الغاز هوأحد حالات المادة ، ومثل السوائل فإن الغازات موائع أى حتى لها قابلية للسريان ولا تقاوم تغيير شكلها ، بالرغم من حتى لها لزوجة . وعلى غير ما يحدث في السوائل ، فإن الغازات الحرة لا تشغل حجم ثابت ولكنها تملأ أى فراغ تشغله . وطاقة حركة الغازات هى ثانى أبرز شيءفى حالات المادة ( بعد البلازما . ونظرا لزيادة طاقة حركة الغازات فإن جزيئات وذرات الغازات تميل لأن تتعدى أى سطح يحتويها ، ويزداد هذا بزيادة طاقة الحركة . ويوجد مفهوم خاطئ يتعلق بأن اصطدام الجزيئات ببعضها ضروري لفهم ضغط الغاز ، ولكن الحقيقة حتى سرعاتها العشوائية كافية لتحديد كمياتها . الإصطدامات بين الجزيئات مهمة فقط للحصول على توزيع ماكسويل-بولتزمان .

تتفرق جسيمات الغاز بطريقة معاكسة لجسيمات السوائل ، التى تتلامس . فجسيم مادى مثلا ذرة غبار) في الغازات تتحرك في حركة بروانية . وحيث أنه لا توجد تقنية حالية تمكننا من ملاحظة حركة جسيم غازي محدد (ذرات أوجزيئات) ، فإن الحسابات النظرية فقط تعطى اقتراحات عن كيفية تحركهم ولكن حركتها تختلف عن الحركة البروانية . والسبب في هذا حتى الحركة البروانية تتضمن انزلاق سلس تحت تأثير قوى الأحتكاك بين جزيئات الغاز بينما لها إصطدامات عنيفة بين جزيء أوجزيئات الغاز مع الجسيم . الجسيم (غالبا يتكون من مليارات المليارات من الذرات) يتحرك في أشكال حادة ، وحتى الآن لا يوجد حدة تم تسقطها لوتم متابعة جزيء غازي محدد، أمثلة: ثاني أكسيد الكربون ، الميثان ، أكسيدالنيتروز ، سادس فلوريد الكبريت ، الهالوكربونات.

الخصائص الفيزيائية

يطلق اسم الغاز على الأجسام التي توجد في حالة فيزيائية تتصف بمجموعة من الخواص، منها عدم وجود شكل وحجم خاصَّين بها، مما يميزها من الأجسام السائلة والصلبة.

تتكوَّن الغازات من جزيئات يمنعها الاضطراب الحراري من التجمع، إلاّ إذا كان الضغط كبيراً أوكانت درجة الحرارة منخفضة إلى حدٍ كافِ، حينئذٍ يتكاثف الغاز ليصبح سائلاً أوصلباً، إلى غير ذلك فإن جميع الغازات المعروفة قابلة للتكاثف بسهولة تزيد أوتنقص. وعندما يتبخر سائل أويتصعَّد جسم صلب، فإنه يتحول إلى بخار له خواص الغاز كلها.

تكون الغازات في الشروط المعتادة مادة في حالة مبعثرة، وتكون كتلتها الحجمية masse volumique أصغر بكثير من الأجسام في الحالة الكثيفة، الصلبة أوالسائلة؛ فالكتلة الحجمية للهواء الجاف في درجة الحرارة 0ºC وتحت ضغط جوي واحد (الشروط النظامية) تساوي 1.2928غرام/ليتر، أي حوالي أصغر بنحو800 مرة من الكتلة الحجمية للماء في درجة الحرارة نفسها>

مجهريا

الضغط

الغازات قابلة للانضغاط compressibles؛ لأن حجمها يتناقص عندما يزيد الضغط عليها، وقابلة للتوسُّع expansibles؛ لأنها تشغل دائماً الحجم المتاح لها كاملاً، وقابلة للتمدد dilatables؛ لأن حجمها وضغطها يتغيران بتغير درجة الحرارة. إذا انضغاطية الغازات وتمددها أكبر بكثير من انضغاطية الأجسام السائلة أوالصلبة وتمددها. ويكتفى هنا بدراسة الانضغاط المتساوي الدرجة، أي بالحفاظ على درجة حرارة ثابتة، والتمدد عند ضغط ثابت، وأخيراً تغير ضغط الغاز الناتج من تغير درجة الحرارة مع الحفاظ على حجم ثابت.

ـ الانضغاط المتساوي الدرجة: هوأول دراسة أجريت لهذا النوع من الانضغاط للهواء، وقد قام بها بشكلٍ مستقل بويل (1662) Boyle وماريوت (1676) Mariotte. وقد قادت الدراسة هذين العالمين إلى تأكيد ما يأتي: عند درجة حرارة ثابتة،قد يكون الحجم الذي تشغله كتلة غازية معينة، متناسباً عكساً مع الضغط (قانون بويل ـ ماريوت). ويعبَّر عن هذه النتيجة بالعلاقة: PV=A حيث A، من أجل كتلة معينة من الغاز، تابع فقط لدرجة الحرارة.

إن هذا القانون في واقع الأمر ليس سوى تقريب أولي، فقد بيَّنت تجارب لاحقة أكثر دقة، أجراها رينولت Regnault ثم أماگات Amagat، وذلك في مجال أوسع من الضغوط، حتى جميع الغازات تُظهر، بالنسبة إلى قانون بويل ـ ماريوت، انزياحات قد تكون صغيرة أوكبيرة، وتتغير من غازٍ لآخر، كما تتغير مع الشروط التي تخضع لها. يمكن بيان هذا الأمر بجلاء، برسم مخطط أمگات لغاز تام يتبع قانون بويل ـ ماريوت، ومخطط الغازات الحقيقية. يُرسم في هذا المخطط الجداءPV بدلالة P من أجل درجات حرارة مختلفة، الشكل (1). يأخذ المنحني عند درجة حرارة معينة، شكل خط أفقي مستقيم (ثابت =PV)، إذا خضع الغاز لقانون بويل ـ ماريوت، أما المنحنيات الموافقة للغازات الحقيقة، فتأخذ أشكالاً تتعلق بطبيعة الغاز وبدرجة الحرارة.

ـ التمدد: يزيد تسخين الغاز من الاضطراب الجزيئي، ومن ثم ضغط الغاز، إذا كان الحجم ثابتاً: يعرَّف معامل وسطي لزيادة الضغط في حالة حجم ثابت بالعلاقة:

β=(P-P0)/(P0T)

حيث تمثل P0 ضغط الغاز عند الدرجة 0 ºC وP ضغطه عند الدرجة T ºC، مع بقاء الحجم ثابتاً عند القيمة V0. أما إذا وقع التسخين عند ضغط ثابت P0، فسيتمدد الغاز من V0 إلى V، ويعرَّف عندها معامل التمدد الوسطي عند ضغط ثابت بالعلاقة:

α= (V-V0)/(V0T)

ولدى إعادة گاي ـ لوساك Gay-Lussac تجارب شارل Charles، أوجز عام 1802 قوانين الغازات، بالشكل الآتي:

ـ المعامل α هونفسه لكل الغازات.

ـ المعامل β هونفسه لكل الغازات.

ـ هذان المعاملان متساويان، وقيمتهما 1/273= 0.00366

وكما هوشأن قانون ماريوت، الذي تنسجم معه هذه القوانين، فإن قوانين گاي ـ لوساك ليست سوى قوانين تقريبية: فالمعاملان α وβ ليسا متساويين تماماً للغازات المتنوعة، كما أنهما ليسا متساويين فيما بينهما من جهة أخرى، فقيمتهما تتعلقان بالضغط ودرجة الحرارة.

الحرارة

الحجم المحدد

الكثافة

الحجم

مجهريا

Kinetic theory

Kinetic theory attempts to explain macroscopic properties of gases by considering their molecular composition and motion.

Brownian motion

Intermolecular forces

النماذج المبسطة

الغاز الحقيقي

Real gas effects refers to an assumption base where the following are taken into account:

• Compressibility effects
• Variable heat capacity
• Van der Waals forces
• Non-equilibrium thermodynamic effects
• Issues with molecular dissociation and elementary reactions with variable composition.

الغاز المثالي

الحرارة المثالية

• The gas is in Thermodynamic equilibrium
• Not chemically reacting
• Internal energy, Enthalpy, and Specific Heat are functions of Temperature only.

${\displaystyle e=e(T)$ ${\displaystyle h=h(T)$ ${\displaystyle de=C_{v dT$ ${\displaystyle dh=C_{p dT$

Calorically perfect

${\displaystyle e=C_{v T$ ${\displaystyle h=C_{p T$

الغازات الكاملة

إن الغازات المعروفة تحقق القوانين البسيطة للانضغاط والتمدد: أمثال قانوني ماريوت وگاي ـ لوساك وقانون أفوگادرو، ولكن بصورة تقريبية.

مزيج الغازات

تنتشر الغازات بعضها في بعض، ويكون المزيج في النهاية متجانساً دائماً. وقد بيّنت تجربة بيرتوليه Berthollet، حتى مزج غازين مثل H2 وCO2 في درجة حرارة وحجم كلي ثابتين، لا يؤدي إلى أي تغير في الضغط. ويعرَّف الضغط الجزئي لغاز في مزيج، أنه ضغط الغاز فيما لوشغل الحجم الكلي للمزيج وحده، وذلك في درجة الحرارة نفسها. إذا افترض إمكانية تطبيق قانون ماريوت على جميع غاز، فعندئذٍقد يكون : P1(V1+V2)=PV1 وp2(v1+v2)=pv2 ، حيث يرمز P1 وP2 إلى الضغطين الجزئيين وP إلى الضغط الكلي، ومنه P1+P2= P. أي إذا الضغط الكلي لمزيج يساوي مجموع الضغوط الجزئية، هذا هوقانون دالتون Dalton. وفي الواقع، لايتبع غاز حقيقي قانون ماريوت بدقة، ويلاحظ دائماً في حالة المزيج ابتعاد عن قانون دالتون، وهوغير دقيق إلاّ في حالة مزيج غازات كاملة.

النظرية الحركية للغازات

أسس هذه النظرية دانيال برنولي Daniel Bernoulli عام 1730، وفصَّل فيها ماكسويل Maxwell وكلاوزيوس Clausius، وأسهم في تطويرها فهماء آخرون كثيرون. تتشكل الغازات وفق هذه النظرية، من جزيئات عديدة جداً تتحرك حركةً دائمةً سريعةً وعشوائية، وتتغير اتجاهاتها باستمرار نتيجة الاصطدامات فيما بينها ومع الجدران، وهذه الاصطدامات الأخيرة هي التي تولّد ضغط الغاز. لا يوجد في هذه النظرة أي تأثير متبادل بين الجزيئات إلا من خلال تصادمها، وتعد الاصطدامات كلها مرنة تماماً، مما يسمح لحركة الجزيئات بالاستمرار إلى ما لا نهاية دون حتى تتطلب طاقة خارجية، وهذا ما يتضح مباشرة من مراقبة الحركة البراونية في الغازات.

تتوزع سرعات الجزيئات في جميع لحظة، من حيث الطويلة والمَنْحى، وفق القانون الذي وجده ماكسويل، وهويماثل قانون أخطاء غاوس (قانون الأعداد الكبيرة)، والذي يُعبر عنه بمنحنٍ على شكل جرس، الشكل (2). مع ذلك، فمن المحال التنبؤ بحركة جميع جزيئة. إذا إحدى خصائص النظرية الحركية للغازات هي إنها تأخذ في الحسبان القيم الوسطية للمقادير المتنوعة، مثل السرعة أوالطاقة الحركية للجزيئات. ويوافق التوزع الذي يعطيه قانون ماكسويل، سرعة وسطية وسرعة تربيعية وسطية تختلف عن السابقة (ولوأنها قريبة منها)، وتعرَّف حتى مربعها يساوي وسطي مربع السرعات. وتعطي النظرية الحركية تفسيراً لضغط الغاز ولدرجة حرارته؛ وتؤدي إلى معادلة حالة الغاز، مع بعض الفرضيات على التأثيرات المتبادلة بين الجزيئات، كما أنها تعطي تفسيراً للزوجة الغاز وتتنبأ باستقلال هذه اللزوجة عن الضغط، وهذا ما تؤكده التجربة. وتسمح بحساب الناقلية الحرارية النوعية للغاز.

Historical Synthesis

موضوعات خاصة

Compressibility

رقم رينولد

Viscosity

Turbulence

Boundary Layer

Maximum Entropy Principle

Thermodynamic Equilibrium

التسمية

اكتشف الغاز جان باپتس ڤان هلمونت، ويمكن حتى تكون التسمية من الحدثة الألمانية chaos..

انظر أيضا

• ديناميكا حرارية
• قوانين الغازات
• غاز مثالي
• نظرية حركة الغازات

المصادر

• John D. Anderson. Modern Compressible Flow: Third Edition New York, NY : McGraw-Hill, 2004. ISBN 007-124136-1
• Philip Hill and Carl Peterson. Mechanics and Thermodynamics of Propulsion: Second Edition Addison-Wesley, 1992. ISBN 0-201-14659-2
• John D. Anderson. Fundamentals of Aerodynamics: Fourth Edition New York, NY : McGraw-Hill, 2007. ISBN 978-0-07-295046-5 ISBN 0-07-295046-3
• National Aeronautics and Space Administration (NASA). Animated Gas Lab. Accessed February, 2008.
• Georgia State University. HyperPhysics. Accessed February, 2008.
• Antony Lewis WordWeb. Accessed February, 2008.
• Northwestern Michigan College The Gaseous State. Accessed February, 2008.