Для точного расчёта калорических свойств Г. необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о которых в большинстве случаев получают из анализа спектров Г. Для большого числа веществ в состоянии идеального Г. калорические свойства вычислены с высокой точностью и их значения представлены в виде таблиц до температур 10—22 тыс. градусов.
Электрические свойства Г. связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Г. электрически заряженных частиц (ионов и электронов). При отсутствии заряженных частиц Г. являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность Г. увеличивается. Зависимость электропроводности Г. от различных физических факторов рассмотрена в ст. Электрический разряд в газах .
При температурах начиная с нескольких тыс. градусов всякий Г. частично ионизуется и превращается в плазму . Если концентрация зарядов в плазме невелика, то свойства её мало отличаются от свойств обычного Г.
По магнитным свойствам Г. делятся на диамагнитные (к ним относятся, например, инертные газы, H2 , N2 , CO2 , H2 O) и парамагнитные (например, O2 ). Диамагнитны те Г., молекулы которых не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под влиянием внешнего поля (см. Диамагнетизм ). Те же Г., у которых молекулы обладают постоянным магнитным моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм ). Учёт межмолекулярного взаимодействия и внутреннего строения молекул необходим при решении многих проблем физики Г., например при исследовании влияния верхних разреженных слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика , Аэродинамика разреженных газов ).
В современной физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К Г. с особыми свойствами относят, например, совокупность свободных электронов в металле (электронный Г.), фононов в жидком гелии (фононный Г.) и т. д. Г. элементарных частиц и квазичастиц обладающих целым спином , т. н. бозонов (например, фотонов, p-мезонов, фононов), называется бозе-газом. Его свойства рассматривает квантовая статистика Бозе — Эйнштейна. Свойства частиц Г. с полуцелым спином — фермионов (например, электронов, нейтронов, нейтрино, дырок проводимости и др.) рассматривает квантовая статистика Ферми — Дирака (см. Статистическая физика ).
Физические свойства газов
Свойства газов Азот N2 Аргон Ar Водород H2 Воздух Кислород O2 Углекислый газ CO2 Масса 1
моля (г) 28,02 39,94 2,016 28,96 32,00 44,00 Плотность при 0°C и 1
ат * (
кг/м3 ) 1,2506 1,7839 0,0899 1,2928 1,4290 1,976 Теплоемкость при постоянном объеме
сv и 0°C (
кдж/моль •
град ) 20,85 12,48 20,35 20,81 20,89 30,62 (55°C) Скорость звука при 0°C (
м/сек ) 333,6 319 1286 331,5 314,8 260,3 Вязкость h при 0°C (h•106
н •
сек /м2 ) 16,6 21,2 8,4 17,1 19,2 13,8 Теплопроводность l при 0°C (l•102
дж/м •
сек •
град) 2,43 1,62 16,84 2,41 2,44 1,45 Диэлектрическая проницаемость e при 0°C и 1
ат* 1,000588 1,000536 1,000272 1,000590 1,000531 1,000988 Удельная магнитная восприимчивость c при 20°C (c•106 на 1
г ) -0,43 -0,49 -1,99 — +107,8 0,48
Лит.: Кириллин В. А., Сычев В. В. и Шейндлин А. Е., Техническая термодинамика, М., 1969; Кикоин И. К. и Кикоин А. К., Молекулярная физика, М., 1963; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник, под ред. В. П. Глушко, 2 изд., т. 1—2, М., 1962.
Э. Э. Шпильрейн.
Рис. 1. р, Т-диаграмма состояния вещества. Область газообразного состояния заштрихована. Со стороны низких температур и давлений она ограничена кривыми сублимации (I) и парообразования (II). Тр — тройная точка, К — критическая точка. Штриховой линией показана критическая изохора вещества.
Рис. 2. Распределение Максвела для молекул азота при температурах 20 и 500°С. По оси ординат отложена доля молекул (в %), обладающих скоростями между с и (с + 10) м/сек ; сн — наиболее вероятная скорость, которой обладает наибольшее число молекул при данной температуре; — средняя арифметическая скорость молекул; — средняя квадратичная скорость.
Газы в металлах
Га'зы в металлах. Г. попадают в твердые и жидкие металлы при их выплавке и электролитическом получении, при взаимодействии металлических изделий с атмосферой. Например, при производстве стали из чугуна в мартеновских печах или в конверторах в расплавленный металл из печной атмосферы попадают кислород и азот; при получении никеля электролизом его водных растворов твёрдый металл насыщается водородом, выделяющимся на катоде. Различают 3 вида взаимодействия межу Г. и металлами: адсорбцию , растворение и образование химических соединений.
При адсорбции Г. взаимодействуют только с поверхностью металла и образуют на ней плёнки толщиной, равной диаметру одной или несколько молекул. Адсорбция уменьшается при повышении температуры и понижении давления Г. над металлом. Г., адсорбированные на металлических частях электровакуумных приборов (применяемых в измерительной аппаратуре), радиопередающих устройств, преобразователей электрической энергии, в процессе эксплуатации десорбируются и нарушают устойчивую работу аппаратуры (например, изменяют электропроводность). Удаление адсорбированных Г. при изготовлении такой аппаратуры достигается глубокой откачкой, применением поглотителей Г. (геттеров ) и является одной из важнейших задач вакуумной техники.
Большинство Г., кроме инертных, образует с твёрдыми и жидкими металлами истинные растворы. Г., молекулы которых состоят из нескольких атомов (например, сернистый газ, углекислый газ, водород, азот), при растворении в металлах распадаются на атомы. Это облегчает внедрение Г. в металл, т. к. уменьшает энергию, необходимую для того, чтобы раздвинуть сильно взаимодействующие друг с другом атомы металла. Кроме того, часть затрачиваемой энергии компенсируется её выигрышем при химическом взаимодействии атомов Г. и металла. Поэтому растворение многоатомных газов сопровождается их диссоциацией . Например, двухатомные газы водород и азот растворяются в железе по реакциям
H2 = 2Нв железе ; N2 „ = 2Nв железе .
Растворимость Г. в расплавленных металлах значительно выше, чем в твёрдых. Это часто приводит к ухудшению качества металлических слитков из-за образования в них газовых пузырей, внутренних раковин и пористости. Такие дефекты возникают вследствие того, что при постепенном затвердевании слитка (кристаллизации) в изложнице концентрация Г. в остающейся жидкости настолько повышается, что Г. выделяются в ее объеме, а образующиеся при этом пузыри не успевают всплыть и удалиться до полного затвердевания слитка.
Г. часто образуют с металлами химические соединения: окислы, сульфиды, нитриды. Эти соединения нерастворимы в металлах и выделяются в виде самостоятельных фаз — т. н. неметаллических включений, присутствие которых сильно ухудшает механические и антикоррозионные свойства металлов и сплавов. Поэтому в промышленности применяются различные способы удаления Г. из металлов. Один из наиболее эффективных — использование вакуумирования. При этом благодаря понижению давления Г. происходит их выделение из металлов, протекающее особенно интенсивно, когда металл находится в расплавленном состоянии.
Широко распространены выплавка металлов и сплавов, особенно стали, в вакуумных печах, вакуумирование жидкого металла при разливке и в ковшах (см. Вакуумная плавка , Дегазация стали ). С такой же целью применяют продувку жидкого металла инертными газами (например, аргоном). В ряде случаев осуществляют плавку или нагрев металла в защитной газовой атмосфере, не содержащей компонентов, вредных для металла.
