Chất khí là gì? Đặc điểm của chất khí

Chất khí là một trong bốn trạng thái vật chất quan trọng nhất bao gồm: chất rắn, chất lỏng, chất khí và plasma.

Chất khí là gì?

Khái niệm về chất khí

Chất khí là tập hợp các nguyên tử hay phân tử hay các hạt nói chung. Trong đó các hạt có thể tự do chuyển động trong không gian. Lực tương tác giữa các hạt rất yếu. Và các hạt chủ yếu tương tác với nhau qua va chạm ngẫu nhiên, hoặc với thành vật chứa.

chuyển động của chất khí

Các hạt chuyển động với tốc độ và hướng ngẫu nhiên. Và vận tốc của các hạt chỉ thay đổi đáng kể thông qua các va chạm ngẫu nhiên với nhau hoặc với thành vật chứa.

Trạng thái vật chất

Thông thường vật chất tồn tại ở trạng thái rắn khi nhiệt độ thấp. Vật chất chuyển sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ cao hơn (thông qua hiện tượng nóng chảy). Và rồi chuyển sang trạng thái khí khi nhiệt độ được tiếp tục nâng lên (hiện tượng bay hơi). Và cuối cùng là chuyển sang trạng thái plasma ở nhiệt độ rất cao.

các trạng thái vật chất
các trạng thái vật chất

Cũng có những chất có thể chuyển ngay từ trạng thái rắn sang trạng thái khí ở điều kiện thích hợp (hiện tượng thăng hoa).

Đặc điểm của chất khí

Mặc dù chuyển động của các hạt trong chất khí là ngẫu nhiên, vận tốc của chúng 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 thấy 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 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 đều chuyển động nhanh không ngừng. Và có sự ngẫu nhiên trong những lần chúng va chạm với nhau và với thành vật chứa.

Chất Khí lý tưởng

Khí lý tưởng là một loại chất khí tưởng tượng, 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. Chuyển động hỗn loạn không ngừng và không tương tác với nhau. Chúng chỉ va chạm đàn hồi với tường bao quanh khối khí. Từ khí lý tưởng, ta có thể suy ra gần đúng tính chất của các khí thực.

Khí lý tưởng mô tả như trên có thể là xấp xỉ gần đúng cho khí thực. Dù cho khí thực không có các tính chất trên. 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 đáng kể trong các tính chất của khí.

 Thuyết động học của chất khí

Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.

Những phân từ này có cùng khối lượng.

Các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

Các phân tử chuyển động nhanh, va chạm đàn hồi lẫn nhau và với thành bình, tạo áp suất lên thành bình.

Động năng trung bình của các phân tử khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ.

Nhiệt độ của chất khí càng cao thì chúng chuyển động càng nhanh.

Năm 1738, Daniel Bernoulli xuất bản Hydrodynamica, đặt nền móng cho Thuyết động học 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. 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 thể khẳng định sự va chạm giữa các phân tử với thành bình là chuyển động đàn hồi.