Гази (французьке gaz; назва запропонована голланським ученим Я. Б. Гельмонтом ) , агрегатний стан речовини, в якій його частки не зв'язані або вельми слабо зв'язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий ним об'єм. Речовина в газоподібному стані широко поширена в природі. Р. утворюють атмосферу Землі, в значних кількостях містяться в твердих земних породах, розчинені у воді океанів, Морея і річок. Сонце, зірки, хмари міжзоряної речовини складаються з Р. — нейтральних або іонізованних (плазми). Що зустрічаються в природних умовах Р. є, як правило, суміші хімічно індивідуальних Р.
Р. володіють рядом характерних властивостей. Вони повністю заповнюють судину, в якій знаходяться, і набувають його форми. На відміну від твердих тіл і рідин об'єм Р. істотно залежить від тиску і температури. Коефіцієнт об'ємного розширення Р. в звичайних умовах (0—100°С) на два порядки вище, ніж в рідин, і складає в середньому 0,003663 град -1 . В таблиці. приведені дані про фізічеських властивостях найбільш распространенних Р.
Будь-яку речовину можна перевести в газоподібний стан належним підбором тиску і температури. Тому можливу область існування газоподібного стану графічно зручно змалювати в змінних: тиск р — температура Т (у р, Т -діаграмме, мал. 1 ). При температурах нижче критичною Т до (див. Критичний стан ) ця область обмежена кривими сублімації (сублімації) / і паротворення II. Це означає, що при будь-якому тиску нижче критичного р до існує температура Т (див. мал.(малюнок) 1), визначувана кривої сублімації або паротворення, вище за яку речовина стає газоподібною. У перебуваннях на кривій 1 (нижче потрійної точки T p ) газ знаходиться в рівновазі з твердою речовиною (твердою фазою), а на кривій II (між потрійною і критичною точкою До. ) — з рідкою фазою. Газ в цих станах зазвичай називають пором речовини.
При температурах нижче Т до можна сконденсувати Р. — перевести його в ін. агрегатний стан (тверде або рідке). При цьому фазове перетворення Р. на рідину або тверде тіло відбувається стрибкоподібно: вельми мала зміна тиску приводить до кінцевої зміни ряду властивостей речовини (наприклад, щільність, ентальпії, теплоємності і ін.). Процеси конденсації Р., особливо зріджування газів, мають важливе технічне значення.
Прі Т > Т до кордон газоподібної області умовний, оскільки при цих температурах фазові перетворення не відбуваються. У ряді випадків за умовний кордон між Р. і рідиною при надкритичних температурах і тиску приймають критичну ізохору речовини (криву постійної щільності або питомого об'єму, див.(дивися) мал.(малюнок) 1), в безпосередній близькості від якої властивості речовини змінюються, хоча і не стрибком, але особливо швидко.
У зв'язку з тим що область газового стану дуже обширна, властивості Р. при зміні температури і тиску можуть мінятися в широких межах. Так, в нормальних умовах (при 0° З і атмосферному тиску) щільність Р. приблизно в 1000 разів менше щільність тієї ж речовини в твердому або рідкому стані. При кімнатній температурі, але тиску, в 10 17 раз меншому атмосферного (межа, досягнута сучасною вакуумною технікою ) , щільність Р. складає близько 10 -20 г/см 3 . В космічних умовах щільність Р. може бути ще на 10 порядків менше (~10 -30 / см 3 ).
З іншого боку, при високому тиску речовина, яка при надкритичних температурах можна рахувати Р., володіє величезною щільністю (наприклад, в центрі деяких зірок ~10 9 г/см 3 ) . Залежно від умов в широких межах змінюються і ін. властивості Р. — теплопровідність, в'язкість і т. д.
молекулярно-кінетична теорія Р. молекулярно-кінетична теорія розглядає Р. як сукупність слабо взаємодіючих часток (молекул або атомів), що знаходяться в безперервному хаотичному (тепловому) русі. На основі цих простих представлень кінетичної теорії удається пояснити основні фізичні властивості Р., особливо повно — властивості розріджених Р.
В досить розріджених Р. середні відстані між молекулами виявляються значно більше радіусу дії міжмолекулярних сил. Так, наприклад, за нормальних умов в 1 см 3 Р. находітся~ 10 19 молекул і середня відстань між ними складає ~ 10 -6 см, або ~ 100, тоді як міжмолекулярна взаємодія не істотна на відстанях понад 5—10 . Отже, в таких умовах молекули взаємодіють лише при зближенні на відстань дії міжмолекулярних сил. Таке зближення прийнято трактувати як зіткнення молекул. Радіус дії міжмолекулярних сил в розглянутому прикладі в 10—20 разів менше середньої відстані між молекулами, так що загальний об'єм, в якому ці сили можуть позначатися (як би «власний об'єм» всіх молекул), складає 10 -3 —10 -4 від повного об'єму Г. Ето дозволяє рахувати власний об'єм молекул Р. в нормальних умовах нехтує малим і розглядати молекули як матеріальні крапки. Газ, молекули якого розглядаються як матеріальні крапки, що не взаємодіють один з одним, називається ідеальним. При тепловій рівновазі ідеального Р. всі напрями руху його молекул рівноімовірні, а швидкості розподілені відповідно до Максвелла розподілом . На мал. 2 приведений графік цього розподілу для азоту при температурах 20 і 500°С. З графіка видно, що що пригнічує більшість молекул мають близькі значення швидкості (максимум кривою відповідає швидкості найбільш вірогідною при даній температурі), але існує також відома частина молекул з малими і дуже великими швидкостями. За допомогою максвелловського розподілу може бути визначена т.з. середня квадратична швидкість молекул пов'язана з температурою Т газу співвідношенням
Тут до — Больцмана постійна, m — маса молекули. Рівняння (1) дозволяє встановити зв'язок між середньою кінетичною енергією однієї молекули і температурою газу:
Цю залежність часто розглядають як молекулярно-кінетичне тлумачення температури — температура є міра кінетичної енергії молекул.
Оскільки молекули ідеального Р. володіють лише кінетичною енергією, внутрішня енергія такого Р. не залежить від займаного їм об'єму (закон Джоуля).
молекулярно-кінетична теорія розглядає тиск Р. на стінки судини, в якій він знаходиться, як дію ударів молекул, усереднену по поверхні і часу. Кількісний тиск р визначається імпульсом передаваним молекулами в одиницю часу одиниці площі стінки:
де n — число молекул в одиниці об'єму. Рівняння (2) і (3) дозволяють записати рівняння стану ідеального Р. у вигляді
Здесь R = kn — універсальна газова постійна, v — об'єм, що доводиться на 1 міль. рівняння Клапейрона узагальнює емпіричні газові закони Бойля — Маріотта і Гей-Люссака (див. Бойля — Маріотта закон, Гей-Люссака закони ) . З рівняння (5) витікає також, що при однакових температурі і тиску ідеальні Р., узяті в кількості 1 благаючи, мають рівні об'єми і в будь-якому такому Р. в одиниці об'єму міститься рівна кількість молекул (див. Авогадро закон ) .
В умовах теплової рівноваги температура і тиск Р. за всім його обсягом однакові, молекули рухаються хаотично, в Р. немає впорядкованих потоків. Виникнення в Р. перепадів (градієнтів) температури або тиску приводить до порушення рівноваги і перенесення у напрямі градієнта енергії, маси або ін. фізичних величин.
Кінетичні властивості Р. — теплопровідність, дифузію, в'язкість — молекулярно-кінетична теорія розглядає з єдиної крапки зір: дифузію як перенесення молекулами маси, теплопровідність як перенесення ними енергії, в'язкість як перенесення кількості руху. Модель ідеального Р. для аналізу явищ перенесення непридатна, бо в цих процесах істотну роль грають зіткнення молекул (при яких відбувається передача який-небудь з переносимих величин, наприклад енергії) і «розмір» молекул (що впливає на частоту зіткнень). Тому в простому випадку явища перенесення у Р. розглядаються для розрідженого Р., молекули якого в першому наближенні вважаються пружними кульками з певним діаметром s, причому ці кульки взаємодіють один з одним лише у момент зіткнення. У цьому наближенні діаметр молекули зв'язаний простим співвідношенням з її середньою довжиною вільного пробігу :
Розмір істотно впливає на процеси перенесення в розрідженому Р. Зокрема, якщо характерний розмір об'єму, займаного Р., більше, то теплопровідність і в'язкість Р. не залежать від тиску. Навпаки, коли більше характерного розміру, теплопровідність і в'язкість Р. із зменшенням тиску (а значить, і числа зіткнень) починають падати. На цьому явищі, зокрема, засновані теплоізолюючі властивості судин з подвійними стінками, повітря між якими відкачаний (див. Дьюара судини ).
В строгішій молекулярній теорії при аналізі явищ перенесення в розріджених газах враховується взаємодія молекул при будь-яких відстанях між ними. Характер взаємодії визначається т.з. потенціалом взаємодії (див. Міжмолекулярна взаємодія ) . Строгий розгляд динаміки парних взаємодій (зіткнень) приводить до того, що у формулах для розрахунку коефіцієнтів перенесення з'являються т.з. інтеграли зіткнень, що є функціями лише приведеної температури T* = kt/e . Ця температура характеризує відношення кінетичної енергії молекул ( ~kT ) до їх потенційної енергії ( e — глибина потенційної ями при даному потенціалі взаємодії). Інтеграли зіткнень враховують ту обставину, що молекули, що стикаються, залежно від їх кінетичної енергії, а значить і температури Р., можуть зближуватися на різні відстані, тобто як би змінювати свій ефективний розмір.
Властивості реальних Г . При підвищенні щільності змінюються властивості Р., вони перестають бути ідеальними. Рівняння стану (5) виявляється непридатним, т. до. средние відстані між молекулами Р. стають порівнянними з радіусом міжмолекулярної взаємодії. Для опису термодинамічних властивостей неідеальних, або, як їх гущавині називають, реальних, Р. користуються різними рівняннями стану, що мають більш менш строге теоретичне обгрунтування. Простим прикладом рівняння, яке якісне правильно описує основні відмінності реального Р. від ідеального, служить рівняння Ван-дер-Ваальса. Воно враховує, з одного боку, існування сил тяжіння між молекулами (їх дія приводить до зменшення тиску Р.), з іншого боку — сил відштовхування, що перешкоджають безмежному стискуванню Р. (див. Ван-дер-Ваальса рівняння ).
До найбільш теоретично обгрунтованим, в усякому разі для станів, віддалених від критичної крапки, відноситься рівняння віриалу стану :
Значення коефіцієнтів віриалів В, З і т. д. визначаються зіткненнями молекул: парними (В), потрійними (С) і вищого порядку для подальших коефіцієнтів. Істотно, що коефіцієнти віриалів є функціями лише температури.
В Р. малої щільності найбільш вірогідні парні зіткнення молекул, тобто для такого Р. в розкладанні (7) можна нехтувати всіма членами після члена з коефіцієнта В . Відповідно до температурної зміни В , при т.з. температурі Бойля Т В (див. Бойля точка ) В перетворюється на нуль, і помірно щільний Р. поводиться як ідеальний, тобто підкоряється рівнянню (5). Фізично це означає, що при Т В міжмолекулярні сили тяжіння і відштовхування практично компенсують один одного. Існування міжмолекулярної взаємодії в тій або іншій мірі позначається на всіх властивостях реальних Г. Внутренняя енергія реального Р. виявляється залежною від його об'єму (від відстаней між молекулами), т. до. потенциальная енергія молекул визначається їх взаємними відстанями.
З міжмолекулярним взаємодія пов'язана також зміна температури реального Р. при протіканні його з мало постійною швидкістю через пористу перегородку (цей процес називається дроселюванням ). Мірою зміни температури Г при дроселюванні служить Джоуля — Томсона коефіцієнт який залежно від умов може бути позитивним (охолоджування Р.), негативним (нагріваючи Р.) або рівним нулю при т.з. температурі інверсії (див. Джоуля — Томсона явище ). Ефект охолоджування Г при дроселюванні широко застосовується в техніці як один з методів зріджування газів.
Внутрішня будова молекул Р. слабо впливає на їх термічні властивості (тиск, температуру, щільність і зв'язок між ними). Для цих властивостей в першому наближенні істотна лише молекулярна маса Р. Навпроти, калорічеськие властивості Р. (теплоємність ентропія і ін.), а також його електричні і магнітні властивості істотно залежать від внутрішньої будови молекул. Наприклад, для розрахунку (у першому наближенні) теплоємності Р. при постійному об'ємі c v необхідно знати число внутрішніх мір свободи молекули (тобто число можливих внутрішніх рухів) i вн . Відповідно до равнораспределенія законом класичної статистичної фізики на кожну міру свободи молекули Р. (поступальну, таку, що коливає, обертальну) доводиться енергія, рівна 1 / 2 · kt . Звідси теплоємність 1 благаючи
Для точного розрахунку калорічеських властивостей Р. необхідно знати рівні енергії молекули, відомості про яких в більшості випадків отримують з аналізу спектрів Г. Для великого числа речовин в стані ідеального Р. калорічеськие властивості обчислені з високою точністю і їх значення представлені у вигляді таблиць до температур 10—22 тис. градусів.
Електричні властивості Р. пов'язані в першу чергу з можливістю іонізації молекул або атомів, тобто з появою в Р. електрично заряджених часток (іонів і електронів). За відсутності заряджених часток Р. є хорошими діелектриками. Із зростанням концентрації зарядів електропровідність Р. збільшується. Залежність електропровідності Р. від різних фізичних чинників розглянута в ст. Електричний розряд в газах .
При температурах починаючи з декількох тис. градусів всякий Р. частково іонізуєтся і перетворюється на плазму . Якщо концентрація зарядів в плазмі невелика, то властивості її мало відрізняються від властивостей звичайного Р.
По магнітних властивостях Р. діляться на діамагнітниє (до них відносяться, наприклад, інертні гази, H 2 , N 2 , Co 2 , H 2 O) і парамагнітні (наприклад, O 2 ). Діамагнітни ті Р., молекули яких не мають постійного магнітного моменту і набувають його лише під впливом зовнішнього поля (див. Діамагнетизм ). Ті ж Р., в яких молекули володіють постійним магнітним моментом, в зовнішньому магнітному полі поводяться як парамагнетики (див. Парамагнетизм ). Облік міжмолекулярної взаємодії і внутрішньої будови молекул необхідний при вирішенні багатьох проблем фізики Р., наприклад при дослідженні впливу верхніх розріджених шарів атмосфери на рух ракет і супутників (див. Газова динаміка, Аеродинаміка розріджених газів ).
В сучасній фізиці Р. називають не лише один з агрегатних станів речовини. До Р. з особливими властивостями відносять, наприклад, сукупність вільних електронів в металі (електронний Р.), фононів в рідкому гелії (фононний Р.) і т. д. Р. елементарних часток і квазічастинок що володіють цілим спином, т.з. бозонів (наприклад, фотонів, p-мезонів фононів), називається бозе-газом. Його властивості розглядає квантова статистика Бозе — Ейнштейна. Властивості часток Р. з напівцілим спином — ферміонів (наприклад, електронів, нейтронів, нейтрино, дірок провідності і ін.) розглядає квантова статистика Фермі — Дираку (див. Статистична фізика ).
Фізичні властивості газів
Властивості газів
Азот N 2
Аргон Ar
Водень H 2
Повітря
Кисень O 2
Вуглекислий газ Co 2
Маса 1 благаючи (г)
28,02
39,94
2,016
28,96
32,00
44,00
Щільність при 0°c і 1 ат * ( кг/м 3 )
1,2506
1,7839
0,0899
1,2928
1,4290
1,976
Теплоємність при постійному об'ємі с v і 0°c ( кдж/моль • град )
20,85
12,48
20,35
20,81
20,89
30,62 (55°c)
Швидкість звуку при 0°c ( м/сек )
333,6
319
1286
331,5
314,8
260,3
В'язкість h при 0°c (h•10 6 н • сік /м 2 )
16,6
21,2
8,4
17,1
19,2
13,8
Теплопровідність l при 0°c (l•10 2 дж/м • сік • град)
2,43
1,62
16,84
2,41
2,44
1,45
Діелектрична проникність e при 0°c і 1 ат*
1,000588
1,000536
1,000272
1,000590
1,000531
1,000988
Питома магнітна сприйнятливість з при 20°c (c•10 6 на 1 г )
-0,43
-0,49
-1,99
—
+107,8
0,48
Літ.: Киріллін Ст А., Сичев Ст Ст і Шейндлін А. Е., Технічна термодинаміка, М., 1969; Кикоїн І. До. і Кикоїн А. До., Молекулярна фізика, М., 1963; Гиршфельдер Дж., Кертісс Ч., Берд Р., Молекулярна теорія газів і рідин, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961; Термодинамічні властивості індивідуальних речовин. Довідник, під ред. Ст П. Глушко, 2 видавництва, т. 1—2, М., 1962.
