Animowany aplet Java najlepiej oglądać w przeglądarce na komputerze. Jeśli nie jest widoczny na mojej stronie proszę próbować tu: https://www.falstad.com/gas/
Fizyka niejedno ma imię, a szczególnie ciekawa jest, gdy zajmujemy się zjawiskami na granicy fizyki i chemii. W fizyce cząstki materii są jakie są i raczej ich struktura wnętrza nie zmienia się. W chemii cząstki wymieniają się atomami. Dziś zostajemy przy fizyce. Woda, H2O to dwa atomy wodoru silnie związane z jednym atomem tlenu, w połączeniu tych atomów biorą udział ujemnie naładowane elektrony latające wokół dodatnio naładowanego jądra atomu. W jądrze muszą być protony o dodatnim ładunku elektrycznym i mogą być dodatkowo neutrony o masie podobnej do masy protonu, ale obojętne elektrycznie. Np. hel3 to odmiana pierwiastka hel2, ale z dodatkowym neutronem, odmianę pierwiastka nazywamy izotopem, liczba ładunków elektrycznych różnych izotopów jest stała, ale masy i właściwości fizyczne i chemiczne tych izotopów są różne.
Atmosfera ziemska to mieszanina gazów, swobodnych cząsteczek, które odbijają się od siebie i przedmiotów, są w stałym, szalonym ruchu. Każda z nich ma energię kinetyczną wynikającą z ich masy i kwadratu prędkości, z jaką się porusza oraz mają swą energię uwięzioną w samej cząsteczce, przekazywaną przy pomocy fal elektromagnetycznych, np. w podczerwieni. Gorące powietrze to cząsteczki o dużej energii poruszające się bardzo szybko. Gdy taka cząsteczka np. tlenu O2 uderzy o nasze ciało przekaże swą energię naszej skórze i jeśli temperatura skóry przekroczy czterdzieści dwa stopnie C zetnie się nasze białko i doznamy oparzenia. Białko to też cząstka chemiczna, ale bardziej skomplikowana niż cząstka tlenu.
W aplecie powyżej widzimy cząsteczki gazu swobodnie poruszające się. Gdy wstążkami nawigacji odsłonicie panel sterowania modelem po prawej, zobaczycie tam suwak grawitacji, domyślnie ustawiony na zero.
Ale gdy ustawicie grawitację np. na 1/2 skali zobaczycie, że cząsteczki cisną się blisko ziemi, a u góry jest ich mniej. Cząsteczki gazów też ważą i zmiana gęstości atmosfery z wysokością to jest właśnie ciśnienie atmosferyczne. Kolory cząstek to ich energia jak na wykresie pod modelem, niebieski to niskoenergetyczne, czerwone bardziej, aż do białych szybkich cząstek o wysokiej energii.
Jest takie prawo fizyczne mówiące, że w danej temperaturze przy danym ciśnieniu liczba cząstek jest stała bez względu na ich skład. Jak zwykle rządzi światem statystyka. Jeśli w powietrzu jest dużo cząstek pary wodnej H2O to musi być mniej azotu N2 i tlenu O2. Oddychamy jak zwykle całymi płucami, ale w każdym oddechu jest mniej tlenu niż w suchy dzień. Paradoksalnie wilgotne powietrze jest lżejsze, bo cząsteczka wody (H2+O) waży 2+16=18 jednostek masy i zastąpiła ona w 78% azot cząsteczkowy (N2) ważący 2*14=28 jednostek masy i w 21% ważący 2*16=32 jednostek masy, co daje spadek łącznej masy danej objętości powietrza. De facto z tego wnioskujemy, że silne parowanie wody w danym miejscu musi podnieść ciśnienie lokalne, co powoduje wiatr, czyli ruch powietrza a opad deszczu zmniejsza ciśnienie i prowadzi do lawinowego procesu skraplania się pary w pobliżu, co nazywamy oberwaniem chmury. Po opadzie jest chłodniej, czyli cząsteczki gazów poruszają się wolniej, może ich być zatem więcej w tej samej objętości i czujemy ulgę w oddychaniu.
Paweł Klimczewski