ГАЗ

ГАЗ (грекше «хаос – ретсіз») – заттардың өз құраушы бөлшектері байланыспаған немесе өзараәсерлесу күштерімен әлсіз байланыста болатын әрі еркін қозғалатын, өзі орналасқан көлемге түгелдей жайылатын (орналасатын) агрегаттық күйі. Газтәрізді күйдегі заттар Жер атмосферасын құрайды, жер қойнауындағы қатты жынастардың, мұхит, теңіз және өзен суының құрамында кездеседі. Күн, жұлдыздар, жұлдызаралық заттар бұлттары – бейтарап немесе иондалған (плазма) газдан құралған. Табиғатта кездесетін газ химиялық қоспалар түрінде болады. «Газ» деген ғылыми атауды ХVІІ ғ-да голланд ғалымы Ян Баптист ван Гельмонт (1579 – 1644) енгізген. Газ өзі орналасатын ыдысты түгелдей толтырып, сол ыдыстың пішінін қабылдайды. Газдың қатты
денелер мен сұйықтардан айырмашылығы 1-сызба
қысым мен температураға едәуір дәрежеде
тәуелді. Газдың қалыпты жағдайдағы (0–100°С) көлемдік ұлғаю коэффиценті судың көлемдік ұлғаю коэффициентінен әлде қайда артық 0°С-та 0,003663 К–1.
Кез келген затты қысымдар (р) мен температураларды (Т) іріктеп газтәрізді күйге түрлендіруге болады. Сондықтан газтәрізді күйде болуы мүмкін аймағын р – Т айнымалылардың графигі түрінде кескіндеу ыңғайлы (сызбаға қараңыз). Кризистік температурадан (Тк) төменгі температура (Т) кезінде осы аймақ құрғақ айдау (сублимация) І және бу түзілу ІІ аймақ сызықтарымен шектелген. Бұл жайт кризистік қысым (рк) кезінде кез келген төменгі қысымда (р) құрғақ айдау немесе бу түзілу қисық сызығымен анықталатын, бұдан жоғары температурада зат газтәрізді күйде болатын температура болатынын аңғартады.
Үштік температурадан (Тү) төменгі температурада газ заттың қатты фазасымен тепе-теңдікте болады, ал үштік нүкте мен кризистік нүкте (К) арасында – сұйық фазамен тепе-теңдікте болады. Осы күйдегі газ әдетте заттың бу күйі деп аталған.
175
Газ молекулалары әр түрлі жылдам- дықпен және әр түрлі бағытта үз- діксіз қозғалады. Ыдыстың қабырға- сымен соқтығысқанда қысым пайда болады. Тіптен өте аз көлемінде де көптеген молекула болатындықтан, олардың қысымы барлық жерде бір- дей болады. Қысым көлем бірлігінде- гі молекулалар саны мен олардың ор- таша кинетикалық энергиясына про- порционал болады.
Кризистік температурадан (Тк) төменгі температурада (Т) газды конденсациялауға және оны қысымын арттыру арқылы өзге (қатты немесе сұйық) агрегаттық күйге түрлендіруге болады. Температура кризистік температурадан артық, яғни Т>Тк, болған кезде фазалық ауысу болмайды.
Қалыпты жағдайда (0°С-та және атм. қысымда) газдың тығыздығы осы газдың қатты (немесе сұйық) күйіндегі тығыздығынан жуық шамамен 1000 есе кем болады.
Бөлме температурасында жоғары вакуум кезінде (мысалы, р ~10–14 мм сынап бағаны) газдың тығыздығы ~10–20 г/см3. Жоғары қысым (р) және кризистік температурадан жоғары температура кезінде газдың тығыздығы өте жоғары (мысалы, кейбір жұлдыздарда ~109 г/см3) болады.
Жеткілікті сиретілген газ молекулаларының орташа арақашықтығы молекулааралық өзараәсерлесу күштерінің радиустарынан едәуір артық болады. Қалыпты жағдайда 1см3 ауданда ~1019 молекула, ал олардың арақашықтықтары ~10 нм (нанометр) болады. Молекулааралық өзараәсерлесу 0,5 – 1 нм қашықтықтаақ онша әсер ете алмайды. Молекулааралық өзараәсерлесу күші әсер ететін арақашықтық молекулалардың соқтығысуы ретінде қабылданады. Молекулааралық күштің әсер ететін радиусы молекулалар арасының орташа арақашықтығынан 10 есе кем, сол себепті молекулааралық күш әсер ететін жалпы көлем газдың толық көлемінен 10–3 есе аз болады. Осы жайт қалыпты жағдайда газдың меншікті көлемін елеусіз аз деп есетеп молекулаларды бірімен бірі өзара әсерлеспейтін материалдық нүкте ретінде қарастырып, идеал газ деп қарастыруға болады. Жылулық тепетеңдік кезде идеал газдың молекулаларының қозғалыстары барлық бағыттарда бірдей болады, ал жылдамдықтары Максвелльдің үлестірілуіне бағынады.
Идеал газдың молекулаларының тек кинетикалық энергиясының болуы себепті газдың ішкі энергиясы оның жайғасқан (алып жатқан) көлеміне тәуелді болмайды (Джоуль заңы). Молекулалық-кинетикалық теория газдың өзін қоршаған қабырғаға

Газға қаншалықты қысым түсіріл- се, ол соншалықты аз көлем алады, pV-const (pV шамасы тұрақты) бо- лады. Газдың берілген массасының көлемі тұрақты қысым кезінде жә- не газдың берілген массасының қы- сымы тұрақты көлем кезінде тем- ператураға байланысты сызық- тық қатынаспен артатын бола- ды.
түсіретін қысымын молекулалардың орташа соққыларының (бетке уақыт бо- йынша есептелген) әсерлері ретінде қарастырылады. Газдың 1 моліне арналған теңдеу: р=Vμ=RT – Клапейрон теңдеуі деп аталған, мұндағы R=kN – әмбебап газ тұрақтысы (N – 1 мольдегі молекула саны), Vμ – 1 мольге тиесілі көлем. Клапейрон теңдеуінен темепература (Т) мен қысым (р) бірдей болған кезде идеал газдың 1 моль мөлшерінде алынған кез келген газдардың көлемдері тең болады және осындай газдардың бірлік көлемдеріндегі молекулалардың сандарының да тең болатыны байқалады (Авогадро заңы). Газдың Температурасы (Т) мен қысымы (р) жылулық тепе-теңдікте болатын жағдайда оның бүкіл көлемі бойынша температура (Т) мен қысым (р) бірдей, молекулалар ретсіз қозғалыста болады, реттелген ағындар болмайды. Газда температура (Т) мен қысым (р) төмендеулерінде (градиентерінде) тепе-теңдіктің бұзылуына және градиенттің бағытында энергияның, массаның немесе басқадай шамалардан тасымалдануына әкеп соқтырады.
Молекулалық-кинетикалық теория газдың кинетикалық қасиеттерін – жылуөткізгіштікті, диффузияны, тұтқырлықты ортақ көзқараспен қарастырады: диффузияны молекулалардың массаны тасуы ретінде, жылуөткізгіштікті олардың энергия тасуы ретінде, тұтқырлықты қозғалыс мөлшерін тасушы ретінде түсіндіреді. Идеал газ моделі тасымалдау құбылысын талдау үшін жарамсыз, оның себебі қарастырылған үрдістерде (процестерде) молекулалардың соқтығысулары және сызықтық өлшемдер маңызды болса, идеал газдар үшін әлгілер тек молекулалардың соқтығысу сәттерінде ғана әсерлеседі. Молекулалардың орташа еркін жол ұзындығы тасымалдау үрдісіне әсерін тигізеді.
Тығыздық артқан кезде газдың қасиеттері өзгереді – олар идеал газ болудан қалады. Клапейронның теңдеуі, яғни күйлер теңдеуі қолданылмайтын болады. Оның себебі газ молекулаларының орташа арақашықтықтары молекулааралық өзараәсерлесу радиусымен теңеседі. Нақты газдардың термодинамикалық қасиеттерін сипаттау үшін күйлердің әртүрлі теңдеулері пайдаланылады. Нақты газдың идеал газдан негізгі айырмашылығын сапалы түрде дұрыс сипаттайтын 177 теңдеуге, бір жағынан, молекулалар арасындағы тартылыс күштерін (бұлардың әсері газдың қысымын азайтады), екінші жағынан, газдың шексіз сығылуына кедергі келтіретін тебу күштерін кемітуге әкелетін күштерді есепке алатын Вандер-Ваальс теңдеуін мысалға келтіруге болады.
Теориялық тұрғыда мүмкіндігінше жақсы негізделген (кризистік нүктеден алыс күйге арналған) күйдің вириал теңдеуіне pV=RT (1+B/V+C/V2+…) теңдеуі жатады, мұндағы В, С т.б. коэффициенттер молекулалар жұбының (В), үш молекуланың (С) т.б. жоғары реттік соқтығысулары бойынша анықталады. Вириалды коэффициенттер тек температураның (Т) функциялары болады. Нақты газдың ішкі энергиясы көлемге (V) (молекулалар арасындағы арақашықтыққа тәуелді) тәуелді, оның себебі молекулалардың потенциалдық энергиясы олардың өзара орналасуларымен анықталады. Нақты газдың температурасының (Т) өзгеруі, газ кеуек аралықтан (қабырғадан) баяу тұрақты жылдамдықпен өткен кезде [осы үрдіс дросселдеу деп аталған] өткен кездегі молекулааралық өзараәсерлесумен байланысты. Газ температурасының өзгеруі кезіндегі өлшеуіші Джоуль-Томсон коэффициенті болады. Газ молекулаларының ішкі құрылымы олардың термиялық қасиеттеріне – қысымға, температураға, тығыздыққа және осы шамалар арасындағы байланысқа әлсіз әсер етеді, олардың молекулалық массалары маңызды болады. Керісінше, газдың калориялық қасиеттері (жылусыйымдылық, энтропия, т.б.) осылармен қатар оның электрлік және магниттік қасиеттері молекулалардың ішкі құралымына едәуір тәуелді болады.
Газдың электрлік қасиеті бірінші кезекте молекулалардың немесе атомдардың иондалу мүмкіндігімен, яғни газда электрлік зарядталған бөлшектердің пайда болуымен байланысты. Зарядталған бөлшектері (иондары және электрондары) жоқ газ жақсы диэлектриктер болып табылады. Зарядтардың шоғырлануының артуы газдың электрөткізгіштігін жақсартады. Температура бірнеше мың К-ге (Кельвин температураға) артқан кезде газ ішінара ионданып плазмаға айналады. Магниттік қасиеттері бойынша газдар д и а м а г н и т т і к (бұған инертті газдар, сонымен қатар H2N2, СО2, Н2О) және п а р а м а г н и т т і к (О2) газға ажыратылған. Молекулаларының тұрақты магниттік моменті болмайтын, оны тек сыртқы өрістің ықпалымен ғана иеленетін газ-диамагнитті газ, ал молекулаларының тұрақты магниттік моменті болатын газ өзін сыртқы магниттік өрісте парамагниттік газ ретінде ұстайтын болады.
Молекулааралық өзараәсерлесуді және молекулалардың ішкі құрылымдарын есепке алу газ физикасының көптеген мәселелерін (мысалы, атмосфераның жоғарғы сиретілген қабаттарын ракеталар мен Жер серіктерінің қозғалыстарына ықпалын зерттеу кезінде) шешу кезінде қажет болады.
Қазіргі кездегі газ физикасында газ деп тек заттардың бір агрегаттық күйі ғана аталмайды, сонымен қатар, мысалы, металдағы еркін электрондардың жиынтығы да (электрондық газ), кристалдардағы немесе сұйық гелийдегі (фонондық газ) газ деп аталады. Қарапайым бөлшектер және квазибөлшектер газдары кванттық статистикада қарастырылады.
Айныған газ – бөлшектерінің айырмашылықтарының болмауынан олардың біріне-бірінің кванттық-механикалық ықпалының салдарынан идеал газдың қасиеттерінен елеулі айырмашылығы болатын газ.
Идеал газ – заттардың өзін құрайтын бөлшектері өзараәсерлесу күштерімен әлсіз байланысқан және еркін қозғалатын, өзіне берілген көлемге түгелдей жайылып орналасатын агрегаттық күйі.
Нақты газ – молекулаларының арасындағы өзараәсерлесу маңызды болатын газ.
Сиретілген газ – атмосфералық қысымнан төменгі қысымдағы газ.
Фонондық газ – қатты денедегі, сондай-ақ сұйық гелийдегі фонондардың жиынтығы.
Электрондық газ – металдағы еркін электрондардың жиынтығы.