Газы (агрегатное состояние вещества). Углекислый газ агрегатное состояние

Газы (агрегатное состояние вещества) - это... Что такое 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 физических свойствах наиболее распространённых Г.

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 , тогда как межмолекулярное взаимодействие не существенно на расстояниях свыше 5—10 . Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмолекулярных сил. Такое сближение принято трактовать как столкновение молекул. Радиус действия межмолекулярных сил в рассмотренном примере в 10—20 раз меньше среднего расстояния между молекулами, так что общий объём, в котором эти силы могут сказываться (как бы «собственный объём» всех молекул), составляет 10-3—10-4 от полного объёма Г. Это позволяет считать собственный объём молекул Г. в нормальных условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Газ, молекулы которого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, называется идеальным. При тепловом равновесии идеального Г. все направления движения его молекул равновероятны, а скорости распределены в соответствии с Максвелла распределением. На рис. 2 приведён график этого распределения для азота при температурах 20 и 500°С. Из графика видно, что подавляющее большинство молекул имеет близкие значения скорости (максимум кривой соответствует скорости наиболее вероятной при данной температуре), но существует также известная часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи максвелловского распределения может быть определена т. н. средняя квадратичная скорость молекул ═связанная с температурой Т газа соотношением

═

Здесь k — Больцмана постоянная, m — масса молекулы. Уравнение (1) позволяет установить связь между средней кинетической энергией одной молекулы и температурой газа:

═

Эту зависимость часто рассматривают как молекулярно-кинетическое толкование температуры — температура есть мера кинетической энергии молекул.

Поскольку молекулы идеального Г. обладают лишь кинетической энергией, внутренняя энергия такого Г. не зависит от занимаемого им объёма (закон Джоуля).

Молекулярно-кинетическая теория рассматривает давление Г. на стенки сосуда, в котором он находится, как воздействие ударов молекул, усреднённое по поверхности и времени. Количественно давление р определяется импульсом, передаваемым молекулами в единицу времени единице площади стенки:

═

где n — число молекул в единице объёма. Уравнения (2) и (3) позволяют записать уравнение состояния идеального Г. в виде

p = nkT.═══(4)

уравнение (4), записанное для 1 моля Г., содержащего N = 6,023- 1023 молекул (см. Авогадро число), называют Клапейрона уравнением:

pv = RT.═══(5)

Здесь R = kN — универсальная газовая постоянная, v — объём, приходящийся на 1 моль. уравнение Клапейрона обобщает эмпирические газовые законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака (см. Бойля — Мариотта закон, Гей-Люссака законы). Из уравнения (5) следует также, что при одинаковых температуре и давлении идеальные Г., взятые в количестве 1 моля, имеют равные объёмы и в любом таком Г. в единице объёма содержится равное количество молекул (см. Авогадро закон).

В условиях теплового равновесия температура и давление Г. по всему его объёму одинаковы, молекулы движутся хаотично, в Г. нет упорядоченных потоков. Возникновение в Г. перепадов (градиентов) температуры или давления приводит к нарушению равновесия и переносу в направлении градиента энергии, массы или др. физических величин.

Кинетические свойства Г. — теплопроводность, диффузию, вязкость — молекулярно-кинетическая теория рассматривает с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос количества движения. Модель идеального Г. для анализа явлений переноса непригодна, ибо в этих процессах существенную роль играют столкновения молекул (при которых происходит передача какой-нибудь из переносимых величин, например энергии) и «размер» молекул (влияющий на частоту столкновений). Поэтому в простейшем случае явления переноса в Г. рассматриваются для разреженного Г., молекулы которого в первом приближении считаются упругими шариками с определённым диаметром s, причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении диаметр молекулы связан простым соотношением с её средней длиной свободного пробега :

═

Размер ═существенно влияет на процессы переноса в разреженном Г. В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Г., больше , то теплопроводность и вязкость Г. не зависят от давления. Наоборот, когда ═больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Г. с уменьшением давления (а значит, и числа столкновений) начинают падать. На этом явлении, в частности, основаны теплоизолирующие свойства сосудов с двойными стенками, воздух между которыми откачан (см. Дьюара сосуды).

В более строгой молекулярной теории при анализе явлений переноса в разреженных газах учитывается взаимодействие молекул при любых расстояниях между ними. Характер взаимодействия определяется т. н. потенциалом взаимодействия (см. Межмолекулярное взаимодействие). Строгое рассмотрение динамики парных взаимодействий (столкновений) приводит к тому, что в формулах для расчёта коэффициентов переноса появляются т. н. интегралы столкновений, являющиеся функциями только приведённой температуры T* = kT/e. Эта температура характеризует отношение кинетической энергии молекул (~kT) к их потенциальной энергии (e — глубина потенциальной ямы при данном потенциале взаимодействия). Интегралы столкновений учитывают то обстоятельство, что сталкивающиеся молекулы в зависимости от их кинетической энергии, а значит и температуры Г., могут сближаться на различные расстояния, т. е. как бы изменять свой эффективный размер.

Свойства реальных Г. При повышении плотности изменяются свойства Г., они перестают быть идеальными. Уравнение состояния (5) оказывается неприменимым, т. к. средние расстояния между молекулами Г. становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия. Для описания термодинамических свойств неидеальных, или, как их чаще называют, реальных, Г. пользуются различными уравнениями состояния, имеющими более или менее строгое теоретическое обоснование. Простейшим примером уравнения, которое качественно правильно описывает основные отличия реального Г. от идеального, служит уравнение Ван-дер-Ваальса. Оно учитывает, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Г.), с другой стороны — сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию Г. (см. Ван-дер-Ваальса уравнение).

К наиболее теоретически обоснованным, во всяком случае для состояний, удалённых от критической точки, относится вириальное уравнение состояния:

═

Значения вириальных коэффициентов В, С и т. д. определяются соударениями молекул: парными (В), тройными (С) и более высокого порядка для последующих коэффициентов. Существенно, что вириальные коэффициенты являются функциями только температуры.

В Г. малой плотности наиболее вероятны парные столкновения молекул, т. е. для такого Г. в разложении (7) можно пренебречь всеми членами после члена с коэффициента В. В соответствии с температурным изменением В, при т. н. температуре Бойля ТВ (см. Бойля точка) В обращается в нуль, и умеренно плотный Г. ведёт себя как идеальный, т. е. подчиняется уравнению (5). Физически это означает, что при ТВ межмолекулярные силы притяжения и отталкивания практически компенсируют друг друга. Существование межмолекулярного взаимодействия в той или иной степени сказывается на всех свойствах реальных Г. Внутренняя энергия реального Г. оказывается зависящей от его объёма (от расстояний между молекулами), т. к. потенциальная энергия молекул определяется их взаимными расстояниями.

С межмолекулярным взаимодействие связано также изменение температуры реального Г. при протекании его с мало постоянной скоростью через пористую перегородку (этот процесс называется дросселированием). Мерой изменения температуры Г при дросселировании служит Джоуля — Томсона коэффициент который в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Г.), отрицательным (нагрев Г.) либо равным нулю при т. н. температуре инверсии (см. Джоуля — Томсона явление). Эффект охлаждения Г при дросселировании широко применяется в технике как один из методов сжижения газов.

Внутреннее строение молекул Г. слабо влияет на их термические свойства (давление, температуру, плотность и связь между ними). Для этих свойств в первом приближении существенна только молекулярная масса Г. Напротив, калорические свойства Г. (теплоёмкость, энтропия и др.), а также его электрические и магнитные свойства существенно зависят от внутреннего строения молекул. Например, для расчёта (в первом приближении) теплоёмкости Г. при постоянном объёме cv необходимо знать число внутренних степеней свободы молекулы (т. е. число возможных внутренних движений) iвн. В соответствии с равнораспределения законом классической статистической физики на каждую степень свободы молекулы Г. (поступательную, колебательную, вращательную) приходится энергия, равная 1/2 · kT. Отсюда теплоёмкость 1 моля

═

Для точного расчёта калорических свойств Г. необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о которых в большинстве случаев получают из анализа спектров Г. Для большого числа веществ в состоянии идеального Г. калорические свойства вычислены с высокой точностью и их значения представлены в виде таблиц до температур 10—22 тыс. градусов.

Электрические свойства Г. связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Г. электрически заряженных частиц (ионов и электронов). При отсутствии заряженных частиц Г. являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность Г. увеличивается. Зависимость электропроводности Г. от различных физических факторов рассмотрена в ст. Электрический разряд в газах.

При температурах начиная с нескольких тыс. градусов всякий Г. частично ионизуется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то свойства её мало отличаются от свойств обычного Г.

По магнитным свойствам Г. делятся на диамагнитные (к ним относятся, например, инертные газы, h3, N2, CO2, h3O) и парамагнитные (например, O2). Диамагнитны те Г., молекулы которых не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под влиянием внешнего поля (см. Диамагнетизм). Те же Г., у которых молекулы обладают постоянным магнитным моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм). Учёт межмолекулярного взаимодействия и внутреннего строения молекул необходим при решении многих проблем физики Г., например при исследовании влияния верхних разреженных слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика, Аэродинамика разреженных газов).

В современной физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К Г. с особыми свойствами относят, например, совокупность свободных электронов в металле (электронный Г.), фононов в жидком гелии (фононный Г.) и т. д. Г. элементарных частиц и квазичастиц обладающих целым спином, т. н. бозонов (например, фотонов, p-мезонов, фононов), называется бозе-газом. Его свойства рассматривает квантовая статистика Бозе — Эйнштейна. Свойства частиц Г. с полуцелым спином — фермионов (например, электронов, нейтронов, нейтрино, дырок проводимос

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

dic.academic.ru

Агрегатное состояние - это... Что такое Агрегатное состояние?

Агрега́тное состоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.[1].

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Твёрдое тело

Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.

Жидкость

Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места. Присутствует только ближний порядок.

Газ

Основная статья: Газ

Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

Плазма

Плазменная декоративная лампа.

Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Большая часть барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.[2]

Сверхкритический флюид

Возникает при одновременном повышении температуры и давления до критической точки, в которой плотность газа сравнивается с плотностью жидкости; при этом исчезает граница между жидкой и газообразной фазами. Сверхкритический флюид отличается исключительно высокой растворяющей способностью.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В результате этого часть атомов оказывается в состоянии со строго нулевой энергией (то есть в низшем из возможных квантовом состоянии). Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше. [3]

Вырожденная материя

Ферми-газ 1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.
2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно[4], деконфайнмент происходит в два этапа.
При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

Другие состояния

При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.

Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретным агрегатным состояниям вещества.

Примечания

См. также

dic.academic.ru

Агрегатное состояние — Википедия

Агрега́тное состоя́ние вещества (лат. aggrego 'присоединяю') — состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами:

способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму,
наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами.

Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.[1]

Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму[2], в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Существуют и другие агрегатные состояния, например, конденсат Бозе — Эйнштейна.

Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Четыре основных состояния[править]

Твёрдое тело[править]

Кристаллические вещества: атомное разрешение изображения титаната стронция. Яркие атомы — Sr, темнее них Ti.

В твёрдом состоянии вещество сохраняет как форму, так и объём. При низких температурах все вещества замерзают — превращаются в твёрдые тела. Температура затвердевания может быть несколько повышена при увеличении давления. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. С микроскопической точки зрения твёрдые тела характерны тем, что молекулы или атомы в них в течение длительного времени сохраняют своё среднее положение неизменным, только совершая колебания с небольшой амплитудой вокруг них. В кристаллах средние положения атомов или молекул строго упорядочены. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.

В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью. Кристаллические твёрдые тела имеют анизотропные свойства, то есть их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллографических осей. В твердотельном состоянии вещества могут иметь много фаз, которые отличаются составлением атомов или другими характеристиками, такими как упорядочение спинов в ферромагнетиках.

Жидкость[править]

Структура классической одноатомной жидкости.

В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Это означает, что жидкость может занимать только часть объёма сосуда, но также может свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твёрдое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза). Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами — жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы. Составление в мезофазы происходит благодаря особой форме молекул жидких кристаллов. Обычно это длинные узкие молекулы, которым выгодно укладываться так, чтобы их оси совпадали.

Газ[править]

Основная статья: Газ

Промежутки между молекулами газа очень большие. Молекулы газа обладают очень слабыми связями. Молекулы в газе могут перемещаться свободно и быстро.

Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём. Газ заполняет всё доступное пространство и проникает в любые его закоулки. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью. Переход из жидкого в газообразное состояние называют испарением, а противоположный ему переход из газообразного состояния в жидкое — конденсацией. Переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией или возгонкой. С микроскопической точки зрения газ — это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Взаимодействие между ними сводится к спорадическим столкновениям. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других частиц — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму. Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это вещества со сложным химическим строением, которые при повышении температуры распадаются вследствие химических реакций раньше, чем становятся газом. Не существует различных газообразных термодинамических фаз одного вещества. Газам свойственна изотропия, то есть независимость характеристик от направления. В привычных для человека земных условиях, газ имеет одинаковую плотность в любой точке, однако это не является универсальным законом, во внешних полях, например в поле тяготения Земли, или в условиях различных температур плотность газа может меняться от точки к точке. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.

Плазма[править]

Плазменная декоративная лампа.

Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Плазма является частично или полностью ионизированным газом и в равновесном состоянии обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч кельвинов и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. В общем, её свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, то есть равноправным с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле.

Плазма — самое распространённое во Вселенной агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство. Большая часть барионного вещества (по массе около 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.[3].

Фазовый переход[править]

Переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и тому подобное), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться).

Неосновные состояния[править]

Стекло[править]

Скифос. Цветное стекло. Восточное Средиземноморье. Первая половина I в. Эрмитаж

Вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты)[4][5]. Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.)[5]. Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Кристаллы с некоторой степенью неупорядоченности[править]

Жидкие кристаллы[править]

Шлирен-текстура в нематических жидких кристаллах

Фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Магнитоупорядоченные вещества[править]

Сополимеры[править]

Разновидность полимеров, цепочки молекул которых состоят из двух или более различных структурных звеньев. Различают регулярные и нерегулярные сополимеры (коих большинство). Различные структурные звенья нерегулярных сополимеров беспорядочно расположены вдоль цепочки. В регулярных же сополимерах различные структурные звенья расположены упорядоченно и, следовательно, регулярные сополимеры могут быть представлены как обычные полимеры с большими структурными звеньями. Отдельно можно назвать блок-сополимеры, состоящие из нескольких (гомо)полимерных блоков.

Низкотемпературные состояния[править]

Сверхтекучесть[править]

Способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Конденсат Бозе — Эйнштейна[править]

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат[править]

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше. [6]

Молекула Ридберга[править]

Квантовый эффект Холла[править]

Эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Квантовый эффект Холла (КЭХ) был открыт Клаусом фон Клитцингом (совместно с Г. Дордой и М. Пеппером) в 1980 году[7], за что впоследствии, в 1985 году, он получил Нобелевскую премию[8].

Высокоэнергетические состояния[править]

Глазма[править]

Состояние адронного поля[9], предшествующее при столкновениях кварк-глюонной плазме. Состоит из цветных токовых трубок.[10] Глазма является особенностью теоретической модели «конденсата цветового стекла» (англ. color glass condensate) — подхода к описанию сильного взаимодействия в условиях высоких плотностей[11].

Глазма образуется при столкновении адронов друг с другом (например, протонов с протонами, ионов с ионами, ионов с протонами). Считается также, что в эволюции Вселенной состояние глазмы предшествовало кварк-глюонной плазме, которая существовала в первые миллионные доли секунды сразу после Большого взрыва. Время существования глазмы — несколько иоктосекунд[12].

Кварк-глюонная плазма[править]

Состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. Ему предшествует состояние глазмы[13] (глазма термализуется, то есть разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов — кварк-глюонную плазму[14]).

Другие состояния[править]

При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Одним из веществ проявляющих сверхтекучесть является гелий. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.

Вырожденный газ[править]

Газ, на свойства которого существенно влияют квантовомеханические эффекты, возникающие вследствие тождественности его частиц. Вырождение наступает в условиях, когда расстояния между частицами газа становятся соизмеримыми с длиной волны де Бройля; в зависимости от спина частиц выделяются два типа вырожденных газов — ферми-газ, образованный фермионами (частицами с полуцелым спином) и бозе-газ, образованный бозонами (частицами с целым спином).

Сверхтекучее твёрдое тело[править]

Термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Тёмная материя[править]

Форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Нейтронное состояние[править]

Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули. В результате, в нейтронном состоянии, вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте, в пределах от сотни МэВ).

Сверхкритический флюид[править]

Состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определёнными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

Вырожденная материя[править]

Ферми-газ 1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.
2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно[15], деконфайнмент происходит в два этапа.
При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

↑ Агрегатное состояние — статья из Большой советской энциклопедии.
↑ Агрегатные состояния // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1999.
↑ Владимир Жданов. Плазма в космосе. Кругосвет. Проверено 21 февраля 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
↑ В природе имеются некоторые жидкости, которые в обычных условиях эксперимента невозможно перевести при охлаждении в кристаллическое состояние. Молекулы отдельных органических полимеров столь сложны, что образовать регулярную и компактную решётку не могут — при охлаждении всегда переходят только в стеклообразное состояние (см. подробнее — DiMarzio E. A. Equilibrium theory of glasses // Ann. New York Acad. Sci. 1981. Vol. 371. P. 1—20). Редкий вариант «некристаллизуемости» жидкости — переход в стеклообразное состояние при температурах, близких к температуре ликвидуса TL или даже более высоких… Подавляющее большинство жидкостей при температурах ниже TL при больших или меньших изотермических выдержках, но в разумной с точки зрения эксперимента длительности, всегда переходят в кристаллическое состояние. Для жидкостей определённых химических соединений подразумевается не TL, а температура плавления кристаллов, но для упрощения — точки отсутствия (солидус) и начала кристаллизации здесь обозначены TL вне зависимости от однородности вещества. Возможность перехода из жидкого в стеклообразное состояние обусловлена скоростью охлаждения в той области температур, где наиболее высока вероятность кристаллизации — между TL и нижней границей интервала стеклования. Чем быстрее охлаждается вещество от состояния стабильной жидкости, тем вероятней то, что оно, минуя кристаллическую фазу, перейдёт в стеклообразное. Любое вещество, способное перейти в стеклообразное состояние, может характеризоваться так называемой критической скоростью охлаждения — минимальной допустимой, при которой оно после охлаждения обратимо для перехода в стеклообразное состояние. — Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука. 1988 ISBN 5-02-024564-X
↑ 5,05,1 Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука. 1988 ISBN 5-02-024564-X
↑ "Фермионный конденсат". scientific.ru. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
↑ K. v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980) DOI:10.1103/PhysRevLett.45.494
↑ Нобелевский лауреат по физике за 1985 год
↑ C. Fuchs, H. Lenske, H.H. Wolter. Dencity Dependent Hadron Field Theory. arxiv.org (29.06.1995). Проверено 30 ноября 2012.
↑ И. М. Дремин, А. В. Леонидов. Кварк-глюонная среда С. 1172. Успехи физических наук (Ноябрь 2010 года). doi:10.3367/UFNr.0180.201011c.1167. — УФН 180 1167–1196 (2010). Проверено 29 марта 2013. Архивировано из первоисточника 5 апреля 2013.
↑ Появляются первые комментарии теоретиков про недавнее открытие CMS
↑ Игорь Иванов. Как расщепляют мгновение. Элементы.ру (29.06.2009). Проверено 29 ноября 2012. Архивировано из первоисточника 8 декабря 2012.
↑ В.Л. Коротких. Взрыв горячей ядерной материи С. 6. old.sinp.msu.ru. Проверено 29 марта 2013. Архивировано из первоисточника 5 апреля 2013.
↑ Изучение ядерных столкновений. Элементы.ру. Проверено 30 октября 2013. Архивировано из первоисточника 30 октября 2013.
↑ 1

www.wikiznanie.ru

Газы (агрегатное состояние вещества)

Навигация:Библиотека DJVUPhotogalleryБСЭ Статистика:

Значение слова "Газы (агрегатное состояние вещества)" в Большой Советской Энциклопедии

Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны

Рис. 2. Распределение Максвела для молекул азота при температурах 20 и 500°С. По оси ординат отложена доля молекул (в %), обладающих скоростями между с и (с + 10) м/сек; сн — наиболее вероятная скорость, которой обладает наибольшее число молекул при данной температуре; — средняя арифметическая скорость молекул; — средняя квадратичная скорость.

или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Газы (агрегатное состояние вещества) 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 Газы (агрегатное состояние вещества) — нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Газы (агрегатное состояние вещества) представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Газы (агрегатное состояние вещества)

Газы (агрегатное состояние вещества) обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём Газы (агрегатное состояние вещества) существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения Газы (агрегатное состояние вещества) 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 физических свойствах наиболее распространённых Газы (агрегатное состояние вещества)

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 Газы (агрегатное состояние вещества) — перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение Газы (агрегатное состояние вещества) 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 Газы (агрегатное состояние вещества), 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 Газы (агрегатное состояние вещества) 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 Газы (агрегатное состояние вещества) при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0° С и атмосферном давлении) плотность Газы (агрегатное состояние вещества) 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 Газы (агрегатное состояние вещества) составляет около 10 -20 г/см3. В космических условиях плотность Газы (агрегатное состояние вещества) может быть ещё на 10 порядков меньше (~10-30/см3).

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

Молекулярно-кинетическая теория Газы (агрегатное состояние вещества) Молекулярно-кинетическая теория рассматривает Газы (агрегатное состояние вещества) 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 Газы (агрегатное состояние вещества), особенно полно — свойства разреженных Газы (агрегатное состояние вещества)

У достаточно разреженных Газы (агрегатное состояние вещества) средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1 см3 Газы (агрегатное состояние вещества) находится~ 1019 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10-6см, или ~ 100 , тогда как межмолекулярное взаимодействие не существенно на расстояниях свыше 5—10 . Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмолекулярных сил. Такое сближение принято трактовать как столкновение молекул. Радиус действия межмолекулярных сил в рассмотренном примере в 10—20 раз меньше среднего расстояния между молекулами, так что общий объём, в котором эти силы могут сказываться (как бы «собственный объём» всех молекул), составляет 10-3—10-4 от полного объёма Газы (агрегатное состояние вещества) Это позволяет считать собственный объём молекул Газы (агрегатное состояние вещества) в нормальных условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Газ, молекулы которого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, называется идеальным. При тепловом равновесии идеального Газы (агрегатное состояние вещества) все направления движения его молекул равновероятны, а скорости распределены в соответствии с Максвелла распределением. На рис. 2 приведён график этого распределения для азота при температурах 20 и 500°С. Из графика видно, что подавляющее большинство молекул имеет близкие значения скорости (максимум кривой соответствует скорости наиболее вероятной при данной температуре), но существует также известная часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи максвелловского распределения может быть определена т. н. средняя квадратичная скорость молекул связанная с температурой Т газа соотношением

Поскольку молекулы идеального Газы (агрегатное состояние вещества) обладают лишь кинетической энергией, внутренняя энергия такого Газы (агрегатное состояние вещества) не зависит от занимаемого им объёма (закон Джоуля).

Молекулярно-кинетическая теория рассматривает давление Газы (агрегатное состояние вещества) на стенки сосуда, в котором он находится, как воздействие ударов молекул, усреднённое по поверхности и времени. Количественно давление р определяется импульсом, передаваемым молекулами в единицу времени единице площади стенки:

где n — число молекул в единице объёма. Уравнения (2) и (3) позволяют записать уравнение состояния идеального Газы (агрегатное состояние вещества) в виде

p = nkT. (4)

уравнение (4), записанное для 1 моля Газы (агрегатное состояние вещества), содержащего N = 6,023- 1023 молекул (см. Авогадро число), называют Клапейрона уравнением:

pv = RT. (5)

Здесь R = kN — универсальная газовая постоянная, v — объём, приходящийся на 1 моль. уравнение Клапейрона обобщает эмпирические газовые законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака (см. Бойля — Мариотта закон, Гей-Люссака законы). Из уравнения (5) следует также, что при одинаковых температуре и давлении идеальные Газы (агрегатное состояние вещества), взятые в количестве 1 моля, имеют равные объёмы и в любом таком Газы (агрегатное состояние вещества) в единице объёма содержится равное количество молекул (см. Авогадро закон).

В условиях теплового равновесия температура и давление Газы (агрегатное состояние вещества) по всему его объёму одинаковы, молекулы движутся хаотично, в Газы (агрегатное состояние вещества) нет упорядоченных потоков. Возникновение в Газы (агрегатное состояние вещества) перепадов (градиентов) температуры или давления приводит к нарушению равновесия и переносу в направлении градиента энергии, массы или др. физических величин.

Кинетические свойства Газы (агрегатное состояние вещества) — теплопроводность, диффузию, вязкость — молекулярно-кинетическая теория рассматривает с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос количества движения. Модель идеального Газы (агрегатное состояние вещества) для анализа явлений переноса непригодна, ибо в этих процессах существенную роль играют столкновения молекул (при которых происходит передача какой-нибудь из переносимых величин, например энергии) и «размер» молекул (влияющий на частоту столкновений). Поэтому в простейшем случае явления переноса в Газы (агрегатное состояние вещества) рассматриваются для разреженного Газы (агрегатное состояние вещества), молекулы которого в первом приближении считаются упругими шариками с определённым диаметром s, причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении диаметр молекулы связан простым соотношением с её средней длиной свободного пробега :

Размер существенно влияет на процессы переноса в разреженном Газы (агрегатное состояние вещества) В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Газы (агрегатное состояние вещества), больше , то теплопроводность и вязкость Газы (агрегатное состояние вещества) не зависят от давления. Наоборот, когда больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Газы (агрегатное состояние вещества) с уменьшением давления (а значит, и числа столкновений) начинают падать. На этом явлении, в частности, основаны теплоизолирующие свойства сосудов с двойными стенками, воздух между которыми откачан (см. Дьюара сосуды).

В более строгой молекулярной теории при анализе явлений переноса в разреженных газах учитывается взаимодействие молекул при любых расстояниях между ними. Характер взаимодействия определяется т. н. потенциалом взаимодействия (см. Межмолекулярное взаимодействие). Строгое рассмотрение динамики парных взаимодействий (столкновений) приводит к тому, что в формулах для расчёта коэффициентов переноса появляются т. н. интегралы столкновений, являющиеся функциями только приведённой температуры T* = kT/e. Эта температура характеризует отношение кинетической энергии молекул (~kT) к их потенциальной энергии (e — глубина потенциальной ямы при данном потенциале взаимодействия). Интегралы столкновений учитывают то обстоятельство, что сталкивающиеся молекулы в зависимости от их кинетической энергии, а значит и температуры Газы (агрегатное состояние вещества), могут сближаться на различные расстояния, т. е. как бы изменять свой эффективный размер.

Свойства реальных Г. При повышении плотности изменяются свойства Газы (агрегатное состояние вещества), они перестают быть идеальными. Уравнение состояния (5) оказывается неприменимым, т. к. средние расстояния между молекулами Газы (агрегатное состояние вещества) становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия. Для описания термодинамических свойств неидеальных, или, как их чаще называют, реальных, Газы (агрегатное состояние вещества) пользуются различными уравнениями состояния, имеющими более или менее строгое теоретическое обоснование. Простейшим примером уравнения, которое качественно правильно описывает основные отличия реального Газы (агрегатное состояние вещества) от идеального, служит уравнение Ван-дер-Ваальса. Оно учитывает, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Газы (агрегатное состояние вещества)), с другой стороны — сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию Газы (агрегатное состояние вещества) (см. Ван-дер-Ваальса уравнение).

В Газы (агрегатное состояние вещества) малой плотности наиболее вероятны парные столкновения молекул, т. е. для такого Газы (агрегатное состояние вещества) в разложении (7) можно пренебречь всеми членами после члена с коэффициента В. В соответствии с температурным изменением В, при т. н. температуре Бойля ТВ (см. Бойля точка) В обращается в нуль, и умеренно плотный Газы (агрегатное состояние вещества) ведёт себя как идеальный, т. е. подчиняется уравнению (5). Физически это означает, что при ТВ межмолекулярные силы притяжения и отталкивания практически компенсируют друг друга. Существование межмолекулярного взаимодействия в той или иной степени сказывается на всех свойствах реальных Газы (агрегатное состояние вещества) Внутренняя энергия реального Газы (агрегатное состояние вещества) оказывается зависящей от его объёма (от расстояний между молекулами), т. к. потенциальная энергия молекул определяется их взаимными расстояниями.

С межмолекулярным взаимодействие связано также изменение температуры реального Газы (агрегатное состояние вещества) при протекании его с мало постоянной скоростью через пористую перегородку (этот процесс называется дросселированием). Мерой изменения температуры Г при дросселировании служит Джоуля — Томсона коэффициент который в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Газы (агрегатное состояние вещества)), отрицательным (нагрев Газы (агрегатное состояние вещества)) либо равным нулю при т. н. температуре инверсии (см. Джоуля — Томсона явление). Эффект охлаждения Г при дросселировании широко применяется в технике как один из методов сжижения газов.

Внутреннее строение молекул Газы (агрегатное состояние вещества) слабо влияет на их термические свойства (давление, температуру, плотность и связь между ними). Для этих свойств в первом приближении существенна только молекулярная масса Газы (агрегатное состояние вещества) Напротив, калорические свойства Газы (агрегатное состояние вещества) (теплоёмкость, энтропия и др.), а также его электрические и магнитные свойства существенно зависят от внутреннего строения молекул. Например, для расчёта (в первом приближении) теплоёмкости Газы (агрегатное состояние вещества) при постоянном объёме cv необходимо знать число внутренних степеней свободы молекулы (т. е. число возможных внутренних движений) iвн. В соответствии с равнораспределения законом классической статистической физики на каждую степень свободы молекулы Газы (агрегатное состояние вещества) (поступательную, колебательную, вращательную) приходится энергия, равная 1/2 · kT. Отсюда теплоёмкость 1 моля

Для точного расчёта калорических свойств Газы (агрегатное состояние вещества) необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о которых в большинстве случаев получают из анализа спектров Газы (агрегатное состояние вещества) Для большого числа веществ в состоянии идеального Газы (агрегатное состояние вещества) калорические свойства вычислены с высокой точностью и их значения представлены в виде таблиц до температур 10—22 тыс. градусов.

Электрические свойства Газы (агрегатное состояние вещества) связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Газы (агрегатное состояние вещества) электрически заряженных частиц (ионов и электронов). При отсутствии заряженных частиц Газы (агрегатное состояние вещества) являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность Газы (агрегатное состояние вещества) увеличивается. Зависимость электропроводности Газы (агрегатное состояние вещества) от различных физических факторов рассмотрена в ст. Электрический разряд в газах.

При температурах начиная с нескольких тыс. градусов всякий Газы (агрегатное состояние вещества) частично ионизуется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то свойства её мало отличаются от свойств обычного Газы (агрегатное состояние вещества)

По магнитным свойствам Газы (агрегатное состояние вещества) делятся на диамагнитные (к ним относятся, например, инертные газы, h3, N2, CO2, h3O) и парамагнитные (например, O2). Диамагнитны те Газы (агрегатное состояние вещества), молекулы которых не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под влиянием внешнего поля (см. Диамагнетизм). Те же Газы (агрегатное состояние вещества), у которых молекулы обладают постоянным магнитным моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм). Учёт межмолекулярного взаимодействия и внутреннего строения молекул необходим при решении многих проблем физики Газы (агрегатное состояние вещества), например при исследовании влияния верхних разреженных слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика, Аэродинамика разреженных газов).

В современной физике Газы (агрегатное состояние вещества) называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К Газы (агрегатное состояние вещества) с особыми свойствами относят, например, совокупность свободных электронов в металле (электронный Газы (агрегатное состояние вещества)), фононов в жидком гелии (фононный Газы (агрегатное состояние вещества)) и т. д. Газы (агрегатное состояние вещества) элементарных частиц и квазичастиц обладающих целым спином, т. н. бозонов (например, фотонов, p-мезонов, фононов), называется бозе-газом. Его свойства рассматривает квантовая статистика Бозе — Эйнштейна. Свойства частиц Газы (агрегатное состояние вещества) с полуцелым спином — фермионов (например, электронов, нейтронов, нейтрино, дырок проводимости и др.) рассматривает квантовая статистика Ферми — Дирака (см. Статистическая физика).

bse.sci-lib.com