Газ
Газ (нід. gas, від грец. chaos — хаос) — один із агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами, атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними. Характеристичною властивістю газу є те, що він здатний вільно поширюватися в усьому доступному для нього просторі, рівномірно заповнюючи його. На відміну від рідини та твердого тіла газ не утворює поверхні. Характерним прикладом газу є повітря. Газами називають також хімічні речовини, які перебувають в газоподібному стані за нормальних умов. В цьому сенсі повітря складається з кількох газів — азоту, кисню, діоксиду вуглецю, аргону та інших.
Зміст
Хімічний склад
Термін «газ» (нід. gas) є неологізмом і вперше використаний на початку 17-го століття фламандським хіміком Ян Баптист ван Гельмонтом. Він застосував це слово, мабуть, як спрощену фонетичну транскрипцію грецького слова «Хаос» (грец. chaos)— «g» в голландській вимові звучить як українська літера «х» і в цьому випадку Ван Гельмонт просто застосував установлений у використанні серед алхіміків термін, що вперше з'явився в працях Парацельса. Відповідно до термінології Парацельса «хаос» означало щось на кшталт «дуже розріджена вода».
Фізичні властивості та характеристики
Макроскопічні характеристики
Оскільки більшість газів складно або неможливо спостерігати безпосередньо нашими органами чуттів, вони описуються за допомогою чотирьох фізичних властивостей або макроскопічних характеристик: тиск, об'єм, кількість часток (хіміки, згрупували їх у моль (одиниця)) і температура. Ці чотири характеристики здавна неодноразово досліджувались вченими, такими як Роберт Бойль, Жак Шарль, Джон Дальтон, Джозеф Гей-Люссак та Амедео Авогадро для різних газів в різних умовах. Їхнє детальне вивчення в підсумку, призвело до встановлення математичного зв'язку між цими властивостями, вираженого у рівнянні стану ідеального газу (див. нижче розділ «Спрощені моделі газу»). Основною особливістю газу є те, що він заповнює весь доступний простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ — ізотропна речовина, тобто його властивості не залежать від напрямку. За відсутності сил тяжіння тиск у всіх точках газу однаковий. У полі сил тяжіння густина й тиск не однакові в кожній точці, зменшуючись із висотою за барометричною формулою. Відповідно, в полі сил тяжіння неоднорідною стає суміш газів. Важчі гази мають тенденцію осідати нижче, а легші — підніматися вгору. В полі тяжіння на будь-яке тіло в газі діє Архімедова сила, яку використовують повітряні кулі, заповнені легкими газами або гарячим повітрям. Газ має високу стисливість — при збільшенні тиску зростає його густина. При зростанні температури розширюється. При стискуванні газ може перейти в рідину, але конденсація відбувається не за будь-якої температури, а за температури, нижчої за критичну. Критична температура є характеристикою конкретного газу й залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелій можна зрідити тільки за температури, нижчої від 4,2 К. Існують гази, які при охолодженні переходять у тверде тіло, оминаючи рідку фазу. Перетворення рідини в газ називається випаровуванням, а безпосереднє перетворення твердого тіла в газ — сублімацією.
Співіснування з рідиною
В певному діапазоні температури й тиску газова та рідка фаза однієї й тієї ж речовини можуть співіснувати. Частина молекул газу переходить в рідину, яка має більшу густину, отже густина газу над поверхнею рідини може залишатися нижчою. Газ над поверхнею рідини називають парою.
Мікроскопічні характеристики
Якщо спостерігати газ під потужним мікроскопом, можна побачити набір часток (молекул, атомів, іонів, електронів і т. д.) без певної форми та об'єму, які знаходяться у хаотичному русі. Ці нейтральні частки газу змінюють напрямок тільки тоді, коли вони стикаються з іншими частками або стінками ємкості. Якщо припустити, що ці взаємодії (удари) абсолютно пружні, ця речовина перетворюється з реального в ідеальний газ. Частка з мікроскопічної точки зору газу описується молекулярно-кінетичною теорією. Всі передумови, що лежать у цій теорії можна знайти в розділі «Основні постулати» кінетичної теорії.
Вільний газ
Вільний газ (рос.газ свободный; англ. free gas; нім. freies Gas n) — газові компоненти, в яких частки газу (молекули, атоми) рухаються вільно, рівномірно заповнюючи за відсутності зовнішніх сил увесь наданий їм об'єм у пористих та тріщинуватих гірських породах, у повітряній атмосфері Землі. Вільний газ може знаходитися над нафтою в нафтовому пласті або в будь-якому резервуарі над рідиною (водою, нафтою тощо) в рівновазі з тим же газом у розчиненому стані. Вільний газ може виділятися із вугільних пластів у шахтах і створювати небезпеку в разі недотримання правил техніки безпеки. Вільний газ може переходити у зв'язаний (сорбований) стан і навпаки, він може виділятися у вигляді струменів із природних виходів на поверхню Землі, викидатись під великим тиском із жерла вулкана під час виверження тощо. За умовами знаходження в природі розрізняють вільний газ атмосфери та вільний газ літосфери; за формами прояву — газогенний, газоакумулятивний (газове скупчення), циркуляційний (повітряний), змішаний; за хімічним складом: вуглеводневий, вуглекислотний, азотний, сірководневий, гелієвий тощо. Кожний з цих типів зустрічається в природі як у чистому вигляді, так і в різних сумішах. Великі скупчення вільного газу, що мають промислову цінність, утворюються в літосфері. За хімічним складом вільні гази літосфери - це: суміш вуглеводнів від СН4 до С5Н12, азоту (N2), вуглекислого газу (СО2), сірководню (Н2S), водню (Н2), гелію (Не), оксид вуглецю (СО), аргону (Ar), пари ртуті (Hg) тощо. Вільні гази вуглеводневого типу, в якому переважає метан при порівняно невисокому вмісті (0,1%) важких вуглеводнів, відносяться до сухих, пісних газів. При вмісті гомологів метану від 1 до 5% вільний газ називається напівсухим. Вільний газ, що характеризується підвищеним вмістом гомологів метану (25% та більше), відносять до жирних газів. Чим вищі тиск і температура, тим більша кількість вуглеводнів міститься у вільному газ. Під час розробки покладів вільний газ можливе виділення (випадання) рідких вуглеводнів (конденсату) в пласті.
Насичений і ненасичений газ
Насичений газ (рос.газ насыщенный; англ. saturated gas; нім. gesättigtes Gas n) — вологий газ, в якого парціальний тиск пари дорівнює тиску насичення при заданій температурі. Протилежне — ненасичений газ. Ненасичений газ (рос.газ ненасыщенный; англ. unsaturated gas; нім. ungesättigtes Gas) — вологий газ, в якого парціальний тиск пари є меншим тиску насичення при заданій температурі. Протилежне — насичений газ.
Ілюстрації
Медіа
Див. також
Зріджений нафтовий газ Список СПГ терміналів
Джерела та література
Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3. В. І. Саранчук, М. О. Ільяшов, В. В. Ошовський, В. С. Білецький. Хімія і фізика горючих копалин. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — с. 600. ISBN 978-966-317-024-4
