Газ (състояние на материята): дефиниция, видове и примери
Научете всичко за газ като състояние на материята: дефиниция, видове (моноатомен, елементарен, смесен), примери и приложения — от неон до природен газ.
Газът е едно от четирите най-разпространени състояния на материята. В газа молекулите се движат свободно и са относително независими една от друга; това ги отличава от течността, в която молекулите са по-близо свързани и могат да се плъзгат една спрямо друга, и от твърдото тяло, където връзките са силни и държат молекулите на фиксирани позиции.
Класификация и примери
В чист газ всяка молекула може да се състои от един атом (моноатомен газ), да бъде елементарен (молекулен) газ, когато молекулите са изградени от няколко еднакви атома, свързани помежду си, или да е съединение, при което молекулите съдържат различни видове атоми. Пример за моноатомен газ е неонът, за елементарен (молекулен) газ — водородът (H2) или кислородът (O2), а за съединение — въглеродният диоксид (CO2).
Газови смеси
Газовата смес съдържа комбинация от различни газове. Най-познат пример е въздухът, който при стандартни условия се състои приблизително от 78% азот, около 21% кислород, около 0.93% аргон и следи от въглероден диоксид и други газове. Част от природните и промишлени газови смеси са нестандартни и съдържат по-големи количества парникови или вредни компоненти.
Основни физични свойства
- Дифузия: газовите частици бързо се разпространяват, запълвайки наличния обем.
- Сгъстимост: газовете лесно се компресират — при увеличение на налягането техният обем намалява.
- Налягане: произлиза от сблъсъците на молекулите със стените на съда; единици за налягане са паскал (Pa), атмосфера (atm), бар и др.
- Зависи от температурата: при повишаване на температурата средната кинетична енергия на молекулите се увеличава и съответно собственото им налягане/обем се променя.
- Вискозитет и топлопроводимост: макар и по-ниски отколкото при течности, газовете имат характерни стойности на тези свойства, важни за инженерни приложения.
Газови закони и молекулна теория
Поведението на идеалните газове се описва от няколко емпирични закона и от уравнението на идеалния газ: PV = nRT, където P е налягането, V — обемът, n — количество вещество (в молове), R — универсалната газова константа (≈ 8.314 J·mol−1·K−1), а T — абсолютната температура в келвини. Частни случаи са:
- Закон на Бойл: при постоянна температура P ∝ 1/V.
- Закон на Чарлз: при постоянен натиск V ∝ T.
- Закон на Авогадро: при еднакви условия на налягане и температура равни обеми газове съдържат еднакъв брой молекули.
Кинетичната молекулна теория прави връзка между температурата и средната кинетична енергия на молекулите — по-висока температура означава по-голяма средна скорост на частиците и съответно по-голямо налягане при едни и същи условия.
Реални газове и фазови преходи
При ниски температури и високи налягания реалните газове се отклоняват от идеалното поведение. За описание на тези отклонения се използват поправки като уравнението на Ван дер Ваалс. При подходящи условия газовете могат да се кондензират в течност — има критична точка, над която не може да бъде разгледана разделена фаза течност–газ и се формира свръхкритична флуидна фаза. При още по-висока енергия газовете могат да се йонизират и да преминат в състояние плазма (йонен газ).
Приложения и значение
- Енергетика и отопление: Природният газ (главно метан) се използва за отопление, производство на електричество и като суровина в химическата индустрия.
- Индустрия: газове като азот, кислород, водород, аргон и др. намират приложение в заваряване, охлаждане, химични процеси и преработка.
- Медицина и лаборатории: кислород за дишане, инертни газове за защита на реакции, газови смеси за анестезия и дифинирани среди.
- Околна среда: газове като въглероден диоксид и метан са важни парникови газове, допринасящи за климатичните промени.
Опасности и безопасност
Отровните газове са били използвани като химическо оръжие през Първата световна война, което подчертава риска при работата с токсични газове. Освен токсичността, други опасности включват:
- Задушаване: инертни газове като азот и аргон могат да изместят кислорода и да предизвикат асфиксия без видими признаци.
- Възпламеняемост: газове като метан са лесно запалими и могат да предизвикат експлозии.
- Корозия и реактивност: някои газове са силно реактивни и могат да атакуват материали или да предизвикат опасни реакции.
За работа с газове се използват мерки като вентилация, газови детектори, подходящо опаковане и лични предпазни средства.
Кратко резюме
Газовете са важна и широко разпространена форма на материя, характеризираща се с голяма подвижност на частиците, способност за запълване на обеми и чувствителност към температура и налягане. Те имат множествo научни и практически приложения, но изискват и внимателно отношение поради възможни рискове за здравето и околната среда.
Илюстрация на случайния начин, по който се движат молекулите на газа, без да са свързани помежду си.
Физически характеристики
Всички газове могат да текат, както и течностите. Това означава, че молекулите се движат независимо една от друга. Повечето газове са безцветни, като водорода. Газовите частици се разпръскват, или дифузират, за да запълнят цялото пространство във всеки контейнер, например бутилка или стая. В сравнение с течностите и твърдите тела, газовете имат много ниска плътност и вискозитет. Не можем да видим директно повечето газове, тъй като те не са оцветени. Въпреки това е възможно да се измерят тяхната плътност, обем, температура и налягане.
Налягане
Налягането е мярка за силата, с която нещо натиска друг обект. При газовете това обикновено е натискът на газа върху съда на обекта или, ако газът е тежък, върху нещо вътре в него. Налягането се измерва в паскали. Поради третия закон на Нютон можем да променим налягането на газ, като приложим сила върху обекта, който го съдържа. Например, при натискане на бутилка с въздух в нея въздухът вътре се оказва под налягане (създава се по-голямо налягане).
Когато говорим за газ, налягането често се свързва с контейнера. Много газ в малък контейнер би имал много високо налягане. Малко количество газ в голям контейнер би имало ниско налягане. Газът може сам да създаде налягане, когато е много. Теглото на газа създава налягане върху всичко, което се намира под него, включително и върху друг газ. На планетата това се нарича атмосферно налягане.
Температура
Температурата на даден газ показва колко горещ или студен е той. Във физиката тя обикновено се измерва в келвини, въпреки че навсякъде се използват градуси по Целзий. Средната скорост на движение на молекулите в газа е свързана с температурата. Колкото по-бързо се движат молекулите на газа, толкова повече те се сблъскват или се удрят една в друга. При тези сблъсъци се отделя енергия, която в газа е под формата на топлина. И обратното, ако температурата около газа стане по-висока, тогава частиците на газа ще преобразуват топлинната енергия в кинетична, което ще ги накара да се движат по-бързо и ще направи газа по-горещ.
Промени в състоянието
Един газ може да премине през две различни промени на състоянието. Ако температурата е достатъчно ниска, газът може да кондензира и да се превърне в течност. Понякога, ако температурата е достатъчно ниска, той може да премине през отлагане, при което се превръща направо в твърдо вещество. Обикновено газът първо трябва да кондензира до течност, а след това да замръзне, за да се превърне в твърдо тяло, но ако температурата е много ниска, той може да прескочи етапа с течността и веднага да се превърне в твърдо тяло. Това се дължи на замръзването на земята през зимата. Водните пари (газ) попадат във въздуха, който е много студен, и в резултат на отлагането му незабавно се превръщат в лед.
Свързани страници
- Идеален газ
Въпроси и отговори
В: Какво представлява газът?
О: Газът е едно от четирите състояния на веществото, при което молекулите се движат свободно и не са свързани помежду си.
В: По какво се различават молекулите в газа от тези в течността?
О: В газа молекулите не са свързани една с друга, докато в течността те са свободно свързани или се допират една до друга.
В: По какво се различават молекулите в газа от тези в твърдото тяло?
О: В газа молекулните връзки са слаби, докато в твърдото тяло молекулните връзки са силни и държат молекулите заедно в една форма.
В: Газът има ли само един обем като течността или твърдото тяло?
О: Не, газът може да се разширява, докато запълни съда, в който се намира, за разлика от течността или твърдото тяло.
В: Какви различни видове молекули на газа има?
О: Съществуват чисти газове с отделни атоми, елементарни газове с повече от един от един и същи атом, свързан заедно, и сложни газове с много видове атоми заедно.
В: Можете ли да посочите пример за едноатомен газ?
О: Да, пример за моноатомен газ е неонът.
В: Какво е смес от газове?
О: Газовата смес съдържа смес от някой от видовете газове, споменати по-горе, като например въздуха, който е 87 % азот, 0,2 % кислород, 13,7 % аргон и въглероден диоксид в незначителни количества.
обискирам