Какие свойствами обладают газы
Физические законы и параметры газов являются основополагающими для создания вакуумных систем. Даже при крайне низких значениях давлений, используемых в вакуумной технике, физические процессы, протекающие в газах, подчиняются общим газовым законам. Необходимость создания вакуума обычно связана с потребностью уменьшения концентрации молекул газа или частоты их столкновений с поверхностью сосуда. Газовые процессы в вакуумных системах можно, как правило, рассматривать с точки зрения законов идеального газа, а некоторые общие физические процессы вакуумных систем могут быть описаны с помощью статических и динамических свойств газов. Физические процессы, протекающие в газах при низком давлении, а также различные параметры и свойства газового потока рассмотрены ниже.
Параметры состояния газа
Если взять образец газа, то для описания его состояния достаточно знать три из четырех параметров. Этими параметрами являются давление, объем, температура и количество газа.
Давление – это сила, с которой газ воздействует на единицу площади поверхности сосуда. В СИ единицей измерения давления является паскаль, или ньютон на квадратный метр (Н/м2). В вакуумной технике также используется единица измерения миллиметр ртутного столба, или Торр: 1 мм рт. ст. = 133 Па (1 Па = 7,5 мм рт. ст.).
Объем – мера пространства, которое занимает газ; обычно он задается размерами сосуда. Единицей объема в СИ является кубический метр (м3), однако для обозначения быстроты откачки и потока газа, а также других величин широко используются литры.
Температура газа при давлении ниже 1 Торр главным образом определяется температурой поверхностей, с которыми он соприкасается. Как правило, газ находится при комнатной температуре. При выводе уравнений, описывающих состояние газов, для измерения температуры используют Кельвины (К).
Количество газа в данном объеме измеряется в молях.
Моль – число граммов газа (или любого вещества), равное его молекулярной массе. Моль содержит 6,02 х 1023 молекул. Один моль любого газа при 0 °С и давлении 760 Торр занимает объем, равный 22,4 л. Масса 1 моля газа равна его молекулярной массе в граммах.
Молярный объем является универсальной постоянной. Экспериментально установлено, что он составляет 22,414 л при 760 Торр и 0 °С. Поскольку 1 моль любого газа при температуре 0 °С и давлении 760 Торр занимает объем 22,4 л, из этого соотношения можно рассчитать молекулярную концентрацию любого объема газа, если известны его температура и давление. Например, 1 см3 воздуха при 760 Торр и 0 °С содержит 2,7 x 1019 молекул; в то время как при давлении 1 Торр и температуре 0 °С 1 см3 воздуха содержит 3,54 x 1016 молекул.
Газовые законы
Газовые законы устанавливают соотношения между физическими параметрами состояния газа (давление, объем, температура и количество газа) при постоянном значении одного из параметров. Эти законы справедливы для идеального газа в котором объем всех молекул является незначительным по сравнению с объемом газа, и энергия притяжения между молекулами является незначительной по сравнению с их средней тепловой энергией. Это означает, что данное вещество (в данном случае газ) находится в газообразном состоянии при температуре, которая достаточно высока для его конденсации. К газам, по своим свойствам близким к идеальным при комнатной температуре, относятся 02, Ne, Аг, СО, Н2 и NO.
Ниже приведены общие формулировки газовых законов.
Закон Бойля – произведение давления на объем рУ, где р – давление газа, V – его объем, является постоянной величиной для данной массы газа при постоянной температуре.
Закон Гей-Люссака – величина V/T, где Т- абсолютная температура газа, является постоянной для данной массы газа при постоянном давлении.
Закон Авогадро – равные объемы различных газов при одинаковых температуре и давлении содержат одно и то же количество молекул. Из этого закона можно получить важное соотношение между числом молей газа и давлением, которое создает газ.
Основное уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) устанавливает зависимость между давлением, объемом и температурой для данной массы газа, т. е. теми параметрами, которые необходимы для описания состояния газа:
$$pV=MRT, (1.1)$$
где R – универсальная газовая постоянная данного газа, R = 8,31 ДжДмоль К) (62,4 Торр-л/(моль x К)); М – это число молей в объеме V
Данный закон будет справедлив и для большинства газов, которые при низких давлениях ведут себя как идеальные газы.
Закон парциальных давлений Дальтона – общее давление, создаваемое смесью газов, равняется сумме парциальных давлений, создаваемых отдельными компонентами смеси.
Парциальное давление, создаваемое одним компонентом смеси газов, – это давление, создаваемое этим компонентом, если бы он занимал весь объем.
Закон Авогадро – равные объемы идеального газа при постоянных температуре и давлении содержат одно и то же количество молекул.
Число Авогадро – число молекул в 1 моле газа или любого вещества, является универсальной постоянной и составляет 6,023 • 1023.
Число Лошмидта – число молекул в кубическом сантиметре газа при атмосферном давлении и температуре 0 °С. Это универсальная постоянная, равная 2,637 x 1019.
Для 1 моля газа при атмосферном давлении и температуре 0 °С (273,2 К), занимающего объем V = 22,414 л, R= 8.31 Дж/(моль x К) или в тепловых единицах R/J= 1,99 кал/К (У – механический эквивалент теплоты, J = 4,182 Дж кал). Следовательно, количество теплоты 1,99 кал будет повышать температуру 1 моля любого идеального газа на 1 К, или после повышения температуры 1 моля любого идеального газа на 1 К увеличение энергии газа составит 8,31 Дж.
Неидеальные газы
Примерами некоторых распространенных неидеальных газов являются аммиак, этан, бензол, диоксид углерода (углекислый газ), пары ртути, SO и S02. Газовые законы должны описывать физические процессы, протекающие в любом газе при температуре выше критической. При критической температуре, Тс, газ начинает конденсироваться. Ниже этой критической температуры имеет место давление паров над жидким конденсатом, которое называется давлением пара. Если газ конденсируется (его объем уменьшается), давление изменяться не будет, но большее количество газа будет переходить в жидкую фазу. По мере снижения температуры над жидкостью будет присутствовать меньшее количество молекул, при этом давление паров также будет снижаться.
Источник
Есть вопросы? Пожалуйста, задавайте их в нашей группе Вконтакте, чтобы их смогли прочитать другие покупатели. Оперативный и подробный ответ гарантируем!
| В газообразном виде все тела получают особые свойства, а именно: ближе всего они обладают в высшей степени упругостью, т.е. под сильным давлением способны сжиматься до плотности жидкого, а порой даже твёрдого тела; но, уступая давлению, газы вследствие той же упругости сохраняют в соответствующей степени способность отпора, так что, будучи сдавленными или сжатыми, они стремятся расшириться до полного равновесия с атмосферным воздухом. Это стремление, основанное на взаимном отталкивании однородных частиц, до того развито в газах, что если бы на безвоздушную луну метнуть шар, наполненный воздухом, то шар этот, конечно, лопнул бы от силы внутреннего напора, а содержащийся в нем воздух равномерно облек бы всю поверхность луны. Поэтому воздушный шар, дойдя до известной высоты, должен либо остановиться, либо выпустить часть газа, либо лопнуть. Другая особенность газов заключается в том, что они занимают значительно больше места, чем тот материал, из которого они образовались. Так, например, кубический дюйм пороха превращается в 288 кубических дюймов газа. Если газы образуются медленно и при этом могут постепенно уходить в атмосферу, то сам акт появления их не окажет никакого особого действия: они расплывутся в пространстве. Если же образование этих газов последует очень быстро, но всё-таки на свободе, то получится только вспышка, т.е. мгновенное появление огня, сопровождаемое слабым шумом. Например, если спалить клочок пироксилина на открытой ладони, горсть пороха на камне, кучку бертолетовой соли с магнием или смесь 1 части алюминиевого порошка с 2 частями марганцовокислого калия. В иных случаях даже при таких обстоятельствах получается «хлопок», т.е. порывистый звук, образовавшийся от внезапного и сильного колебания воздушных волн (например, от взрыва щепотки гремучей ртути). Но если взрывчатый состав помещается в сжатом пространстве и окружен плотной оградой или стеной, то сдавленные газы стремятся расширить свой объём и, напирая изнутри, проявляют давление, пропорциональное их количеству в сравнении с занимаемым ими местом. Подобное явление больше всего замечается у огнестрельных орудий: в момент своего образования пороховые газы имеют плотность, почти равную плотности заряда, т.е. занимают место, в 288 раз меньшее по природному объёму. Вследствие этого газы напирают на стены, на казенник (заднюю часть орудия) и на дно снаряда (ядра), но, встречая в стенах и казеннике сопротивление, достаточное, чтобы выдержать напор, газы эти со всей силой напирают на ядро или пулю, которые буквально выдуваются или выталкиваются («выбрасываются») в данном направлении.
Огнестрельное орудие времен Гражданской войны в США Следовательно, сила «взрыва», т.е. мгновенного превращения твёрдого вещества в газообразное или густого газа в менее плотный, зависит, во-первых, от количества газов в сравнении с занимаемым ими местом, а во-вторых, от одновременности их появления, т.е. в данном случае – от быстроты сгорания состава. Третье – весьма существенное – условие заключается в том, чтобы как можно больше состава сгорало, т.е. как можно меньше получалось бы остатков и дыма. Но газы обладают ещё одним свойством, играющим крайне важную роль по отношению к взрыву: сила их напора возвышается с температурой, т.е. одно и то же количество газов, находящееся при одинаковых условиях помещения, получает значительно большую силу напора при повышении коэффициента теплоты. Так, например, порох, хорошо приготовленный и сгорающий почти мгновенно, даёт по объёму всего 288 кратных газа, но вследствие высокого нагревания (Ueberheizung surchauffe) напор этих газов превышает более 2000 раз атмосферное давление. Сухой пироксилин при тех же условиях развивает втрое большую силу. Давление это можно ещё значительно усилить, ускорив горение и именно посредством примеси какого-нибудь быстро воспламеняющегося тела к составу, горящему более медленно; если, например, порох взорвать посредством небольшого количества нитроглицерина, воспламененного гремучей ртутью, то давление происходит в 4 раза более сильное (т.е. в 8000 атмосфер, вместо 2000); а если посредством гремучей ртути взорвать сухой пироксилин, то давление в сравнении с порохом будет шестикратное (т.е. 12000 атмосфер). О механической работе пороха будет упомянуто в свое время. Сила напора, как уже сказано, всецело зависит от степени сжатия газов, но действие этого напора, т.е. направление его силы, находится в связи с быстротой горения веществ: если вещество сгорает постепенно (как, например, порох), то давление больше всего сосредоточивается на том месте окружающей среды, которое представляет наименьшее сопротивление. Порох выбрасывает пулю или бомбу, но разрывает орудие только в особых случаях. Если же горение происходит сразу, безо всякой последовательности, то газы напирают во все стороны. В первом случае действие называется «метательным» (Schleuderkraft), а во втором – «дробящим» (Brisanz). Метательные вещества употребляются для стрельбы, а дробящие – для взрывов. Выше было сказано, что газы, высвободившись из тесноты, сообщают наружному воздуху толчок, производящий колебание воздушных волн. От этого колебания получается звук, называемый «ударом», или «шлагом» (детонацией – Schlag, detonation). Его сила («интенсивность») зависит не столько от количества газов, сколько от степени внутреннего напора, так что сильный удар можно произвести сравнительно малыми средствами. Вещества или тела, простые или составные, способные при известных условиях (вследствие развития тепла от зажигания или от удара) быстро разлагаться, превращаясь в то же время почти наполовину (по весу, конечно) в сильно нагретые газы, производят взрыв, а потому и называются «взрывчатыми» (Explosivstoffe); так, например, порох превращается в размере 40 % (по весу) в газы, а остальные 60 % либо образуют твёрдый остаток, либо улетучиваются в виде дыма. При неблагоприятных условиях имеется ещё и третья потеря: слишком быстрое воспламенение выбрасывает значительную часть несгоревшего заряда. В противоположность к взрывчатым веществам имеются такие смеси и составы, которые не обладают особой способностью быстро превращаться в газы, но зато горят ярким, либо белым, либо цветным пламенем. Т.к. подобные огни не обнаруживают сильного напора, а горят тихо, без детонации, то их вообще называют пассивными (faules Feuer), а Детонирующие смеси – активными (Treib-feuer); первые употребляются для световых эффектов, вторые – для силовых. Помимо этого, состав может быть пламенным, искристым или ударным. Ударный производит только шлаг; пламенный даёт лишь пламя, искристый выкидывает раскаленные частицы, не составляющие элемента горения. Такие частицы либо сгорают в воздухе, либо тухнут (охлаждаются) в нём. Из этих трёх данных образуются сложные огни, т.е. такие, которые обладают двумя или всеми тремя упомянутыми свойствами: и светят, и искрятся, и дают шлаги. Правильная комбинация этих эффектов за- висит от точного знания свойств ингредиентов и от правильного дозирования смесей. Эта-то часть, называемая «пиротехнической химией», и составляет главнейшую суть всего фейерверочного дела, и чем меньше она основана на эмпирике, т.е. на опыте, слепо идущем наобум, ощупью, без сознательного понимания действия и причин, тем работа выйдет лучше и удачнее. Но до того, чтобы перейти к «синтезу» составов, т.е. к теории образования горючих смесей, необходимо предварительно ознакомиться с материалом, входящим в состав этих смесей; иначе придётся трактовать о неизвестных величинах, а это на практике почти всегда равносильно толчению воды в ступе. |
Источник
Естественные науки, включающая химию и физику, обычно рассматриваются как науки, изучающие природу и свойства вещества и энергии в неживых системах. Вещество во Вселенной – атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические тела, все, что имеет массу и занимает пространство. Энергия — это способность вызывать изменения. Энергия не может быть создана или уничтожена; он может быть только сохранена и преобразована из одной формы в другую. Потенциальная энергия — это энергия, хранящаяся в объекте из-за его положения – например, ведро с водой, повешенное над дверью, может упасть. Кинетическая энергия — это энергия, движения, любой объект или частица, находящаяся в движении, обладает кинетической энергией, зависящей от массы и скорости тела. Кинетическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, такие как электрическая энергия и тепловая энергия.
Существует пять известных фаз или состояний вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма и бозе-эйнштейновский конденсат. Основное различие в структурах каждого состояния находится в плотностях частиц.
ТВЕРДОЕ ТЕЛО
В твердом теле частицы плотно упакованы, поэтому они не могут двигаться очень сильно. Частицы твердого вещества имеют очень низкую кинетическую энергию. Электроны каждого атома находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они фиксируются в своем положении. Твердые тела имеют определенную форму, и могут длительное время ее сохранять. У них также есть определенный объем. Частицы твердого тела уже настолько плотно упакованы вместе, что увеличивающееся давление не будет сжимать твердое тело до меньшего объема.
ЖИДКОСТИ
В жидкой фазе частицы вещества имеют большую кинетическую энергию, чем частицы в твердом теле. Частицы жидкости не удерживаются в регулярном расположении, но все еще очень близки друг к другу, поэтому жидкости имеют определенный объем. Жидкости, как и твердые тела, трудно сжимаемы. Частицы жидкости имеют достаточно места для обтекания друг друга, поэтому жидкости имеют неопределенную форму. Жидкость принимает форму емкости, в которую она помещена. Сила распределяется равномерно по всей жидкости, поэтому, когда объект помещается в жидкость, частицы жидкости перемещаются за объектом.
Величина восходящей плавучей силы равна весу жидкости, в объеме тела. Когда плавучая сила равна силе тяжести, объект будет плавать. Этот принцип плавучести был обнаружен греческим математиком Архимедом, который, согласно легенде, выпрыгнул из своей ванны и побежал обнаженным по улицам, крича «Эврика!», после того, как догадался о выталкивающих силах в жидкости. Эту силу еще называют силой Архимеда, как дань уважения и признания древнему ученому.
Частицы жидкости, как правило, удерживаются слабым межмолекулярным притяжением, а не свободно перемещаются, как частицы газа. Эта сила сцепления соединяет частицы вместе, образуя капли или потоки.
Ученые сообщили, что в апреле 2016 года они создали странное состояние материи, которое, как предполагалось, существовало, но никогда не было видно в реальной жизни. Хотя этот тип материи можно держать в руке, как если бы он был сплошным, увеличение материала выявило бы беспорядочные взаимодействия его электронов, более характерные для жидкости. Это тип материи называют квантовой спиновой жидкостью Китаева, в ней электроны входят в своеобразный квантовый танец, в котором они взаимодействуют или «разговаривают» друг с другом. Обычно, когда вещество остывает, спин его электронов имеет тенденцию выстраиваться в линию. Но в этой квантовой спиновой жидкости электроны взаимодействуют так, что они влияют на то, как другие вращаются и никогда не выравниваются независимо от того, насколько материал холодный. Материал будет вести себя так, как будто его электроны, считающиеся неделимыми, разрушались.
ГАЗЫ
Частицы газа находятся на большом расстоянии друг от друга и имеют высокую кинетическую энергию. Если пространство не ограничено, частицы газа будут разбросаны бесконечно; если оно ограничено, газ будет расширяться, чтобы заполнить весь объем. Когда газ оказывается под давлением, то есть уменьшается объем емкости, пространство между частицами уменьшается, а давление, оказываемое их столкновениями, увеличивается. Если объем сосуда поддерживается постоянным, но температура газа увеличивается, то давление также увеличивается. Частицы газа обладают достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил, которые удерживают твердые частицы и жидкости вместе, поэтому газ не имеет определенного объема и формы.
ПЛАЗМА
Плазма не является общим состоянием материи здесь, на Земле, но может быть самым распространенным состоянием материи во Вселенной. Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для создания светильников, используя электричество для их ионизации в плазменное состояние. Звезды, по сути, являются перегретыми шарами плазмы.
КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЭЙНШТЕЙНА
В 1995 году технология позволила ученым создать новое состояние материи – конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Используя комбинацию лазеров и магнитов, Эрик Корнелл и Карл Вейман охладили образец рубидия с точностью до нескольких градусов до абсолютного нуля. При этой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Так как кинетическая энергия почти не передается от одного атома к другому, атомы начинают сжиматься вместе. Уже не тысячи отдельных атомов, а один «супер атом». КБЭ используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет, кажется, замедляется, когда он проходит через КБЭ, что позволяет изучать парадокс частиц/волн. КБЭ также обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости без трения, также используются для моделирования условий, которые могут выполняться в черных дырах.
СМЕНА ФАЗЫ
Добавление энергии к веществу приводит к физическому изменению – материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепловой энергии – тепла – к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром или газом. Извлечение энергии также приводит к физическим изменениям, например, когда жидкая вода становится льдом – твердой – при удалении тепла. Физическое изменение фазы также может быть вызвано движением и давлением.
ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ
Когда тепло прикладывается к твердому веществу, его частицы начинают быстрее вибрировать и склонны двигаться дальше друг от друга. Когда вещество при стандартном давлении достигает определенной точки, называемой точкой плавления, твердое вещество начинает превращаться в жидкость. Точку плавления чистого вещества часто можно определить с точностью до 0,1 градуса Цельсия, точкой, в которой твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Если вы продолжаете нагревать образец, температура не будет повышаться выше точки плавления, пока весь образец не будет сжижен. Тепловая энергия используется для преобразования твердого вещества в жидкую форму. Как только весь образец станет жидким, температура снова начнет расти. Соединения, которые в остальном очень похожи, могут иметь разные точки плавления, поэтому точка плавления может быть полезным способом различения среди них. Например, сахароза имеет точку плавления 186,1 градусов Цельсия, тогда как температура плавления глюкозы составляет 146 градусов Цельсия. Твердая смесь, такая как металлический сплав, часто может быть разделена на ее составные части путем нагревания смеси и извлечения жидкостей по мере достижения ими различных точек плавления.
Точка замерзания – это температура, при которой жидкое вещество достаточно охлаждается для образования твердого вещества. По мере охлаждения жидкости движение частиц замедляется. Во многих веществах частицы выравниваются точными геометрическими узорами для образования кристаллических твердых веществ. Большинство жидкостей сжимаются, когда они замерзают. Одной из важных характеристик воды является то, что она расширяется при замерзании, поэтому лед плавает. Если бы лед не плавал, не было бы жидкой воды под замерзшим льдом, и многие формы водной жизни были бы невозможны.
Температура замерзания часто близка к той же температуре, что и температура плавления, но не считается характерной для вещества, поскольку несколько факторов могут ее изменить. Например, добавление растворенных веществ в жидкость приведет к снижению температуры замерзания. Примером этого является использование суспензии соли для снижения температуры, при которой вода замерзает на наших дорогах. Другие жидкости можно охлаждать до температур, значительно ниже их температуры плавления, до того, как они начнут затвердевать. Такие жидкости называются суперохлаждаемыми и часто требуют наличия пылевой частицы или затравочного кристалла для начала процесса кристаллизации.
СУБЛИМАЦИЯ
Когда твердое вещество превращается непосредственно в газ без прохождения жидкой фазы, процесс известен как сублимация. Сублимация происходит, когда кинетическая энергия частиц больше атмосферного давления, окружающего образец. Это может произойти, когда температура образца быстро увеличивается за точку кипения (испарение вспышки). Чаще всего вещество может быть «высушено в замороженном состоянии» путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в веществе подвергается сублимации и удаляется из образца. Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при нормальной температуре и давлении. Наиболее известным из этих веществ является CO2 или сухой лед.
ПАРООБРАЗОВАНИЕ
Испарение представляет собой превращение жидкости в газ. Испарение может происходить путем испарения или кипения.
Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом, передавая при этом энергию. Этот перенос энергии имеет малое влияние внутри жидкости, но когда достаточная энергия передается частице вблизи поверхности, она может получить достаточную энергию, чтобы полностью удалиться из образца в виде частицы свободного газа. Этот процесс называется испарением, и он продолжается до тех пор, пока остается жидкость. Энергия, передаваемая поверхностным молекулам, вызывающая их вылет, уносится от оставшегося жидкого образца.
Когда к жидкости добавляется достаточно тепла, образуя пузырьки пара ниже поверхности, мы говорим, что жидкость кипит. Температура, при которой жидкость кипит, является переменной. Точка кипения зависит от давления вещества. Жидкость под более высоким давлением будет требовать больше тепла до того, как в ней могут образоваться пузырьки пара. На больших высотах атмосферном давлении ниже, чем при нормальных условиях, поэтому жидкость будет кипеть при более низкой температуре. Такое же количество жидкости на уровне моря находится под большим атмосферным давлением и будет кипеть при более высокой температуре.
КОНДЕНСАЦИЯ И ДЕСУБЛИМАЦИЯ
Конденсация – это когда газ превращается в жидкость. Конденсация происходит, когда газ охлаждается или сжимается до такой степени, что кинетическая энергия частиц больше не может преодолевать межмолекулярные силы. Первоначальный кластер частиц инициирует процесс, который имеет тенденцию дополнительно охлаждать газ, так что конденсация продолжается. Когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу, процесс называется осаждением или десублимацией. Примером этого является то, как при пониженных температурах преобразуется водяной пар в атмосфере в иней и лед. Иней имеет тенденцию обрисовывать сплошные листья травы и веток, потому что воздух, касающийся этих твердых веществ, охлаждается быстрее, чем воздух, который не касается твердой поверхности.
Источник