Характеристика газообразного состояния вещества

Лекция 3. Агрегатные состояния веществ, их характеристика

План:

Характеристика газообразного состояния вещества

Характеристика жидкого состояния вещества

Характеристика твердого состояния вещества

В зависимости от внешних условий (температуры и давления) каждое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном. Эти состояния называются агрегатными состояниями. Для некоторых веществ характерно только два или даже одно агрегатное состояние. Например, нафталин, йод при нагревании в обычных условиях из твер­дого состояния переходят в газообразное состояние, минуя жидкое. Такие вещества, как белки, крахмал, каучуки, имеющие огромные макромолекулы, не могут существовать в газообразном состоянии.

Газы не имеют постоянной формы и постоянного объема. Жидкости имеют постоянный объем, но не имеют постоянной формы. Твердые характеризуются постоянством формы и объема.

Характеристика газообразного состояния вещества

Для газов характерны следующие свойства:

- равномерное заполнение всего предоставленного объема;

- малая плотность по сравнению с жидкими и твердыми веществами и большая скорость диффузии;

- сравнительно легкая сжимаемость.

Эти свойства определяются силами межмолекулярного притяжения и расстоянием между молекулами.

В газе молекулы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, силы притяжения между ними ничтожно малы. При низких давлениях расстояния между молекулами газа настолько велики, что по сравнению с ними размером молекул, а, следовательно, объемом молекул в общем объеме газа можно пренебречь. При боль­ших расстояниях между молекулами практически отсутствуют силы притяжения между ними. Газ в таком состоянии называется идеальным. При нормальных усло­виях Т=273К (0⁰С) и p=101,325 кПа реальные газы независимо от природы можно считать идеальными и применять к ним уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева):

PV = n RT, (1)

где

Р – давление газа,

V – объем газа,

n – количество вещества,

R – универсальная газовая постоянная (в единицах СИ R =8,314 Дж/моль*К),

Т – абсолютная температура.

Реальные газы при высоких давлениях и низких температурах не подчиняются уравнению состояния идеального газа, так как в этих условиях начинают проявляться силы взаимодействия между молекулами и уже нельзя пренебрегать собственным объемом молекул по сравнению с объемом тела. Для математического описания поведения реальных газов используют уравнение Ван-дер-Ваальса:

(р + n² a/V²) (V - nb) = nRT, (2)

где

а и b – постоянные,

a/V² – поправка на взаимное притяжение,

b – поправка на собственный объем молекул,

n – число молей газа.

Для одного моля газа уравнение Ван-дер-Ваальса имеет вид:

(p + a/V)(V - b) = R T.

С увеличением давления и понижением температуры расстояния между молекулами уменьшаются, а силы взаимодействия увеличиваются так, что вещество из газообразного состояния может перейти в жидкое. Для каждого газа существует предельная критическая температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим давлением, а объем одного моля газа при этих условиях критическим объемом.

Состояние газа при критических параметрах называют критическим состоянием. В критическом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом, они имеют одинаковые физические свойства.

Переход газа в жидкость можно показать графически. На рисунке 1 приведена графическая зависимость между объемом и давлением при постоянных температурах. Такие кривые называются изотермами. У изотерм можно выделить три участка: АВ, ВС, CD при низких температурах. АВ – соответствует газообразному состоянию, ВС – отвечает переходу газа в жидкость, CD – характеризует жидкое состояние. С повышением температуры участок ВС уменьшается и превращается в точку перегиба К, называемую критической точкой.

Сжиженные газы находят большое промышленное применение. Жидкий СО₂ используется для газирования фруктовых и минеральных вод, приготовления шипучих вин. Жидкий SO₂ используют как дезинфицирующее средство для уничтожения плесневых грибков в подвалах, погребах, винных бочках, бродильных чанах. Жидкий азот широко применяют в медицине и биологии для получе­ния низких температур при консервировании, замораживании крови и биологических тканей. Жидкие газы удобнее транспортировать.