Gravitasjonskreftene virker på luftmolekylene, trekker dem mot jordoverflaten og skaper et trykk som er kraft per arealenhet, atmosfæretrykket.
1 atmosfære = 101.325 Pa. 1 pascal tilsvarer 1 newton per kvadratmeter (1Pa = 1 N m-2).
Boyles lov
Den engelske vitenskapsmannen Robert Boyle (1627-1691) oppdaget hvordan volumet (V) til en fast mengde gass varierer med gasstrykket (P) ved en fast temperatur. Boyles lov sier at volumet (V) til en gitt mengde gass ved konstant temperatur varierer inverst med trykket (P).
\(\displaystyle PV= \text{konstant}\)
Boyles lov er ikke helt sann for virkelige gasser, men stemmer for ideelle gasser. En virkelig gass ligner mer og mer på en ideell gass når dens trykk minsker og temperaturen øker.
Avogadros lov
Den italienske vitenskapsmannen Amedeo Avogadro (1776-1856) fant at like volumer med gass målt ved samme trykk og temperatur måtte inneholde samme antall molekyler. Likt antall molekyler vil si samme antall mol. Volumet (V) av en gass er direkte proporsjonal med antall mol (n)av gassen (Avogadros prinsipp).
\(\displaystyle V \propto n\)
Eller uttrykt som hvor k er en konstant for en gitt temperatur og trykk:
\(\displaystyle \frac{V}{n}= k\)
Molvolumet for en gass ved standard trykk og temperatur (STP dvs. 1 atmosfære og 273.15 K dvs.0 oC)) er lik 22.4 liter.
Charles lov
Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) var fransk matematiker og kjemiker. Han var interessert i varmluftsballonger, og var den første som fylte en ballong med hydrogen. Charles oppdaget at volumet til en fast mengde gass er proporsjonal med temperaturen angitt i Kelvin når gasstrykket holdes konstant (Charles lov). I en grafisk fremstilling av Charles lov hvor linjer viser hvordan gassvolumet endrer seg med temperaturen i Kelvin ved forskjellige masser av samme gass, vil de ekstrapolerte linjer konvergere mot det absolutte nullpunkt (273.15 oC = 0 K). Volumet (V) er proporsjonalt med temperaturen T i Kelvin
\(\displaystyle V \propto T\)
Eller hvor k er en konstant
\(\displaystyle V= kT\)
Charles lov kan også utledes fra kinetisk gassteori.
Gay-Lussacs lov
Joseph Gay-Lussac fant vha. av Charles oppdagelser at trykket av en bestemt mengde gass holdt ved konstant volum er proporsjonal med temperaturen i Kelvin. Disse oppdagelsene kunne kombineres i en generell gasslov om at forholdet PV/T er konstant for en fast mengde gass.
\(\displaystyle \frac{PV}{T}= \text{konstant}\)
Eller:
\(\displaystyle \frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}\)
Tilstandsligningen for gasser
En mengde gass blir beskrevet av tilstandsparameterne volum (V), trykk (P) og temperatur (T). PV/T = konstant. Hvis vi har et mol gass blir konstanten lik den universelle gasskonstanten R. Den ideelle gassloven er:
\(\displaystyle PV= nRT\)
hvor R er den generelle eller universelle gasskonstanten.
Daltons lov for partialtrykk sier at det totale trykket for en blanding av gasser som ikke reagerer med hverandre er lik summen av de individuelle partialtrykkene til gassene. Molbrøken eller molfraksjon for et stoff kji (ΧA) i blanding er forholdet mellom antall mol av stoffet i forhold (nA) til det totale antall mol av alle de andre komponentene A-Z:
\(\displaystyle \chi _A=\frac{n_A}{n_A+n_B+ n_C +\dots n_Z}\)
Ifølge kinetisk gassteori består gasser av et enormt stort antall partikler som er i konstant bevegelse. Gasspartiklene selv opptar så lite volum i forholdet til det totale volumet at man kan se bort fra patriklenes volum. Pariklene kolliderer elastisk med hverandre og med veggen i beholderen, og skaper derved et trykk. Gasspartiklene beveger seg i rette linjer mellom kollisjonene, og de verken tiltrekker eller frastøter hverandre. En gass består derfor mest av tomt rom. Temperaturen til en gass er proporsjonal med den gjennomsnittelige kinetiske energien til gasspartiklene. Hvis den kinetiske energien til partiklene blir null må også temperaturen være 0 K.
Tørris er fast karbondioksid og den smelter ikke, men sublimerer og går direkte over til karbondioksid. Når en væske fordamper gir den avkjøling. Fordampning skjer fra hud eller lunger og gir avkjøling.
Fordampningen skjer med forskjellig hastighet, og avhenger bl.a. av overflatearealet til væsken, temperatur og damptrykk. Det fordamper mer fra en varm væske enn fra en kald. Økt temperatur øker antallet molekylet som får nok kinetisk energi til å kunne forlate væskefasen. Styrken på intermolekylære tiltrekninger avgjør også hvor mye som fordamper fra en væske. En væske kan kondenseres fra gassfase tilbake til væskefase. Ved smeltepunktet er det en dynamisk likevekt mellom væskefase og fast fase. Når molekyler fordamper fra en væske gir det et damptrykk, for vann et vanndamptrykk. Vanndamptrykket øker med økende temperatur.
Man kan lage varme- og kjølekurver for et stoff når varme tilføres eller fjernes med konstant hastighet. Hvis en væske fortsetter å avkjøles under frysepunktet kalles det underkjøling. Fordampning av væske er endoterm, og kondensering av en gass er eksoterm. I et kjøleskap eller fryseskap er det en kompressor som presser sammen gass til et lite volum og gassen blir varm. Varm gass sirkulerer gjennom rørsystemer på baksiden av kjøleskapet. Når gassen avkjøles under trykk går den over til væske når temperaturen går under kritisk temperatur. Fordampningsvarmen blir frigitt. Den sammenpressete væsken går tilbake til kjøleskapet hvor den går inn i et område med lavt trykk. Væsken fordamper og mengden varme som er lik fordampningsvarmen blir absorbert og kjøleskapet blir avkjølt.Før brukte man ammoniakk som kjølevæske, men pga giftfaren ble det erstattet med freon, men flere av freonene ødelegger ozonlaget.
Faseovergangene skjer ved konstant trykk og temperatur, og derved kan energiforandringene ved smelting og fordampning uttrykkes som forandringer i entalpi. Sammenhengen mellom vanndamptrykk og temperatur er koblet til fordampningsvarmen, og denne sammenhengen er ikke lineær. Vanndamp er en usynlig gass i atmosfæren.
Ligningen som viser sammenhengen mellom vanndamptrykk P og den molare fordampningsvarmen Hfordamp (kJ/mol) og temperatur kalles Clausius-Clapeyron- ligningen. Har fått navn etter den tyske fysikeren Rudolf Clausius (1822-1888) og den franske ingeniøren Benoit Clapeyron (1799-1864).
\(\displaystyle ln P=\frac{\Delta H_{fordampning}} {RT} +C\)
ln P er den naturlige logaritmen til vanndamptrykket, R er gasskonstanten, T er absolutt temperatur og C er en konstant. Denne ligningen kan omformes til en lineær form (ln P versus 1/T) som kan brukes til å bestemme fordampningsvarmen eksperimentelt.
| Temperatur (oC) | Fordampningsvarme \(\Delta H_{fordampning}\) (kJ·mol-1) |
|---|---|
| 0 | 45.06 |
| 10 | 44.63 |
| 20 | 44.21 |
| 30 | 43.78 |
| 100 | 40.68 |
| 374 (kritisk punkt) | 0.00 |
Den fransk kjemiker Henry Le Châtlier (1850-1936) utformet Le Châtliers prinsipp, som sier at når et system i dynamisk likevekt forskyves ved forstyrrelser, så responderer systemet med forsøke å opprette likevekt med et motreaksjon som virker mot forstyrrelsen.
Når vann gjennomgår et faseskifte fra væske til vanndamp mottar vannmolekylene energi, og motsatt når vanndamp kondenseres avgis energi. Tilsvarende skjer ved faseovergang mellom is og vann eller ved sublimasjon fra is til vanndamp (jfr. tørking av klær i kuldegrader). Fordampningsvarmen (J/mol) er den mengde energi som må tilføres en bestemt masse av vann for at den skal gå over til damp ved samme temperatur. Termodynamisk er fordampningsvarmen forskjellen i entalpi mellom væskefase og dampfase. Et fasediagram viser sammenhengen mellom trykk og temperatur i faselinjene mellom de 3 fasene gass, væske og fast fase.
AB (mellom is og vanndamp) viser vanndamptrykkurven for is. BC viser vanndamptrykkurven for vann. BD viser overgangen is og vann. Når vanndamptrykket er lik en atmosfære er temperaturen 100 oC. Ved atmosfæretrykk skjæres kurven BD ved 0 oC. Når trykket på is øker senkes smeltepunktet. Ifølge Le Châtliers prinsipp motvirkes det økte trykket ved at isen smelter og derved tar mindre plass. Ved B er alle fasene i likevekt med hverandre. C er kritisk punkt. Ved kritisk punkt er det en kritisk temperatur og kritisk trykk. Over kritisk temperatur kan ikke vann omdannes til væske ved å øke trykket. Karbondioksid har et vanndamptrykk på 1 atmosfære ved -78 oC. Hvis temperaturen økes over kritisk temperatur for karbondioksid har man er superkritisk væske. Frysetørking skjer ved å fryse ned og deretter koble til en vakuumpumpe. Hvis trykket i kammeret er lavere enn vanndamptrykket for is vil iskrystallene sublimere.
Stratosfæreozon
Stratosfæren er en del av rommet rundt jordkloden fra 10-50 kilometer. Mesteparten av UV-strålingen fra sola blir absorbert i en ozonsyklus i ozonlaget i stratosfæren. Syklusen starter med at UV-stråling med bølgelengde lambda (λ) mindre enn 242 nanometer (nm) spalter dioksygen (O2) til atomært ekistert oksygen O*.
\(\displaystyle O_2 + UV \rightarrow\; O^*\;\;\;\; \left(\lambda < 242\; nm\right)\)
Når eksitert atomært oksygen kolliderer med molekyler med dioksygen dannes ozon hvor overskuddsenergien havner i et molekyl med nitrogen eller oksygen kalt M.
\(\displaystyle O_2 + O^* + M \rightarrow \; O_3 + M + \text{varme}\)
Det er viktig at overskuddsenergien blir fjernet ellers ville ozonmolekylet bli spaltet straks etter at det var blitt dannet. Nå kan imidlertid ozonmolekylet absorbere UV og bli omdannet til oksygen og atomært eksitert oksygen.
\(\displaystyle O_3 + UV \rightarrow \; O_2 + O^* \;\;\;\;\; \left( \lambda=\ \; 240 - 320 \; nm \right)\)
Atomært eksitert oksygen i siste trinn brukes i reaksjonen foran og lager en kjedereaksjon. Energien til UV blir fjernet som varme.
Nettomengden med ozon i stratosfæren varier med årstid og breddegrad. Mengden ozon måles i Dobson-enheter oppkalt etter Gordon Dobson, og tilsvarer 2.7x1016 molekyler med ozon i en 1 cm2 søyle fra jordoverflaten til gjennom stratosfæren. Mengden ozon varierer vanligvis mellom 260 til 360 Dobsonenheter.
Atomært klor (Cl) kan reagere med O*, og kloratomer kommer fra klorofluorokarboner (freoner) fra kjøleanlegg f.eks. CCl3F eller CCl2F2 .
\(\displaystyle CClF_2 + UV \rightarrow \; CClF_2 + Cl\)
Atomært klor ødelegger ozon ved å ødelegge ozonsyklus. Nettoresultatet er av disse reaksjonene er at ozon forbrukes i en katalytisk syklus.
\(\displaystyle Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2 \)
Målinger fra 1970 tallet viste at det ble dannet et ozonhull i Antarktis med redusert tykkelse av ozonlaget, lavest i oktober og det blir gjenopprettet i perioden fra november til mars. Gjennom den antarktiske vinter synker temperaturen i stratosfæren til -78 oC og det dannes tynne polare stratosfæreskyer med iskrystaller og reaksjonsprodukter mellom NO2 og vann. Molekylært klor fester seg til skyene, og klor blir dannet i reaksjonen:
Saltsyre (HCl) dannes når atomært klor reagerer med metan, som også er en drivhusgass, og danner CH3 og HCl.
Når våren kommer til Antarktis frigis store mengder klor fra stratosfæreskyene og klor omdannes til atomært klor som bryter ned ozon. I oktober 1994 sank ozonmengden til 100 dobson.Seinere på året overfører vinder ozon til Antarktis. Crutzen, Molina og Rowland fikk nobelprisen i kjemi i 1995 for sitt arbeid med kjemien til freoner og stratosfæreozon.