גזים סובבים אותנו בכל מקום שאליו נפנה – באוויר שאנו נושמים, בגז בבישול שבכיריים, באנרגיה שאנו מפיקים ובתוך צמיגי המכונית. הגזים מצייתים לחוקים תרמודינמיים בסיסיים שמאפשרים לנו לחזות את התנהגותם בתנאים שונים. לשם הפשטות נקבל את הנחת הגזים האידיאליים, כלומר שמולקולות הגז נקודתיות ואינן מגיבות זו עם זו, אם כי קיימים מודלים גם למצבים מורכבים יותר.
היישומון שלפנינו עוסק במאפיינים של גז אידיאלי. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
על פי חוק הגזים האידיאליים, גז אידיאלי הוא גז המורכב ממולקולות נקודתיות שאינן מגיבות זו עם זו. גז אידיאלי מציית למשוואת הגזים PV=nRT, שבה P הוא הלחץ, V הוא הנפח, n הוא מספר מולקולות הגז, R הוא קבוע הגזים האוניברסלי ו-T היא הטמפרטורה. על פי משוואת הגזים קיים יחס ישר בין הפרמטרים השונים בה. למידע נוסף אתם מוזמנים לצפות בסרטון חוקי הגזים האידיאליים.
נפח: המקום שתופס גוף במרחב. הנפח נמדד ביחידות כמו סמ"ק, ליטר ועוד. במקרה שלנו הנפח מוכתב בידי כלי הקיבול.
לחץ: כוח המופעל על יחידת שטח במאונך למשטח. הלחץ נמדד ביחידות כמו פסקל, בר ועוד. במקרה שלנו הלחץ נובע מההתנגשויות של מולקולות הגז בדפנות הכלי.
טמפרטורה: גודל פיסיקלי שמתאר את רמת התנועה של החלקיקים, כך שככל שהטמפרטורה עולה כך החלקיקים נעים מהר יותר. אנו מרגישים טמפרטורה כחום. הטמפרטורה נמדדת במעלות בסולם צלזיוס, פרנהייט או קלווין. במקרה שלנו הטמפרטורה נובעת מתנועת מולקולות הגז. להבנה מעמיקה יותר של משמעות הטמפרטורה אתם מוזמנים לצפות בסרטון המשמעות הפיסיקלית של הטמפרטורה.
מספר החלקיקים: כשמו כן הוא – מספר מולקולות הגז במערכת. נמדד ביחידות של מול.
קבוע הגזים האוניברסלי: מקדם היחס במשוואת הגזים האידיאליים. אם נשנה את יחידות המדידה של מספר החלקיקים הנפח, לחץ והטמפרטורה, גם ערך קבוע הגזים האוניברסלי ישתנה בהתאם.
כעת בואו נתחיל לשחק ביישומון. הגדירו בו חלקיקים קלים, כבידה בינונית ובתור פרמטר קבוע הגדירו את הנפח. התחילו להזרים חלקיקים לכלי בעזרת המשאבה (משכו אותה למעלה ולמטה) וצפו בטמפרטורה ובלחץ. מה קורה?
כעת חזרו על הפעולה בטמפרטורה קבועה. מה קורה עכשיו? ומה יקרה אם תגדילו את הנפח (תמשכו את הידית הימנית ימינה) או אם תקטינו אותו (תדחפו את הידית שמאלה). ומ קורה כשפותחים צוהר למעלה? חזרו על אותו דבר בלחץ קבוע. שימו לב בשלושת המקרים האפשריים של פרמטר קבוע מה קורה לפרמטרים האחרים וכיצד הנפח, הלחץ והטמפרטורה משתנים כשאחד מהם קבוע ואנו מזרימים פנימה גז. האם הדבר מתיישב עם חוק הגזים האידיאליים?
כעת בואו נסבך מעט את העניינים ונשנה את המולקולות מחלקיקים קלים לחלקיקים כבדים. חיזרו על הסימולציות הקודמות – האם אתם רואים הבדל? במה הוא בא לידי ביטוי? איך הוא מתבטא בכבידה נמוכה יותר? גבוהה יותר?
כעת בואו נתבונן בקינטיקה של התגובות. לחצו על "כלי מדידה" וסמנו "היסטוגרמות אנרגיה". בעזרת הכלי הזה נוכל לראות את מהירות החלקיקים ואת האנרגיה הקינטית שלהם (אנרגיית התנועה). נסו לשים לב לקשר בין כל אחד משלושת הפרמטרים (לחץ, נפח וטמפרטורה) לבין השינוי במהירות ובאנרגיה הקינטית.
ביישומון הזה עמדנו על הקשר בין נפח, לחץ, טמפרטורה ומספר החלקיקים של גז אידיאלי. בטבע המצב אינו כה פשוט, משום שאף גז אינו מתנהג בדיוק כמו גז אידיאלי, אך קיימים מודלים מדויקים יותר שמתאימים למצבים מורכבים. למרות זאת, חוק הגזים האידיאליים מצליח לחזות בקירוב טוב את התנהגות הגז בכלי. כעת נסו לדמיין מצבים שבהם אתם משתמשים בגז (ספריי, ניפוח אוויר בגלגל וכו') ופענחו איך באים בהם לידי ביטוי יחסי הטמפרטורה/נפח/לחץ. דוגמה לתופעה, מדוע כאשר מתיזים על העור דאודורנט בתרסיס מרגישים שהוא קר?
שאלה לדיון מתקדם: אם נזרים הרבה מולקולות גז לתוך כלי סגור בעל נפח קבוע, מה יקרה לגז?( רמז: נסו לדמיין מה קורה לגז דחוס בתרסיס של דאודורנט).
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
