ГАЗ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ГАЗ (франц. gaz, от греч. χᾴος – хаос), агрегатное состояние вещества, в котором его атомы или молекулы не связаны или очень слабо связаны силами взаимодействия и заполняют весь предоставленный им объём. Термин «Г.» предложен в нач. 17 в. Я. Б. ван Гельмонтом. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Г. образуют атмосферу Земли, в значит. количествах содержатся в твёрдых земных породах (газы природные), растворены в воде океанов, морей и рек. Звёзды, облака межзвёздного вещества, туманности, атмосферы планет состоят из Г. – нейтральных или ионизованных (плазмы).
Любое вещество в зависимости от давления и темп-ры может существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р – темп-ра Т (р, Т-диаграмма, рис.). При темп-рах ниже критической Ткр (см. Критическое состояние вещества) эта область ограничена кривыми сублимации I и парообразования II. В состояниях на кривой I (ниже тройной точки Tтр) газ находится в равновесии с твёрдой фазой, а на кривой II (между Tтр и Ткр) – с жидкой фазой. Г. в этих состояниях обычно называют паром вещества. При переходе через эти кривые пар конденсируется, переходя в твёрдое или жидкое состояние. Процессы конденсации Г., особенно сжижение газов, имеют важное технич. значение.
При Т>Ткр фазовые превращения не происходят, и иногда за условную границу между Г. и жидкостью принимают критическую изохору вещества, в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются особенно быстро.
Свойства Г. при изменении темп-ры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0 °C и атмосферном давлении) плотность Г. примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной темп-ре и высоком вакууме плотность Г. может составлять 10–17 кг/м3. В космич. пространстве плотность Г. может быть ещё на 10 порядков меньше (10–27 кг/м3). При весьма высоких давлениях вещество, которое при Т>Ткр можно считать Г., обладает огромной плотностью (напр., в центре некоторых звёзд плотность порядка 1012 кг/м3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газа.
Идеальный газ
Для описания изменения плотности Г. с темп-рой и давлением используются разл. уравнения состояния – либо эмпирические, либо основанные на некоторых физич. моделях газа. В частности, молекулярно-кинетическая теория рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих молекул или атомов, находящихся в хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений удаётся объяснить осн. физич. свойства Г., особенно полно – свойства разреженных газов. Г., молекулы которого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, называется идеальным (см. Идеальный газ).
Для разреженных Г. широко применяется уравнение состояния идеального Г., называемое Клапейрона уравнением: $$ pv=RT \qquad (1)$$ Здесь R – универсальная газовая постоянная, v – объём 1 моля Г. Уравнение Клапейрона обобщает эмпирич. газовые законы (см. Бойля – Мариотта закон, Гей-Люссака законы). Из уравнения (1) следует, что при одинаковых р и Т идеальные Г., взятые в количестве 1 моля, имеют равные объёмы.
С помощью дифференциальных уравнений термодинамики, зная уравнение состояния Г., можно определить зависимость его калорических свойств (теплоёмкости, внутренней энергии, энтропии) от плотности или давления. В частности, для идеального Г. теплоёмкость и внутр. энергия не зависят от плотности.
Процессы переноса в газах
При наличии градиентов темп-ры, давления и концентрации компонентов в Г. возникают процессы переноса (см. Переноса явления). Молекулярно-кинетическая теория рассматривает их с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос количества движения. Процессы переноса возникают, поскольку молекулы Г. взаимодействуют (сталкиваются) между собой. Поэтому модель идеального Г. для анализа явлений переноса непригодна. В простейшем случае явления переноса в Г. рассматриваются для разреженного Г., молекулы которого в первом приближении считаются упругими шариками с определённым диаметром, причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении диаметр молекулы связан простым соотношением с её ср. длиной свободного пробега l. В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Г., больше l, то теплопроводность и вязкость Г. не зависят от давления. Наоборот, когда l больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Г. с уменьшением давления падают. На этом явлении, в частности, основаны теплоизолирующие свойства Дьюара сосудов.
В более строгой молекулярной теории при анализе явлений переноса в разреженных Г. учитывается взаимодействие молекул при любых расстояниях между ними. Характер взаимодействия определяется т. н. потенциалом взаимодействия (см. Межмолекулярное взаимодействие).
Реальные газы
При повышении плотности уравнение состояния (1) оказывается неприменимым, т. к. ср. расстояния между молекулами Г. становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия. Для описания термодинамич. свойств неидеальных, или, как их чаще называют, реальных Г. пользуются разл. уравнениями состояния. Простейшим примером уравнения, которое качественно правильно описывает осн. отличия реального Г. от идеального, служит Ван дер Ваальса уравнение. Оно учитывает, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Г.), с другой – сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию газа.
К наиболее теоретически обоснованным, во всяком случае для состояний, удалённых от критич. точки, относится вириальное уравнение состояния, представляющее собой разложение в ряд по степеням величины z=pv/RT. Коэффициенты этого ряда (вириальные коэффициенты) определяются соударениями молекул: парными, тройными и более высокого порядка и являются функциями только темп-ры. В Г. сравнительно малой плотности наиболее вероятны парные столкновения. При т. н. темп-ре Бойля ТВ (см. Бойля точка) умеренно плотный Г. ведёт себя как идеальный, т. е. подчиняется уравнению (1). Физически это означает, что при ТВ межмолекулярные силы притяжения и отталкивания практически компенсируют друг друга.
Межмолекулярное взаимодействие в той или иной степени сказывается на всех свойствах реальных Г. Внутр. энергия реального Г. оказывается зависящей от плотности или давления. Это взаимодействие определяет изменение темп-ры реального Г. при адиабатич. расширении без совершения работы, называемом дросселированием. Мерой изменения темп-ры Г. при дросселировании служит коэф. Джоуля – Томсона, который в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Г.), отрицательным (нагрев Г.) либо равным нулю при т. н. темп-ре инверсии (см. Джоуля – Томсона эффект). Эффект охлаждения Г. при дросселировании применяется в технике сжижения газов.
Внутреннее строение молекул слабо влияет на уравнение состояния Г. Напротив, калорич. свойства Г., а также его электрич. и магнитные свойства существенно зависят от внутр. строения молекул: наличия колебаний атомов в молекуле, разл. форм вращения, возбуждения электронных уровней (т. е. числа внутр. степеней свободы iвн). В соответствии с равнораспределения законом на каждую степень свободы молекулы Г. приходится одинаковая энергия. Отсюда теплоёмкость cv 1 моля идеального Г. равна (iвн/2)R.
Для расчёта зависимости калорич. свойств Г. от темп-ры необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о которых в большинстве случаев получают из анализа спектров Г. Для большого числа веществ в приближении идеального газа калорич. свойства вычислены с высокой точностью и их значения представлены в виде таблиц.
Электрич. свойства Г. связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Г. электрически заряженных частиц (ионов и электронов). При отсутствии заряженных частиц Г. являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электрич. проводимость Г. увеличивается (см. Электрические разряды в газах).
При темп-рах начиная с нескольких тысяч градусов всякий Г. частично ионизуется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то её свойства мало отличаются от свойств обычного газа.
По магнитным свойствам Г. делятся на диамагнитные (к ним относятся, напр., благородные газы, H2, N2, CO2, пары́ H2O) и парамагнитные (напр., O2). Диамагнитными являются Г., молекулы которых не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под влиянием внешнего поля (см. Диамагнетизм). Г., у которых молекулы обладают постоянным магнитным моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм).
Учёт межмолекулярного взаимодействия и внутр. строения молекул необходим при решении мн. проблем физики Г., напр. при исследовании влияния верхних разреженных слоёв атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика, Динамика разреженных газов).
В совр. физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К Г. с особыми свойствами (квантовым газам) относят, напр., совокупность свободных электронов в металле (электронный Г.), фононов в жидком гелии (фононный Г.). Свойства бозе-газов (напр., Г. фотонов, π-мезонов, фононов) описывает квантовая Бозе – Эйнштейна статистика, свойства ферми-газов (напр., Г. электронов, нейтронов, нейтрино, дырок проводимости и др.) рассматривает квантовая Ферми – Дирака статистика.