Газ

Газ – одно из агрегатных состояний вещества, в котором его частицы не связаны между собой молекулярными силами притяжения и движутся хаотически. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в Г. примерно в 10 раз больше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому его плотность значительно меньше их плотности. При обычных температурах Г. – хорошие диэлектрики, т.к. их атомы и молекулы электрически нейтральны. При достаточно малой плотности реальный Г. можно практически считать идеальным (например, воздух при нормальном давлении и температуре). Связь между давлением р, объемом v и температурой Т идеального Г. выражается уравнением Клапейрона: pv=RT, где R – универсальная газовая постоянная. Более точно состояние реального Г., с учетом собственного объема молекул и влияния сил межмолекулярного притяжения, выражается уравнением Ван-дер-Ваалъса. В газовом агрегатном состоянии вещества кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, в связи с чем частицы могут двигаться как свободно (в отсутствие внешних полей равномерно заполняя весь предоставленный им объем и принимая его форму), так и направленно при наличии естественных или искусственных, в т.ч. аварийных, воздействий. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе: оно образует атмосферу Земли, в значительных количествах содержится в твердых земных породах, растворено в воде океанов, морей и рек. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества состоят из Г., нейтральных или ионизованных (плазмы). Большая часть Г. в природных условиях представляет собой смеси химически индивидуальных Г. Изменение свойств и состава Г. при аварийных ситуациях является одним из поражающих факторов. В отличие от твердых тел и жидкостей, объем газов существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объемного расширения газов в обычных условиях (0-100 °С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град^-1. Данные о физических свойствах наиболее распространенных газов представлены в табл.

Физические свойства наиболее распространенных газов

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически изображают в переменных: давление р – температура Т. При температурах ниже критической ТК Г. конденсируется, т.е. переходит в другое агрегатное состояние. При этом фазовое превращение Г. в жидкость или твердое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества. Процессы конденсации Г., особенно сжижение, имеют важное техническое значение. При Т>ТК граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объема), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро. В связи с тем, что область газового состояния очень обширна, свойства Г. при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0 °С и атмосферном давлении) плотность Г. примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твердом или жидком состоянии. При комнатной температуре, но давлении, в 10¹⁷ раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый современной вакуумной техникой), плотность Г. составляет около 10^–20 г/см³. В космических условиях плотность Г. м.б. еще на 10 порядков меньше (~10^–30/см³). При высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать Г., обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звезд ~10⁹ г/см³). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства — теплопроводность, теплоемкость, вязкость, прозрачность и т.д. При температурах, начиная с нескольких тысяч градусов, всякий Г. частично ионизируется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то свойства ее мало отличаются от свойств обычного Г. В условиях теплового равновесия Т и р по всему его объему одинаковы, молекулы движутся хаотично, в Г. нет упорядоченных потоков. Возникновение перепадов (градиентов) температуры или давления приводит к нарушению равновесия и переносу Г. в направлении градиента энергии, массы или др. физических величин. Это свойство Г. является одним из определяющих при анализе чрезвычайных ситуаций с тепловыми и механическими поражающими факторами. Возникновение взрывов и пожаров при химических и агрегатных превращениях веществ с образованием газов создает ударные волны с повышенным р и тепловые воздействия с высокими значениями Т. Увеличение v при этом приводит к высоким и сверхвысоким скоростям перемещения волнового фронта (от 5÷10 до 8000 м/с). Величины р, Т, v являются определяющими для оценки повреждающих факторов при авариях и катастрофах. Одним из видов опасных воздействий Г. м.б. образование газовых струй высокой скорости при их истечении из сосудов, резервуаров, трубопроводов, работающих при высоком давлении. Опасность этих истечений связывается также с резким снижением локальных температур в зоне истечения (вследствие адиабатического расширения газов и падения давления по приведенному выше уравнению). Такое понижение температур (на 10-100 °С) может резко ухудшить локальные механические свойства (в частности хладостойкость и ударную вязкость) конструкционных сталей и вызвать последующие наиболее опасные хрупкие разрушения сосудов и трубопроводов. Наличие Г. под высоким давлением способно при аварийных взрывах создать значительные осколочные поражения людей и инженерных конструкций. К числу Г., создающих механические и тепловые повреждения, относят водород, ацетилен, бутан, пропан, этан, этилен, метан, природный газ. Вторую группу поражений создают химически опасные токсичные Г. при их аварийных выбросах. Эти выбросы возникают на химически опасных объектах при истечениях из поврежденных сосудов, резервуаров, трубопроводов, при их взрывах, а также при пожарах с образованием опасных газообразных продуктов сгорания. Токсичность отравляющих Г. оценивается по летальной концентрации при кратковременной экспозиции. Например, если для хлора, сероводорода и брома принять эту концентрацию за единицу, то для аммиака и двуокиси серы она должна быть больше примерно в 6 раз, для угарного Г. – в 8, для хлористого водорода – в 4, для окиси этилена – в 4,5 раза. В то же время цианистый водород имеет эту концентрацию примерно в 10 раз ниже, а боевой отравляющий Г. фосген – в 70. Исключительную опасность представляют специально созданные бинарные Г., которые при смешивании двух и более нейтральных компонентов становятся предельно токсичными. Бинарные Г. приобретают дополнительную опасность при их применении с террористическими целями. (см. Бинарные химические боеприпасы). Для предупреждения предотвращения чрезвычайных ситуаций со взрыво-, пожароопасными и отравляющими Г. важное значение имеет снижение вероятностей их утечек при выполнении технологических процессов на химически опасных предприятиях, непрерывный контроль химического состава воздуха в производственных помещениях и в зонах выброса газообразных отходов, обеспечение заданного уровня вентиляции и очистки.

Источник: Механика жидкости и газа. Лойцянский Л.Г. 6-е издание, переработанное и дополненное. – М., 1987.