Proč jsou kyslík a vodík stlačitelné, ale voda je sotva stlačitelná

síla mezi dvěma (nereagujícími) atomy je přibližně dána Lennard-Jonesovým potenciálem , a to se mění s rozdělením atomů přibližně takto:

(tento obrázek pochází z článku Wikipedie, na který jsem odkazoval výše). V diagramu lze parametr $ \ sigma $ považovat za velikost atomu, takže hodnota na ose $ x $ $ r / \ sigma = 1 $ je bod, ve kterém atomy přicházejí do styku. Pokud jsou atomy daleko od sebe, je zde velmi malá přitažlivost, ale jakmile se atomy dostanou do kontaktu, dojde k silnému odpuzování a je velmi těžké tlačit atomy blíže k sobě.

Buďte opatrní o tom, že to vezmeme příliš iterálně, protože atomy jsou poněkud fuzzy objekty a nemají přesnou velikost. Jde však o to, že mezi atomy existuje vzdálenost, při které se najednou začnou navzájem silně odpuzovat.

Nyní zpět k vaší otázce. Pro téměř ideální plyny, jako je kyslík a vodík, při standardní teplotě a tlaku jeden mol (tj. 6,023 $ krát 10 ^ {23} $ molekuly) zabírá asi 22,4 litru. To znamená, že průměrná vzdálenost mezi molekulami je kolem 3 nm. Velikost molekuly kyslíku je velmi zhruba (nejsou sférické) 0,3 nm, takže rozestup mezi molekulami je asi desetinásobek jejich velikosti. To je cesta vpravo na grafu výše, což znamená síly mezi nimi jsou nízké a je velmi snadné je k sobě přitlačit. Proto je možné plyny snadno stlačit.

Nyní pojme vodu. Jeden mol vody (0,018 kg) zabírá asi 18 ml, takže vzdálenost mezi molekulami ve vodě je asi 0,3 nm – jinými slovy, jsou ve vzájemném kontaktu. To je bod, kdy se molekuly začnou navzájem strnule odpuzovat, a proto je těžké je tlačit blíže k sobě. Proto voda není snadno stlačitelná.

Ptáte se na kompresi směsi (nezreagovaného) kyslíku a vodíku. Pokud dostatečně stlačíte kyslík, zkapalní se a hustota kapalného kyslíku je asi 1140 kg / m $ ^ 3 $. Díky tomu je vzdálenost mezi molekulami kyslíku asi 0,35 nm. Tato vzdálenost je přibližně stejná jako velikost molekul O $ _2 $, takže je těžké stlačit kapalný kyslík. Tento výpočet můžete opakovat pro kapalný vodík (hustota asi 71 kg / m $ ^ 3 $) a získáte velmi podobný výsledek. Ve skutečnosti bych očekával, že kapalný vodík bude stlačitelnější než kapalný kyslík a voda, protože molekula H $ _2 $ je podstatně menší. Nicméně rychlý Google se nepodařilo najít hodnoty pro objemový modul kapalného vodíku.

Průměrná hustota kapalné vody je asi 1000 $ kg / m ^ 3 $. Průměrná hustota vzduchu je přibližně 1 kg / m ^ 3 $. Takže kapalná voda je asi 1000krát hustší než plyn. Když stlačíte kapalnou vodu dohromady, molekulární síly se stanou velmi silnými, což jí zabrání v jejím stlačování. U plynu jsou však molekuly tak daleko od sebe, že síly jsou mnohem menší (hlavní důvod, proč nemůže být plyn stlačen, je způsoben kinetickou energií molekul v plyn).

Komentáře

• Je průměrná hustota stlačeného vodíku a kyslíku něco jako 1000 $ kg / m ^ 3 $?
• Myslím, že se chcete zeptat, jestli je to něco jako $ 1kg / m ^ 3 $ a ano.Vzduch se skládá z těchto částic a je ve stejné fázi. Hustoty vzduchu a stlačeného vzduchu by neměly být ' vypnuty o více než řádově.
• Vlastně jsem tím myslel, že pokud smícháte kyslík a vodík a komprimovat to, mělo by to za následek stejnou hustotu jako voda?
• @QuoraFea: Proč byste očekávali, že to bude stejné?
• Pouze pokud byste to dokázali dostatečně komprimovat přinutit jej podstoupit fázovou změnu.

Základní model plynu, který jednotlivé částice plynu nedělejte interakce. Jako v: mezi molekulami je dostatek prostoru, takže většinu času tráví cestováním po přímkách, aniž by do sebe naráželi, tj. mezi částicemi je spousta prostoru. S ohledem na to Není divu, že plyn je stlačitelný.

Pokud plyn dostatečně stlačíte (a snížíte jeho teplotu), nakonec se částice přiblíží natolik blízko, že se začnou navzájem přitahovat, a pak se váš plyn otočí do kapaliny. Kapalinu nemůžete stlačit tolik jednoduše, protože mezi částicemi není tolik prostoru.

Souhrnně

Plyny: spousta prostoru mezi částicemi -> stlačitelné

Kapaliny: velmi malý prostor mezi částicemi -> není stlačitelný