23. januar 2011

Hvilke gasser består atmosfæren af?

Hej Spørg om Fysik
Har haft en snak med nogle kammerater omkring atmosfærisk luft. Vi har forstået, at den består af forskellige molekyler (af fx. gasarter) der bevæger sig rundt mellem hinanden. Men hvad er det de bevæger sig rundt i?

Eller sagt på en anden måde, hvad er der mellem f.eks. gasmolekyler?

Med venlig hilsen
A.J.

Atmosfæren på jorden består af en blanding af en række gasser. Det er nogenlunde målt i volumenprocent:

N₂ Kvælstof/nitrogen 78 %
O₂ Ilt/Oxygen 21 %
Ar Argon 0,93 %
CO₂ Kuldioxid 0,031 %
Ne Neon 1,8*10^-3 %
He Helium 5,2*10^-4 %
Kr Krypton 1,14*10^-4 %
H₂ Brint 5*10^-5 %
Xe Xenon 8,6*10^-6 %

Det er klart, at der er lokale forskelle f.eks. afhængigt af højden, og kuldioxid er der nok mere af på H. C. Andersens boulevard i myldretiden end ved Gurre osv.

De stoffer, hvor der er et 2 tal forneden er molekyler, er molekyler dvs. to-atomige luftarter, de uden tal er enkelt atomer. Helium, Argon, Neon, Krypton og Xenon (der er også en endnu sjældnere luftart i gruppen som hedder Radon, den er radioaktiv, et henfaldsprodukt fra naturlige radioaktive stoffer, og det er den der kan sive fra jorden ind i huse og gøre skade med sin radioaktivitet) kaldes ædle luftarter, fordi de ikke reagerer kemisk.

Ved jordoverfladen har vi et tryk omkring 101 325 Pa (Pascal, det er også det man kalder 1 atmosfære eller 760 mm kviksølv). Luften ved 15 ˚C og dette tryk vejer 1,225 kg pr m³.

Ved 101 325 Pa og 0 ˚C fylder det man kalder et mol luft 22,4 l. Et mol er en luftmængde med et antal molekyler (eller atomer hvis det er ædelgasser) svarende til antal atomer i 12 g kulstof isotop 12, og det er n= 6,0221415*10²³ molekyler/atomer. Der er altså i 1 cm3 luft ca. 3*10¹⁹ atomer, det er faktisk mange (19 nuller). Det bedste vakuum, man kan lave her på jorden, ligger omkring 10^-14 Pa eller 10^-9 atm. Der er stadig nogen hundrede luftmolekyler pr. kubikcentimeter tilbage. luftmolekylerne er der altså altid her på jorden.

Når man har en gas, er der disse molekyler og atomer tilstede, og der er ikke andet. Der er ikke noget imellem dem eller helt andre ting. De opfører sig, som om de var små superbolde, dvs. når de støder ind i en væg kastes de tilbage med samme ca. fart, som de kom med, og normalt som om væggen var et "spejl". Det samme gælder, når de støder ind i hinanden. Men der kan farten af de enkelte molekyler eller atomer blive ændret, hvis de to der støder ind i hinanden ikke er lige tunge.

Det der sker er, at der ikke tabes energi, men energien fordeles anderledes på tunge og lette molekyler. Molekylerne ændrer altså hele tiden hastighed og retning ved stød imod vægge, og ved stød imod hinanden. Der opstår en ligevægt med en gennemsnitsfart, der viser sig at afhænge af temperaturen. Det kan vises at v² = konstant*T/m, hvor v er molekylernes middelhastighed og T den absolutte temperatur, T = t + 273, t er celsius temperaturen. Stuetemperatur har altså T = 295 K (Kelvin, 1 grad Kelvin har samme størrelse som 1 grad Celsius), og m molekylets masse.

Molekylerne i vore almindelige luftarter ilt og kvælstof har ved stuetemperatur gennemsnitshastigheder omkring 500 m/s, brint tilsvarende omkring 2000 m/s.

Der er altså intet imellem gasmolekylerne i en luftart, det virker kun som små elastiske kugler, som støder ind i hinanden og i væggene for gassen hele tiden, og derved giver et tryk.

Trykket vi måler f.eks. med et barometer, fremkommer så ved at de mange molekyler støder ind i kviksølvoverfladen, der er i forbindelse med stuen. Er det et lukket rum og hæves temperaturen vil

molekylerne få mere fart og trykket vil stige.

Robert Boyle

Historien om gaslovene

Edme Mariotte

Der var mange involverede i at finde gaslovene, men de vigtigste er: Robert Boyle (Irland, 1627 - 1691) og Edme Mariotte (Født ca. 1620 - 1684), der fandt den såkaldte Boyle-Mariottes lov som siger: p*V = konstant. Hvis man har en luftart, f.eks. i en aflukket cylinder med stempel, er trykket p og rumfanget V forbundet med den viste ligning.

Joseph Louis Gay-Lussac

Jacques Charles

Joseph Louis Gay-Lussac (F, 1778 - 1850) opstillede den såkaldte Gay-Lussacs lov, som for en indespærret luftart siger: p/T=konstant.

Alexandre César Charles (F , 1746 - 1823) opstillede Charles lov, som for en indespærret luftart siger V/T=konstant.

Avogadro

Josiah Willard Gibbs

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Bernadette Avogadro di Quaregna e Cerreto^[1], Count of Quaregna and Cerreto (I, 1776 - 1856) opstillede Avogadros lov som siger: V/n = konstant, n er antal mol.

Ved at kombinere disse love kommer man frem til luftarternes tilstandsligning, som for en indespærret luftart siger: P*V = n*R*T, hvor R er en konstant der afhænger af i hvilke enheder tryk, rumfang og temperatur er målt.