Физическое состояние идеального газа определяется тремя параметрами – температурой (Т), давлением (р) и объемом (V), которые связаны между собой уравнением, которое называют уравнением состояния идеального газа. В основе этого уравнения лежат три газовых закона, каждый из которых устанавливает зависимости между двумя параметрами:
– закон Бойля-Мариотта, устанавливающий зависимость между объемом и давлением газа – объем данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению, под которым находится газ.
Из этого закона вытекает, что произведение объема газа на его давление при данной температуре есть величина постоянная.
– закон Гей-Люссака, устанавливающий зависимость объема газа от температуры – для данной массы идеального газа объем при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре:
Пользуясь этим уравнением можно рассчитать молекулярную массу газа, а также молекулярную массу веществ переходящих при нагревании (без разложения) в газообразное вещество.
При обычных условиях газы смешиваются в любых соотношениях. При этом каждый газ, входящий в состав смеси характеризуется своим парциальным давлением –давление, которое производило бы имеющееся количество данного газа, если бы он один занимал при той же температуре весь представленный объем. Полное давление газов в смеси согласно закону Дальтона представляет собой сумму парциальных давлений газов, входящих в смесь.
Еще одним важным соотношением характеризующим состояние газов является закон Авогадро – в равных объемах любых газов, взятых при постоянной температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Из этого закона следует, что при определенных условиях (Т и р) 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. Этот объем при нормальных условиях, т.е. Т=273 К и р=101,325 кПа, составляет 22,4 л.
Рассмотренные законы применимы для идеальных газов, для которых не учитываются ммв между молекулами и объем молекул. Но экспериментальные исследования показали, что при значительном понижении температуры и повышении давления эти факторы необходимо учитывать. Свойства реальных газов в условиях отличных от идеальных не всегда подчиняются законам идеальных газов.
При достаточно высоком давлении и низкой температуре расстояния между молекулами уменьшаются, а силы взаимодействия увеличиваются настолько, что вещество из газообразного состояния переходит в жидкое. Для каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может быть переведен жидкое состояние, ни при каком давлении – критическая температура. Давление, которое необходимо для сжижения газа при этой температуре называется критическим давлением. Объем 1 моля газа при данных условиях называется критическим объемом.
Сжиженные газы нашли широкое применение в промышленности. Их используют для получения низких температур в лабораториях. Кроме того, в таком виде газы удобнее транспортировать. Сжиженный СО2 применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, приготовления шипучих вин. Также его используют при тушении пожаров. Широкое распространение в последнее время приобретает жидкий азот – его используют при замораживании пищевых продуктов.