Физические свойства идеального газа

Из трех агрегатных состояний вещества наиболее простым является газообразное состояние, так как в этом случае силы, действующие между молекулами очень малы и ими при определенных условиях можно пренебречь.

Газы (французское gaz; название предложено голландским 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. Газ образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержится в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из газов – нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях газы представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных газов.

Газы обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей объём газа существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения газов в обычных условиях (0–100 °C) на два порядка (в 100 раз) выше, чем у жидкостей. В табл. 9 (стр. 64) приведены данные о физических свойствах наиболее распространённых газов.

Идеальным называется газ, в котором межмолекулярные силы взаимодействия отсутствуют.

Свойства идеального газа:

- размерами молекул газа по сравнению с размерами сосуда, в котором они находятся можно пренебречь, т.е. их можно считать материальными точками;

- молекулы газа являются свободными. Это значит, что до столкновения с другими молекулами или со стенками сосуда, содержащего газ, они движутся прямолинейно и равномерно, как тела, не подверженные действию каких-либо сил;

- столкновения молекул друг с другом или со стенками сосуда, содержащего газ, являются абсолютно упругими. Совершая движение, молекулы приближаются к стенкам сосуда на достаточно малые расстояния. Молекулы могут также подойти достаточно близко и друг к другу. В этом случае между молекулами газа или между молекулой газа и молекулами вещества стенки возникают силы взаимодействия, которые очень быстро убывают с увеличением расстояния. Под действием этих сил молекулы газа изменяют направление своего движения. Процесс изменения направления движения называется столкновением.

Физические величины, служащие для характеристики состояния газа, называются параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния идеального газа являются: температура, давление, объем.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому, возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление p – температура Т (в p, T -диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической T_k эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) I и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического p_k существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой I (ниже тройной точки T_p) 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.

Рисунок 1 р,Т-диаграмма состояния вещества. Область газообразного состояния заштрихована. Со стороны низких температур и давлений она ограничена кривыми сублимации (I) и парообразования (II). Тр – тройная точка, К – критическая точка. Штриховой линией показана критическая изохора вещества.

При температурах ниже Т_к можно сконденсировать газ – перевести его в другое агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа 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 газов, особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.

При Т > Т_к граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом 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 газа при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0 °C и атмосферном давлении) плотность газа 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 газов составляет около
10^-20 г/см³. В космических условиях плотность газов может быть ещё на 10 порядков меньше (~10^-30 г/см³).

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