> Энциклопедический словарь Гранат, страница 135 > Газы

Газы

Газы, так называются тела, обладающия следующими свойствами: 1) они весьма мало сопротивляются внешней причине, стремящейся изменить их форму; 2) сравнительно мало сопротивляются внешней причине, стремящейся уменьшить их объём; 3) не находясь под влиянием внешних сил (например, силы тяжести), они равномерно наполняют все пространство, ими занимаемое, производя на поверхность тел, ограничивающих это пространство, давление, которое измеряют килограммами на кв. метр поверхности; это давление называется упругостью Г.; 4) если они не действуют химически друг на друга, то они относятся друг к другу вполнеиндифферентно, т. е. они вполне смешиваются, каково бы ни было отношение масс газов, помещенных в одно и то же пространство; 5) они приблизительно следуют закону Бой-ля-Мариотта: упругость данного количества Г. при неизменной температуре меняется обратно пропорционально его объёму; 6) они приблизительно следуют закону Гей-Люссака: обем в данного количества Г. при температуре £° и объём в0 при 0° связаны равенством в=в0(1+аи), гдедля всех Г. а= 7) они приблиаительно следуют закону Авогадро: в одинаковых объёмах различных Г., находящихся при одинаковых температуре и давлении, заключается одинаковое число молекул; 8) они приблизительно удовлетворяют условию отсутствия внутренней работы при изменении объёма, или, иначе говоря, внутреннее сцепление между частицами весьма мало. В действительности Г. не удовлетворяют строго ни одному из последних 4-х свойств; замечаются отступления от этих законов, которые тем больше, чем ближе Г. находится к состоянию ожижения. Идеальным, или совершенным газом называется вещество, которое строго удовлетворяет приведенным четырем законам. В настоящее время удалось все без исключения Г. превратить в жидкое состояние; последним был ожижен гелий. Отсюда следует, что все Г. могут быть рассматриваемы как пары некоторых жидкостей, далекие от насыщения. Наоборот, пары жидкостей, далекие от насыщения, обладают всеми свойствами Г., так что разделение друг от друга понятий о Г. и о парах не может считаться обоснованным, если только не рассматривать пары в состоянии, близком к ожижению. Наиболее правильным было бы сохранить название Г. для вещества, находящагося при температуре выше критической (смотрите теплота), когда оно ни при каком давлении не может перейти в жидкое состояние. Когда говорят о плотности паров, то всегда подразумевается, что нарынаходятся далеко от насыщения, т. е. обладают свойствами Г., а потому уместно рассмотреть сразу способ определения плотности Г. и паров. Следует отличать две плотности Г.: плотность D относительно воды, меняющуюся в весьма широких пределах при сгущении и разрежении Г., и плотность S относительно воздуха, находящагося при одинаковых с Г. давлении и температуре. Вторая величина, почти постоянная для данного Г., была бы вполне постоянна, если бы рассматриваемые Г. и воздух одинаково или вовсе не отступали от законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. По закону Авогадро следует, что вес одной молекулы различных Г. пропорционален плотности 8. При измерении молекулярного веса т принимают за единицу вес одного атома водорода, так что для водорода т=2. Молекулярный вес для других Г. равен т=28,88 8. Для опытного определения плотностей 8 и D существует целый ряд способов. Способ Реньо заключается в следующем: стеклянный шар, емкость которого около 10 метров, наполняется сухим Г.; при 0° и некото-

Рисунок 1.

ром давлении Н определяется его вес Р; затем при 0° Г. выкачивается до весьма малого давления h и вновь определяется вес р шара. Отсюда легко определить сперва вес

Г., наполняющого шар при 0° и нормальном давлении 760 миллиметров., а затем, зная объём шара, также и плотность

D. Плотность s найдется, если повторить те же измерения, наполняя шар сухим воздухом. При взвешивании шара необходимо вводить поправку на потерю веса в воздухе, которая зависит от давления, температуры и влажности воздуха. Чтобы избежать необходимости вводить эту поправку, весьма важную в виду малости определяемого веса Р−р, Реньо уравновешивал шар А (рисунок 1) другим шаром В, внешний объём которого с точностью равнялся внешнему объёму шара А. Эти шары подвеши. вались под чашками весов в особых шкапах во избежание влияния на них потоков воздуха. Объем шара определялся взвешиванием шара, наполненного водою. Опыты Реньо дали для веса литра сухого воздуха при 0° и давлении 760 миллиметров. в Париже 1,293187 гр.

Позднейшия исследования Д. И. Менделеева показали, что этот вес равен 0,131844 д. гр. + 0,00010 гр., где д—ускорение силы тяжести, выраженное в метрах и зависящее от широты места и от высоты его над уровнем моря. ДляПетербурга Д. И. Менделеев дает число 1,29455 гр. ± 0,00010 гр. Способ Гей-Люссака: в чугунный котелок (рисунок 2), содержащий ртуть, погружена вертикальная, тщательно прокалиброванная трубка с и стеклянный цилиндр т, наполненный водою. Котелок установлен на небольшой печи; температура воды определяется термометрами tut. В пространство над ртутью вводится

Рисунок 2.

стеклянный запаянный пузырек а0, содержащий известное весовое количество Р жидкости. При нагревании прибора пузырек лопается, и жидкость испаряется. Опыт непосредственно дает объём, температуру и упругость данного весового количества Г., откуда уже легко определяется его плотность. Гофман усовершенствовал этот способ, заменив воду, окружающую трубку с парами какой-либо кипящей жидкости, выбираемой соответственно температуре, до которой желают нагреть испытуемые пары. Способ Дюма, подобно способу Реньо, основан на определении веса пара, объём, температура и упругость которого известны. В стеклянный шар В (рисунок 3), снабженный вытянутой трубкой, помещают некоторое количество той жидкости, плотность паров которой желают определить. Шар продолжительное время удерживают при температуре,которая значительно выше температуры кипения жидкости при обыкновенном атмосферном давлении. Для этого иногда достаточно опустить шар в сосуд с водою, которую доводят до кипения (смотрите рис., на котором t представляет так называемый весовой термометр). Струя пара выходит из отверстия трубки. Когда выделение пара прекращается, запаивают кончик трубки и определяют для этого момента барометрическое давление, равное упругости пара, температура и объём которого также известны. Способ Виктора Майера (способ вытеснения) основан на идее, которая принадлежит Дюлонгу. Длинный, внизу расширенный, сосуд А (рисунок 4) помещается в парах какой-либо кипящей лсидкости, которую выбирают соответственно температуре кипения испытуемого вещества. Дляэтого могут служить: вода (100°), ксилол (140°), анилин (185°), дифениламин (310°) и так далее Температуру кипения этой жидкости, налитой в В, знать не ну ясно. Сосуд А соединен при помощи тонкой трубки с калибрированной трубкой д, в которой находится вода; она соединена с сосудом и, который легко поднимать и опускать, так что уровень воды в д и и можно удерживать одинаковым. В верхней части сосуда А находится отверстие, закрытое пробкой, и, кроме того, иногда приспособление, при помощи которого можно заставить в данный момент упасть на дно сосуда маленький шарик, содержащий из

вестное весовое количество испытуемого вещества. Шарик упивается, например, на палочку t, которую снаружи можно вытянуть настолько, чтобы шарик упал на дно сосуда А, покрытое асбестом. Сначала кипятят жидкость в В, пока выделение воздуха из сосуда А не прекратится, т. е. пока уровень воды в д не перестанет меняться. Затем вводят известное весовое количество испытуемого вещества в сосуд А, заставляя падать шарик или открывая на мгновение пробку. Быстро испаряясь, оно

Рисунок 3.

вытесняет некоторое количество воздуха, которое переходит в д; опуская сосуд и, удерживают уровень воды в д и и на одинаковой высоте. Пусть в объём воздуха, перешедшого в трубку д; t—комнатная температура и р давление воздуха в д. Допуская, что пары, образовавшиеся в А, настолько перегреты, что к ним приложимы законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, мы заключаем, что эти пары при £° и давлении р занимали бы как раз объём в Отсюда уже легко найти их плотность 8 относительно воздуха.—Г. не следуют строго закону Мариотта. Произведение рв, упругости р на объём в при постоянной температуре, не есть величина постоянная для данного количества Г., но несколько меняется в зависимости от давления р. Если с увеличением давления р произведение уменьшается или увеличивается, то это значит, что объём в, получаемый при сжатии, соответственно слишком мал или слишком велик, т. е., что Г. сжимаются в первом случае более, во втором—менее, чем следует по закону Мариотта. Эрштедт и Свенд-зен (1826 г.) нашли отступления в сторону большей сжимаемости для Г., которые Фарадей в то время превратил в жидкое состояние (аммиак, сернистый газ и др.). Депрэ (1827 г.) доказал весьма простым опытом, что различные Г. сжимаются неодинаково и потому не все следуют закону Мариотта. Дальнейшие опыты производили Пулье, Дюлонг и Арого. Классические исследования произвел Реньо (1847—1862 гг.). Ему удалось избегнуть главного недостатка прежних опытов, который заключался в том, что, по мере увеличения давления, объём Г. непрерывно уменьшался, вследствие чего уменьшалась и относительная точность измерения этого объёма. Реньо подвергал сжатиям тем большее количество Г., чем выше было достигнутое им давление, так что начальный объём в0 Г. до дальнейшого его сжатия во всех опытах был один и тот же; самое же сжатие всегда доводилось до объёма г=0,5 в0. Давление, которое до сжатия равнялось р0, возросло бы до 2р0.

если бы газ следовал закону Мариотта. Измеряя новое давление р, Реньо мог открыть небольшия отступления от закона Мариотта. Реньо нашел, что воздух, азот и углекислый газ сжимаются больше, а водород меньше, чем следует по закону Мариотта. Зильестрем (1873 г., нашел, что при давлениях меньше 0,1 атмосферы водород сжимается более, чем следует по закону Мариотта; воздух же следует этому закону тем точнее, чем слабее давление.. Д. И. Менделеев (1874 — 1876 гг.) пришел к совершенно другому результату, а именно, что в пределах давления от 5 миллиметров. до 650 миллиметров. воздух сжимается менее, чем по закону Мариотта. При давлении 650 миллиметров. воздух сжимается сильнее, чем следует по этому закону. Ама-га (1876—1883 гг.) пришел к мало вероятному результату, что воздух при слабых давлениях от 0,3 до 12,3 миллиметров. строго следует закону Мариотта. Фукс (1888 г.) подтвердил результат Менделеева для воздуха. Для водорода он не нашел отступления от закона М. — Наттерер (1850—1854 гг.), Кальетэ (1870 г.) и Амага исследовали сжимаемость Г. при весьма больших давлениях; они нашли, что для т. наз. постоянных Г. (азот, кислород, водород и так далее) сжимаемость при весьма сильных давлениях быстро уменьшается. Окись углерода, метан (болотный газ) и этилен (маслородный газ) при давлении выше одной атмосферы также сперва сжимаются более, а при весьма сильных давлениях—меньше, чем следует по закону М. Особенно замечателен этилен, который при некоторых давлениях сжимается в 2,2 раза больше, а при других (весьма высоких) в три раза менее, чем следует по закону М. Вроблевский нашел, что при весьма низких температурах водород сжимается больше, чем следует по закону М. Влияние температуры на сжимаемость Г. исследовали Реньо, Амага, Рот, Витков-ский и др. Все эти исследования показали, что при температуре, которая значительно выше критической, все F. имеют свойство водорода, т. е. ежимаются менее, чем следует по закону М. Совокупность законов Мариот-та и Гей-Люссака приводят к зависимости между объёмом в, давлениемър и температурой t данного количества Г., которая представляет уравнение состояния для Г.; оно иногда называется уравнением Клапейрона и имеет следующий виид: pv — RT, где T=t + +273, абсолютная температура. Постоянная R пропорциональна взятому весовому количеству Г. и обратно пропорциональна его плотности 8. Если измерять в куб. метрах, р в килограммах на кв. метр поверхности, то получается для одного килограмма газа R=29,27 : 8. Если объём в измерять в куб. метрах, давление р в атмосферах и для каждого Г. брать грамм-молекулу, т. е. столько граммов, сколько единиц заключается в его молекулярном весе (2 гр. водорода, 32 гр. кислорода, 18 гр. водяных паров и так далее), то для R получается одно и то же число для всех Г., а именно R=0,0815. Реально существующие Г. не следуют строго законам Мариотта и Гей-Люссака, а потому их уравнение состояния отличается от уравненияКлапейрона. Ван-дер-Вальс (1873) дал уравнение состояния для Г., имеющее следующийвид

— b)=RT. В этомуравнении величина b равна четырехкратному объёму, занимаемому молекулами Г.; величина а зависит от сцепления, существующого между молекулами Г. Клаузиус, Реньо и др. также предлагали различные формулы для уравнения состояния Г.—Теплоемкость Г. G при постоянном давлении и теплоемкость с при постоянном объёме связаны уравнением G — с=— AR, где R постоянная формулы Клапейрона, А термический эквивалент работы, т. е. величина, обратная механическому эквиваленту тепла; для большой калории и килограмм-метра

Величина k=G: с равна 1,4

для кислорода, азота, водорода и воздуха. Эта величина входит в формулу для скорости звука (с.«.). Для углекислоты к=1,31; для одноатомных

Г. к должно быть близко к 1,66, что и подтверждается для паров ртути; то же самое число найдено, например, для аргона и гелия. Давление, производимое смесью Г., определяется законом Дальтона: давление смеси нескольких Г. равно сумме давлений ея составных частей, т. е. тех давлений, которые каждый из Г. обнаружил бы, если бы он один занимал объём, занимаемый смесью. Давления отдельных частей смеси называются парциальными давлениями.—Г. растворяются в лшдкостях. Генри (1803) дал след. закон: количество Г., растворимого при данной температуре в единице объёма жидкости, пропорционально давлению Г., остающагося над жидкостью нерастворенным. Вопросом о растворимости Г. занимались Бунзен и его ученики, далее Сеченов, Кумпф, Штейнер и др. Растворимость Г. уменьшается с повышением температуры. Наименьшей растворимостью в воде обладает гелий. Растворимость хлора в воде имеет максимум при 8°. Сеченов нашел, что растворимость Г. в воде, содержащей растворенные соли, меньше, чем в воде чистой. При сильных давлениях замечаются большия отступления от закона Генри для Г., хорошо растворимых. Объем жидкости при растворении в нем Г. увеличивается. Плотность раствора Г. в жидкости иногда больше, иногда меньше плотности самой жидкости. При растворении Г. в жидкостях иногда выделяется больше тепла, чем при их ожижении. Воздух, растворенный в воде, содерлшть 34% кислорода и 66% азота. Растворенные Г. выделяются из жидкости при уменьшении давления нерастворенного Г., при повышении температуры, при затверде-вании раствора, а таклсе если в насыщенный раствор Г. ввести твердия тела с приставшими к ним слоями воздуха или иного Г. Это легко наблюдается, если в сельтерскую воду, переставшую выделять пузырьки, всыпать сахарный порошок, мелкие кусочки хлеба и тому подобное. Когда твердое тело соприкасается с газообразным, то могут обнаружиться два явления: сгущение Г. на поверхности твердого тела

(адсорбция), которое особенно велико для тел пористых {абсорбция), и непосредственное поглощение Г. сплошною массою твердого тела {окклюзия). Соссюр (1814) исследовал абсорбцию различных Г. прокаленным углем букового дерева, морского пенкою и гипсом. Уголь поглощает до 90 объёмов аммиака, 35 объёмов углекислого Г. и так далее С возрастающей температурой быстро уменьшается сгущающая способность пористых тел. Губчатая прокаленная платина заключает в себе до 250 объёмов кислорода, вследствие чего струя водорода, направленная в воздухе на губчатую платину, воспламеняется, на чем основано водородное огниво Деберейнера. Опыты Квинке, Жаыена, Мозера и др. показали, что всякое твердое тело в соприкосновении с Г. покрывается очень тонким, но, вероятно, весьма уплотненным слоем этого Г. На этом основаны т. наз. изображения Мозера. Особенный интерес представляет поглощение водорода металлом палладием. Палладиевая проволока поглощает объём водорода, который при атмосферном давлении до 1.000 раз превышает объём самой проволоки. Н. Ге-зехус (в Петербурге) весьма тщательно исследовал поглощение водорода палладием и его сплавами с платиной, золотом и серебром. Между прочим, он измерял удлинение проволоки, сопровождающее поглощение водорода. Метеорное железо содержит до трех объёмов Г., гл. обр. водорода.—Кинетическая теория Г., основанная Кренигом (1856 г.) и Клаузиусом (1857 г.), предполагает, что газовия молекулы, действующия друг на друга только при столкновениях, движутся, каждая, как вполне свободное тело, прямолинейно с некоторою скоростью. Направление движения резко меняется, когда молекула встречает стенку сосуда или молекулу того ate или другого Г. Предполагается, что в обоих случаях перемена направления движения происходит согласно с законами удара упругих тел. Кроме прямолинейного движения, молекула может еще иметь вращательное движение. Кроме того, возможны еще и интрамолекулярные движения, т. е. движения атомов, составляющих молекулу, около некоторых средних положений. Такое представление о строении Г. объясняет их стремление равномерно занять предоставленный им объём, а также то давление, которое они производят на тела, с которыми соприкасаются Это давление объясняется теми толчками, которые тела претерпевают от налетающих на них и отскакивающих молекул. Клаузиус показал, каким образом кинетическая теория Г. дает возможность вывести закон Мариотта. Основная формула имеет следующий вид: рв=УзКти2, где в объём газа, р его упругость, N число молекул, содержащихся в объёме в; т масса одной молекулы и и их скорость. Если живую силу поступательного движения газовых молекул обозначить через J, то можно написать рв=BT—2/3J. Из этой формулы вытекает ряд следствий: энергия поступательнагодвижения молекул Г. пропорциональна его абсолютной температуре. Скорость молекул данного Г. пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры; скорости молекул различных Г. при одинаковой температуре обратно пропорциональны корням квадратным из плотностей Г. При 0° скорость молекул равна для кислорода—461 м., для водорода—1843 м. в секунду. Для данного Г. энергия поступательного движения частиц составляет при всех температурах одну и ту же часть полного запаса энергии. Эта часть равна 3/2 {к—1), где к= С: с (смотрите выше). Максуэлль дал формулу, определяющую истинное распределение скоростей между молекулами Г., которые движутся, вообще говоря, с неодинаковыми скоростями. Из формулы Максуэлля вытекает, что средняя арифметическая-всех скоростей молекул Г. составляет [/8: Зтс =0,9212 от среднейквадратичной скорости, т. е. от корня квадратного из среднего квадрата скорости. Средняя длина пути молекул Г., т. е. средний путь, пробегаемый ими между двумя столкновениями с другими молекулами того же Г., во столько раз больше одной четвертирадиуса молекулы, во сколько раз объём, занимаемый Г., больше объёма, действительно заполненного молекулами. Отсюда следует, что средняя длина пути обратно пропорциональна упругости Г. Средняя длина L пути молекулы и сумма Q площадей поперечных сечений всех молекул, содержащихся в единице объёма Г., связаны удивительною формулою QL=

= 1: 4 |/2Г~Внутреннее трение Г. не зависит от его плотности D, т. е. оно одинаково как в сгущенном, так и в разреженном Г. Существует простая зависимость между внутренним трением (вязкостью) Г. и средней длиною пути молекул. Вязкость Г. пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры. Средняя длина пути для молекулы кислорода при давлении в 760 миллиметров. и температуре около 20° равна L=0,000106 миллиметров. В настоящее время существует целый ряд методов приблизительного определения размеров и числа молекул Г. Верхний предел для диаметра молекулы кислорода приблизительно одна миллионная миллиметров. При 0° и 760 миллиметров. находится в одном куб. стм. около двадцати трильонов молекулъ(20. ИО18). При адиабатическом изменении состояния Г., т. е. когда его объём меняется без теплового обмена с окружающими телами (весьма быстрое разрежение или сжатие), объём в, упругость р и абсолютная температура Г связаны равенствами рвк “Const, и Твк—1=Const., где fc= С: с. Скорость истечения Г. из малого отверстия обратно пропорциональна корню квадратному из плотности 8 Г., когда истечение происходит без изменения температуры. Бунзен построил основанный на этом прибор для сравнения плотностей Г. В Г. замечается явление диффузии (сзк). Формула т=28,88 8, связывающая молекулярный вес т и плотность 8 Г. относительно воздуха, оказывается несправедливою для некоторых Г. и паров. Отступления объясняются распадением молекул на две или большее число частей; такое распадение молекул называется диссоциацией. Отношение числа разложенных молекул к числу всех молекул называется степенью диссоциации. Ее можно определить, если известна теоретическая плотность 8. истинная плотность и число составных частей, на которые распадается молекула. Степень диссоциации зависит при данной температуре от давления, под которым находится Г.

О. Хвольсон.