Надо Знать

добавить знаний



Газ



План:


Введение

Иллюстрация невпрорядкованого расположения атомов в газе

Газ ( нидерл. gas , От греч. chaos - Хаос) - один из агрегатных состояний вещества, для которого характерны большие расстояния между частицами ( молекулами, атомами, ионами) по сравнению с твердым или жидкостным состояниями, слабая межмолекулярное взаимодействие, неупорядоченность структуры, а средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц гораздо больше энергию взаимодействия между ними. Характеристической свойством газа является то, что он способен свободно распространяться по всему доступному для него пространстве [1], равномерно заполняя его. В отличие от жидкости и твердого тела газ не образует поверхности. Характерным примером газа является воздуха.

Газами называют также химические вещества, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях. В этом смысле воздуха состоит из нескольких газов - азота, кислорода, диоксида углерода, аргона и других.


1. Этимология названия

Термин "газ" ( нидерл. gas ) Является неологизмом и впервые использован в начале 17-м веке фламандским химиком Ян Баптист ван Гельмонтом. Он применил это слово, пожалуй, как упрощенную фонетическую транскрипцию греческого слова "Хаос" ( греч. chaos ) - "G" в голландском произношении звучит как украинская буква "х" и в этом случае Ван Гельмонт просто применил установленный в использовании среди алхимиков срок, который впервые появился в работах Парацельса. Согласно терминологии Парацельса "хаос" означало что-то вроде "очень разреженная вода" [2].


2. Физические свойства и характеристики

2.1. Макроскопические характеристики

Поскольку большинство газов сложно или невозможно наблюдать непосредственно нашими органами чувств, они описываются с помощью четырех физических свойств или макроскопических характеристик: давлением, объемом, количеством частиц (химики, сгруппировали их в моль (единица)) и температуры. Эти четыре характеристики издавна неоднократно исследовались учеными, такими как Роберт Бойль, Жак Шарль, Джон Дальтон, Джозеф Гей-Люссак и Амедео Авогадро для различных газов в различных условиях. Их детальное изучение в итоге, привело к установлению математической связи между этими свойствами, выраженного в уравнении состояния идеального газа (см. раздел "Упрощенные модели газа").

Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газа всегда смешиваются. Газ - изотропная вещество, т.е. его свойства не зависят от направления. При отсутствии сил притяжения давление во всех точках газа одинаков (см. Закон Паскаля).

В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой по барометрической формуле. Соответственно, в поле сил тяжести неоднородной становится смесь газов. Тяжелее газы имеют тенденцию оседать ниже, а легкие - подниматься вверх. В поле тяготения на любое тело в газе действует Архимедова сила, которую используют воздушные шары, заполненные легкими газами или горячим воздухом.

Газ имеет высокую сжимаемость - при увеличении давления растет его плотность. При повышении температуры расширяются. При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критическую температуру. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно зридиты только при температуре, ниже от 4,2 К.

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное преобразование твердого тела в газ - сублимацией.


2.1.1. Сосуществование с жидкостью

В определенном диапазоне температуры и давления газовая и жидкая фаза одного и того же вещества могут сосуществовать. Часть молекул газа переходит в жидкость, которая имеет большую плотность, следовательно плотность газа над поверхностью жидкости может оставаться низкой. Газ над поверхностью жидкости называют паром.

2.2. Микроскопические характеристики

Если бы можно было наблюдать газ под мощным микроскопом, можно увидеть набор частиц (молекул, атомов, ионов, электронов и т.д.) без определенной формы и объема, которые находятся в хаотическом движении. Эти нейтральные частицы газа изменяют направление только тогда, когда они сталкиваются с другими частицами или стенками емкости. Если предположить, что эти взаимодействия (удары) абсолютно упругие, это вещество превращается из реального к идеальному газу. Эта доля с микроскопической точки зрения газа описывается молекулярно-кинетической теории. Все предпосылки, лежащие в этой теории можно найти в разделе "Основные постулаты" кинетической теории.


2.2.1. Тепловое движение молекул газа

Иллюстрация теплового движения молекул газа.

Важнейшей чертой теплового движения молекул газа - это безалаберность (хаотичность) движения. Экспериментальным доказательством непрерывного характера движения молекул является диффузия и броуновское движение.

Диффузия - это явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в другое. В результате взаимной диффузии веществ происходит постепенное выравнивание их концентрации во всех областях занимаемого ими объема. Установлено, что скорость протекания процесса диффузии зависит от рода веществ, диффундирующих и температуры.

Одним из самых интересных явлений, подтверждающих хаотичность движения молекул, является броуновское движение, проявляется в виде теплового движения микроскопических частиц вещества, находящиеся во взвешенном состоянии в газе. Это явление в 1827 году впервые наблюдал [3] Р. Браун, от имени которого оно получило название. Безалаберность перемещения таких частиц объясняется случайным характером передачи импульсов от молекул газа в части с разных сторон. Броуновское движение проявляется тем заметнее, чем меньше частицы и чем выше температура системы. Зависимость от температуры свидетельствует о том, что скорость хаотического движения молекул возрастает с увеличением температуры, именно поэтому его и называют тепловым движением.


2.2.2. Закон Авогадро

Закон Авогадро - одинаковые объемы любых газов при одинаковом давлении и температуре содержат одинаковое число молекул.

Этот закон был открыт на основе опытов по химии итальянским ученым Амедео Авогадро (1776-1856) в 1811 году. Закон касается мало сжатых газов (например, газов под атмосферным давлением). В случае сильно сжатых газов считать его справедливым нельзя. Закон Авогадро означает, что давление газа при определенной температуре зависит только от числа молекул в единице объема газа, но не зависит от того, какие это молекулы.

Количество вещества, содержащее число граммов, равное его молекулярной массе, называется грамм-молекулой или молем. Из сказанного следует, что моли разных веществ содержат одинаковое число молекул. Число молекул в одном моле вещества, получившее название "Стала (число) Авогадро", является важным физической величиной. По ГОСТ 3651.2-97 [4] значение постоянной Авогадро принимается:

N A = 6,0221367 10 23 0,0000036 23 октября моль -1

Стала Авогадро По данным CODATA -2010 [5] равна

N A = 6,02214129 10 23 0,00000027 23 октября моль -1

Для определения постоянной Авогадро были сделаны многочисленные и разнообразные исследования (броуновского движения, явлений электролиза и др.)., Которые привели к достаточно согласованных результатов и является ярким свидетельством реальности молекул и молекулярного строения вещества.


2.2.3. Кинетическая теория

Кинетическая теория дает представление о макроскопические свойства газов, рассматривая их молекулярное строение и движение молекул. Начиная с определения импульса и кинетической энергии, [6] можно используя закон сохранения импульса и геометрические зависимости связать макроcкопични свойства системы (температуру и давление) с микроскопическими свойствами (кинетической энергии одной молекулы).

Кинетическая теория объясняет термодинамические явления, исходя из атомистських представлений. Теория постулирует, что тепло является следствием хаотичного движения чрезвычайно большого количества микроскопических частиц ( атомов и молекул). Теория объясняет, как газовая система реагирует на внешние воздействия. Например, когда газ нагревается от абсолютного нуля, когда его частицы (теоретически) абсолютно неподвижны, скорость частиц возрастает с ростом его температуры. Это приводит к большему числу столкновений со стенками емкости каждую секунду за счет высокой скорости частиц, связанной с повышенными температурами. По мере роста числа столкновений (в единицу времени) возрастает воздействие на поверхность стенки емкости, давление возрастает в пропорционально.

Успешное объяснение многих законов термодинамики, исходя из положений кинетической теории, стало одним из факторов подтверждения атомарного строения веществ в природе. В современной физике Молекулярно-кинетическая теория рассматривается как составная часть статистической механики.


2.2.4. Электрический ток в газах

Всего газы не проводят электрический ток или имеющих низкую электропроводность, поскольку их молекулы нейтральны, но если часть атомов газа йонизуеться, он становится способным к провождения электрического тока. В газах также возможны газовые разряды или при ионизации внешним источником, либо вследствие ударной ионизации в самом разряде.

Один из видов ионизации газов - термическая Ионизация. При этом атомы газа йонизуються за счет столкновений между атомами вследствие повышения температуры - атомы приобретают кинетической энергии, достаточной для освобождения электрона от атома. Однако температуры, при которых атомы газов приобретают достаточную кинетической энергии, высокие (например, для водорода это значение 6 000 К).

Второй вид ионизации газов - Ионизация электрическим ударом. Данная Ионизация происходит и при низких температурах в результате превышения напряженности электрического поля в газе определенного значения, что приводит выход электрона из атома. Иногда возникают также самостоятельные электрические разряды, что обусловлено столкновением фотонов или положительных ионов с катодом и цепное повторения реакции, в процессе чего также происходит возбуждение атомов газа. Примером самостоятельного электрического разряда является молния. Газы, молекулы которых при ионизации превращаются в смесь ионов и электронов, называются плазмой.

При нагревании катода электрическим разрядом с большой силой тока происходит его нагрев до степени термоэлектронной эмиссии электронов из него ( дуговой разряд).


2.2.5. Процессы переноса

Для газа характерны высокий коэффициент самодиффузии.

Газы имеют невысокую теплопроводность, поскольку передача энергии от молекулы к молекуле происходит за счет редких столкновений. Этим объясняются хорошие теплоизоляционные свойства шерсти и ваты, материалов, в которых большинство объема заполнено воздухом. Но в газах действует другой механизм передачи тепла - конвекция.


3. Упрощенные модели газа

Во уравнением состояния (для газов) подразумевают математическую модель, которая используется для приближенного описания или моделирования свойств газа. В настоящее время [ Когда? ] не существует единого уравнения состояния, которое точно прогнозировал свойства всех газов при любых условиях. Поэтому было разработано большое число гораздо точных уравнений состояния для конкретных газов в диапазоне определенных температур и давлений. Математические модели газа, которые чаще всего используются - это модели "идеального газа" и "реального газа".


3.1. Идеальный газ

Идеальный газ ( рус. идеальный газ; англ. ideal gas, нем. ideales Gas n) - это газ, в котором молекулы можно считать материальными точками, а силами притяжения и отталкивания между молекулами можно пренебречь. В природе такого газа не существует, но близкими по свойствам к идеальному газу есть реальные разреженные газы, давление в которых не превышает 200 атмосфер и которые находятся в не очень низкой температуре, поскольку при таких условиях расстояние между молекулами намного превышает их размеры.

Различают три типа идеального газа:

Термодинамические свойства идеального газа можно описать следующими двумя уравнениями:

Состояние классического идеального газа описывается уравнением состояния идеального газа :

pV = nRT = NkT \, ,

которое в форме объединенного газового закона имеет вид:

\ Frac {p \ cdot V} {T} = \ text {const} ,

откуда вытекают законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака :

p = \ text {const} \ Rightarrow \ frac {V} {T} = \ text {const} - Закон Гей-Люссака
V = \ text {const} \ Rightarrow \ frac {p} {T} = \ text {const} - Закон Шарля (второй закон Гей-Люссака)
T = \ text {const} \ Rightarrow p \ cdot V = \ text {const} - Закон Бойля-Мариотта

Внутренняя энергия идеального газа описывается следующим уравнением:

U = \ hat {c} _V nRT = \ hat {c} _V NkT

где \ Hat {c} _V есть константой (равной, например, 3/2 для одноатомного газа) и


3.2. Реальный газ

Изменение потенциала сил взаимодействия между двумя атомами в газе

Реальный газ - это газ, между молекулами которого действуют силы межмолекулярного взаимодействия.

Опыт показал, что законы идеальных газов (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, объединенный газовый закон) справедливы для реальных газов лишь в условиях, близких к нормальных. В случае повышения давления и понижение температуры выявляются значительные отклонения в поведении всех реальных газов. Реальный газ должен сжимаемость от внешних сил значительно меньше, чем идеальный. Реальные газы конденсируются, а уравнение состояния идеального газа не может объяснить переход вещества из газообразного состояния в жидкий.

Силы межмолекулярного взаимодействия - короткодействующие, т.е. проявляются на расстояниях r ≤ 10 -9 м и быстро уменьшаются с увеличением расстояния.

Силы межмолекулярного взаимодействия в зависимости от расстояния между молекулами могут быть силами притяжения или силами отталкивания. Молекулярные силы притяжения называют силами Ван дер Ваальса ( Йоханнес Ван дер Ваальс - нидерландский физик). Из рисунка видно, что для больших расстояний между молекулами, когда плотность газа мала, силы Ван дер Ваальса правильно передают характер взаимодействия между молекулами. Части кривой, которая соответствует межмолекулярном отталкиванию, в модели Ван дер Ваальса соответствует положительная часть кривой. На этом участке U (r) → ∞ при r ≤ d, то есть центры молекул не могут приблизиться на расстояние r - диаметр молекулы). Всего, изображена пунктиром кривая представляет потенциальную энергию парного взаимодействия молекул, между которыми действуют силы притяжения, а силы отталкивания проявляются лишь в случае столкновения согласно модели твердых шариков.

В 1873 году Ван дер Ваальса, проанализировав причины отклонения свойств реальных газов от закона Бойля-Мариотта, вывел уравнение состояния реального газа, в котором были учтены собственный объем молекул и силы взаимодействия между ними. Аналитическое выражение уравнение Ван дер Ваальса для одного моля газа имеет вид:

\ Left (p + \ frac {a} {V_ {\ mu}} \ right) \ left (V_ {\ mu} - b \ right) = RT ,

где коэффициенты а и b называют постоянными Ван дер Ваальса, которые зависят от химической природы вещества, температуры и давления.

Уравнение Ван дер Ваальса для произвольного количества газа массой m имеет вид

\ Left (p + \ frac {m ^ 2} {\ mu ^ 2} \ frac {a} {V ^ 2} \ right) \ left (V - \ frac {m} {\ mu} b \ right) = \ frac {m} {\ mu} RT

Уравнение Ван дер Ваальса является приближенным уравнением состояния реального газа, причем степень приближения различен для разных газов. Записанная большое количество эмпирических и полуэмпирических уравнений состояния реальных газов (уравнение: Бертло [7], Клаузиуса - Клапейрона, Дитеричи [8], Редлиха - Квонг [9], Камерлинг-Оннес и т.д.). За счет увеличения числа констант в этих уравнениях можно достичь лучшего согласования с практикой, по сравнению с уравнением Ван дер Ваальса. Однако уравнение Ван дер Ваальса благодаря своей простоте и физическому содержанию постоянных a и b, входящие в него, является наиболее распространенным для анализа качественного поведения реальных газов.


4. Свободный газ

Свободный газ ( рус. газ свободный; англ. free gas; нем. freies Gas n) - газовые компоненты, в которых частицы газа ( молекулы, атомы) движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних сил все предоставленный им объем в пористых и трещиноватых горных породах, в воздушной атмосфере Земли.

Свободный газ может находиться над нефтью в нефтяном пласте или в любом резервуаре над жидкостью (водой, нефтью и т.д.) в равновесии с тем же газом в растворенном состоянии. Свободный газ может выделяться из угольных пластов в шахтах и ​​создавать опасность в случае несоблюдения правил техники безопасности. Свободный газ может переходить в связанный (сорбировать) состояние и обратно, он может выделяться в виде струй с естественных выходов на поверхность Земли, выбрасываться под большим давлением из жерла вулкана при извержении подобное.

По условиям нахождения в природе различают свободный газ атмосферы и свободный газ литосферы; по формам проявления - газогенний, газоакумулятивний (газовое скопление), циркуляционный (воздушный), смешанный; по химическому составу: углеводородный, углекислотный, азотный, сероводородный, гелиевый подобное.

Каждый из этих типов встречается в природе как в чистом виде, так и в различных смесях. Большие скопления свободного газа, имеющих промышленную ценность, образующихся в литосфере.

По химическому составу свободные газы литосферы :

Свободные газы углеводородного типа, в котором преобладает метан при сравнительно невысоком содержании (0,1%) тяжелых углеводородов, относятся к сухим, постных газов. При содержании гомологов метана от 1 до 5% свободный газ называется полусухим.

Свободный газ, характеризующийся повышенным содержанием гомологов метана (25% и более), относят к жирным газов. Чем выше давление и температура, тем большее количество углеводородов содержится в свободном газ. При разработке залежей свободный газ возможно выделение (выпадение) жидких углеводородов ( конденсата) в пласте.


5. Насыщенный и ненасыщенный газ

Насыщенный газ ( рус. газ насыщенный; англ. saturated gas; нем. gesttigtes Gas n) - влажный газ, у которого парциальное давление пара равно давлению насыщения при заданной температуре. Обратное - ненасыщенный газ.

Ненасыщенный газ ( рус. газ ненасыщенный; англ. unsaturated gas; нем. ungesttigtes Gas) - влажный газ, у которого парциальное давление пара является меньшим давления насыщения при заданной температуре.

Обратное - насыщенный газ.


См.. также


Примечания

  1. В планетарном масштабе газ атмосферы содержится силами гравитации
  2. Harper, Douglas. " gas - www.etymonline.com/index.php?term=gas ". Online Etymology Dictionary.
  3. Robert Brown On The Particles contained In The Pollen Of Plants; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies - www.physik.uni-augsburg.de/theo1/hanggi/History/Brownian.pdf The miscellaneous botanical works of Robert Brown, Volume 1. Опубликовано в Edinburgh new Philosophical Journal (pp. 358-371, July-September), 1828.
  4. ДСТУ 3651.2-97 Метрология. Единицы физических величин. Физические стали и характеристические числа. Основные положения, обозначения, названия и значения. - science.crimea.edu/norm_doc/dstu36512.pdf
  5. Avogadro constant - physics.nist.gov / cgi-bin / cuu / Value? na (Англ.)
  6. McPherson, William and Henderson, William. An Elementary study of chemistry. 1917
  7. D. Berthelot in Travaux et Mmoires du Bureau international des Poids et Mesures - Tome XIII (Paris: Gauthier-Villars, 1907)
  8. C. Dieterici Ann. Phys. Chem. Wiedemanns Ann. 69, 685 (1899).
  9. Redlich O., Kwong JNS On The Thermodynamics Of Solutions. V. An Equation of State. Fugacities of Gaseous Solutions - pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/cr60137a013 / / Chemical Reviews. - 1949. - Т. 44. - № 1. - С. 233-244

Литература

  • Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. т. V. Статистическая физика. Часть 1., Москва: Наука., 1976.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики - Издание 3-е, исправленное и дополненное. - М.: Наука, 1990. - Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. - 592 с. - ISBN 5-02-014187-9.
  • Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова - 3-е изд. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам