Газ

Поищите газ в Викисловаре, бесплатном словаре.

Дрейфующие частицы дыма указывают на движение окружающего газа.

Газ - одно из четырех основных состояний вещества (другие - твердое , жидкое и плазменное ). Чистый газ может состоять из отдельных атомов (например, благородный газ, такой как неон ), элементарных молекул, состоящих из одного типа атомов (например, кислорода ), или сложных молекул, состоящих из множества атомов (например, диоксида углерода ). Газовая смесь , например, воздух, содержит множество чистых газов. Что отличает газ от жидкостей и твердых тел, так это обширное разделение отдельных частиц газа. Это разделение обычно делает бесцветный газ невидимым для человеческого наблюдателя. Рассмотрено взаимодействие частиц газа в присутствии электрического и гравитационного полей ^{[ кем? ]} пренебрежимо мало, на что указывают векторы постоянной скорости на изображении.

Газообразное состояние вещества находится между жидким и плазменным состояниями ^[1], последнее из которых обеспечивает верхнюю температурную границу для газов. Нижний край температурной шкалы ограничивают вырождающиеся квантовые газы ^[2], которые привлекают все большее внимание. ^[3] Атомарные газы с высокой плотностью, переохлажденные до очень низких температур, классифицируются по своему статистическому поведению как бозе-газы или ферми-газы . Полный список этих экзотических состояний вещества см. В списке состояний вещества .

Элементарные газы [ править ]

Единственными химическими элементами, которые являются стабильными двухатомными гомоядерными молекулами в STP, являются водород (H ₂ ), азот (N ₂ ), кислород (O ₂ ) и два галогена : фтор (F ₂ ) и хлор (Cl ₂ ). При объединении с одноатомными благородными газами - гелием (He), неоном (Ne), аргоном (Ar), криптоном (Kr), ксеноном(Xe) и радон (Rn) - эти газы называют «элементарными газами».

Этимология [ править ]

Слово газ впервые использовал фламандский химик начала 17 века Ян Баптист ван Гельмонт . ^[4] Он идентифицировал двуокись углерода , первый известный газ, кроме воздуха. ^[5] Слово Ван Гельмонта, похоже, было просто фонетической транскрипцией древнегреческого слова χάος Хаос - g на голландском языке произносится как ch в «loch» (глухой велярный фрикативный падеж , / x / ) - в этом случае Ван Гельмонт был просто следуя установленному алхимическому обычаю, впервые засвидетельствованному в трудах Парацельса. По терминологии Парацельса, хаос означал что-то вроде «ультра-разреженной воды». ^[6]

Альтернативная история ^[7] состоит в том, что слово Ван Гельмонта искажено от gahst (или geist ), что означает призрак или дух. Это произошло потому, что некоторые газы предполагали сверхъестественное происхождение, например, из-за их способности вызывать смерть, гасить пламя и происходить в «шахтах, на дне колодцев, на кладбищах и в других уединенных местах». Напротив, французско-американский историк Жак Барзун ^[8] предположил, что Ван Гельмонт заимствовал это слово из немецкого Gäscht , означающего пену, возникающую в результате брожения.

Физические характеристики [ править ]

Поскольку большинство газов трудно наблюдать напрямую, они описываются с помощью четырех физических свойств или макроскопических характеристик: давления , объема , количества частиц (химики группируют их по молям ) и температуры. Эти четыре характеристики неоднократно наблюдались такими учеными, как Роберт Бойль , Жак Шарль , Джон Далтон , Джозеф Гей-Люссак и Амедео Авогадро для различных газов в различных условиях. Их подробные исследования в конечном итоге привели к математической взаимосвязи между этими свойствами, выраженнымизакон идеального газа (см. раздел «Упрощенные модели» ниже).

Частицы газа широко разделены друг от друга и, следовательно, имеют более слабые межмолекулярные связи, чем жидкости или твердые тела. Эти межмолекулярные силы возникают в результате электростатических взаимодействий между частицами газа. Одноименно заряженные области разных частиц газа отталкиваются, в то время как противоположно заряженные области разных частиц газа притягиваются друг к другу; газы, содержащие постоянно заряженные ионы , известны как плазма . Газообразные соединения с полярными ковалентными связями содержат постоянный дисбаланс зарядов и поэтому испытывают относительно сильные межмолекулярные силы, хотя молекула, в то время как чистый заряд соединения остается нейтральной. Переходные, случайно индуцированные заряды существуют через неполярные ковалентные связимолекул и вызванные ими электростатические взаимодействия называются силами Ван-дер-Ваальса . Взаимодействие этих межмолекулярных сил варьируется в пределах вещества, что определяет многие физические свойства, уникальные для каждого газа. ^{[9] [10]} К такому выводу приводит сравнение температур кипения соединений, образованных ионными и ковалентными связями. ^[11] Дрейфующие частицы дыма на изображении дают некоторое представление о поведении газа при низком давлении.

По сравнению с другими состояниями вещества газы имеют низкую плотность и вязкость . Давление и температура влияют на частицы в определенном объеме. Это изменение в отделении частиц и скорости называется сжимаемостью . Это разделение и размер частиц влияют на оптические свойства газов, что можно найти в следующем списке показателей преломления . Наконец, частицы газа расходятся или диффундируют , чтобы равномерно распределяться по любому контейнеру.

Макроскопический [ править ]

При наблюдении за газом обычно указывается система отсчета или масштаб длины . Более крупный масштаб соответствует макроскопической или глобальной точке зрения на газ. Эта область (называемая объемом) должна быть достаточной по размеру, чтобы вместить большую пробу частиц газа. Результирующий статистический анализ этого размера образца дает "среднее" поведение (то есть скорость, температуру или давление) всех частиц газа в пределах области. Напротив, меньший масштаб соответствует микроскопической точке зрения или точке зрения частиц.

Макроскопически измеряемые характеристики газа относятся либо к самим частицам газа (скорость, давление или температура), либо к их окружению (объем). Например, Роберт Бойль изучал химию пневматики в течение небольшой части своей карьеры. Один из его экспериментов связал макроскопические свойства давления и объема газа. В его эксперименте использовался манометр с J- образной трубкой, который выглядит как пробирка в форме буквы J. Бойль уловил инертный газ в закрытом конце пробирки со столбиком ртути., тем самым делая количество частиц и температуру постоянными. Он заметил, что когда давление в газе увеличивалось, за счет добавления большего количества ртути в колонку, объем захваченного газа уменьшался (это известно как обратная зависимость). Более того, когда Бойль умножил давление и объем каждого наблюдения, произведение было постоянным. Это соотношение сохранялось для каждого газа, который наблюдал Бойль и приводил к закону (PV = k), названному в честь его работы в этой области.

Для анализа свойств газа доступно множество математических инструментов. Поскольку газы подвергаются экстремальным условиям, эти инструменты становятся более сложными, от уравнений Эйлера для невязкого течения до уравнений Навье – Стокса ^[12], которые полностью учитывают вязкие эффекты. Эти уравнения адаптированы к условиям рассматриваемой газовой системы. Лабораторное оборудование Бойля позволяло использовать алгебрудля получения его аналитических результатов. Его результаты были возможны, потому что он изучал газы в условиях относительно низкого давления, когда они вели себя «идеальным» образом. Эти идеальные соотношения применимы к расчетам безопасности для различных условий полета на используемых материалах. Используемое сегодня высокотехнологичное оборудование было разработано, чтобы помочь нам безопасно исследовать более экзотические условия эксплуатации, в которых газы больше не ведут себя «идеальным» образом. Эта продвинутая математика, включая статистику и многомерное исчисление, делает возможным решение таких сложных динамических ситуаций, как вход космического корабля. Примером может служить анализ показанного спуска космического челнока, чтобы убедиться, что свойства материала в этих условиях нагрузки являются подходящими. В этом режиме полета газ уже не ведет себя идеально.

Давление [ править ]

Для обозначения давления в уравнениях используется символ «p» или «P» в паскалях в единицах СИ .

При описании баллона с газом термин « давление» (или абсолютное давление) относится к средней силе на единицу площади, которую газ оказывает на поверхность баллона. В этом объеме иногда легче визуализировать частицы газа, движущиеся по прямым линиям, пока они не столкнутся с контейнером (см. Диаграмму вверху статьи). Сила, прикладываемая частицей газа к контейнеру во время этого столкновения, представляет собой изменение количества движения частицы. ^[13] Во время столкновения изменяется только нормальная составляющая скорости. Частица, движущаяся параллельно стенке, не меняет своего импульса. Следовательно, средняя сила на поверхности должна быть средним изменением количества движения. от всех этих столкновений частиц газа.

Давление - это сумма всех нормальных составляющих силы, оказываемых частицами, ударяющимися о стенки контейнера, деленная на площадь поверхности стенки.

Температура [ править ]

Для обозначения температуры в уравнениях используется символ Т с единицей СИ в кельвинах .

Скорость частицы газа пропорциональна ее абсолютной температуре . Объем воздушного шара на видео уменьшается, когда захваченные частицы газа замедляются при добавлении чрезвычайно холодного азота. Температура любой физической системы связана с движением частиц (молекул и атомов), составляющих [газовую] систему. ^[14] В статистической механике температура - это мера средней кинетической энергии, запасенной в частице. Способы хранения этой энергии продиктованы степенями свободы самой частицы ( режимами энергии ). Добавленная кинетическая энергия ( эндотермическийпроцесс) к частицам газа путем столкновений вызывает линейное, вращательное и колебательное движение. Напротив, молекула в твердом теле может увеличивать свои колебательные моды только с добавлением тепла, поскольку кристаллическая структура решетки предотвращает как линейные, так и вращательные движения. Эти молекулы нагретого газа имеют больший диапазон скоростей, который постоянно меняется из-за постоянных столкновений с другими частицами. Диапазон скоростей можно описать распределением Максвелла – Больцмана . Использование этого распределения подразумевает идеальные газы, близкие к термодинамическому равновесию для рассматриваемой системы частиц.

Удельный объем [ править ]

Для обозначения удельного объема в уравнениях используется символ "v" с единицами измерения кубических метров на килограмм в системе СИ.

Для обозначения объема в уравнениях используется символ "V" с кубическими метрами в системе СИ.

При проведении термодинамического анализа обычно говорят об интенсивных и экстенсивных свойствах . Свойства, которые зависят от количества газа (по массе или объему), называются экстенсивными свойствами, а свойства, не зависящие от количества газа, называются интенсивными свойствами. Удельный объем является примером интенсивного свойства, потому что это отношение объема, занимаемого единицей массы газа, которое одинаково во всей системе в состоянии равновесия. ^[15] 1000 атомов газа занимают то же пространство, что и любые другие 1000 атомов при любой заданной температуре и давлении. Эту концепцию легче визуализировать для твердых тел, таких как железо, которые несжимаемы.по сравнению с газами. Однако сам объем - не конкретный - является обширным свойством.

Плотность [ править ]

Для обозначения плотности в уравнениях используется символ ρ (rho) в единицах СИ - килограммы на кубический метр. Этот термин является величиной, обратной удельному объему.

Поскольку молекулы газа могут свободно перемещаться внутри контейнера, их масса обычно характеризуется плотностью. Плотность - это количество массы на единицу объема вещества или величина, обратная удельному объему. Для газов плотность может варьироваться в широком диапазоне, потому что частицы могут двигаться ближе друг к другу, когда они ограничены давлением или объемом. Это изменение плотности называется сжимаемостью . Подобно давлению и температуре, плотность является переменной состояния газа, и изменение плотности во время любого процесса регулируется законами термодинамики. Для статического газа плотность одинакова по всей емкости. Таким образом, плотность - это скалярная величина.. С помощью кинетической теории можно показать, что плотность обратно пропорциональна размеру контейнера, в котором заключена фиксированная масса газа. В случае фиксированной массы плотность уменьшается с увеличением объема.

Микроскопический [ править ]

Если бы можно было наблюдать газ под мощным микроскопом, можно было бы увидеть совокупность частиц (молекул, атомов, ионов, электронов и т. Д.) Без какой-либо определенной формы или объема, которые находятся в более или менее случайном движении. Эти частицы нейтрального газа меняют направление только тогда, когда они сталкиваются с другой частицей или стенками контейнера. В идеальном газе эти столкновения совершенно упругие. Этот вид газа с помощью частиц или микроскопа описывается кинетико-молекулярной теорией . Предположения, лежащие в основе этой теории, можно найти в разделе постулатов кинетической теории .

Кинетическая теория [ править ]

Кинетическая теория дает представление о макроскопических свойствах газов, учитывая их молекулярный состав и движение. Начиная с определения импульса и кинетической энергии , ^[16] можно использовать закон сохранения импульса и геометрических соотношений куба связать макроскопические свойства системы температуры и давления на микроскопическом свойство кинетической энергии на одну молекулу. Теория предоставляет усредненные значения для этих двух свойств.

Теория также объясняет, как газовая система реагирует на изменения. Например, когда газ нагревается от абсолютного нуля, когда он (теоретически) совершенно неподвижен, его внутренняя энергия (температура) увеличивается. Когда газ нагревается, частицы ускоряются, и его температура повышается. Это приводит к большему количеству столкновений с контейнером в единицу времени из-за более высоких скоростей частиц, связанных с повышенными температурами. Давление увеличивается пропорционально количеству столкновений в единицу времени.

Броуновское движение [ править ]

Броуновское движение - это математическая модель, используемая для описания случайного движения частиц, взвешенных в жидкости. Анимация частиц газа с использованием розовых и зеленых частиц показывает, как такое поведение приводит к распространению газов ( энтропия ). Эти события также описываются теорией частиц .

Поскольку наблюдение отдельных частиц газа (атомов или молекул) находится на пределе (или за пределами) современной технологии, только теоретические расчеты дают предположения о том, как они движутся, но их движение отличается от броуновского движения, поскольку броуновское движение связано с плавным сопротивлением. к силе трения многих молекул газа, прерываемой сильными столкновениями отдельной (или нескольких) молекулы (молекул) газа с частицей. Таким образом, частица (обычно состоящая из миллионов или миллиардов атомов) движется неровно, но не так неровно, как можно было бы ожидать, если бы исследовали отдельную молекулу газа.

Межмолекулярные силы [ править ]

Как обсуждалось ранее, мгновенное притяжение (или отталкивание) между частицами влияет на газовую динамику . В физической химии эти межмолекулярные силы называют силой Ван-дер-Ваальса . Эти силы играют ключевую роль в определении физических свойств газа, таких как вязкость и скорость потока (см. Раздел о физических характеристиках). Игнорирование этих сил в определенных условиях позволяет обращаться с реальным газом как с идеальным газом . Это предположение позволяет использовать законы идеального газа, что значительно упрощает вычисления.

Правильное использование этих газовых соотношений требует кинетико-молекулярной теории (КМТ). Когда частицы газа испытывают межмолекулярные силыони постепенно влияют друг на друга по мере уменьшения расстояния между ними (модель водородной связи иллюстрирует один пример). В отсутствие заряда в какой-то момент, когда расстояние между частицами газа значительно уменьшается, они больше не могут избегать столкновений между собой при нормальной температуре газа. Другой случай увеличения количества столкновений между частицами газа может включать фиксированный объем газа, который при нагревании будет содержать очень быстрые частицы. Это означает, что эти идеальные уравнения дают разумные результаты, за исключением условий чрезвычайно высокого давления (сжимаемый) или высокой температуры (ионизированный). Все эти исключенные условия позволяют передавать энергию в газовой системе.Отсутствие этих внутренних передач - это то, что называют идеальными условиями, в которых обмен энергией происходит только на границах системы. Реальные газы испытывают некоторые из этих столкновений и межмолекулярных сил. Когда эти столкновения статистически незначительны (несжимаемы), результаты этих идеальных уравнений все еще имеют смысл. Если частицы газа сжаты в непосредственной близости, они ведут себя больше как жидкость (см.гидродинамика ).

Упрощенные модели [ править ]

Уравнение состояния (для газов) представляет собой математическую модель , используемая для описания примерно или предсказать государственные свойства газа. В настоящее время не существует единого уравнения состояния, которое точно предсказывало бы свойства всех газов при любых условиях. Поэтому был разработан ряд гораздо более точных уравнений состояния для газов в определенных диапазонах температуры и давления. Наиболее широко обсуждаемыми «газовыми моделями» являются «идеальный газ», «идеальный газ» и «реальный газ». Каждая из этих моделей имеет свой собственный набор допущений, облегчающих анализ данной термодинамической системы. ^[17] Каждая последующая модель расширяет температурный диапазон покрытия, к которому она применяется.

Идеальные и совершенные газовые модели [ править ]

Уравнение состояния для идеального или совершенного газа является законом идеального газа и читает

${\ displaystyle PV = nRT,}$

где P - давление, V - объем, n - количество газа (в мольных единицах), R - универсальная газовая постоянная , 8,314 Дж / (моль K), а T - температура. Написанный таким образом, его иногда называют «версией химика», поскольку он подчеркивает количество молекул n . Его также можно записать как

${\ Displaystyle P = \ rho R_ {s} T,}$

где - удельная газовая постоянная для конкретного газа в единицах Дж / (кг · К), а ρ = м / В - плотность. Это обозначение является версией «газодинамики», которая более практична при моделировании газовых потоков с ускорением без химических реакций.${\ displaystyle R_ {s}}$

Закон идеального газа не делает предположений об удельной теплоемкости газа. В наиболее общем случае удельная теплоемкость является функцией как температуры, так и давления. Если пренебречь зависимостью от давления (и, возможно, температурной зависимостью) в конкретном приложении, иногда газ называют идеальным газом , хотя точные предположения могут варьироваться в зависимости от автора и / или области науки.

Для идеального газа действует закон идеального газа без ограничений на удельную теплоемкость. Идеальный газ - это упрощенный «реальный газ» с предположением, что коэффициент сжимаемости Z установлен на 1, что означает, что это пневматическое соотношение остается постоянным. Коэффициент сжимаемости, равный единице, также требует, чтобы четыре переменные состояния подчинялись закону идеального газа .

Это приближение больше подходит для инженерных приложений, хотя более простые модели могут быть использованы для создания диапазона «шарик-парк» относительно того, где должно лежать реальное решение. Пример , где «приближение идеального газа» будет лучшим выбором будет внутри камеры сгорания в виде реактивного двигателя . ^[18] Также может быть полезно сохранить элементарные реакции и химическую диссоциацию для расчета выбросов .

Настоящий газ [ править ]

Каждое из перечисленных ниже допущений усложняет решение проблемы. Поскольку плотность газа увеличивается с ростом давления, межмолекулярные силы играют более существенную роль в поведении газа, что приводит к тому, что закон идеального газа больше не дает «разумных» результатов. На верхнем пределе температурных диапазонов двигателя (например, секции камеры сгорания - 1300 K) сложные топливные частицы поглощают внутреннюю энергию посредством вращения и вибрации, что приводит к тому, что их удельная теплоемкость отличается от теплоемкости двухатомных молекул и благородных газов. При более чем удвоенной температуре начинает происходить электронное возбуждение и диссоциация частиц газа, в результате чего давление регулируется до большего числа частиц (переход от газа к плазме ). ^[19]Наконец, предполагалось, что все термодинамические процессы описывают однородные газы, скорости которых изменяются согласно фиксированному распределению. Использование неравновесной ситуации подразумевает, что поле течения должно быть каким-то образом охарактеризовано, чтобы обеспечить решение. Одним из первых попыток расширить границы закона идеального газа должны был включать покрытие для различных термодинамических процессов , регулируя уравнение для чтения Pv ^п = константы , а затем изменение п с помощью различных значений , таких как отношение теплоемкости , гамма .

Эффекты реального газа включают корректировки, сделанные для учета более широкого диапазона поведения газа:

• Эффекты сжимаемости ( Z может изменяться от 1,0)
• Переменная теплоемкость (удельная теплоемкость зависит от температуры)
• Силы Ван-дер-Ваальса (связанные со сжимаемостью, могут заменять другие уравнения состояния)
• Неравновесные термодинамические эффекты
• Вопросы молекулярной диссоциации и элементарных реакций переменного состава.

Для большинства приложений такой подробный анализ излишен. Примеры, когда эффекты реального газа будут иметь существенное влияние, - это возвращение космического корабля "Шаттл" в атмосферу при чрезвычайно высоких температурах и давлениях или газы, образовавшиеся во время геологических событий, как на изображении извержения вулкана Редут в 1990 году .

Историческое исследование [ править ]

Закон Бойля [ править ]

Закон Бойля был, пожалуй, первым выражением уравнения состояния. В 1662 году Роберт Бойль провел серию экспериментов с J-образной стеклянной трубкой, запаянной с одного конца. В трубку добавляли ртуть, удерживая фиксированное количество воздуха в коротком закрытом конце трубки. Затем тщательно измеряли объем газа, поскольку в трубку добавляли дополнительную ртуть. Давление газа можно определить по разнице между уровнем ртути в коротком конце трубки и в длинном открытом конце. На изображении оборудования Бойля показаны некоторые экзотические инструменты, которые Бойль использовал во время изучения газов.

В ходе этих экспериментов Бойль заметил, что давление, оказываемое газом, поддерживаемым при постоянной температуре, изменяется обратно пропорционально объему газа. ^[20] Например, если объем уменьшается вдвое, давление увеличивается вдвое; а если объем увеличивается вдвое, давление уменьшается вдвое. Учитывая обратную зависимость между давлением и объемом, произведение давления ( P ) и объема ( V ) является константой ( k ) для данной массы ограниченного газа, пока температура остается постоянной. Формула означает:

${\ displaystyle PV = k}$

Поскольку объемы и давления до и после фиксированного количества газа, где температуры до и после одинаковы, оба равны константе k , их можно связать уравнением:

${\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} = P_ {2} V_ {2}.}$

Закон Чарльза [ править ]

В 1787 году французский физик и пионер воздушных шаров Жак Шарль обнаружил, что кислород, азот, водород, углекислый газ и воздух расширяются в одинаковой степени в том же интервале 80 кельвинов. Он отметил, что для идеального газа при постоянном давлении объем прямо пропорционален его температуре:

${\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {T_ {1}}} = {\ frac {V_ {2}} {T_ {2}}}}$

Закон Гей-Люссака [ править ]

В 1802 году Жозеф Луи Гей-Люссак опубликовал результаты подобных, но более обширных экспериментов. ^[21] Гей-Люссак признал более раннюю работу Чарльза, назвав закон в его честь. Самому Гей-Люссаку приписывают закон, описывающий давление, который он обнаружил в 1809 году. Он гласит, что давление, оказываемое идеальным газом на стенки сосуда, пропорционально его температуре.

${\ displaystyle {\ frac {P_ {1}} {T_ {1}}} = {\ frac {P_ {2}} {T_ {2}}} \,}$

Закон Авогадро [ править ]

В 1811 году Амедео Авогадро подтвердил, что равные объемы чистых газов содержат одинаковое количество частиц. Его теория не была общепринятой до 1858 года, когда другой итальянский химик Станислао Канниццаро ​​смог объяснить неидеальные исключения. В его работе с газами за столетие до этого число, носящее его имя , постоянная Авогадро представляет собой количество атомов, обнаруженных в 12 граммах элементарного углерода-12 (6,022 × 10 ²³ моль ^-1 ). Это конкретное количество частиц газа при стандартной температуре и давлении (закон идеального газа) составляет 22,40 литра, что называется молярным объемом .

Закон Авогадро гласит, что объем, занимаемый идеальным газом, пропорционален количеству молей (или молекул), присутствующих в контейнере. Это дает молярный объем газа, который на STP составляет 22,4 дм ³ (или литра). Соотношение задается формулой

${\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {n_ {1}}} = {\ frac {V_ {2}} {n_ {2}}} \,}$

где n равно количеству молей газа (количество молекул, деленное на число Авогадро ).

Закон Далтона [ править ]

В 1801 году Джон Дальтон опубликовал закон парциальных давлений из своей работы с соотношением закона идеального газа: давление смеси неактивных газов равно сумме давлений всех составляющих газов. Математически это можно представить для n видов как:

_Общее давление = Давление ₁ + Давление ₂ + ... + Давление _n

Изображение дневника Далтона изображает символы, которые он использовал как стенографию, чтобы записать путь, по которому он шел. Среди его основных журнальных наблюдений за смешиванием инертных «упругих жидкостей» (газов) были следующие: ^[22]

• В отличие от жидкостей, более тяжелые газы не опускались на дно при смешивании.
• Идентичность газовых частиц не играла роли в определении конечного давления (они вели себя так, как будто их размер был незначительным).

Специальные темы [ править ]

Сжимаемость [ править ]

Термодинамики используют этот коэффициент ( Z ), чтобы изменить уравнение идеального газа, чтобы учесть эффекты сжимаемости реальных газов. Этот коэффициент представляет собой отношение фактического удельного объема к идеальному. Иногда его называют «поправочным коэффициентом» или поправкой, чтобы расширить полезный диапазон закона идеального газа для целей проектирования. Обычно это значение Z очень близко к единице. Изображение коэффициента сжимаемости показывает, как Z изменяется в диапазоне очень низких температур.

Число Рейнольдса [ править ]

В механике жидкости число Рейнольдса - это отношение сил инерции ( v _s ρ ) к силам вязкости ( μ / L ). Это одно из самых важных безразмерных чисел в гидродинамике и обычно используется вместе с другими безразмерными числами, чтобы обеспечить критерий для определения динамического подобия. Таким образом, число Рейнольдса обеспечивает связь между результатами моделирования (проектом) и фактическими условиями в полном масштабе. Его также можно использовать для характеристики потока.

Вязкость [ править ]

Вязкость, физическое свойство, является мерой того, насколько хорошо соседние молекулы прилипают друг к другу. Твердое тело может выдерживать силу сдвига из-за силы этих липких межмолекулярных сил. Жидкость будет постоянно деформироваться под действием аналогичной нагрузки. Хотя газ имеет более низкое значение вязкости, чем жидкость, это все же наблюдаемое свойство. Если бы газы не имели вязкости, они не прилипали бы к поверхности крыла и не образовывали бы пограничный слой. Исследование треугольного крыла на изображении Шлирена показывает, что частицы газа прилипают друг к другу (см. Раздел «Граничный слой»).

Турбулентность [ править ]

В гидродинамике турбулентность или турбулентный поток - это режим потока, характеризующийся хаотическими, стохастическими изменениями свойств. Это включает в себя диффузию с низким импульсом, конвекцию с высоким импульсом и быстрое изменение давления и скорости в пространстве и времени. Снимок погоды со спутника вокруг островов Робинзона Крузо иллюстрирует один пример.

Граничный слой [ править ]

Фактически, частицы будут «прилипать» к поверхности объекта, движущегося через нее. Этот слой частиц называется пограничным слоем. На поверхности объекта он по существу статичен из-за трения о поверхность. Объект с его пограничным слоем фактически представляет собой новую форму объекта, которую остальные молекулы «видят» по мере приближения к объекту. Этот пограничный слой может отделяться от поверхности, по сути, создавая новую поверхность и полностью изменяя путь потока. Классический пример этого - сваливающийся профиль . Изображение треугольного крыла ясно показывает утолщение пограничного слоя по мере того, как газ течет справа налево вдоль передней кромки.

Принцип максимальной энтропии [ править ]

Когда общее число степеней свободы приближается к бесконечности, система будет находиться в макросостоянии, которое соответствует наибольшей множественности . Чтобы проиллюстрировать этот принцип, понаблюдайте за температурой кожи застывшего металлического стержня. Используя тепловое изображение температуры кожи, обратите внимание на распределение температуры на поверхности. Это первоначальное наблюдение температуры представляет собой « микросостояние.". В какое-то время второе наблюдение температуры кожи вызовет второе микросостояние. Продолжая этот процесс наблюдения, можно создать серию микросостояний, которые иллюстрируют тепловую историю поверхности стержня. Характеристика этого исторического ряда микросостояния возможны путем выбора макросостояния, которое успешно классифицирует их все в одну группу.

Термодинамическое равновесие [ править ]

Когда передача энергии из системы прекращается, это состояние называется термодинамическим равновесием. Обычно это условие подразумевает, что система и окружающая среда имеют одинаковую температуру, поэтому тепло между ними больше не передается. Это также означает, что внешние силы уравновешены (объем не изменяется), и все химические реакции в системе завершены. Сроки для этих событий различаются в зависимости от рассматриваемой системы. Контейнер со льдом, который тает при комнатной температуре, занимает часы, в то время как в полупроводниках теплопередача, которая происходит при переходе устройства из включенного состояния в выключенное, может составлять порядка нескольких наносекунд.

См. Также [ править ]

• Парниковый газ
• Список газов
• Натуральный газ
• Вулканический газ
• Дыхательный газ
• Ветер

Фазовые переходы вещества (

• v
• т
• е

)

		К
		Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Из	Твердый		Плавление	Сублимация
	Жидкость	Замораживание		Испарение
	Газ	Осаждение	Конденсация		Ионизация
	Плазма			Рекомбинация

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

• Андерсон, Джон Д. (1984). Основы аэродинамики . Макгроу-Хилл Высшее образование. ISBN 978-0-07-001656-9.
• Джон, Джеймс (1984). Газовая динамика . Аллин и Бэкон. ISBN 978-0-205-08014-4.
• Макферсон, Уильям; Хендерсон, Уильям (1917). Элементарное изучение химии .

Дальнейшее чтение [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме газов .

• Филип Хилл и Карл Петерсон. Механика и термодинамика движения: второе издание, Аддисон-Уэсли, 1992. ISBN 0-201-14659-2 
• Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Анимированная газовая лаборатория . По состоянию на февраль 2008 г.
• Государственный университет Джорджии. Гиперфизика . По состоянию на февраль 2008 г.
• Энтони Льюис WordWeb . По состоянию на февраль 2008 г.
• Колледж Северо-Западного Мичигана Газообразный штат . По состоянию на февраль 2008 г.
• Льюис, Вивиан Байам; Выпад, Георг (1911). «Газ»  . Британская энциклопедия . 11 (11-е изд.). п. 481–493.