ГАЗ

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).

p, T-диаграмма состояния вещества. Область газообразного состояния заштрихована. Со стороны низких температур и давлений она ограничена кривыми сублимации I и парообразования II. Tтр – тройная т...

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 Т_кр (см. Кри­ти­че­ское со­стоя­ние ве­ще­ст­ва) эта об­ласть ог­ра­ни­че­на кри­вы­ми суб­ли­ма­ции I и па­ро­об­ра­зо­ва­ния II. В со­стоя­ни­ях на кри­вой I (ни­же трой­ной точ­ки T_тр) газ на­хо­дит­ся в рав­но­ве­сии с твёр­дой фа­зой, а на кри­вой II (ме­ж­ду T_тр и Т_кр) – 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>Т_кр 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>Т_кр 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 Т_В (см. Бой­ля точ­ка) уме­рен­но плот­ный Г. ве­дёт се­бя как иде­аль­ный, т. е. под­чи­ня­ет­ся урав­не­нию (1). Фи­зи­че­ски это оз­на­ча­ет, что при Т_В 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 i_вн). В со­от­вет­ст­вии с рав­но­рас­пре­де­ле­ния за­ко­ном на ка­ж­дую сте­пень сво­бо­ды мо­ле­ку­лы Г. при­хо­дит­ся оди­на­ко­вая энер­гия. От­сю­да те­п­ло­ём­кость c_v 1 мо­ля иде­аль­но­го Г. рав­на (i_вн/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.