Gass

En gass er en luftform hvis temperatur er høyere enn den kritiske temperaturen ; følgelig kan ikke gasser gjøres flytende uten først å være avkjølt, i motsetning til damper . En gass er en væske som ikke har noe eget volum (den har en tendens til å oppta hele volumet til disposisjon) og som er lett komprimerbar. [1]

I vanlig bruk indikerer begrepet gass ofte tilstanden til det gassformige stoffet . Det mest umiddelbare eksemplet på gass utgjøres av luft , der de mest utbredte gassene er nitrogen og oksygen . Mange gasser er fargeløse selv om vi husker blant unntakene klor (lys strågrønn), jod (lilla) og nitrogendioksid (sistnevnte en brunfarget forbindelse). [2]

Videre har gasser grunnleggende økonomisk betydning i industrien: som eksempler er det oksygen, brukt i stålindustrien for å oksidere urenheter av jern i produksjonen av stål , og nitrogen for produksjon av ammoniakk . [2]

Beskrivelse

Formelt sett er en gass en luftform hvis temperatur er høyere enn den kritiske temperaturen ; gasser ved en temperatur under dette sies å være i damptilstand . En gass er ikke kondenserbar, det vil si at den ikke kan bringes til flytende tilstand ved å komprimere den ved konstant temperatur. Motsatt blir en damp flytende når den er tilstrekkelig komprimert ved en konstant temperatur. Både på vanlig språk og i det tekniske, når det ikke er nødvendig å skille mellom tilstandene gass og damp, brukes gass som et synonym for luftform . [3]

Gasser representerer materietilstanden der de interatomiske og intermolekylære kreftene mellom de enkelte partiklene til et stoff er så små at det ikke lenger er en effektiv kohesjon mellom dem. Atomene eller molekylene i gassen er fritt til å bevege seg, og hver antar en viss hastighet: atom- eller molekylpartiklene i gassen samhandler derfor ved kontinuerlig å støte inn i hverandre. Av denne grunn har ikke en gass et definert volum, men har en tendens til å oppta all plass til disposisjon, og tar form av beholderen som inneholder den, og fyller den. En annen begrensning som kan begrense volumet til en gass er et gravitasjonsfelt , som i tilfellet med jordens atmosfære .

I dagligtale sies det at et gitt stoff "er en gass" når koketemperaturen er langt under omgivelsestemperaturen, det vil si når det normalt er i gasstilstand på jorden . For eksempel er det normalt å si at " metan er en gass mens jern ikke er det", selv om metan godt kan være i flytende tilstand (avkjølt under -161  °C , dvs.112  K ) og jern i gassform (oppvarmet over 2 750 ° C, eller 3 023 K). Ved romtemperatur finnes det 11 kjemiske grunnstoffer i gasstilstanden: i tillegg til det nevnte nitrogenet og oksygenet er helium , neon , argon (alle edelgasser ) og radon , også edelgass, relevante. og det eneste naturlig radioaktive grunnstoffet å være i en ikke-fast tilstand. [4]

En gass kan tilnærmes til en ideell gass når den har en temperatur "mye høyere" enn dens kritiske temperatur, dvs. [5] og konvensjonelt er det forstått at de to begrepene må avvike med minst en størrelsesorden . Dette er det samme som å spørre om det .

Den kritiske temperaturen er temperaturen som tilsvarer maksimumspunktet på den (klokkeformede) væske-damp-kurven. Inne i klokken endrer væsken fase, på utsiden forblir den i gassform uansett trykk . Ved å pålegge at væske-damp-kurven kanskje ikke er representert i Andrews -diagrammet (trykk-volumdiagram), er det ikke synlig om en normal skala benyttes.

Etymologi og historie for begrepet gass

Begrepet gass ble laget av den belgiske flamske kjemikeren Jean Baptiste van Helmont i 1630 . Det ser ut til å stamme, som Leo Meyer forklarte , fra transkripsjonen av hans uttale av det greske ordet χάος ( chàos ), som han laget for å bli geist ; men Weigand og Scheler sporet den etymologiske opprinnelsen til den tyske gascht (fermentering): derfor ble den, ifølge dem, i utgangspunktet brukt av kjemikeren van Helmont for å indikere vinøs gjæring. Ser vi bort fra etymologien, vet vi med sikkerhet at Brussel-kjemikeren van Helmont i en alder av 63 var den første som postulerte eksistensen av distinkte stoffer i luften som han kalte dette i sine essays publisert av sønnen Mercury van Helmont . Noen år senere uttalte den irske kjemikeren Robert Boyle at luft var bygd opp av atomer og et vakuum, og først etter 140 år vil påstandene til Boyle og van Helmont vise seg å være sanne.

De perfekte gassene

I fysikk og termodynamikk brukes vanligvis den såkalte tilnærmingen av perfekte gasser : for å være perfekt eller ideell må en gass gjennomgå de såkalte mekaniske hypotesene til molekylær kinetisk teori : [6] [7]

Disse tilnærmingene fører til å formulere loven kjent som tilstandsligningen for perfekte gasser , som beskriver, under forhold med termodynamisk likevekt , forholdet mellom trykk, volum og temperatur på gassen:

hvor p er trykket , V volumet som er okkupert av gassen, n stoffmengden i gassen, R den universelle konstanten for perfekte gasser og T er den absolutte temperaturen (i kelvin). For eksempel opptar en mol perfekt gass 22,4 liter ved en temperatur på 0 ° C og et trykk på 1 atmosfære .

Fra denne loven kommer:

I tillegg til de nevnte lovene, gjelder Avogadros lov også for perfekte gasser : under samme temperatur- og trykkforhold, hvis to gasser opptar samme volum, har de samme mengde stoff.

Isotermisk lov (eller Boyles lov)

Den isotermiske loven skylder navnet sitt til sammensetningen av det greske ordet ἴσος, ìsos , "lik" med ordet ϑερμός, termos , "varm" (her ment som "temperatur"). Betrakt en gass i termodynamisk likevekt med kjent temperatur, trykk og volum. Hvis volumet og trykket varieres, mens temperaturen holdes konstant, finner man at de to første mengdene ikke varierer tilfeldig, men gjør det på en slik måte at produktet deres forblir konstant, det vil si: [1]

,

det vil si at for en viss gassmasse ved konstant temperatur er trykkene omvendt proporsjonale med de okkuperte volumene. Kurven i det kartesiske trykk-volumplanet som har ligningen ovenfor som en ligning er en likesidet hyperbel . Boyles lov er en grenselov, det vil si at den er gyldig med en god tilnærming, ikke absolutt for alle gasser. En ideell gass eller ideell gass som perfekt følger Boyles lov eksisterer ikke. Avvikene til ekte gasser fra oppførselen til den perfekte gassen er små for en gass som har lavt trykk og en temperatur godt over flytende.

En endring i volum og trykk som lar temperaturen være uendret kalles isotermisk transformasjon .

Isobar lov (eller første lov av Gay Lussac)

Den isobariske loven (komp. Av gresk ἴσος, ìsos , "lik" og βάρος, bàros , "vekt", her "trykk") sier at en perfekt gass som ved en temperatur på 0 ° C opptar et volum og som varmes opp mens trykket holdes konstant, opptar trykket ved temperaturen et volum uttrykt av loven: [8]

hvori er volumet okkupert av gassen ved 0 °C (eller 273,15 K ) og er lik 1/273,15 og kalles den termiske ekspansjonskoeffisienten . Temperaturen er uttrykt i grader Celsius . Isobar-transformasjonen skjer ved konstant trykk, mens det er en variasjon i volum og temperatur. Denne transformasjonen i Clapeyron-planet er representert av et segment parallelt med volumaksen. Derfor utgjør volumvariasjonen som en gass gjennomgår for temperaturvariasjonen for hver grad Celsius 1/273 av volumet som gassen opptar ved 0 °C, og kan uttrykkes som:

,

som understreker hvordan forholdet mellom okkupert volum og trykk forblir konstant i hvert øyeblikk av transformasjonen. [9]

Isokorisk lov (eller Gay Lussacs andre lov)

Den isokoriske loven (komp. Av gresk ἴσος, ìsos , "lik" og χώρα, còra , "rom", her "volum") sier at en perfekt gass som ved en temperatur på 0 ° C har et trykk og som varmes opp mens det holdes konstant, er volumet, ved temperaturen , ved et trykk uttrykt av loven:

Den isokoriske transformasjonen er en variasjon av trykk og temperatur ved et konstant volum; er representert i Clapeyron-planet med et segment parallelt med trykkaksen og kan uttrykkes ved forholdet:

,

som i dette tilfellet uttrykker hvordan forholdet mellom gasstrykket og dens temperatur under transformasjonen forblir konstant. [10]

Ekte gasser

Et forsøk på å lage en ligning som beskriver oppførselen til gasser på en mer realistisk måte er representert ved den virkelige gassligningen. Det er gjort to korreksjoner på ligningen for perfekte gasser: vi tar hensyn til volumet til molekylene, som derfor ikke lenger anses som punktlignende, og vi vurderer interaksjonene mellom molekyler som ble neglisjert når det gjelder perfekte gasser.

Den første korreksjonen har den effekten at gassen ikke kan komprimeres på ubestemt tid; hans empiriske bekreftelse er flytendegjøringen som ekte gasser gjennomgår hvis de komprimeres (og avkjøles) tilstrekkelig.

Den andre korreksjonen betyr at ekte gasser ikke utvider seg uendelig, men kommer til et punkt hvor de ikke kan oppta mer volum (dette er fordi det etableres en veldig liten kraft mellom atomene, på grunn av den tilfeldige variasjonen av de elektrostatiske ladningene i de enkelte molekylene, kalt van der Waals kraft ).

Av denne grunn gir ikke loven om perfekte gasser nøyaktige resultater når det gjelder ekte gasser, spesielt under forhold med lav temperatur og/eller høyt trykk, mens den blir mer presis når det gjelder sjeldne gasser, ved høy temperatur og lav trykk, dvs. når intermolekylære krefter og molekylvolum blir neglisjerbare.

Ligningen for virkelige gasser kan rekonstrueres under hensyntagen til det faktum at volumet som er tilgjengelig for gassen vil være (V - nb), hvor b er volumet okkupert av molekylene per mengde stoff og n er mengden gass som vurderes, og trykket vil i stedet bli korrigert med en faktor a / V 2 som tar hensyn til tiltrekningskreftene mellom atomer. Derfor er ligningen, også kalt Van der Waals-ligningen : [11] :

.

Denne ligningen er ikke gyldig i alle tilfeller, men bare under spesielle forhold, men den er veldig viktig ettersom en fysisk betydning kan identifiseres i den. En ligning som i stedet gir oss et nøyaktig syn på tilstanden til den virkelige gassen er virialligningen (som diskuteres mer spesifikt under overskriften tilstandsligning ).

Merknader

  1. ^ a b Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Physics (Volum I) , EdiSES Editore, 2019, s. 393, ISBN  88-7959-137-1 .
  2. ^ a b Peter W. Atkins , General Chemistry s.115; ISBN 88-08-15276-6
  3. ^ Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Physics (Volum I) , EdiSES Editore, 2019, ISBN  88-7959-137-1 . s.426
  4. ^ Peter W. Atkins , generell kjemi s.5; ISBN 88-08-15276-6
  5. ^ tegnet "≫" lyder "mye større".
  6. ^ Gianpaolo Parodi, Marco Ostili, Guglielmo Mochi Onori, The Evolution of Physics (Volume 2) , Paravia, 2006, ISBN  88-395-1610-7 . s.316
  7. ^ Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Physics (Volum I) , EdiSES Editore, 2019, ISBN  88-7959-137-1 . s.432
  8. ^ Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Physics (Volum I) , EdiSES Editore, 2019, ISBN  88-7959-137-1 . s.395
  9. ^ Gianpaolo Parodi, Marco Ostili, Guglielmo Mochi Onori, The Evolution of Physics (Volume 2) , Paravia, 2006, ISBN  88-395-1610-7 . s.295
  10. ^ Gianpaolo Parodi, Marco Ostili, Guglielmo Mochi Onori, The Evolution of Physics (Volume 2) , Paravia, 2006, ISBN  88-395-1610-7 . s. 297
  11. ^ Gianpaolo Parodi, Marco Ostili, Guglielmo Mochi Onori, The Evolution of Physics (Volume 2) , Paravia, 2006, ISBN  88-395-1610-7 . s.322

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker