Какими свойствами характеризуется газ

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.

Газообразное состояние вещества – самое распространенное по сравнению с другими агрегатными параметрами соединений. Ведь в этом состоянии находятся:

• звезды;
• межзвездное пространство;
• планеты;
• атмосфера;
• космос в целом.

  

Главные отличительные свойства газов – это слабые межмолекулярные взаимодействия в кристаллической решетке, из-за которых и проявляются все основные характеристики этих веществ. Газов, безусловно, очень много. Однако мы рассмотрим самый важный и третий по распространенности на нашей планете – природный.

Природный газ: состав

Если характеризовать качественный состав природного газа, то сразу нужно выделить компоненты двух групп: органические и неорганические. Поскольку хоть и принято считать, что он состоит из метана, однако это не совсем так.

К органическим составляющим относятся:

• метан – СН4;
• пропан – С3Н8;
• бутан – С4Н10;
• этан – С2Н4;
• более тяжелые углеводороды с количеством атомов углерода больше пяти.

Неорганические компоненты включают в себя следующие соединения:

• водород (в небольших количествах) – Н2;
• углекислый газ – СО2;
• гелий – Не;
• азот – N2;
• сероводород – H2S.

Каким именно будет состав той или иной смеси, зависит от источника, то есть месторождения. Этими же причинами объясняются и различные физико-химические свойства природного газа. Однако добывается любой из них, и ценность также имеет каждый. Просто какой-то вид применяется как топливо, а насыщенный посторонними примесями слишком жирно используется в химической отрасли для синтезов соединений.

Физико-химические свойства природного газа

Чтобы указать подобные параметры в точности, следует знать, каков именно состав газовой смеси. Ведь если в ней преобладает в основном метан (до 97%), то характеристики можно приводить, ориентируясь именно на него.

Если же неорганических компонентов или тяжелых углеводородов в избытке (до нескольких процентов), тогда физико-химические свойства природного газа резко меняются.

Поэтому можно указать лишь приблизительные граничные показатели по физическим характеристикам.

1. Температура самовозгорания – 650-7000С.
2. Октановое число – 120-130.
3. Не имеет цвета, вкуса и запаха.
4. Легче воздуха почти в 2 раза, легко концентрируется в верхних слоях помещения.
5. Плотность в виде обычного состояния (газа) – 0,68-0,85 кг/м3.
6. При стандартных условиях всегда находиться в газообразном агрегатном состоянии.
7. При смешении с воздухом в объемах от 5-15 % является взрывоопасным.
8. Теплота сгорания – около 46 МДж/м3.

Кроме этого, следует отметить и химическую сторону параметров природного газа.

1. Является сильно горючим веществом, способен самовоспламеняться при подаче искры и без нее при определенной температуре.
2. Так как основной компонент – метан, то обладает всеми его химическими свойствами.
3. Вступает в реакции замещения, дегидрирования, пиролиза, подвергается рефракции.
4. Сжимается и сжижается при низких температурах и повышенном давлении.

   

Очевидно, что подобные физико-химические свойства природного газа определяют широкий спектр его использования в промышленности.

Особое свойство природного газа

Особое свойство рассматриваемого соединения – это способность образовывать газогидратные залежи, то есть находиться в твердом состоянии. Данные структуры представляют собой поглощенные молекулами пластовой воды объемы природного газа в соотношении 1/220. Поэтому подобные залежи являются чрезвычайно богатыми породами. Места их сосредоточения в природе:

• глубинные поддонные слои Мирового океана;
• скопления вечной мерзлоты.

Условия существования – гидродинамическое давление и низкие температуры.

Природные месторождения газа

Если говорить о содержании природного газа в природе, то можно выделить основные места концентрации:

1. Это горная осадочная порода, полезное ископаемое, которое формируется многие тысячелетия анаэробным распадом органики в глубоких слоях земной коры.
2. Растворен в подземных водах.
3. Входит в состав нефти, формируя над ней нефтегазовую шапку.
4. Залегает в виде газогидратов в слоях морского дна и точках крайнего Севера.

Если же обозначать распространение месторождений газа территориально, то лидерами являются следующие страны:

• Россия.
• Страны Персидского залива.
• США.
• Канада.
• Иран.
• Казахстан.
• Азербайджан.
• Узбекистан.
• Норвегия.
• Туркмения.
• Нидерланды.

Добыча в мире составляет ежегодно примерно 3643 млрд м3 в год. Из них только на Россию приходится 673,46 млрд м3.

Температура природного газа, при которой он сгорает, равна 650 0С. То есть это тот показатель, при котором он способен самовоспламеняться. При этом выделяется большее количество тепловой энергии, чем при горении любого другого вида топлива. Естественно, это не могло не отразиться на областях использования данного вещества.

Именно поэтому многие страны, не имеющие природных запасов газа, вынуждены импортировать его из других государств. Транспортировка осуществляется несколькими способами:

• по трубопроводу в газообразном состоянии;
• в цистернах по морскому пути – в жидком виде;
• в железнодорожных вагонах-цистернах – сжиженный.

Каждый из путей имеет свои преимущества и недостатки. В частности, морской и железнодорожный варианты более безопасные, так как химическая активность сжиженного газа в охлажденных баллонах гораздо ниже, чем в газообразном состоянии. По трубопроводу же увеличивается дальность передачи и ее объемы, кроме того, данный способ экономически выгоден.

Метан в составе природного газа

Газ метан является основным сырьевым компонентом в составе природной смеси. Его содержание колеблется в пределах 70-98%. Сам по себе это третий по распространенности на планете газ, который входит в состав нефти, межзвездного пространства, атмосферы других планет.

С точки зрения химии, газ метан – предельный углеводород, относящийся к ряду насыщенных алифатических соединений. Самый первый представитель алканов или парафинов. Химическая активность его невелика, он достаточно спокоен. Способен вступать в реакции:

• замещения;
• полного окисления;
• конверсии.

Горит бесцветным некоптящим пламенем, запаха не имеет.

Виды природного газа

Существует три основных вида рассматриваемого вещества.

1. Сухой природный газ – это такой, в котором метана более 97%. То есть содержание примесей, в том числе других углеводородов, крайне низкое.
2. Тощий газ. Так называют смесь, содержащую незначительное количество тяжелых углеводородов.
3. Жирный природный газ – тот, что богат на тяжелые углеводороды и неорганические компоненты (азот, водород, гелий, аргон, углекислый газ, сероводород).

   

Такое понятие, как коэффициент сухости газа, позволяет оценить качество сырья, из которого в дальнейшем будет изготовляться продукция. Ведь сам природный газ – это лишь база. Для разных отраслей промышленности нужен свой продукт, поэтому он проходит тщательную обработку и очистку в соответствии с конкретными требованиями.

Качество продукции

Качество природного газа напрямую зависит от состава. Если метан преобладает, то такой продукт будет самым лучшим как источник топлива. Если же больше всего в составе жирных углеводородов, то для химической промышленности такое сырье – наиболее подходящее.

Чтобы поставлять природный газ надлежащего качества, существуют специальные химические заводы, на которых он проходит тщательную очистку и обработку до дальнейшей отправки в конечный пункт. Методы работы будут зависеть от того, для каких целей предназначается продукт.

Так, например, если он будет использоваться для бытовых целей, то в него добавляют специальные вещества-одоранты, в частности меркаптаны. Это делается для того, чтобы газ стал иметь запах, ведь тогда в случае утечки его несложно будет обнаружить. Все меркаптаны имеют резкий неприятный запах.

Использование природного газа

Потребление природного газа осуществляется многими отраслями промышленности и объектами. Например:

• ТЭЦ.
• Котельные.
• Газовые двигатели.
• Химическое производство (изготовление пластмасс и прочих материалов).
• Топливо для машин.
• Обогрев жилых помещений.
• Приготовление пищи.

Поэтому мировая добыча данного сырья так велика, и импорт и экспорт оцениваются в миллиарды долларов.

Экологический аспект

С точки зрения чистоты для природы нет лучшего источника топлива, чем природный газ. Экологические организации полностью одобряют его использование. Однако в последние годы сгорание природного газа приводит к накоплению одного из продуктов реакции – диоксида углерода.

А так как он относится к парниковым газам, то для планеты его скопления очень опасны. Поэтому ведутся множественные работы, разрабатываются проекты по защите экологического состояния планеты от надвигающегося парникового эффекта.