Kaasu

Kaasu eli kaasumainen tila ( hollanniksi.  kaasu palaa toiselle kreikaksi. χάος ( háos ) - lit. kaaos [1] ) - yksi aineen neljästä pääaggregaattitilasta , jolle on tunnusomaista erittäin heikot sidokset sen muodostavien hiukkasten välillä ( molekyylejä , atomeja tai ioneja ), sekä niiden korkea liikkuvuus. Kaasupartikkelit liikkuvat lähes vapaasti ja kaoottisesti törmäysten välissä, jolloin niiden liikkeen luonteessa tapahtuu jyrkkä muutos [2] .

Aineen kaasumaista tilaa olosuhteissa, joissa saman aineen stabiilin nestemäisen tai kiinteän faasin olemassaoloa kutsutaan yleensä höyryksi . Todellinen kaasu on erittäin tulistettua höyryä, jonka ominaisuudet poikkeavat hieman ideaalikaasun ominaisuuksista. Tältä osin höyryjen ja todellisten kaasujen termodynaamisessa kuvauksessa tulee erottaa vain kaksi tilaa - tyydyttyneet höyryt (kaksifaasijärjestelmät) ja tulistetut höyryt  - (yksifaasiset kaasutilat) [3] . Käsitteelle todellinen kaasu on toinenkin määritelmä , joka sisältää aineen koko kaasumaisen tilan alueen kyllästetystä höyrystä erittäin tulistettuun ja erittäin harvinaiseen.

Kuten nesteet , kaasut ovat juoksevia ja kestävät muodonmuutoksia . Toisin kuin nesteillä, kaasuilla ei ole kiinteää tilavuutta , vaan ne pyrkivät täyttämään koko käytettävissä olevan tilavuuden (esimerkiksi astian). Planeetan mittakaavassa kaasua ilmakehässä pitää painovoima , eikä se muodosta vapaata pintaa.

Kaasumainen tila on yleisin aineen tila universumissa ( tähtienvälinen aine , sumut , tähdet , planeettojen ilmakehät jne.). Kaasujen ja niiden seosten kemialliset ominaisuudet ovat hyvin erilaisia: matala-aktiivisista inerttistä kaasuista räjähtäviin kaasuseoksiin. "Kaasun" käsite ulotetaan joskus paitsi atomien ja molekyylien aggregaatteihin, vaan myös muiden alkeishiukkasten aggregaatteihin (eli kvanttijärjestelmään ) - fotonit , elektronit , Brownin hiukkaset ja myös plasma .

Nesteen haihduttamiseksi sitä ei tarvitse lämmittää ollenkaan. Voit alentaa ilmanpainetta nostamalla korkealle tai imuroimalla .

Jotkut erikoistapaukset

Etymologia

Sanan "kaasu" ( hollantilainen.  kaasu ) loi 1600-luvun alussa flaamilainen luonnontieteilijä J. B. van Helmont kuvaamaan saamaansa "kuollutta ilmaa" ( hiilidioksidia ). Ya. I. Perelmanin mukaan Helmont kirjoitti: "Kutsuin tällaista höyrykaasua , koska se ei juuri eroa muinaisten kaaoksesta " [5] .

On myös mahdollista, että saksalaisen kaasun  "keittämisen" vaikutus on myös mahdollista.

Venäjällä M. V. Lomonosov käytti termiä "elastiset nesteet" ilmaistakseen kaasuja , mutta se ei juurtunut.

Fysikaaliset ominaisuudet

Makroskooppiset ominaisuudet

Useimpia kaasuja on vaikea tai mahdoton tarkkailla suoraan aisteillamme, ja niitä kuvataan neljällä fysikaalisella ominaisuudella tai makroskooppisella ominaisuudella: paine , tilavuus , hiukkasten lukumäärä (kemistit käyttävät moolia ) ja lämpötila . Tiedemiehet, kuten Robert Boyle , Jacques Charles , John Dalton , Gay-Lussac ja Amedeo Avogadro , ovat pitkään tutkineet näitä neljää ominaisuutta toistuvasti erilaisille kaasuille eri olosuhteissa. Heidän yksityiskohtainen tutkimus johti lopulta matemaattisen suhteen luomiseen näiden ominaisuuksien välille, joka ilmaistaan ​​ihanteellisen kaasun tilayhtälössä .

Kaasun pääominaisuus on, että se täyttää kaiken käytettävissä olevan tilan muodostamatta pintaa. Kaasut sekoittuvat aina. Kaasu on isotrooppinen aine, eli sen ominaisuudet eivät riipu suunnasta. Tapauksissa, joissa gravitaatiovoimat voidaan jättää huomiotta tai ne tasapainotetaan muilla voimilla, paine on sama kaikissa kaasun kohdissa (katso Pascalin laki ).

Gravitaatiovoimien alalla tiheys ja paine eivät ole samat jokaisessa pisteessä, vaan ne pienenevät korkeuden mukana barometrisen kaavan mukaan . Näin ollen painovoiman alueella kaasuseos muuttuu epähomogeeniseksi. Raskaat kaasut laskeutuvat alemmas, kun taas kevyemmät kaasut nousevat ylöspäin. Gravitaatiokentässä kaikkiin kaasuun upotettuihin kappaleisiin vaikuttaa Arkhimedeen voima [6] , jota käytetään ilmapallojen ja muiden kevyillä kaasuilla tai kuumalla ilmalla täytettyjen ilmailuajoneuvojen lentämiseen.

Kaasulla on korkea kokoonpuristuvuus  - paineen kasvaessa sen tiheys kasvaa . Lämpötilan noustessa kaasut laajenevat. Puristettuna kaasu voi muuttua nesteeksi, jos sen lämpötila on alle niin sanotun kriittisen lämpötilan. Kriittinen lämpötila on tietyn kaasun ominaisuus ja riippuu sen molekyylien välisistä vuorovaikutusvoimista. Joten esimerkiksi heliumkaasu voidaan nesteyttää vain alle 4,2 K :n lämpötilassa.

On kaasuja, jotka jäähtyessään siirtyvät kiinteään kappaleeseen ohittaen nestefaasin. Nesteen muuttumista kaasuksi kutsutaan haihdutukseksi ja kiinteän aineen suoraa muuttumista kaasuksi sublimaatioksi .

Rinnakkaiselo nesteen kanssa

Tietyllä lämpötila- ja painealueella saman aineen kaasu ja neste voivat esiintyä rinnakkain tasapainoisen kaksifaasijärjestelmän muodossa. Nesteen pinnan yläpuolella olevaa kaasua kutsutaan kylläiseksi höyryksi .

Mikroskooppiset ominaisuudet

Jos voisi tarkkailla kaasua tehokkaalla mikroskoopilla, voisi nähdä joukon hiukkasia (molekyylejä, atomeja jne.), joilla ei ole tiettyä muotoa ja tilavuutta ja jotka ovat kaoottisessa liikkeessä. Nämä neutraalikaasuhiukkaset vaihtavat suuntaa vain törmääessään muihin hiukkasiin tai säiliön seinämiin. Jos oletetaan, että nämä vuorovaikutukset (iskut) ovat ehdottoman elastisia, tämä aine muuttuu todellisesta ideaalikaasuksi. Tätä fraktiota kaasun mikroskooppisesta näkökulmasta kuvaa molekyylikineettinen teoria . Kaikki tämän teorian taustalla olevat lähtökohdat löytyvät kineettisen teorian osiosta "Peruspostulaatit".

Kaasumolekyylien lämpöliike

Kaasumolekyylien lämpöliikkeen tärkein piirre on häiriö (kaaoottinen) liike. Kokeellinen todiste molekyylien liikkeen jatkuvasta luonteesta on diffuusio ja Brownin liike .

Diffuusio on ilmiö, jossa aineen molekyylit tunkeutuvat spontaanisti toiseen. Aineiden keskinäisen diffuusion seurauksena niiden pitoisuus tasoittuu vähitellen kaikilla niiden käyttämän tilavuuden alueilla. On todettu, että diffuusioprosessin nopeus riippuu aineiden tyypistä ja lämpötilasta.

Yksi mielenkiintoisimmista ilmiöistä, joka vahvistaa molekyylien liikkeen satunnaisuutta, on Brownin liike, joka ilmenee kaasuun suspendoituneiden mikroskooppisten ainehiukkasten lämpöliikkeenä. Tämän ilmiön havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 1827 R. Brown , jonka nimestä se sai nimensä. Tällaisten hiukkasten liikkeen satunnaisuus selittyy kaasumolekyyleistä hiukkaseen eri suunnista tulevien impulssien siirron satunnaisella luonteella. Brownin liike on sitä näkyvämpää, mitä pienempi hiukkanen ja korkeampi järjestelmän lämpötila. Riippuvuus lämpötilasta osoittaa, että molekyylien kaoottisen liikkeen nopeus kasvaa lämpötilan noustessa, minkä vuoksi sitä kutsutaan lämpöliikkeeksi.

Avogadron laki

Avogadron laki  - samat määrät mitä tahansa kaasua samassa paineessa ja lämpötilassa sisältävät saman määrän molekyylejä.

Tämän lain löysi italialainen tiedemies Amedeo Avogadro vuonna 1811 kemiallisten kokeiden perusteella. Laki koskee heikosti puristettuja kaasuja (esim. ilmakehän paineen alaisia ​​kaasuja). Kun kyseessä ovat korkeapaineiset kaasut, sitä ei voida pitää pätevänä. Avogadron laki tarkoittaa, että kaasun paine tietyssä lämpötilassa riippuu vain molekyylien määrästä kaasun tilavuusyksikköä kohti, mutta ei riipu siitä, minkälaisia ​​molekyylejä ne ovat.

Aineen määrää, joka sisältää sen molekyylipainoa vastaavan määrän grammoja, kutsutaan grammamolekyyliksi tai mooliksi. Siitä, mitä on sanottu, seuraa, että eri aineiden moolit sisältävät saman määrän molekyylejä. Molekyylien määrä yhdessä moolissa ainetta, jota kutsutaan "Avogadron numeroksi", on tärkeä fysikaalinen määrä. GOST 3651.2-97:n mukaan Avogadro-vakion arvo otetaan:

N A = 6,0221367 10 23 ± 0,0000036 10 23 mol -1

CODATA-2010:n mukaan Avogadro-numero on

N A = 6,02214129 10 23 ± 0,00000027 10 23 mol -1

Avogadro-vakion määrittämiseksi tehtiin lukuisia ja erilaisia ​​tutkimuksia (Brownin liikkeestä, elektrolyysiilmiöistä jne.), jotka johtivat melko johdonmukaisiin tuloksiin ja ovat selkeä todiste molekyylien todellisuudesta ja aineen molekyylirakenteesta.

Kineettinen teoria

Kineettinen teoria antaa käsityksen kaasujen makroskooppisista ominaisuuksista ottaen huomioon niiden molekyylirakenteen ja molekyylien liikkeen. Liikemäärän ja liike-energian määrittelystä alkaen on mahdollista liikemäärän säilymislakia ja geometrisia suhteita käyttäen suhteuttaa järjestelmän makroskooppiset ominaisuudet (lämpötila ja paine) mikroskooppisiin ominaisuuksiin (yhden molekyylin kineettiseen energiaan). .

Kineettinen teoria selittää termodynaamisia ilmiöitä atomististen käsitteiden pohjalta. Teoria olettaa, että lämpö on seurausta erittäin suuren määrän mikroskooppisten hiukkasten (atomien ja molekyylien) kaoottisesta liikkeestä. Teoria selittää, kuinka kaasujärjestelmä reagoi ulkoisiin vaikutuksiin. Esimerkiksi kun kaasua kuumennetaan absoluuttisesta nollasta , jossa sen (klassiset) hiukkaset ovat täysin paikallaan, hiukkasten nopeus kasvaa sen lämpötilan noustessa. Tämä johtaa siihen, että ne törmäävät enemmän aluksen seiniin aikayksikköä kohti suuremman nopeuden vuoksi. Törmäysten määrän kasvaessa niiden vaikutus suonen seinämiin kasvaa, minkä verran paine kasvaa.

Kaasulakien onnistuneesta selityksestä, joka perustuu kineettisen teorian säännöksiin, on tullut yksi luonnossa olevien aineiden atomirakenteen vahvistavista tekijöistä. Modernissa fysiikassa molekyylikineettinen teoria nähdään kiinteänä osana tilastollista mekaniikkaa .

Sähkövirta kaasuissa

Kaasut ovat erittäin huonoja johtimia, mutta ionisoituneessa tilassa kaasu pystyy johtamaan sähkövirtaa [7] . Kaasun johtavuus riippuu jännitteestä epälineaarisesti, koska ionisaatioaste vaihtelee monimutkaisen lain mukaan. Kaasun ionisaatiossa on kaksi päämenetelmää: lämpöionisaatio ja ionisaatio sähköpurkauksella. Lisäksi on ns. itsenäinen sähköpurkaus (esimerkki on salama ).

Terminen ionisaatio - antaa atomeille riittävästi kineettistä energiaa elektronin irrottamiseen ytimestä ja sitä seuraavaa ionisaatiota kaasun lämpötilan nousun ja kaasuatomien lämpöliikkeen vuoksi, mikä johtaa törmäyksiin ja niiden muuttumiseen kineettiseksi energiaksi. Kaasujen ionisaatioon vaadittavat lämpötilat ovat erittäin korkeita (esimerkiksi vedyllä tämä luku on 6000 K). Tämän tyyppinen kaasuionisaatio on pääasiassa hajallaan luonnossa.

Matalissa lämpötiloissa kaasu voi myös johtaa virtaa, jos sen sisäisen sähkökentän teho ylittää tietyn kynnysarvon. Kynnysarvo tässä tapauksessa on se, että elektroni saavuttaa sähkökentän vaikutuksesta riittävän kineettisen energian, joka tarvitaan atomin ionisoitumiseen. Lisäksi elektronit kiihdytetään jälleen sähkökentällä ionisaatiota varten ja ionisoivat kaksi atomia jne. - prosessista tulee ketju. Lopulta kaikki vapaat elektronit saavuttavat positiivisen elektrodin, positiiviset ionit - negatiivisen elektrodin. Tämän tyyppistä ionisaatiota käytetään pääasiassa teollisuudessa.

Kun katodia lämmitetään sähköpurkauksella suurella virralla, se kuumennetaan elektronien termisen emission asteeseen ( kaaripurkaus ).

Siirtoprosessit

Kaasulle on ominaista korkea itsediffuusiokerroin.

Kaasuilla on alhainen lämmönjohtavuus, koska energian siirtyminen molekyylistä molekyyliin tapahtuu harvinaisten törmäysten vuoksi. Tämä selittää villan ja puuvillan hyvät lämmöneristysominaisuudet, materiaalit, joissa suurin osa tilavuudesta on täytetty ilmalla. Mutta kaasuissa toimii toinen lämmönsiirtomekanismi - konvektio .

Kokoonpuristuvuus

Kokoonpuristuvuus ( z) on kaasun ominaistilavuuden  suhde ideaalikaasun ominaistilavuuteen, jolla on sama moolimassa . Tämä luku on yleensä hieman pienempi kuin yksikkö, mutta poikkeaa siitä eniten kyllästysviivan lähellä ja melko monimutkaisille orgaanisille kaasuille, esimerkiksi metaanille normaaleissa olosuhteissa [8] .

Puristuvuuskertoimen laskemiseen on useita tapoja:

Lämpökapasiteetti

Kaasun lämpökapasiteetti riippuu suuresti kaasun kanssa tapahtuvan prosessin luonteesta . Yleisimmin käytetty isobarinen lämpökapasiteetti ja isokoori ; ihanteellista kaasua varten .

Lämmönjohtavuus

Kaasujen lämmönjohtavuus on lämpöenergian suunnatun siirron ilmiö, joka johtuu kaasuhiukkasten törmäyksestä ilman aineen siirtymistä.

Viskositeetti

Toisin kuin nesteiden , kaasujen kinemaattinen viskositeetti kasvaa lämpötilan noustessa, vaikka dynaamisen viskositeetin tapauksessa riippuvuus on vähemmän selvä. Myös viskositeetti kasvaa paineen myötä.

Prandtl-numero

Kaasujen Prandtl-luku (kinemaattisen viskositeetin suhde terminen diffuusion suhde ) on yleensä hieman pienempi kuin yksi.

Yksinkertaistetut kaasumallit

Tilayhtälö ( kaasuille) on matemaattinen malli, jota käytetään kaasun ominaisuuksien approksimoimiseen tai mallintamiseen. Tällä hetkellä ei ole olemassa yhtä tilayhtälöä, joka ennustaisi tarkasti kaikkien kaasujen ominaisuudet kaikissa olosuhteissa. Siksi tietyille kaasuille on kehitetty suuri määrä tarkkoja tilayhtälöitä tietyillä lämpötiloilla ja paineilla. Yleisimmin käytetyt kaasun matemaattiset mallit ovat "ideaalikaasu"- ja "oikeakaasu"-mallit.

Ihanteellinen kaasu

Ihanteellinen kaasu on kaasu, jossa molekyylejä voidaan pitää aineellisina pisteinä ja molekyylien väliset veto- ja hylkimisvoimat voidaan jättää huomiotta. Luonnossa tällaista kaasua ei ole, mutta todelliset harvinaiset kaasut ovat ominaisuuksiltaan lähellä ihanteellista kaasua paineissa, jotka eivät ylitä 200 ilmakehää ja eivät kovin alhaisissa lämpötiloissa, koska sellaisissa olosuhteissa molekyylien välinen etäisyys on paljon suurempi kuin niiden koko. Fenomenologisen termodynamiikan näkökulmasta ihanteellinen kaasu (määritelmän mukaan) on hypoteettinen kaasu, jota ei ole luonnossa ja joka noudattaa tarkasti kaasun tilan Clapeyron-Mendeleevin yhtälöä :

Ihanteellisia kaasuja on kolmea tyyppiä:

  1. Klassinen ideaalikaasu tai Maxwell-Boltzmann-kaasu .
  2. Bosen ihanteellinen kvanttikaasu (koostuu bosoneista) .
  3. Ihanteellinen kvanttifermikaasu ( koostuu fermioneista).

Ihanteellisen kaasun sisäenergiaa kuvaa seuraava yhtälö:

missä

on vakio (yhtä kuin esimerkiksi 3/2 monoatomiselle kaasulle),  - sisäinen energia ( J ),  - paine ( Pa ),  - tilavuus (m 3 ),  - aineen määrä ( mol ),  on yleinen kaasuvakio (J/(mol K)),  on absoluuttinen lämpötila ( K ),  on molekyylien lukumäärä,  on Boltzmannin vakio (J/K).

Oikea kaasu

Todellinen kaasu  on kaasu, jonka molekyylien välillä on molekyylien välisiä vuorovaikutusvoimia.

Kokemus on osoittanut, että ihanteellisten kaasujen lait pätevät suurella tarkkuudella todellisille kaasuille vain kriittisen lämpötilan ylittävissä lämpötiloissa. Paineen noustessa ja lämpötilan laskussa kriittisen alle, kaikkien todellisten kaasujen käyttäytymisessä havaitaan merkittäviä poikkeamia. Todellisen kaasun puristuvuus ulkoisista voimista on paljon pienempi kuin ihanteellinen. Todelliset kaasut tiivistyvät, eikä ideaalisen kaasun tilayhtälö voi selittää aineen siirtymistä kaasumaisesta tilasta nestemäiseen tilaan [9] .

Molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimat ovat lyhyen kantaman, eli ne ilmaantuvat etäisyyksillä R ≤ 10 −9 m ja pienenevät nopeasti etäisyyden kasvaessa.

Molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimat voivat molekyylien välisestä etäisyydestä riippuen olla veto- tai hylkimisvoimia. Molekyylisiä vetovoimavoimia kutsutaan van der Waalsin voimiksi . Kuvasta voidaan nähdä, että suurilla molekyylien välisillä etäisyyksillä, kun kaasun tiheys on pieni, van der Waalsin voimat välittävät oikein molekyylien välisen vuorovaikutuksen luonteen. Käyrän osa, joka vastaa molekyylien välistä repulsiota van der Waalsin mallissa, vastaa käyrän positiivista osaa. Tässä osiossa U (r) → ∞ kohdassa r ≤ d, eli molekyylien keskukset eivät voi lähestyä etäisyyttä r < d (d on molekyylin halkaisija). Yleensä katkonainen käyrä edustaa molekyylien parivuorovaikutuksen potentiaalista energiaa, joiden välillä vetovoimat vaikuttavat, ja hylkivät voimat ilmenevät vain törmäyksessä kovapallomallin mukaan.

Vuonna 1873 van der Waals analysoinut syitä todellisten kaasujen ominaisuuksien poikkeamiseen Boyle-Mariotten laista, johtanut todellisen kaasun tilayhtälön, jossa molekyylien oma tilavuus ja vuorovaikutusvoimat ne otettiin huomioon. Van der Waalsin yhtälön analyyttinen lauseke yhdelle kaasumoolille on:

,

jossa kertoimia ja kutsutaan van der Waalsin vakioiksi, jotka riippuvat aineen kemiallisesta luonteesta, lämpötilasta ja paineesta.

Van der Waalsin yhtälö mielivaltaiselle määrälle kaasua, jolla on massa, on muotoa:

Van der Waalsin yhtälö on likimääräinen tilayhtälö todelliselle kaasulle, ja sen approksimaatioaste on erilainen eri kaasuilla. Suuri määrä empiirisiä ja puoliempiirisiä tilayhtälöitä todellisille kaasuille on kirjoitettu muistiin (yhtälö: Berthelot, Clausius-Clapeyron, Diterici, Redlich-Kwong, Kamerling-Onnes jne.). Lisäämällä vakioiden määrää näissä yhtälöissä voidaan saavuttaa parempi yhteensopivuus käytännön kanssa verrattuna van der Waalsin yhtälöön. Kuitenkin van der Waalsin yhtälö on yksinkertaisuutensa ja vakioiden ja sen aineosien fysikaalisen sisällön vuoksi yleisin todellisten kaasujen kvalitatiivisen käyttäytymisen analysoinnissa.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Vieraiden sanojen sanakirja. - M .: " Venäjän kieli ", 1989. - 624 s. ISBN 5-200-00408-8
  2. ↑ Physical Encyclopedia, osa 1, 1988 , s. 375.
  3. ↑ Belokon N.I., Termodynamiikan perusperiaatteet, 1968 , s. 78.
  4. ↑ Kirillin V. A., Tekninen termodynamiikka, 1983 , s. 165.
  5. ↑ Perelman Ya. I., Entertaining Physics, 1994 , s. 109.
  6. ↑ Physical Encyclopedia, osa 1, 1988 , s. 123.
  7. ↑ Perusoppikirja; fysiikka / Toim. Landsberg G.S .. - Toim. 8. - M .: Nauka , 1972. - T. 2. - S. 230-268.
  8. ↑ GOST 30319.1-96. Maakaasu. Fysikaalisten ominaisuuksien laskentamenetelmät. Maakaasun, sen komponenttien ja sen jalostustuotteiden fysikaalisten ominaisuuksien määrittäminen.
  9. ↑ Vukalovich M.P., Tekninen termodynamiikka, 1968 , s. 190-192.

Kirjallisuus