của các thiết bị dân dụng, trong các hệ thống nông nghiệp,…
Ứng dụng các chất khí trong những ngành nghiên cứu các hoạt động khoa học, điều chế khí lạ, các chất mới,…
Ứng dụng trong các nhà máy, cửa hàng sửa chữa, bảo dưỡng xe máy, xe ô tô,…
Ứng dụng của những chất khí để tạo ra khí nén được ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp sản xuất, thường Ứng dụng chất khí để cung cấp cho các thiết bị van công nghiệp như:
