Den gasformige tilstand, er den mest almindelige form for materiale. Astronomer anvender gassernes egenskaber, til at forstå planeter, stjerner og galakser.
Materiale er sammensat af atomer, atomer går sammen til molekyler, og de forskellige tilstandsformer for stoffer, skyldes uligheder i hvordan disse atomer og molekyler interagerer. De tre mest almindelige tilstandsformer for materialer på Jorden er fast, flydende og gasformig. I et fast stof, holdes molekylerne tæt pakket til de tilstødende molekyler, ligesom mursten i en mur. I den flydende form, er molekylerne frie til at bevæge sig rundt og konstant skubbe til hinanden. Du kan forestille dig molekylerne i en væske, som folk på en overfyldt metrostation. Folkene (molekylerne) i mængden er frie til at bevæge sig, men folkene der udgør mængden, er begrænset i deres bevægelse af folkene (molekylerne) omkring dem. Molekylerne i en gas, går derimod deres egne veje og kan tilbagelægge relativt store afstande, uden at interagere med andre molekyler. Når du tænker på en gas, skal du forestille dig en sværm af atomer eller molekyler der flyver omkring, hver med deres egen hastighed og retning.
Temperaturen for en gas, er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af dets individuelle molekyler, der farer omkring. To ting, bestemmer molekylets kinetiske energi: dets masse og den hastighed, hvormed det bevæger sig. Gennemsnitshastigheden af et molekyle i en gas, er omvendt proportional med kvadratroden af dets masse (se Matematiske værktøjer 8.1).
Gasmolekylernes bevægelse, skaber det tryk der er nødvendigt for at opretholde en planets atmosfære. En af de vigtigste egenskaber for en gas er, hvor hårdt det skubber til molekylerne i dets omgivelser. Forestil dig en boks indeholdende en gas (se figur 8.3a). Molekylerne hopper konstant mod boksens sider og skubber den ud ad. Dette udadvendte tryk, målt i enheder af kraft per kvadratmeter af overfladen af boksen, kaldes tryk. Hvis antallet af molekyler i boksen øges, vil flere molekyler ramme væggen på boksen hvert sekund, og trykket vil stige.
Figur 8.3 – (a) Trykket fra en gas, kommer fra molekylernes bevægelser. Gøres gassen tættere (b) eller varmere (c) – det sammen som at øge frekvensen af kollisioner eller molekylernes hastighed – øger gassens tryk
En fordobling af tætheden af gassen, ved en konstant temperatur, vil fordoble trykket (se figur 8.3b).
Forøgelsen af gassens temperatur, øger gennemsnits-hastigheden ved hvilken molekylerne bevæger sig med og øger derved også gassens tryk. Der er to grunde til denne effekt. For det første, hvis molekylerne i boksen bevæger sig hurtigere, vil de ramme væggene oftere (se figur 8.3c). Flere molekyler der rammer væggene på boksen hvert sekund betyder, at trykket er højere. For det andet, rammer hurtige molekyler væggen hårdere og med mere kraft. Sammen betyder disse to virkninger, at en fordobling af gassens temperatur, fordobler gassens tryk.
Trykket er proportional med tætheden, og også med temperaturen. En kombination af denne relation giver:
Dette forhold mellem tæthed, temperatur og tryk, kaldes idealgasloven. Den empirisk opdagede idealgaslov, ydede stærk støtte til den materielle atomteori, på samme måde som Keplers empiriske love for planetbevægelse, ydede støtte til Newtons teorier om bevægelse og tyngdekraft. Den kendsgerning, at laboratoriegasser er meget tæt på at overholde idealgasloven, gav overbevisende tidlige beviser for, at atomer og molekyler er virkelige.
Komprimering af en gas, øger ikke blot dens tæthed, men også dens temperatur. Omvendt, får en gas får lov til at udvide sig, afkøles den. Mange daglige eksempler, illustrerer denne adfærd. Hvis du pumper et cykeldæk op, bliver pumpen varm, fordi luften komprimeres. Hvis du holder dysen på en aerosolbeholder nede, bliver dåsen kold, fordi drivgassen ekspanderer. Et klimaanlæg (aircondition), virker ved skiftevis at komprimere en gas for at gøre den varm, lade den afkøle og derefter lade gassen udvide sig og blive meget kold. Hver gang vi i denne bog taler om et objekt lavet af gas, så tænk tilbage til billedet herunder, at atomer og molekyler der hopper rundt i en boks, og husk på de grundlæggende ideer, der forklarer gassens opførsel.