Свойства материи: Газы

Газы равномерно заполняют сосуд любого размера и формы.

Газ – это состояние вещества, не имеющее фиксированной формы и фиксированного объема. Газы имеют меньшую плотность, чем другие состояния вещества, такие как твердые тела и жидкости. Между частицами много пустого пространства, которые обладают большой кинетической энергией и не особенно притягиваются друг к другу. Частицы газа движутся очень быстро и сталкиваются друг с другом, заставляя их диффундировать или распространяться до тех пор, пока они не будут равномерно распределены по объему контейнера.

По данным образовательного веб-сайта Lumen Learning, газ можно удержать, только если он полностью окружен контейнером или удерживается вместе под действием силы тяжести.

Когда в контейнер попадает больше частиц газа, у частиц остается меньше места для распространения, и они сжимаются. Частицы оказывают большее воздействие на внутренний объем контейнера. Эта сила называется давлением. Для выражения давления используется несколько единиц. Некоторые из наиболее распространенных — это атмосферы (атм), фунты на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм), миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.) и паскали (Па). Единицы соотносятся друг с другом следующим образом: 1 атм = 14,7 фунтов на квадратный дюйм = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа (1000 паскалей).

Связанный:Парниковые газы: причины, источники и воздействие на окружающую среду

По данным Университета Пердью, газ можно превратить в жидкость путем сжатия при подходящей температуре. Но если критическая температура достигнута, пар не может быть сжижен независимо от того, какое давление приложено. Критическое давление — это давление, необходимое для сжижения газа при его критической температуре.

Примеры критических температур и давления различных веществ по версии Engineering Toolbox

Помимо давления, обозначаемого в уравнениях как P, газы обладают и другими измеримыми свойствами: температурой (T), объемом (V) и числом частиц, которое выражается в мольном числе (n или моль). При работе с температурой газа часто используют шкалу Кельвина.

Поскольку температура и давление варьируются от места к месту, ученые используют стандартную точку отсчета, называемую стандартной температурой и давлением (STP), в расчетах и ​​уравнениях. Стандартной температурой является точка замерзания воды — 32 градуса по Фаренгейту (0 градусов Цельсия, или 273,15 Кельвина). Стандартное давление составляет одну атмосферу (атм) — давление, оказываемое атмосферой на Землю на уровне моря.

Температура, давление, количество и объем газа взаимозависимы, и многие ученые разработали законы, описывающие взаимосвязь между ними.

Назван в честь Роберта Бойля, который впервые заявил об этом в 1662 году. Закон Бойля гласит, что если температура поддерживается постоянной, объем и давление имеют обратную зависимость; то есть, по данным ChemWiki Дэвиса Калифорнийского университета, с увеличением объема давление снижается.

Увеличение доступного пространства позволит частицам газа распространяться дальше друг от друга, но это уменьшает количество частиц, способных столкнуться с контейнером, поэтому давление снижается.

Уменьшение объема контейнера заставляет частицы чаще сталкиваться, поэтому давление увеличивается. Хорошим примером этого является наполнение шины воздухом. По мере поступления большего количества воздуха молекулы газа уплотняются, уменьшая свой объем. Пока температура остается неизменной, давление увеличивается.

В 1802 году Жозеф Луи Гей-Люссак, французский химик и физик, сослался на данные, собранные его соотечественником Жаком Шарлем, в статье, описывающей прямую зависимость между температурой и объемом газа, находящегося при постоянном давлении. В большинстве текстов это называется законом Шарля, но некоторые называют его законом Гей-Люссака или даже законом Шарля Гей-Люссака.

Этот закон гласит, что объем и температура газа находятся в прямой зависимости: при повышении температуры объем увеличивается, когда давление остается постоянным. Нагревание газа увеличивает кинетическую энергию частиц, заставляя газ расширяться. Чтобы поддерживать постоянное давление, объем контейнера необходимо увеличивать при нагревании газа.