غاز

حركة الذرات والجزيئات في الغاز. وتعبر درجة حرارة الغاز عن متوسط طاقة حركة الذرات والجزيئات. إشارة: خفضت السرعات الحقيقية لذرات الغاز في هذه الصورة نحو1000.000.000.000 مرة.

الحالة الغازية في الفيزياء وفي الكيمياء هي احدى ثلاث حالات تهتم بهم الديناميكا الحرارية بجوار الحالة السائلة والحالة الصلبة.

إن الغازات موائع أي حتى لها قابلية للسريان ولا تقاوم تغيير شكلها، بالرغم من حتى لها لزوجة. وعلى غير ما يحدث في السوائل، فإن الغازات حرة لا تشغل حجماً ثابتاً ولكنها تملأ أي فراغ يتاح لها. وطاقة حركة الغازات هي ثاني أبرز شيء في حالات المادة (بعد البلازما). ونظراً لزيادة طاقة حركة الغازات فإن جزيئات وذرات الغاز تميل لأن تشغل جميع حجم متاح لها ، بل النفاذ أيضا خلال حائل من مادة مسامية ، ويزداد ذلك بزيادة طاقة حركتها. ويوجد مفهوم خاطئ يتعلق بأن اصطدام الجزيئات ببعضها ضروري لفهم ضغط الغاز، ولكن الحقيقة حتى سرعاتها العشوائية كافية لتحديد ضغطها. الاصطدامات بين الجزيئات مهمة فقط للتفاعلات الكيميائة حيث تفسر نظرية التصادم حدوث تفاعل بين جزيئات مادتين. كما يصف توزيع ماكسويل-بولتزمان توزيع سرعات الجزيئات في الغاز واعتمادها على درجة الحرارة ويأخذ الحركة الحرارية للغاز في الحسبان.

تختلف حركة جسيمات الغاز عن حركة جسيمات السوائل التي تتلامس. فعند تواجد جسيمات ، مثل حبيبات غبار في غاز نجد أنها تتحرك في حركة براونية، ونشاهد ذلك أحيانا في شعاع الشمس وحركة الغبار في الهواء. وحيث أنه لا توجد تقنية حالية تمكننا من ملاحظة حركة جسيم غازي (ذرة أوجزيئ)، فإن الحسابات النظرية فقط تعطي تصورا عن كيفية تحركهم ، ولكن حركة ذرات غاز أوغاز مكون من جزيئات (الأكسجين ) أوالنيتروجين حيث يتكون جميع منهما من ذرتين مرتبطتين) فهي تختلف عن الحركة البروانية. والسبب في هذا حتى الحركة البروانية تتضمن حركة جسيم غبار تحت تاثير محصلة اصطدامات ذرات الغاز بها. ويتكون جسيم الغبار غالباً من مليارات الذرات. ويتحرك في أشكال أشكال حادة عشوائيا.

نظرية الحركة الحرارية للغازات

كان تطور الحركة الحرارية وفهم الغازات وسلوكها الباعث على تقدم الكيمياء والفيزياء منذ اكتشافت روبيرت بويل وصياغته لسلوكها في قانون بويل في عام 1662. ثم وقع تقدم سريع حتى القرن التاسع عشر ، واستطاع الفهماء وصف الغاز كالأتي :

1-تتألف الغازات من أعداد كبيرة من الجسيمات المتناهية في الصغر والبعيدة عن بعضها مقارنة بحجمها. وينتج عن ذلك ان معظم الحجم الذي يحتله الغاز هوتعبير عن فراغ , وهذا يعلل الكثافة المنخفضة للغازات.

2- تتصادم جسيمات الغاز بعضها البعض بسبب حركتها السريعة العشوائية ، وبارتفاع درجة الحرارة تزداد سرعات الجزيئات ،وتشتد الاصطدامات ويزداد معدل الاصطدامات. في نفس الوقت تصطدم جسيمات الغاز بجدار الوعاء الذي يحتويها وتظهر لنا في صورة الضغط. التصادم مرن أي لا يحصل فقدان في محصلة الطاقة الكلية للغاز. جميع مافي الأمر تنتقل السرعات بين الجسيمات مثلما تنتقل سرعات كرات البلياردو.

3- تكون جسيمات الغاز في طاقة حركة دائمة سريعة وعشوائية وفي جميع الاتجاهات.

4- لا توجد قوى تجاذب أوتنافر بين جزيئات الغاز (افتراض الغاز المثالي).

الضغط

الرمز المستخدم لتمثيل الضغط في المعادلات هو"P" أو"p" مع وحدات SI من الباسكال. عندما نضع وعاء من الغاز، مصطلح الضغط (أوالضغط المطلق) يشير إلى متوسط القوة في وحدة المساحة الذي يطبقه الغاز على سطح الحاوية. في هذا الحجم، من الأسهل أحيانا تصوير جزيئات الغاز تتحرك في خطوط مستقيمة حتى تتصادم مع الحاوية (انظر الرسم البياني في أعلى الموضوع). قوة الكشف عنها من قبل الجسيمات الغاز في وعاء أثناء هذا التصادم هوالتغير في زخم الجسيمات. خلال الاصطدام فقط المكون الطبيعي للسرعة هوالذي يتغير. تسافر الجسيمات بشكل مواز لجدار الحاوية فلا يتغير زخمها. ولذلك يجب حتىقد يكون متوسط القوة على السطح هومتوسط التغير في الزخم الخطي لكل تصادمات جسيمات الغاز. الضغط هومجموع جميع المكونات الطبيعية من القوة التي تمارسها الجزيئات والمؤثرة على جدران الحاوية مقسوما على مساحة سطح الجدار.

الحرارة

الرمز المستخدم لتمثيل درجة الحرارة في المعادلات هوT مع وحدات SI من كلفن. سرعة جسيمات الغاز يتناسب مع درجة حرارته المطلقة.يتقلص حجم البالون عندما تبطئ سرعة جزيئات الغاز مع إضافة النيتروجين شديد البرودة. وترتبط درجة حرارة أي نظام فيزيائي بحركة الجزيئات (جزيئات والذرات) التي تشكل في مجموعها النظام الغاز. في الميكانيكا الإحصائية، درجة الحرارة هي المقياس لمتوسط الطاقة الحركية المخزنة في الجسيمات.

الحجم

الرمز المستخدم لتمثيل حجم محدد في المعادلات هو"V" مع وحدات SI من متر مكعب لكل كيلوغرام.

الكثافة

الرمز المستخدم لتمثيل الكثافة في المعادلات هوρ (رو) مع وحدات SI للكيلوغرام لكل متر مكعب.

معادلة الغاز المثالي

أومعادلة الحالة الحرارية لغاز مثالي وهي تصف غازا مثاليا وسلوكه عند تغير درجة الحرارة مثلا. وقد شكلت تلك المعادلة كنتيجة لنتائج تجارب عديدة (قوانين الغازات).ثم استطاع لودفيغ بولتزمان عن طريق حساب الاحتمالات (ترموديناميكا إحصائية) تفسير سلوك الغاز عل أساس بنية جسيمات الغاز.

تصف معادلة الغاز العامة دوال حالة غاز مثالي وعلاقات تلك الدوال بعضها ببعض من : درجة الحرارة ، والضغط وحجم الغاز ، وهي:

{\displaystyle p\cdot V=n\cdot R\cdot T

حيث:

{\displaystyle R=8{, 3144621(75)\,\mathrm {J \cdot \mathrm {mol ^{-1 \cdot \mathrm {K ^{-1

ثابت الغازات العام ، كما أن :

p الضغط

V الحجم المولي

T درجة الحرارة بالكلفن

R ثابت الغازات العام

n عدد المولات (أوأجزاء المول).

بواسطة المعادلة العامة للغازات بالإضافة إلى قوانين الديناميكا الحرارية يمكننا وصف عمليات الحركة الحرارية للغازات المثالية بطريقة الرياضيات .

معادلة الغاز الحقيقي

الغاز الحقيقي (بالإنجليزية: Real gas) هوغاز ليس غاز مثالي بتميز بصفات لا يمكن معالجتها بواسطة قانون الغازات المثالية. ولكي نفهم سلوك الغازات الحقيقية وهي تقابلنا باستمرار في حياتنا العملية حيث أنها تشغل المحركات ، كما أنها تؤثر على الطقس فلا بد من اتخاذ الصفات الآتية في الاعتبار:

لها تأثيرات ضغطية
حرارة نوعية متغيرة
تأثير فان دير فالس (حيث للجزيئات أحجام تختلف عن الصفر) ،
تأثيرات ترموديناميكية في حالة عدم التوازن ،
تؤثر على تفكك الجزيئات وتؤثر على التفاعلات الكيميائية

بأخذ تلك المؤثرات في العتبار أوبعضها توجد عدة صيغ لحالة العاز الحقيقي ، نؤتي منها على سبيل المثال :

معادلة فان دير فالس

تتعامل مع الغازات الحقيقية باعتبار الكتلة المولية ووحجمها المولي:

${\displaystyle RT=\left(P+{\frac {a {V_{m ^{2 \right)(V_{m -b)$

حيث:

P الضغط.

T درجة الحرارة|بالكلفن.

R ثابت الغازات.

الحجم المولي V_m.

a وb إحداثيان يُعينان عمليا لكل غاز ، وأحيانا يجري تعيينهما من النقطة الحرجة (T_c) والضغط الحرج (P_c) مع استخدام العلاقتين :

${\displaystyle a={\frac {27R^{2 T_{c ^{2 {64P_{c$

${\displaystyle b={\frac {RT_{c {8P_{c$

المراجع

^ J. Clerk Maxwell (1904). Theory of Heat. Mineola: Dover Publications. pp. 319–20. ISBN 0-486-41735-2
^ See pages 137–8 of Society, Cornell (1907).
^ CODATA Recommended Values: molar gas constant. National Institute of Standards and Technology. Retrieved on 12. Januar 2012.