تعريف الغازات
تعتبر الغازات أحد حالات المادة (الصلبة ، والسائلة ، والغازية ) ، وتكون المادة في حالاتها الثلاث بنفس التركيب الكيميائي لا يتغير تركيبها عند تحويلها من حالة لأخرى ، وتتحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة عن طريق التكثيف ، وتتحول المادة الصلبة إلى غاز عن طريق عملية التسامي ، ويتحول السائل إلى صلب عن طريق التجميد.
خصائص الغازات
- لا يوجد للغازات شكل محدد، بل تأخذ شكل الحاوية التي يتم وضعها فيها .
- تكون الغازات ذات انضغاط شديد .
- كثافة الغازات تكون منخفضة جدا .
- يوجد فراغات كبيرة بين جزيئات الغاز.
النظرية الحركية الجزيئية للغازات
تعتمد النظرية الحركية الجزيئية للغازات على عدة افتراضات، وتتناول نموذجًا مجهريًا للغاز، وتتمثل هذه الافتراضات في الآتي:
- الغاز يتكون من جزيئات صغيرة الحجم تتحرك بشكل عشوائي .
- يعتبر حجم الغاز صغيرا جدا بالمقارنة مع حجم الحاوية .
- يتميز بعدم وجود قوى جذب بين الجزيئات، حيث يعمل كل جزء بشكل مستقل تمامًا .
- تحدث تصادمات بين جزيئات الغاز وجدار الكاوية، وكذلك بين جزيئات الغاز نفسها، وتكون هذه التصادمات مرنة مما يؤدي إلى استقرار الطاقة الحركية الكلية .
- درجة حرارة الغاز تتناسب بشكل طردي مع متوسط الطاقة الحركية لجزيئاته .
- في وقت ما، يحدث اختلاف في سرعة جسيمات الغاز مما يؤدي إلى اختلاف في الطاقة الحركية .
- عندما تتصادم الجسيمات، تتغير سرعتها ولكن يظل توزيع السرعة الخاص بها (توزيع ماكسويل بولتزمان) ثابتًا.
مقارنة بين خصائص الغاز الحقيقي والغاز المثالي
أولا: يعتبر الغاز المثالي غازًا نظريًا يتوافق تمامًا مع المعادلة PV = nRT، ويختلف الغاز المثالي عن الغاز الحقيقي من نواحٍ عديدة
- من ناحية التزامها بقوانين الغازات : تتبع الغازات المثالية جميع قوانين الغازات بغض النظر عن ضغط درجة الحرارة، ومع ذلك فهي غير موجودة في الواقع، ولذلك تُطلق عليها تسمية “المثالية .
- الحجم التي تشغله : الغازات المثالية لا تشغل حجمًا معينًا، بينما تشغل الغازات الحقيقية أحجامًا صغيرة .
- القوى الجاذبة : جزيئات الغاز المثالية لا تتأثر بأي قوى جاذبية، وتتصادم بمرونة فقط .
- الغازات الحقيقية مقتطفات قوى صغيرة جذابة .
- ضغط الغاز : يتميز ضغط الغاز المثالي بأنه أعلى بكثير من ضغط الغاز الحقيقي، نظراً لعدم وجود القوى الجاذبة بين جزيئاته، والتي تمنع تصادم الجسيمات.
- سلوكها عند إرتفاع الضغط : يمكن ملاحظة الاختلافات بين الغازات المثالية والغازات الحقيقية بشكل أكثر وضوحًا عندما يكون الضغط مرتفعًا، حيث يتم احتلال جزيئات الغاز أحجامًا أصغر أو عندما تكون درجة الحرارة منخفضة، مما يسبب انخفاض الطاقة الحركية .
- حجم جزيئات الغاز : يمكن أيضًا أن يكون الاختلاف أكثر وضوحًا عندما تزيد حجم جزيئات الغاز، وعندما تتوفر قوى جذب قوية بين الجزيئات.
- تقترب جزيئات الغاز أحادية الذرة بكثير من الغازات المثالية أكثر من جزيئات الغازات الأخرى لأن جزيئاتها صغيرة جدًا .
- الاصطدامات بين الجزيئات : تكون مرنة في الغاز المثالي ، وغير مرنة في الغاز الحقيقي .
- الغاز المثالي هو غاز افتراضي ولا يتواجد في البيئة، على عكس الغاز الحقيقي .
- الغاز الحقيقي يتفاعل مع الغازات الأخرى، بينما الغاز المثالي لا يتفاعل .
- في ضوء الاختلافات بين الغازات المثالية والحقيقية، قام فان دير فال بإنشاء معادلة لربط الاثنين .
لذلك يتساءل الكثيرون عن متى يتبع الغاز الحقيقي سلوك الغاز المثالي.
الخصائص الفيزيائية للغازات المثالية
- يتعذر حدوث تسييل الغاز المثالي بسبب عدم وجود جاذبية للجزيئات الغازية بين باقي الجزيئات .
- معامل التمدد الحراري (α) يعتمد على درجة حرارة الغازات ولا يتأثر بطبيعتها .
- تعتمد معامل الانضغاطية (β) على الضغط بشكل متساوٍ، ويكون نفسه لجميع الغازات .
- عند رسم الضغط مقابل الحجم عند درجة حرارة ثابتة، يتم الحصول على منحنى القطع الزائد المستطيل .
- عند رسم مؤشر PV مقابل الضغط عند درجة حرارة ثابتة، يتم الحصول على منحنى موازٍ لخط مستقيم .
- قيمة Z تنخفض عند الحد الأدنى ثم ترتفع مع زيادة الضغط. وقد حيرت الهيدروجين وغاز الهيليوم هذا الاتجاه الانضغاطي وارتفع المنحنى مع زيادة الضغط من البداية. يمكن تسييل ثاني أكسيد الكربون بسهولة وتنخفض قيمة Z بشكل حاد تحت خط الغاز المثالي في منطقة الضغط المنخفض .
- إذا مر جزيء الغازات عبر سدادة مسامية من ضغط أعلى إلى ضغط منخفض داخل حاوية معزولة، فلن يحدث أي تغيير في الحرارة أو درجة الحرارة المحددة، مما يؤكد أن الغازات المثالية لا تتأثر بالجاذبية بين الجزيئات .
الخصائص الفيزيائية للغازات الحقيقية
- يمكن تسييل الغاز الحقيقي بسبب خاصية التجاذب بين جزيئاته، والتي تساعد على اندماج الجزيئات .
- يتوقف معامل التمدد الحراري (α) على خصائص الجزيء الغازي .
- تم العثور أيضًا على أن معامل الانضغاط (β) يعتمد على طبيعة الغازات .
- عند رسم الضغط مقابل الحجم، يتم الحصول علىمنحنى القطع الزائد المستطيل فقط عند درجة حرارة عالية تزيد عن درجة الحرارة الحرجة .
- يمكن تسييل الجزيء عند درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة (T C)، بعد أن يتم تعريضه لضغط محدد عند درجة حرارة معينة. ويمكن أن يتميز السائل والغاز بخاصية لا يمكن تمييزها في النقطة الحرجة للغازات .
- عند رسم PV مقابل ضغط الغازات الحقيقية أو غازات Van der Waals، يتم الحصول على منحنى Amagat .
- تمر الغازات الحقيقية عبر فتحة صغيرة من ضغط عالٍ إلى ضغط منخفض داخل حاوية معزولة، ويحدث تغير في درجة الحرارة .
- الغازات الحقيقية تتميز بجاذبية بين جزيئاتها، وعندما تتمدد يتطلب ذلك المزيد من الطاقة الحركية للجزيئات للتغلب على هذه الجاذبية، وبالتالي تنخفض درجة الحرارة، وفقا لقوانين الغازات.
صيغة التمدد الحراري وقابلية الانضغاط
تعبر الديناميكا الحرارية عن صيغة معامل التمدد الحراري والانضغاطية للغاز
- بالنسبة للغازات المثالية ذات 1 مول ، PV = RT ، وبالتالي فإن α = R / PV = 1 / T ، لذلك سيكون التمدد الحراري مستقلاً عن الطبيعة وسيكون دالة لدرجة الحرارة فقط ، على سبيل المثال معامل التمدد الحراري لغازات الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون 78 × 10 -7 و 3.49 × 10 -7 على التوالي عند 0 درجة.
- يتم تعريف عامل الانضغاط (β) على أنه RT / P2V = 1/P ، ومن المتوقع أن يكون β دالة فقط للضغط وهو متطابق لجميع الغازات. ومع ذلك ، في التجارب العملية ، تم اكتشاف أن عامل الانضغاط هو خاصية فردية ويتم التعبير عنها بشكل أفضل في تطبيقات قانون الغاز المثالي .