Газ

Газ (, від  — хаос) — один з агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами, атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними.

Сутність Характеристичною властивістю газу є те, що він здатний вільно поширюватися в усьому доступному для нього просторіУ планетарному масштабі газ атмосфери утримується силами гравітації, рівномірно заповнюючи його. На відміну від рідини та твердого тіла, газ не утворює поверхні.

Газами називають хімічні речовини, які перебувають у газоподібному стані за нормальних умов. У фізичних, термодинамічних та інших дослідженнях до газів відносять також суміші газів, серед яких найбільший інтерес викликає повітря. Повітря складається з кількох газів — азоту, кисню, аргону, діоксиду вуглецю, та інших.

Етимологія назви

Термін «газ» () є неологізмом і вперше його вжив на початку XVII століття фламандський хімік Ян Баптиста ван Гельмонт. Він застосував це слово, мабуть, як спрощену фонетичну транскрипцію грецького слова «хаос» () — «g» в голландській вимові звучить як українська літера «х» і в цьому випадку Ван Гельмонт просто вжив установлений у використанні серед алхіміків термін, що вперше з'явився в працях Парацельса. Відповідно до термінології Парацельса «хаос» означало щось на кшталт «дуже розріджена вода»Harper, Douglas. «gas ». Online Etymology Dictionary..

Фізичні властивості та характеристики

Макроскопічні характеристики Оскільки більшість газів складно або неможливо спостерігати безпосередньо нашими органами чуттів, вони описуються за допомогою чотирьох фізичних властивостей або макроскопічних характеристик: тиском, об'ємом, кількістю часток (хіміки згрупували їх у моль) і температури. Ці чотири характеристики здавна неодноразово досліджувались вченими, такими як Роберт Бойль, Жак Шарль, Джон Дальтон, Жозеф Луї Гей-Люссак та Амедео Авогадро для різних газів у різних умовах. Їхнє детальне вивчення в підсумку призвело до встановлення математичного зв'язку між цими властивостями, вираженого в рівнянні стану ідеального газу (див. нижче розділ «Спрощені моделі газу»).

Основною особливістю газу є те, що він заповнює весь доступний простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ — ізотропна речовина, тобто його властивості не залежать від напрямку. За відсутності сил тяжіння тиск у всіх точках газу однаковий (див. Закон Паскаля).

У полі сил тяжіння густина й тиск не однакові в кожній точці, зменшуючись із висотою за барометричною формулою. Відповідно, у полі сил тяжіння неоднорідною стає суміш газів. Важчі гази мають тенденцію осідати нижче, а легші — підніматися вгору. У полі тяжіння на будь-яке тіло в газі діє Архімедова сила, яку використовують повітряні кулі, заповнені легкими газами або гарячим повітрям.

Газ має високу стисливість — при збільшенні тиску зростає його густина. При зростанні температури розширюються. При стискуванні газ може перейти в рідину, але конденсація відбувається не за будь-якої температури, а за температури, нижчій за критичну температуру. Критична температура є характеристикою конкретного газу й залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелій можна зрідити тільки за температури, нижчій від 4,2 К.

Існують гази, які при охолодженні переходять у тверде тіло, оминаючи рідку фазу. Перетворення рідини в газ називається випаровуванням, а безпосереднє перетворення твердого тіла в газ — сублімацією.

Співіснування з рідиною У певному діапазоні температури й тиску газова та рідка фаза тієї самої речовини можуть співіснувати. Частина молекул газу переходить у рідину, яка має більшу густину, отже густина газу над поверхнею рідини може залишатися нижчою. Газ над поверхнею рідини називають парою.

Мікроскопічні характеристики Якби можна було спостерігати газ під потужним мікроскопом, можна було б побачити набір частинок (молекул, атомів, іонів, електронів тощо) без певної форми та об'єму, які перебувають у хаотичному русі. Ці нейтральні частинки газу змінюють напрямок тільки тоді, коли вони стикаються з іншими частками або стінками ємності. Якщо припустити, що ці взаємодії (удари) абсолютно пружні, ця речовина перетворюється з реального до ідеального газу. Ця частка з мікроскопічної точки зору газу описується молекулярно-кінетичною теорією. Усі передумови, що лежать у цій теорії можна знайти в розділі «Основні постулати» кінетичної теорії.

Тепловий рух молекул газу

Найважливішою рисою теплового руху молекул газу — це безладність (хаотичність) руху. Експериментальним доказом безперервного характеру руху молекул є дифузія і броунівський рух.

Дифузія — це явище самовільного проникнення молекул однієї речовини в іншу. У результаті взаємної дифузії речовин відбувається поступове вирівнювання їх концентрації у всіх областях займаного ними об'єму. Встановлено, що швидкість протікання процесу дифузії залежить від роду речовин, що дифундують і температури.

Одним із найцікавіших явищ, які підтверджують хаотичність руху молекул, є броунівський рух, котрий проявляється у вигляді теплового руху мікроскопічних часток речовини, що знаходяться в завислому стані у газі. Це явище у 1827 році вперше спостерігав Роберт БраунRobert Brown On the particles contained in the pollen of plants; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies The miscellaneous botanical works of Robert Brown, Volume 1. Опубліковано в Edinburgh new Philosophical Journal (pp. 358—371, July-September), 1828., від імені якого воно отримало назву. Безладність переміщення таких частинок пояснюється випадковим характером передавання імпульсів від молекул газу до частки з різних сторін. Броунівський рух виявляється тим помітніше, чим менші частки і чим вища температура системи. Залежність від температури свідчить про те, що швидкість хаотичного руху молекул зростає зі збільшенням температури, саме тому його і називають тепловим рухом.

Закон Авогадро Закон Авогадро — однакові об'єми будь-яких газів при однаковому тиску і температурі містять однакову кількість молекул.

Цей закон був відкритий на основі дослідів з хімії італійським вченим Амедео Авогадро (1776—1856) в 1811 році. Закон стосується мало стиснених газів, (наприклад, газів під атмосферним тиском). У разі сильно стиснених газів вважати його справедливим не можна. Закон Авогадро означає, що тиск газу при визначеній температурі залежить тільки від числа молекул в одиниці об'єму газу, але не залежить від того, які це молекули.

Кількість речовини, що містить число грамів, рівне його молекулярній масі, називається грам-молекулою або молем. Зі сказаного випливає, що молі різних речовин містять однакове число молекул. Число молекул в одному молі речовини, що отримало назву «стала (число) Авогадро», є важливою фізичною величиною. За ДСТУ 3651.2-97 значення сталої Авогадро приймається:

NA = 6,0221367·1023 ± 0,0000036·1023 моль−1

Стала Авогадро За даними CODATA-2010Avogadro constant дорівнює

NA = 6,02214129·1023 ± 0,00000027·1023 моль−1

Для визначення сталої Авогадро були зроблені численні та різноманітні дослідження (броунівського руху, явищ електролізу та ін.), що привели до досить узгоджених результатів і є яскравим свідченням реальності молекул і молекулярної будови речовини.

Кінетична теорія

Кінетична теорія дає уявлення про макроскопічні властивості газів, розглядаючи їх молекулярну будову і рух молекул. Починаючи з визначення імпульсу і кінетичної енергіїMcPherson, William and Henderson, William. An Elementary study of chemistry. 1917, можна, використовуючи закон збереження імпульсу і геометричні залежності, зв'язати макроскопічні властивості системи (температуру і тиск) з мікроскопічними властивостями (кінетичною енергією однієї молекули).

Кінетична теорія пояснює термодинамічні явища, виходячи з атомістських уявлень. Теорія постулює, що тепло є наслідком хаотичного руху надзвичайно великої кількості мікроскопічних частинок (атомів і молекул). Теорія пояснює, як газова система реагує на зовнішні впливи. Наприклад, коли газ нагрівається від абсолютного нуля, коли його частинки (теоретично) абсолютно нерухомі, швидкість частинок зростає зі зростанням його температури. Це призводить до більшого числа зіткнень зі стінками ємності кожну секунду за рахунок вищої швидкості частинок, пов'язаної з підвищеними температурами. У міру зростання числа зіткнень (за одиницю часу) зростає вплив на поверхню стінки ємності, тиск зростає пропорційно.

Успішне пояснення багатьох законів термодинаміки, виходячи з положень кінетичної теорії, стало одним із факторів підтвердження атомарної будови речовин у природі. У сучасній фізиці молекулярно-кінетична теорія розглядається як складова частина статистичної механіки.

Електричний струм у газах

Загалом гази не проводять електричний струм або мають дуже низьку електропровідність, оскільки їхні молекули нейтральні, проте якщо частина атомів газу іонізується, він стає здатним до проводження електричного струму. У газах також можливі газові розряди або при іонізації зовнішнім джерелом, або внаслідок ударної іонізації в самому розряді.

Один із видів іонізації газів — термічна іонізація. При цьому атоми газу іонізуються за рахунок зіткнень між атомами внаслідок підвищення температури — атоми набувають кінетичної енергії, достатньої для звільнення електрона від атома. Проте температури, за яких атоми газів набувають достатньої кінетичної енергії, високі (наприклад, для водню це значення 6000 К).

Другий вид іонізації газів — іонізація електричним ударом. Дана іонізація відбувається і при низьких температурах внаслідок перевищення напруженості електричного поля в газі певного значення, що зумовлює вихід електрона з атома. Іноді виникають також самостійні електричні розряди, що зумовлюється зіткненням фотонів або позитивних іонів із катодом і ланцюгове повторення реакції, у процесі чого також відбувається збудження атомів газу. Прикладом самостійного електричного розряду є блискавка. Гази, молекули яких за іонізації перетворюються на суміш іонів та електронів, називаються плазмою.

При нагріванні катода електричним розрядом із великою силою струму відбувається його нагрівання до міри термоелектронної емісії електронів із нього (дуговий розряд).

Теплоємність і теплопровідність Питома теплоємність газу сильно залежить від характеру процесу, що відбувається у ньому. Найчастіше використовують ізобарну та ізохорну теплоємності; для ідеального газу .

Теплопровідність газів — явище направленого переносу теплової енергії за рахунок зіткнень молекул газу без переносу речовини.

В'язкість газів

В'язкість газу μг — це сила внутрішнього тертя, що виникає між двома шарами газу, що переміщуються паралельно відносно один одного з різними за величиною швидкостями (властивість частинок газу чинити опір взаємному переміщенню). В'язкість вуглеводневих газів є незначною. В'язкість сухого газу при t = 0 °C становить 13·10–6 Па·с, повітря 17·10–6 Па·с. Зі збільшенням температури при низьких тисках в'язкість газів і повітря збільшується; при значеннях тиску до 4 МПа в'язкість газів мало залежить від тисків, при вищих тисках — підвищується. В'язкість вуглеводневих газів за однакових умов є меншою, ніж невуглеводневих.

На відміну від рідин, кінематична в'язкість газів із ростом температури зростає, хоча для динамічної в'язкості ця залежність не є так вираженою.

Процеси переносу Для газу характерні високий коефіцієнт самодифузії.

Гази мають невисоку теплопровідність, оскільки передача енергії від молекули до молекули відбувається за рахунок нечастих зіткнень. Цим пояснюються добрі теплоізоляційні властивості вовни й вати, матеріалів, у яких більшість об'єму заповнене повітрям. Але в газах діє інший механізм передачі тепла — конвекція.

Спрощені моделі газу