Газы (агрегатное состояние вещества)

Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Г. образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из Г. — нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Г. представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Г.

Г. обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём Г. существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения Г. в обычных условиях (0—100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град-1. В табл. приведены данные о физическихсвойствах наиболее распространённыхГ.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р — температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Тк (см. Критическое состояние) эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки Tp)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) — с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать Г. — перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение Г. в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации Г., особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.

При Т > Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 1), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.

В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства Г. при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0° С и атмосферном давлении) плотность Г. примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной температуре, но давлении, в 1017 раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый современной вакуумной техникой), плотность Г. составляет около 10 -20 г/см3. В космических условиях плотность Г. может быть ещё на 10 порядков меньше (~10-30/см3).

С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать Г., обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства Г. — теплопроводность, вязкость и т. д.

Молекулярно-кинетическая теория Г. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетической теории удаётся объяснить основные физические свойства Г., особенно полно — свойства разреженных Г.

У достаточно разреженных Г. средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1 см3 Г. находится~ 1019 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10-6 см, или ~ 100