Gaz - Gas

Sürüklenen duman parçacıkları çevredeki gazın hareketini gösterir .

Gaz , maddenin dört temel durumundan biridir (diğerleri katı , sıvı ve plazmadır ).

Saf bir gaz, tek tek atomlardan (örneğin neon gibi bir soy gaz ), bir tür atomdan (örneğin oksijen ) oluşan temel moleküllerden veya çeşitli atomlardan (örneğin karbon dioksit ) oluşan bileşik moleküllerden oluşabilir . Hava gibi bir gaz karışımı çeşitli saf gazlar içerir. Bir gazı sıvılardan ve katılardan ayıran şey, tek tek gaz parçacıklarının büyük ölçüde ayrılmasıdır . Bu ayırma genellikle renksiz bir gazı insan gözlemci için görünmez kılar.

Maddenin gaz halindeki hali, sıvı ve plazma halleri arasında meydana gelir, ikincisi gazlar için üst sıcaklık sınırını sağlar. Sıcaklık ölçeğinin alt ucunu sınırlayan, giderek daha fazla dikkat çeken dejeneratif kuantum gazlarıdır. Çok düşük sıcaklıklara süper soğutulmuş yüksek yoğunluklu atomik gazlar, istatistiksel davranışlarına göre Bose gazları veya Fermi gazları olarak sınıflandırılır . Maddenin bu egzotik hallerinin kapsamlı bir listesi için maddenin hallerinin listesine bakınız .

elementel gazlar

Sadece kimyasal elementler stabildir atomlu homonükleer molekülleri de STP olan hidrojen (H 2 ), azot (N 2 ), oksijen (O 2 ), ve iki halojenler : flor (F 2 ) ve klor (CI 2 ). Monatomik soy gazlarla - helyum (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), ksenon (Xe) ve radon (Rn) ile birlikte gruplandırıldığında , bu gazlara "temel gazlar" denir.

etimoloji

Gaz kelimesi ilk olarak 17. yüzyılın başlarında Flaman kimyager Jan Baptist van Helmont tarafından kullanılmıştır . Hava dışında bilinen ilk gaz olan karbondioksiti tanımladı . Van Helmont'un kelime fonetik transkripsiyon basitçe olmuş görünüyor Antik Yunanca χάος kelime Kaos - g yılında Hollandalı gibi telaffuz ediliyor ch "körfez" in (sessiz damaksıl frikatif, / x / ) - bu durumda Van Helmont'un basitçe takip ediyordu Yerleşik simya kullanımı ilk olarak Paracelsus'un eserlerinde kanıtlanmıştır . Paracelsus'un terminolojisine göre, kaos "çok nadir su" gibi bir anlama geliyordu.

Alternatif bir katlı Van Helmont'un şekliyle "türetilmiş olmasıdır gahst (veya Geist hayalet ya da ruh belirtir),". Oxford İngilizce Sözlüğü'nün editörleri bu hikayeye hiçbir güven vermiyor . Buna karşılık, Fransız-Amerikalı tarihçi Jacques Barzun , Van Helmont'un kelimeyi fermantasyondan kaynaklanan köpük anlamına gelen Alman Gäscht'tan ödünç aldığını tahmin etti .

Fiziksel özellikler

En gazlar doğrudan gözlenmesi zor olduğu için, dört kullanımı yoluyla tarif edilmiştir , fiziksel özellikleri veya makroskopik : özellikleri basınç , hacim , parçacık sayısı (kimyager tarafından grubu bunları mol ) ve sıcaklık. Bu dört özellik, Robert Boyle , Jacques Charles , John Dalton , Joseph Gay-Lussac ve Amedeo Avogadro gibi bilim adamları tarafından çeşitli ortamlarda çeşitli gazlar için tekrar tekrar gözlemlendi . Onların detaylı çalışmaları, ideal gaz yasası tarafından ifade edilen bu özellikler arasında matematiksel bir ilişkiye yol açtı (aşağıdaki basitleştirilmiş modeller bölümüne bakın).

Gaz parçacıkları birbirinden geniş ölçüde ayrılır ve sonuç olarak sıvı veya katılardan daha zayıf moleküller arası bağlara sahiptir. Bu moleküller arası kuvvetler , gaz parçacıkları arasındaki elektrostatik etkileşimlerden kaynaklanır. Farklı gaz parçacıklarının benzer yüklü alanları birbirini iterken, farklı gaz parçacıklarının zıt yüklü bölgeleri birbirini çeker; Kalıcı olarak yüklü iyonlar içeren gazlar plazma olarak bilinir . Polar kovalent bağlara sahip gaz halindeki bileşikler, kalıcı yük dengesizlikleri içerir ve bu nedenle, bileşiğin net yükü nötr kalırken molekül, nispeten güçlü moleküller arası kuvvetler yaşar. Moleküllerin polar olmayan kovalent bağları arasında geçici, rastgele indüklenmiş yükler bulunur ve bunların neden olduğu elektrostatik etkileşimler Van der Waals kuvvetleri olarak adlandırılır . Bu moleküller arası kuvvetlerin etkileşimi, her gaza özgü fiziksel özelliklerin çoğunu belirleyen bir madde içinde değişir. İyonik ve kovalent bağlardan oluşan bileşiklerin kaynama noktalarının karşılaştırılması bizi bu sonuca götürür. Görüntüdeki sürüklenen duman parçacıkları, düşük basınçlı gaz davranışına ilişkin bazı bilgiler sağlar.

Maddenin diğer halleriyle karşılaştırıldığında, gazların yoğunluğu ve viskozitesi düşüktür . Basınç ve sıcaklık belirli bir hacim içindeki parçacıkları etkiler. Parçacık ayırma ve hızdaki bu değişime sıkıştırılabilirlik denir . Bu parçacık ayrımı ve boyutu, aşağıdaki kırılma indisleri listesinde bulunabileceği gibi gazların optik özelliklerini etkiler . Son olarak, gaz parçacıkları kendilerini herhangi bir kap içinde homojen bir şekilde dağıtmak için dağılır veya dağılır .

Gazların makroskopik görünümü

Yeniden giriş aşamasının mekik görüntüleri

Bir gazı gözlemlerken, bir referans çerçevesi veya uzunluk ölçeği belirtmek tipiktir . Daha büyük bir uzunluk ölçeği , gazın makroskopik veya küresel bir bakış açısına karşılık gelir . Bu bölge (hacim olarak adlandırılır), büyük bir gaz partikülü örneklemesini içerecek büyüklükte olmalıdır. Bu numune boyutunun elde edilen istatistiksel analizi, bölgedeki tüm gaz parçacıklarının "ortalama" davranışını (yani hız, sıcaklık veya basınç) üretir. Buna karşılık, daha küçük bir uzunluk ölçeği, mikroskobik veya parçacık bakış açısına karşılık gelir .

Makroskopik olarak, ölçülen gaz özellikleri ya gaz parçacıklarının kendileri (hız, basınç veya sıcaklık) ya da çevreleri (hacim) cinsindendir. Örneğin, Robert Boyle kariyerinin küçük bir bölümünde pnömatik kimya okudu . Deneylerinden biri, bir gazın basıncının ve hacminin makroskopik özellikleri ile ilgiliydi . Deneyi, J harfi şeklinde bir test tüpüne benzeyen bir J-tüp manometresi kullandı. Boyle , test tüpünün kapalı ucunda bir cıva sütunu ile bir soy gazı hapsetti , böylece parçacıkların sayısını ve sıcaklığını yaptı. devamlı. Gazdaki basınç arttırıldığında, kolona daha fazla cıva eklenerek, tutulan gazın hacminin azaldığını gözlemledi (bu ters ilişki olarak bilinir ). Ayrıca Boyle, her gözlemin basıncını ve hacmini çarptığında, ürün sabitti. Bu ilişki, Boyle'un yasaya yol açtığını gözlemlediği her gaz için geçerliydi, (PV=k), bu alandaki çalışmalarını onurlandırmak için adlandırıldı.

Gaz özelliklerini analiz etmek için birçok matematiksel araç mevcuttur. Gazlar aşırı koşullara maruz kaldıkça, bu araçlar viskoz olmayan akış için Euler denklemlerinden viskoz etkileri tamamen hesaba katan Navier-Stokes denklemlerine kadar daha karmaşık hale gelir . Bu denklemler, söz konusu gaz sisteminin koşullarına uyarlanmıştır. Boyle'un laboratuvar ekipmanı , analitik sonuçlarını elde etmek için cebir kullanımına izin verdi . Sonuçları, "ideal" bir şekilde davrandıkları nispeten düşük basınç durumlarında gazlar üzerinde çalıştığı için mümkün oldu. Bu ideal ilişkiler, kullanılan malzemeler üzerinde çeşitli uçuş koşulları için güvenlik hesaplamaları için geçerlidir. Bugün kullanılan yüksek teknolojili ekipman, gazların artık "ideal" bir şekilde davranmadığı daha egzotik çalışma ortamlarını güvenli bir şekilde keşfetmemize yardımcı olmak için tasarlandı. İstatistikler ve çok değişkenli hesabı içeren bu gelişmiş matematik, uzay aracının yeniden girişi gibi karmaşık dinamik durumlara çözümü mümkün kılar. Bir örnek, bu yükleme koşulu altında malzeme özelliklerinin uygun olduğundan emin olmak için resmedilen uzay mekiğinin yeniden girişinin analizidir. Bu uçuş rejiminde gaz artık ideal davranmıyor.

Baskı yapmak

Denklemlerde basıncı temsil etmek için kullanılan sembol , SI birimleri paskal ile "p" veya "P" dir .

Bir gaz kabını tanımlarken, basınç (veya mutlak basınç) terimi, gazın kabın yüzeyine uyguladığı birim alan başına ortalama kuvveti ifade eder. Bu cilt içinde, gaz parçacıklarını kap ile çarpışana kadar düz çizgiler halinde hareket eden gaz parçacıklarını görselleştirmek bazen daha kolaydır (makalenin başındaki şemaya bakın). Bir gaz parçacığının bu çarpışma sırasında kaba uyguladığı kuvvet , parçacığın momentumundaki değişimdir . Bir çarpışma sırasında hızın yalnızca normal bileşeni değişir. Duvara paralel hareket eden bir parçacık momentumunu değiştirmez. Bu nedenle, bir yüzey üzerindeki ortalama kuvvet, tüm bu gaz parçacıkları çarpışmalarından kaynaklanan lineer momentumdaki ortalama değişiklik olmalıdır .

Basınç, kabın duvarlarına çarpan parçacıkların uyguladığı kuvvetin tüm normal bileşenlerinin toplamının duvarın yüzey alanına bölünmesidir.

Sıcaklık

Hava balonu sıvı nitrojene daldırıldıktan sonra küçülür

Temsil etmek için kullanılan sembol sıcaklığı denklemlerinde olan T SI birimleri ile Kelvin .

Bir gaz parçacığının hızı, mutlak sıcaklığı ile orantılıdır . Videodaki balonun hacmi, sıkışan gaz parçacıkları aşırı soğuk nitrojen ilavesiyle yavaşladığında küçülür. Herhangi bir fiziksel sistemin sıcaklığı , [gaz] sistemini oluşturan parçacıkların (moleküller ve atomlar) hareketleriyle ilgilidir. Olarak istatistiksel mekanik , sıcaklık (termal enerji olarak da bilinir), bir molekül içinde depolanmış ortalama kinetik enerji ölçümüdür. Bu enerjiyi depolama yöntemleri , molekülün kendisinin serbestlik dereceleri ( enerji modları ) tarafından belirlenir. Bir gaza veya sıvıya eklenen termal (kinetik) enerji ( endotermik bir süreç), öteleme, dönme ve titreşim hareketi üretir. Buna karşılık, kristal kafes yapısı hem öteleme hem de dönme hareketini engellediğinden, bir katı yalnızca iç enerjisini uyaran ek titreşim modları ile artırabilir. Bu ısıtılmış gaz molekülleri, daha yüksek bir ortalama veya ortalama hız ile daha büyük bir hız aralığına (hızların daha geniş dağılımına) sahiptir . Bu dağılımın varyansı, diğer parçacıklarla tekrarlanan çarpışmalar nedeniyle sürekli değişen bireysel parçacıkların hızlarından kaynaklanmaktadır. Hız aralığı Maxwell–Boltzmann dağılımı ile tanımlanabilir . Bu dağılımın kullanılması, düşünülen parçacıklar sistemi için termodinamik dengeye yakın ideal gazlar anlamına gelir .

belirli hacim

Denklemlerde belirli hacmi temsil etmek için kullanılan sembol, kilogram başına SI birimleri metreküp olan "v" dir .

Denklemlerde hacmi temsil etmek için kullanılan sembol , SI birimleri metreküp olan "V" dir .

Bir termodinamik analiz gerçekleştirirken , yoğun ve kapsamlı özelliklerden bahsetmek tipiktir . Gaz miktarına (kütle veya hacim olarak) bağlı olan özelliklere kapsamlı özellikler, gaz miktarına bağlı olmayan özelliklere ise yoğun özellikler denir. Özgül hacim, yoğun bir özelliğe bir örnektir, çünkü dengede bir sistem boyunca aynı olan bir gazın kütle birimi tarafından işgal edilen hacmin oranıdır . Bir gazın 1000 atomu, herhangi bir sıcaklık ve basınç için diğer 1000 atomla aynı alanı kaplar. Bu kavramı, gazlara kıyasla sıkıştırılamaz olan demir gibi katı maddeler için görselleştirmek daha kolaydır . Ancak, hacmin kendisi --- spesifik değil --- kapsamlı bir özelliktir.

Yoğunluk

Denklemlerde yoğunluğu temsil etmek için kullanılan sembol, metreküp başına SI kilogram birimleriyle ρ (rho)'dur. Bu terim karşılıklı spesifik hacminin.

Gaz molekülleri bir kap içinde serbestçe hareket edebildiğinden, kütleleri normal olarak yoğunluk ile karakterize edilir. Yoğunluk, bir maddenin birim hacmindeki kütle miktarı veya özgül hacmin tersidir. Gazlar için, yoğunluk geniş bir aralıkta değişebilir, çünkü parçacıklar basınç veya hacim tarafından kısıtlandığında birbirine daha yakın hareket etmekte serbesttir. Bu yoğunluk değişimine sıkıştırılabilirlik denir . Basınç ve sıcaklık gibi yoğunluk da bir gazın durum değişkenidir ve herhangi bir işlem sırasında yoğunluktaki değişiklik termodinamik yasalarına tabidir. Bir için statik gaz yoğunluk tüm kap boyunca aynıdır. Yoğunluk bu nedenle skaler bir büyüklüktür . Yoğunluğun sabit bir gaz kütlesinin tutulduğu kabın boyutuyla ters orantılı olduğu kinetik teori ile gösterilebilir. Sabit bir kütlenin olduğu bu durumda, hacim arttıkça yoğunluk azalır.

Gazların mikroskobik görünümü

Gaz fazındaki parçacıklar ( atomlar , moleküller veya iyonlar ), uygulanan bir elektrik alanı olmadığında serbestçe hareket eder .

Bir kimse, güçlü bir mikroskop altında bir gazı gözlemleyebilseydi, belirli bir şekli veya hacmi olmayan, az çok rastgele hareket eden bir parçacıklar topluluğu görebilirdi. Bu gaz parçacıkları, yalnızca başka bir parçacıkla veya kabın kenarlarıyla çarpıştıklarında yön değiştirirler. Gazın bu mikroskobik görünümü, istatistiksel mekanik tarafından iyi tanımlanmıştır , ancak birçok farklı teori ile tanımlanabilir. Gazların kinetik teorisi bu çarpışmalar mükemmel olduğu varsayımını yapar, elastik , çekme ve itme moleküller arası kuvvetler dikkate almaz.

Gazların kinetik teorisi

Kinetik teori , gazların moleküler bileşimlerini ve hareketlerini göz önünde bulundurarak makroskopik özellikleri hakkında fikir verir. Tanımları ile başlayarak ivme ve kinetik enerjisi , tek kullanabilir momentumun korunumu molekül başına kinetik enerji mikroskobik özelliği sıcaklık ve basınç makroskopik sistem özelliklerini, ilgili olduğu bir küp geometrik oranlarına. Teori, bu iki özellik için ortalama değerler sağlar.

Gazların kinetik teorisi karşılık gelen bir değişiklik, sıcaklık değişimlerine sistemi (gaz partiküllerinin toplanması olarak görülmüştür) nasıl yanıt verir açıklamaya yardımcı olabilir kinetik enerji .

Örneğin: Sabit boyutlu ( sabit hacimli) ve sabit sayıda gaz parçacığı içeren kapalı bir kabınız olduğunu hayal edin ; itibaren kesin bir sıfır (atom ya da moleküller termal enerjiye sahip olan teorik sıcaklık, örneğin, hareket eden ya da titreşimli olmayan) ile, kabın ısıtma sisteme enerji eklemek içinde parçacıklara enerji transferi, böylece başlar. Bunların sonra iç enerji üzerinde sıfır nokta enerjisi bunların anlamı, kinetik (aynı zamanda enerji ısı enerjisi , gaz partikülleri kap hareket etmeye başlayacaktır) olmayan sıfırdır. Kutu daha fazla ısıtıldıkça (daha fazla enerji eklendikçe), sistemin toplam iç enerjisi arttıkça tek tek parçacıklar ortalama hızlarını arttırır. Tüm parçacıkların daha yüksek ortalama hızı , parçacıkların kendi aralarında olduğu kadar, parçacıklar ile kap arasında da çarpışmaların (yani birim zaman başına daha fazla sayıda çarpışmanın) meydana geldiği daha yüksek bir orana yol açar .

Makro endoskopik, ölçülebilir miktar basıncı, bu doğrudan bir sonucudur mikro toplam kuvvet katkıda her biri belli bir alan içinde uygulanan, tek tek moleküller, küçük bir kuvvet uygulayan, üzerinde yüzeye sahip laparoskopik parçacık çarpışmaları. ( Yukarıdaki " Gazların makroskobik görünümü " bölümündeki " Basınç " bölümünü okuyun .)

Benzer şekilde, makroskopik olarak ölçülebilir sıcaklık miktarı , parçacıkların sergilediği toplam hareket miktarının veya kinetik enerjinin bir niceliğidir . ( Yukarıdaki " Gazların makroskopik görünümü " bölümündeki " Sıcaklık " bölümünü okuyun .)

Termal hareket ve istatistiksel mekanik

Gelen gazların kinetik teori , kinetik enerji tamamen bir uygun doğrusal çeviri meydana geldiği varsayılır hızı dağılımına ait parçacıklar sisteminde. Bununla birlikte, içinde gerçek gazlar ve diğer gerçek maddeler, (topluca sıcaklığını saptamak) bir sistemin kinetik enerjisini tanımlar hareketleri, basit doğrusal çok daha karmaşıktır çeviri sonucunda tek atomuna göre moleküllerin daha kompleks bir yapı, hangi nokta kütlelere benzer şekilde hareket eder . Gerçek termodinamik sistemlerde, kuantum fenomenleri termal hareketlerin belirlenmesinde büyük rol oynar. Moleküllerdeki rastgele, termal hareketler (kinetik enerji), öteleme, dönme ve titreşim dahil olmak üzere sonlu olası hareketlerin bir kombinasyonudur . Bu sonlu olası hareket aralığı, sistemdeki sonlu molekül kümesiyle birlikte, sistem içinde sonlu sayıda mikro duruma yol açar ; tüm mikro-durumların kümesini bir topluluk olarak adlandırırız . Atomik veya moleküler sistemlere özgü , duruma bağlı olarak potansiyel olarak üç farklı türde topluluğa sahip olabiliriz: mikrokanonik topluluk , kanonik topluluk veya büyük kanonik topluluk . Bir topluluk içindeki belirli mikro durum kombinasyonları , sistemin makro durumunu (sıcaklık, basınç, enerji vb.) gerçekten nasıl tanımladığımızdır . Bunu yapmak için, önce bir bölme işlevi kullanarak tüm mikro durumları saymalıyız . İstatistiksel mekaniğin ve bölme fonksiyonunun kullanımı tüm fiziksel kimya boyunca önemli bir araçtır, çünkü bir sistemin mikroskobik durumları ile sıcaklık, basınç, ısı kapasitesi gibi ölçebildiğimiz makroskopik değişkenler arasındaki bağlantının anahtarıdır. , iç enerji, entalpi ve entropi, sadece birkaçını saymak gerekirse. ( Okuyun : Bölme işlevi Anlamı ve önemi )

Bir molekülün ya da moleküller sisteminin enerjisini bulmak için bölme fonksiyonunun kullanılması, bazen hesaplamayı büyük ölçüde basitleştiren Eşit Bölme teoremi ile yaklaşık olarak yapılabilir . Bununla birlikte, bu yöntem, tüm moleküler serbestlik derecelerinin eşit olarak doldurulduğunu ve dolayısıyla molekül içinde enerji depolamak için eşit olarak kullanıldığını varsayar . Bu, iç enerjinin sıcaklıkla lineer olarak değiştiği anlamına gelir, ki durum böyle değildir. Bu , düşük sıcaklıklarda belirli serbestlik derecelerine erişilemez (diğer bir deyişle "donmuş") nedeniyle ısı kapasitesinin sıcaklıkla değiştiği gerçeğini göz ardı eder . Moleküllerin iç enerjisi arttıkça, enerjiyi ek serbestlik dereceleri içinde depolama yeteneği de artar. Enerjiyi tutmak için daha fazla serbestlik derecesi elde edildiğinde, bu, maddenin molar ısı kapasitesinin artmasına neden olur.

Gaz parçacıklarının rastgele hareketi difüzyonla sonuçlanır .

Brown hareketi

Brownian hareketi, bir sıvıda asılı duran parçacıkların rastgele hareketini tanımlamak için kullanılan matematiksel modeldir. Pembe ve yeşil parçacıkları kullanan gaz parçacığı animasyonu, bu davranışın nasıl gazların yayılmasına ( entropi ) yol açtığını gösterir . Bu olaylar parçacık teorisi ile de açıklanır .

Tek tek gaz parçacıklarını (atomlar veya moleküller) gözlemlemek mevcut teknolojinin sınırında (veya ötesinde) olduğundan, yalnızca teorik hesaplamalar nasıl hareket ettikleri hakkında önerilerde bulunur, ancak hareketleri Brown hareketinden farklıdır, çünkü Brown hareketi düzgün bir sürükleme içerir. tek bir (veya birkaç) gaz molekülünün/moleküllerinin parçacıkla şiddetli çarpışmalarıyla noktalanan birçok gaz molekülünün sürtünme kuvvetine. Parçacık (genellikle milyonlarca veya milyarlarca atomdan oluşur) bu nedenle pürüzlü bir seyirde hareket eder, ancak tek bir gaz molekülü incelendiğinde bekleneceği kadar pürüzlü değildir.

Moleküller arası kuvvetler - Gerçek ve İdeal gazlar arasındaki temel fark

Çekici veya itici iki veya daha fazla molekül veya atom arasındaki kuvvetlere moleküller arası kuvvetler denir . Moleküller arası kuvvetler, birbirlerine fiziksel olarak yakın olduklarında moleküller tarafından deneyimlenir. Bu kuvvetler, herhangi bir sistemdeki moleküllerin mikroskobik davranışını doğru bir şekilde tahmin etmek için moleküler sistemleri uygun şekilde modellemek için çok önemlidir ve bu nedenle, fiziksel koşullardaki geniş varyasyonlarda gazların (ve sıvıların) fiziksel özelliklerini doğru bir şekilde tahmin etmek için gereklidir.

Fizik boyunca en belirgin moleküller arası kuvvetlerden biri olan fiziksel kimya çalışmasından kaynaklanan van der Waals kuvvetleridir . Van der Waals kuvvetleri , akışkanların viskozite , akış hızı ve gaz dinamiği gibi hemen hemen tüm fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar (fiziksel özellikler bölümüne bakın). Gaz molekülleri arasındaki van der Waals etkileşimleri, "gerçek gaz" modellemenin " ideal gaz" dan matematiksel olarak daha zor olmasının nedenidir . Bu yakınlığa bağlı kuvvetlerin göz ardı edilmesi, gerçek bir gazın ideal bir gaz gibi ele alınmasını sağlar , bu da hesaplamayı büyük ölçüde basitleştirir.

Gerçek bir gazın ideal olmama durumunu gösteren izotermal eğriler . Basınç değiştikçe meydana gelen hacimdeki değişiklikler (Z, sıkıştırılabilirlik faktörü ile gösterilir ). Sıkıştırılabilirlik faktörü Z, Z = PV/nRT oranına eşittir. Sıkıştırılabilirlik faktörü Z = 1 olan bir ideal gaz, y ekseninin 1'e eşit olduğu yatay çizgi ile tanımlanır.

İki gaz molekülü arasındaki moleküller arası çekimler ve itmeler, aralarındaki mesafenin miktarına bağlıdır. Birleşik çekimler ve itmeler , moleküler sistemlerin potansiyel enerjisini tanımlayan tüm atomlar arası potansiyeller arasında en kapsamlı şekilde çalışılanlardan biri olan Lennard-Jones potansiyeli tarafından iyi modellenmiştir . Moleküller arasındaki Lennard-Jones potansiyeli iki ayrı bileşene ayrılabilir: London dağılım kuvveti nedeniyle uzun mesafeli bir çekim ve elektron-elektron değişim etkileşimi nedeniyle kısa mesafeli bir itme ( Pauli dışlama ilkesi ile ilgilidir). ).

İki molekül nispeten uzak olduğunda (yani yüksek potansiyel enerjiye sahip oldukları anlamına gelir ), birbirlerine doğru hareket etmelerine neden olarak potansiyel enerjilerini azaltan zayıf bir çekme kuvveti yaşarlar. Bununla birlikte, eğer moleküller çok uzaktaysa , o zaman herhangi bir öneme sahip çekici kuvvet deneyimleyemezler. Ek olarak, eğer moleküller çok yakınlaşırlarsa çarpışırlar ve çekimlerden çok daha güçlü bir kuvvet olan çok yüksek bir itme kuvveti ( Sert küreler tarafından modellenmiştir ) ile karşılaşırlar , böylece yakınlıktan kaynaklanan herhangi bir çekim göz ardı edilir.

İki molekül birbirine ne çok uzak ne de çok yakın bir mesafeden yaklaştıkça, potansiyel enerjilerinin büyüklüğü arttıkça (daha negatif hale geldikçe) çekimleri artar ve toplam iç enerjileri azalır. Moleküller fiziksel için gereken süre boyunca yakın kalırsa moleküller yakınlaşmaya sebep cazibe, sadece olabilir taşımak daha yakın. Bu nedenle, çekici kuvvetler, moleküller düşük hızlarda hareket ettiğinde en güçlüsüdür . Bu , gaz sıcaklıkları düşük olduğunda moleküller arasındaki çekimin önemli olduğu anlamına gelir . Bununla birlikte, bu soğuk gazı izotermal olarak küçük bir hacme sıkıştırırsanız , molekülleri yakınlaşmaya zorlar ve basıncı arttırırsanız, çarpışmaların meydana gelme hızı önemli ölçüde artacağından itmeler çekimler üzerinde baskın olmaya başlayacaktır. Bu nedenle, düşük sıcaklıklarda ve düşük basınçlarda çekim , baskın moleküller arası etkileşimdir.

İki molekül, kesişmeyen yollar boyunca keyfi yönlerde yüksek hızlarda hareket ediyorsa, çekici Londra dağılım kuvvetinden etkilenmek için yakınlarda yeterince zaman harcamazlar. Eğer iki molekül çarpışırsa, çok hızlı hareket ediyorlardır ve kinetik enerjileri çekici potansiyel enerjiden çok daha büyük olacaktır, bu yüzden sadece çarpıştıklarında itme yaşayacaklardır. Bu nedenle, yüksek hızlardan dolayı yüksek sıcaklıklarda moleküller arasındaki çekimler ihmal edilebilir . Yüksek sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda, itme baskın moleküller arası etkileşimdir.

Bu çekim ve itmelere neden olan yukarıda belirtilen etkilerin açıklanması, gerçek gazlar , aşağıdaki genelleme ile ideal gaz modelinden ayrılır:

  • Düşük sıcaklıklarda ve düşük basınçlarda, gerçek bir gazın kapladığı hacim, ideal gaz yasasının öngördüğü hacimden daha azdır .
  • Yüksek sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda, gerçek bir gazın kapladığı hacim, ideal gaz yasasının öngördüğü hacimden daha büyüktür .

Matematiksel modeller

Bir durum denklemi (gazlar için), bir gazın durum özelliklerini kabaca tanımlamak veya tahmin etmek için kullanılan matematiksel bir modeldir. Şu anda, tüm gazların özelliklerini her koşulda doğru bir şekilde öngören tek bir durum denklemi yoktur. Bu nedenle, belirli sıcaklık ve basınç aralıklarındaki gazlar için çok daha doğru bir dizi durum denklemi geliştirilmiştir. En çok tartışılan "gaz modelleri", "mükemmel gaz", "ideal gaz" ve "gerçek gaz"dır. Bu modellerin her birinin, belirli bir termodinamik sistemin analizini kolaylaştırmak için kendi varsayımları vardır. Birbirini izleyen her model, geçerli olduğu kapsama sıcaklık aralığını genişletir.

İdeal ve mükemmel gaz

Devletin denklemi bir ideale veya mükemmel gaz için olan ideal gaz kanunu ve okur

burada P basıncı, V hacimdir, N (mol birimi olarak) gaz miktarını olup, R, bir evrensel gaz sabiti , 8.314 J / (mol K) ve T sıcaklıktır. Bu şekilde yazıldığında, n moleküllerinin sayısını vurguladığı için bazen "kimyacı versiyonu" olarak adlandırılır . Şu şekilde de yazılabilir

burada J/(kg K) birimlerinde belirli bir gaz için özgül gaz sabiti ve ρ = m/V yoğunluktur. Bu gösterim, kimyasal reaksiyonlar olmadan ivme içeren gaz akışlarının modellenmesinde daha pratik olan "gaz dinamiği" versiyonudur.

İdeal gaz yasası, bir gazın özgül ısısı hakkında bir varsayımda bulunmaz. En genel durumda, özgül ısı hem sıcaklığın hem de basıncın bir fonksiyonudur. Belirli bir uygulamada basınca bağımlılık (ve muhtemelen sıcaklık bağımlılığı da) ihmal edilirse , kesin varsayımlar yazara ve/veya bilim alanına bağlı olarak değişebilse de , bazen gazın mükemmel bir gaz olduğu söylenir .

İdeal bir gaz için, ideal gaz yasası, özgül ısı üzerinde herhangi bir kısıtlama olmaksızın geçerlidir. İdeal gaz, sıkıştırılabilirlik faktörü Z'nin 1'e ayarlandığı ve bu pnömatik oranın sabit kaldığı varsayımıyla basitleştirilmiş bir "gerçek gazdır" . Bir sıkıştırılabilirlik faktörü de ideal gaz yasasını takip etmek için dört durum değişkenini gerektirir .

Bu yaklaşım, mühendislikteki uygulamalar için daha uygundur, ancak gerçek çözümün nerede olması gerektiğine dair bir "top parkı" aralığı üretmek için daha basit modeller kullanılabilir. "İdeal gaz yaklaşımının" uygun olacağı bir örnek , bir jet motorunun yanma odasının içi olabilir . Emisyonları hesaplamak için temel reaksiyonları ve kimyasal ayrışmaları tutmak da faydalı olabilir .

gerçek gaz

21 Nisan 1990 , Alaska'daki Redoubt Dağı'nın patlaması, termodinamik dengede olmayan gerçek gazları gösteriyor.

Aşağıda listelenen varsayımların her biri, sorunun çözümünün karmaşıklığına katkıda bulunur. Bir gazın yoğunluğu artan basınçla arttıkça, moleküller arası kuvvetler gaz davranışında daha önemli bir rol oynar ve bu da ideal gaz yasasının artık "makul" sonuçlar vermemesine neden olur. Motor sıcaklık aralıklarının üst ucunda (örneğin, yanma odası bölümleri – 1300 K), karmaşık yakıt parçacıkları, özgül ısılarının iki atomlu moleküllerin ve soy gazlarınkinden farklı olmasına neden olan dönüşler ve titreşimler aracılığıyla iç enerjiyi emer. Bu sıcaklığın iki katından fazlasında, gaz partiküllerinin elektronik uyarımı ve ayrışması meydana gelmeye başlar ve bu da basıncın daha fazla sayıda partiküle ayarlanmasına neden olur (gazdan plazmaya geçiş ). Son olarak, tüm termodinamik süreçlerin, hızları sabit bir dağılıma göre değişen üniform gazları tanımladığı varsayılmıştır. Denge dışı bir durumun kullanılması, bir çözüm sağlamak için akış alanının bir şekilde karakterize edilmesi gerektiği anlamına gelir. İdeal gaz yasasının sınırlarını genişletmeye yönelik ilk girişimlerden biri , denklemi pV n = sabit okuyacak şekilde ayarlayarak ve ardından n'yi özgül ısı oranı , γ gibi farklı değerlerle değiştirerek farklı termodinamik süreçlerin kapsamını dahil etmekti .

Gerçek gaz etkileri, daha geniş bir gaz davranışı aralığını hesaba katmak için yapılan ayarlamaları içerir:

Çoğu uygulama için bu kadar ayrıntılı bir analiz aşırıdır. Gerçek gaz etkilerinin önemli bir etkiye sahip olacağı örnekler, aşırı yüksek sıcaklıkların ve basınçların mevcut olduğu Uzay Mekiği'nin yeniden girişi veya Redoubt Dağı'nın 1990 patlamasında olduğu gibi jeolojik olaylar sırasında üretilen gazlar olabilir .

kalıcı gaz

Kalıcı gaz, kritik bir sıcaklığı insan için uygun normal sıcaklık aralığının altında olan ve bu nedenle bu aralıktaki basınçla sıvılaştırılamayan bir gaz için kullanılan bir terimdir. Tarihsel olarak bu tür gazların sıvılaştırılmasının imkansız olduğu ve bu nedenle kalıcı olarak gaz halinde kalacakları düşünülüyordu. Terim, ortam sıcaklığında depolama ve gazların yüksek basınçta taşınması ile ilgilidir.

Tarihsel araştırma

Boyle Kanunu

Boyle'un ekipmanları

Boyle yasası belki de bir durum denkleminin ilk ifadesiydi. 1662'de Robert Boyle , bir ucu kapalı olan J-şekilli bir cam tüp kullanarak bir dizi deney yaptı. Tüpe cıva eklendi ve tüpün kısa, kapalı ucunda sabit miktarda hava tutuldu. Daha sonra tüpe ilave cıva eklenirken gazın hacmi dikkatlice ölçüldü. Gazın basıncı, borunun kısa ucundaki cıva seviyesi ile uzun, açık ucundaki cıva seviyesi arasındaki farkla belirlenebilir. Boyle'un ekipmanının görüntüsü, Boyle'un gazlarla ilgili çalışması sırasında kullandığı bazı egzotik araçları göstermektedir.

Boyle, bu deneyler yoluyla, sabit bir sıcaklıkta tutulan bir gazın uyguladığı basıncın, gazın hacmiyle ters orantılı olarak değiştiğini kaydetti. Örneğin, hacim yarıya indirilirse basınç iki katına çıkar; ve hacim iki katına çıkarsa, basınç yarıya iner. Basınç ve hacim arasındaki ters ilişki göz önüne alındığında, basınç ( P ) ve hacmin ( V ) çarpımı , sıcaklık sabit olduğu sürece belirli bir kapalı gaz kütlesi için bir sabittir ( k ). Formül olarak ifade edildiğinde, şöyledir:

Sabit miktarda gazın öncesi ve sonrası hacimleri ve basınçları, öncesi ve sonrası sıcaklıkları aynı olduğu için k sabitine eşit olduğundan , bunlar aşağıdaki denklemle ilişkilendirilebilir:

Charles yasası

1787'de Fransız fizikçi ve balon öncüsü Jacques Charles , oksijen, nitrojen, hidrojen, karbondioksit ve havanın aynı 80 kelvin aralığında aynı ölçüde genişlediğini buldu. Sabit basınçta ideal bir gaz için hacmin, sıcaklığıyla doğru orantılı olduğunu kaydetti:

Gay-Lussac yasası

1802'de Joseph Louis Gay-Lussac , daha kapsamlı olsa da benzer deneylerin sonuçlarını yayınladı. Gay-Lussac, Charles'ın daha önceki çalışmalarına, yasayı onun onuruna adlandırarak itibar etti. Gay-Lussac, 1809'da bulduğu basıncı tanımlayan yasa ile tanınır. İdeal bir gazın bir kabın kenarlarına uyguladığı basıncın, sıcaklığıyla orantılı olduğunu belirtir.

Avogadro yasası

1811'de Amedeo Avogadro, eşit hacimlerde saf gazların aynı sayıda parçacık içerdiğini doğruladı. Teorisi, başka bir İtalyan kimyager Stanislao Cannizzaro'nun ideal olmayan istisnaları açıklayabildiği 1858 yılına kadar genel olarak kabul edilmedi. Bir asır önce gazlarla yaptığı çalışma için, Avogadro sabiti adını taşıyan sayı, 12 gram elementel karbon-12'de (6.022 × 10 23 mol -1 ) bulunan atom sayısını temsil eder . Bu belirli gaz partikül sayısı, standart sıcaklık ve basınçta (ideal gaz yasası) molar hacim olarak adlandırılan 22.40 litre kaplar .

Avogadro yasası, ideal bir gazın kapladığı hacmin , kapta bulunan mol (veya molekül) sayısıyla orantılı olduğunu belirtir . Bu yol açan molar hacim bir gaz, STP 22.4 dm olan 3 (veya litre). ilişki tarafından verilir

burada n gazın mol sayısına eşittir (molekül sayısının Avogadro sayısına bölümü ).

Dalton yasası

Dalton'un notasyonu.

1801'de John Dalton , ideal gaz yasası ilişkisi ile çalışmasından kısmi basınçlar yasasını yayınladı: Reaktif olmayan gazların bir karışımının basıncı, tek başına tüm bileşen gazların basınçlarının toplamına eşittir. Matematiksel olarak, bu n tür için şu şekilde temsil edilebilir:

Basınç toplamı = Basınç 1 + Basınç 2 + ... + Basınç n

Dalton'un günlüğünün görüntüsü, izlediği yolu kaydetmek için steno olarak kullandığı sembolojiyi tasvir ediyor. Reaktif olmayan "elastik akışkanların" (gazların) karıştırılmasıyla ilgili önemli günlük gözlemleri arasında şunlar vardı:

  • Sıvılardan farklı olarak, daha ağır gazlar karıştırıldıktan sonra dibe kaymaz.
  • Gaz partikül kimliği, nihai basıncı belirlemede hiçbir rol oynamadı (boyutları önemsizmiş gibi davrandılar).

Özel Konular

Sıkıştırılabilme

Hava için sıkıştırılabilirlik faktörleri.

Termodinamikçiler , gerçek gazların sıkıştırılabilirlik etkilerini hesaba katmak için ideal gaz denklemini değiştirmek için bu faktörü ( Z ) kullanırlar. Bu faktör, gerçek ile ideal spesifik hacimlerin oranını temsil eder. Bazen, tasarım amaçları için ideal gaz yasasının yararlı aralığını genişletmek için bir "şekerleme faktörü" veya düzeltme olarak adlandırılır. Genellikle bu Z değeri birliğe çok yakındır. Sıkıştırılabilirlik faktörü görüntüsü, Z'nin çok soğuk sıcaklıklarda nasıl değiştiğini gösterir.

Reynolds sayısı

Akışkanlar mekaniğinde Reynolds sayısı, eylemsizlik kuvvetlerinin ( v s ρ ) viskoz kuvvetlere ( μ/L ) oranıdır . Akışkanlar dinamiğindeki en önemli boyutsuz sayılardan biridir ve genellikle diğer boyutsuz sayılarla birlikte dinamik benzerliği belirlemek için bir kriter sağlamak için kullanılır. Bu nedenle Reynolds sayısı, modelleme sonuçları (tasarım) ile tam ölçekli gerçek koşullar arasındaki bağlantıyı sağlar. Akışı karakterize etmek için de kullanılabilir.

viskozite

15 Eylül 1999'da Robinson Crusoe Adaları civarındaki hava durumu düzeninin uydu görüntüsü, Kármán girdap sokağı adı verilen çalkantılı bir bulut düzenini gösteriyor

Fiziksel bir özellik olan viskozite, bitişik moleküllerin birbirine ne kadar iyi yapıştığının bir ölçüsüdür. Bir katı, bu yapışkan moleküller arası kuvvetlerin gücünden dolayı bir kesme kuvvetine dayanabilir. Bir sıvı, benzer bir yüke maruz kaldığında sürekli olarak deforme olur. Bir gaz, bir sıvıdan daha düşük bir viskozite değerine sahip olsa da, yine de gözlemlenebilir bir özelliktir. Gazların viskozitesi olmasaydı, kanat yüzeyine yapışmaz ve bir sınır tabakası oluşturmazlardı. Bir çalışma delta kanadın içinde Schlieren görüntü gaz parçacıkları (Sınır tabaka bölümüne bakınız), bir diğerine yapışmayan olduğunu ortaya koymaktadır.

türbülans

Rüzgar tünelinde delta kanadı . Gölgeler, gaz bu kanadın ön kenarına baskı yaparken, içindeki kırılma indislerinin değişmesiyle oluşur.

Akışkanlar dinamiğinde türbülans veya türbülanslı akış, kaotik, stokastik özellik değişiklikleri ile karakterize edilen bir akış rejimidir. Bu, düşük momentumlu difüzyonu, yüksek momentumlu konveksiyonu ve uzay ve zamanda basınç ve hızın hızlı değişimini içerir. Robinson Crusoe Adaları çevresindeki hava durumunun uydu görüntüsü bir örneği göstermektedir.

Sınır tabakası

Parçacıklar, aslında, içinden geçen bir nesnenin yüzeyine "yapışır". Bu parçacık katmanına sınır katmanı denir. Nesnenin yüzeyinde, yüzeyin sürtünmesinden dolayı esasen statiktir. Nesne, sınır tabakasıyla birlikte, nesne yaklaştıkça moleküllerin geri kalanının "gördüğü" nesnenin yeni şeklidir. Bu sınır tabaka yüzeyden ayrılabilir, esasen yeni bir yüzey oluşturur ve akış yolunu tamamen değiştirir. Bunun klasik örneği, stop eden bir kanat profilidir . Delta kanat görüntüsü, gaz hücum kenarı boyunca sağdan sola akarken sınır tabakasının kalınlaşmasını açıkça göstermektedir.

Maksimum entropi ilkesi

Serbestlik derecesi sayısı sonsuz yaklaştıkça, sistem bulunacaktır makro ölçekte en yüksek karşılık gelir çokluğu . Bu prensibi göstermek için donmuş bir metal çubuğun cilt sıcaklığını gözlemleyin. Cilt sıcaklığının termal görüntüsünü kullanarak yüzeydeki sıcaklık dağılımını not edin. Bu ilk sıcaklık gözlemi bir " mikro durumu " temsil eder . Gelecekteki bir zamanda, cilt sıcaklığının ikinci bir gözlemi, ikinci bir mikro durum üretir. Bu gözlem sürecini devam ettirerek, çubuk yüzeyinin termal geçmişini gösteren bir dizi mikro durum üretmek mümkündür. Bu tarihsel mikro durum serisinin karakterizasyonu, hepsini tek bir gruplandırmada başarılı bir şekilde sınıflandıran makro durumu seçerek mümkündür.

termodinamik denge

Bir sistemden enerji transferi durduğunda, bu duruma termodinamik denge denir. Genellikle bu koşul, sistem ve çevrenin aynı sıcaklıkta olduğunu ve böylece aralarında ısının artık aktarılmadığını gösterir. Ayrıca dış kuvvetlerin dengelendiğini (hacim değişmediğini) ve sistemdeki tüm kimyasal reaksiyonların tamamlandığını ima eder. Bu olaylar için zaman çizelgesi, söz konusu sisteme bağlı olarak değişir. Oda sıcaklığında erimesine izin verilen bir buz kabı saatlerce sürerken, yarı iletkenlerde cihazın açık durumdan kapalı duruma geçişinde meydana gelen ısı transferi birkaç nanosaniye civarında olabilir.

Maddenin faz geçişleri ()
NS
İtibaren
Sağlam Sıvı Gaz Plazma
Sağlam Erime süblimasyon
Sıvı Donmak buharlaşma
Gaz biriktirme yoğunlaşma iyonlaşma
Plazma rekombinasyon

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

  • Philip Hill ve Carl Peterson. Tahrik Mekaniği ve Termodinamiği: İkinci Baskı Addison-Wesley, 1992. ISBN  0-201-14659-2
  • Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA). Hareketli Gaz Laboratuvarı . Şubat 2008'de erişildi.
  • Georgia Eyalet Üniversitesi. HiperFizik . Şubat 2008'de erişildi.
  • Antony Lewis WordWeb . Şubat 2008'de erişildi.
  • Northwestern Michigan Koleji Gaz Hali . Şubat 2008'de erişildi.
  • Lewes, Vivian Byam; Hareket, Georg (1911). "Gaz"  . Ansiklopedi Britannica . 11 (11. baskı). P. 481-493.