7.4. Газообразное состояние вещества

Для вещества в газообразном состоянии потенциальная энергия молекул много меньше их кинетической энергии. В связи с этим расстояние между молекулами газа очень велико, а силы взаимодействия их друг с другом весьма малы. В силу этого собственный объем молекул газообразного вещества очень мал сравнительно с объемом газа. Следствием указанных особенностей газа является присущее газам стремление к расширению: газ стремится занять весь предоставленный ему объем.

Газ, для которого потенциальная энергия частиц и их собственный объем равны нулю, называется идеальным газом. Молекулы идеального газа движутся независимо друг от друга, силы притяжения между ними отсутствуют, а энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех его молекул. Идеальный газ - наиболее простое агрегатное состояние вещества, его характеристики не зависят от природы молекул газа, а только от их числа. В результате идеальный газ подчиняется очень простым закономерностям, называемым газовыми законами. Важнейшими из них являются следующие:

1. Закон Авогадро

Этот закон рассмотрен в разделе 1.2

2. Закон Бойля-Мариотта

Объем данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению газа.

3. Первый закон Гей-Люссака

Объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален его абсолютной температуре.

4. Второй закон Гей-Люссака (закон объемных отношений)

Этот закон рассмотрен в разделе 1.2

5. Закон Дальтона

Давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений газов, образующих эту смесь.

Парциальным давлением газа называется давление, производимое молекулами данного газа в смеси газов.

Перечисленные газовые законы объединяет уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона):

PV = RT

где Р - давление газа, V - его объем,  - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/мольК). Т - абсолютная температура. Вывод уравнения состояния рассмотрен в разделе 1.3.1.

Реальные газы достаточно точно следуют законам идеального газа при высоких температурах и низких давлениях. При понижении температуры и повышении давления возрастает влияние собственного объема молекул газа и сил притяжения между ними на состояние газа; в результате этого отклонения характеристик газа от величин, вычисленных по уравнению состояния, становятся значительными.

Состояние реального газа описывает уравнение Ван-дер-Ваальса. Для моля газа оно имеет вид:

где a и b - параметры, учитывающие собственный объем молекул (b) и взаимодействие между ними (a). Эти параметры определяют экспериментально для каждого газа.

7.5. Плазма

Плазмой называется ионизированный газ, содержащий заряженные частицы (электроны, ядра атомов, газовые ионы).

Во многих отношениях плазма ведет себя как обычный газ и подчиняется газовым законам, но в то же время качественно отличается и от неионизированного газа, и от систем свободно движущихся заряженных частиц. От газов плазма отличается своей электропроводностью, а от потоков заряженных частиц - своей электронейтральностью: в плазме положительный заряд ионов и ядер компенсируется отрицательным зарядом электронов. Плазму получают, подвергая газ действию высоких температур, электрических разрядов (дуговых, тлеющих, коронных), потоков фотонов высоких энергий и радиоактивных частиц.

Различают низкотемпературную (холодную) и высокотемпературную (горячую) плазму.

Низкотемпературная плазма имеет температуру 2-100 тыс. К. В такой "холодной" плазме наряду с ионами и электронами возможно существование неионизированных частиц (атомов и молекул). Так, например, в холодной плазме аргона присутствуют наряду с электронами и ионами Ar⁺ и Ar также электронейтральные атомы аргона. В низкотемпературной плазме возможно протекание химических реакций. Продуктами этих реакций могут быть частицы, которые невозможно получить иным путем. Так, ионы Ar⁺ в аргоновой плазме могут взаимодействовать с молекулами водорода по уравнению

Ar⁺ + Н₂ = ArН⁺ + Н

Температура горячей плазмы превышает 100 тыс. К. В такой плазме нет незаряженных частиц, так как молекулы подвергаются полной ионизации. Химические реакции в горячей плазме невозможны, но в ней при достаточно высоких температурах могут протекать термоядерные процессы.

В заключение заметим, что, кроме перечисленных, возможны и промежуточные агрегатные состояния. Так, уже рассмотренные выше аморфные твердые вещества можно рассматривать как жидкости, обладающие некоторыми свойствами твердых тел. Очень интересным является жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние: вещество в этом случае является жидкостью, для которой, однако, имеет место наличие дальнего порядка. В таком состоянии могут существовать при определенных температурах вещества, имеющие вытянутые, асимметричные молекулы, например, пара-азоксианизол

При плавлении этого вещества молекулы ориентируются параллельно друг другу с образованием мезоморфной фазы (рис. 48).

Рис. 48. Ориентация молекул в мезоморфной фазе жидкого кристалла

В жидких кристаллах, с одной стороны, наблюдается дальний порядок расположения частиц, а с другой стороны, сохраняется подвижность частиц, обусловливающая текучесть, характерную для жидкости. Жидкие кристаллы анизотропны.