แก๊ส

แก๊สเป็นหนึ่งในสี่รัฐพื้นฐานของเรื่อง (คนอื่นถูกของแข็ง , ของเหลวและพลาสม่า ) ก๊าซบริสุทธิ์อาจประกอบด้วยอะตอมแต่ละตัว (เช่นก๊าซมีตระกูลเช่นนีออน ) โมเลกุลของธาตุที่ทำจากอะตอมประเภทหนึ่ง (เช่นออกซิเจน ) หรือโมเลกุลของสารประกอบที่ทำจากอะตอมหลายชนิด (เช่นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ) ส่วนผสมของก๊าซเช่นอากาศประกอบด้วยก๊าซบริสุทธิ์หลายชนิด สิ่งที่ทำให้ก๊าซแตกต่างจากของเหลวและของแข็งคือการแยกอนุภาคของก๊าซแต่ละอนุภาคออกจากกันอย่างมากมาย การแยกนี้มักทำให้ผู้สังเกตการณ์ที่เป็นมนุษย์มองไม่เห็นก๊าซไม่มีสี ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคก๊าซต่อหน้าสนามไฟฟ้าและสนามแรงโน้มถ่วงถือเป็น[ โดยใคร? ]เล็กน้อยตามที่ระบุโดยเวกเตอร์ความเร็วคงที่ในภาพ

อนุภาคควันที่ลอยอยู่ ให้เบาะแสการเคลื่อนที่ของก๊าซโดยรอบ

สถานะของสสารเกิดขึ้นระหว่างสถานะของเหลวและสถานะพลาสมา[1]สถานะหลังซึ่งเป็นขอบเขตอุณหภูมิด้านบนสำหรับก๊าซ การผูกปลายด้านล่างของระดับอุณหภูมิเป็นก๊าซควอนตัมที่เสื่อมสภาพ[2]ซึ่งกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้น [3]ความหนาแน่นสูงก๊าซอะตอมซุปเปอร์ระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิที่ต่ำมากจำแนกตามพฤติกรรมทางสถิติของพวกเขาเป็นทั้งก๊าซ Boseหรือก๊าซแฟร์ สำหรับรายการที่ครอบคลุมของรัฐที่แปลกใหม่เหล่านี้เห็นว่ารายการของรัฐของเรื่อง

องค์ประกอบทางเคมีเดียวที่เป็นโมเลกุล โฮ โมนิวคลีโอไดอะตอมที่เสถียรที่STPคือไฮโดรเจน (H 2 ) ไนโตรเจน (N 2 ) ออกซิเจน (O 2 ) และฮาโลเจน 2 ชนิดได้แก่ฟลูออรีน (F 2 ) และคลอรีน (Cl 2 ) เมื่อรวมกลุ่มกับก๊าซ มีตระกูลเชิงเดี่ยว - ฮีเลียม (He), นีออน (Ne), อาร์กอน (Ar), คริปทอน (Kr), ซีนอน (Xe) และเรดอน (Rn) - ก๊าซเหล่านี้เรียกว่า "ก๊าซธาตุ"

คำก๊าซถูกใช้ครั้งแรกโดยศตวรรษที่ 17 ต้นเฟลมิช เคมี ม.ค. แบ๊บติสแวน Helmont [4]เขาระบุก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซชนิดแรกที่รู้จักนอกเหนือจากอากาศ [5]คำของ Van Helmont ดูเหมือนจะเป็นเพียงการถอดเสียงของคำภาษากรีกโบราณ χάος Chaos - gในภาษาดัตช์ออกเสียงเหมือนchใน "loch" (เสียงเสียดสี velar, / x / ) - ในกรณีนี้ Van Helmont คือ เพียงแค่ต่อไปนี้จัดตั้งขึ้นเล่นแร่แปรธาตุการใช้งานที่มีส่วนร่วมในการทำงานครั้งแรกของพาราเซลซัส ตามคำศัพท์ของ Paracelsus ความโกลาหลมีความหมายคล้ายกับ "น้ำที่หายากเป็นพิเศษ" [6]

อีกเรื่องหนึ่ง[7]คือคำพูดของ Van Helmont เสียหายจากgahst (หรือgeist ) ซึ่งหมายถึงผีหรือวิญญาณ นี่เป็นเพราะก๊าซบางชนิดแนะนำแหล่งกำเนิดที่เหนือธรรมชาติเช่นจากความสามารถในการทำให้ตายดับเปลวไฟและเกิดขึ้นใน "เหมืองก้นบ่อโบสถ์และสถานที่โดดเดี่ยวอื่น ๆ " ในทางตรงกันข้ามJacques Barzunนักประวัติศาสตร์ชาวฝรั่งเศส - อเมริกัน[8]คาดเดาว่า Van Helmont ยืมคำมาจากภาษาเยอรมันGäschtซึ่งหมายถึงฟองที่เกิดจากการหมัก

เพราะก๊าซส่วนใหญ่จะเป็นเรื่องยากที่จะสังเกตโดยตรงพวกเขาจะอธิบายผ่านการใช้สี่คุณสมบัติทางกายภาพหรือเปล่าลักษณะ: ความดัน , ปริมาณ , จำนวนของอนุภาค (กลุ่มนักเคมีพวกเขาโดยตุ่น ) และอุณหภูมิ ลักษณะทั้งสี่นี้ถูกสังเกตซ้ำ ๆ โดยนักวิทยาศาสตร์เช่นRobert Boyle , Jacques Charles , John Dalton , Joseph Gay-LussacและAmedeo Avogadroสำหรับก๊าซที่หลากหลายในสภาพแวดล้อมต่างๆ ในที่สุดการศึกษาโดยละเอียดของพวกเขานำไปสู่ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างคุณสมบัติเหล่านี้ที่แสดงโดยกฎของก๊าซอุดมคติ (ดูส่วนแบบจำลองที่เรียบง่ายด้านล่าง)

อนุภาคของก๊าซถูกแยกออกจากกันอย่างกว้างขวางดังนั้นจึงมีพันธะระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอกว่าของเหลวหรือของแข็ง แรงระหว่างโมเลกุลเหล่านี้เป็นผลมาจากปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างอนุภาคของก๊าซ บริเวณที่มีประจุไฟฟ้าเหมือนกันของอนุภาคก๊าซที่แตกต่างกันขับไล่ในขณะที่บริเวณที่มีประจุตรงข้ามกันของอนุภาคก๊าซที่แตกต่างกันจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ก๊าซที่มีการเรียกเก็บถาวรไอออนจะเรียกว่าพลาสม่า สารประกอบก๊าซที่มีพันธะโควาเลนต์มีขั้วมีความไม่สมดุลของประจุถาวรดังนั้นจึงพบกับแรงระหว่างโมเลกุลที่ค่อนข้างรุนแรงแม้ว่าโมเลกุลในขณะที่ประจุสุทธิของสารประกอบยังคงเป็นกลาง ชั่วคราวค่าใช้จ่ายที่เหนี่ยวนำให้เกิดการสุ่มอยู่ฝั่งตรงข้ามไม่มีขั้วพันธะโควาเลนของโมเลกุลและการมีปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการที่พวกเขาจะเรียกว่าแวนเดอร์ Waals กองกำลัง ปฏิสัมพันธ์ของแรงระหว่างโมเลกุลเหล่านี้แตกต่างกันไปภายในสารซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพหลายประการที่ไม่ซ้ำกันสำหรับก๊าซแต่ละชนิด [9] [10]การเปรียบเทียบจุดเดือดของสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกและโควาเลนต์ทำให้เราได้ข้อสรุปนี้ [11]อนุภาคควันที่ลอยอยู่ในภาพให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมของก๊าซแรงดันต่ำ

เมื่อเทียบกับรัฐอื่น ๆ ของเรื่องก๊าซมีต่ำมีความหนาแน่นและความหนืด ความดันและอุณหภูมิมีผลต่ออนุภาคภายในปริมาตรหนึ่ง ๆ การเปลี่ยนแปลงในการแยกอนุภาคและความเร็วในการนี้จะเรียกว่าอัด แยกอนุภาคนี้และขนาดที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางแสงของก๊าซที่สามารถพบได้ในต่อไปนี้รายการของดัชนีการหักเหของแสง ในที่สุดอนุภาคของก๊าซจะกระจายออกจากกันหรือกระจายเพื่อกระจายตัวเป็นเนื้อเดียวกันไปทั่วทุกภาชนะ

ภาพรถรับส่งของระยะการเข้าใหม่

เมื่อสังเกตก๊าซมันเป็นเรื่องปกติในการระบุกรอบของการอ้างอิงหรือสเกลความยาว มาตราส่วนความยาวที่ใหญ่ขึ้นสอดคล้องกับมุมมองของก๊าซในระดับมหภาคหรือทั่วโลก พื้นที่นี้ (เรียกว่าปริมาตร) ต้องมีขนาดเพียงพอที่จะมีการสุ่มตัวอย่างอนุภาคก๊าซจำนวนมาก ผลการวิเคราะห์ทางสถิติของขนาดตัวอย่างนี้ก่อให้เกิดพฤติกรรม "ค่าเฉลี่ย" (เช่นความเร็วอุณหภูมิหรือความดัน) ของอนุภาคก๊าซทั้งหมดภายในภูมิภาค ในทางตรงกันข้ามสเกลความยาวที่เล็กลงจะสอดคล้องกับมุมมองของกล้องจุลทรรศน์หรืออนุภาค

ในเชิงมหภาคลักษณะของก๊าซที่วัดได้อาจอยู่ในรูปของอนุภาคของก๊าซเอง (ความเร็วความดันหรืออุณหภูมิ) หรือสภาพแวดล้อม (ปริมาตร) ตัวอย่างเช่นโรเบิร์ตบอยล์ศึกษาเคมีนิวเมติกสำหรับอาชีพของเขาเพียงเล็กน้อย หนึ่งในการทดลองของเขาเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติระดับมหภาคของความดันและปริมาตรของก๊าซ การทดลองของเขาใช้มาโนมิเตอร์ J-tube ซึ่งมีลักษณะเหมือนหลอดทดลองในรูปตัวอักษร J Boyle ดักจับก๊าซเฉื่อยที่ปลายหลอดทดลองที่ปิดด้วยคอลัมน์ของปรอทจึงทำให้จำนวนอนุภาคและอุณหภูมิ คงที่ เขาสังเกตว่าเมื่อความดันเพิ่มขึ้นในก๊าซโดยการเพิ่มปรอทเข้าไปในคอลัมน์มากขึ้นปริมาตรของก๊าซที่ติดอยู่จะลดลง (ซึ่งเรียกว่าความสัมพันธ์แบบผกผัน ) นอกจากนี้เมื่อ Boyle คูณความดันและปริมาตรของการสังเกตแต่ละครั้งผลิตภัณฑ์จะคงที่ ความสัมพันธ์นี้จัดขึ้นสำหรับก๊าซทุกชนิดที่บอยล์ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่กฎหมาย (PV = k) ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่งานของเขาในสาขานี้

มีเครื่องมือทางคณิตศาสตร์มากมายสำหรับวิเคราะห์คุณสมบัติของก๊าซ เนื่องจากก๊าซอยู่ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเครื่องมือเหล่านี้จึงมีความซับซ้อนมากขึ้นตั้งแต่สมการของออยเลอร์สำหรับการไหลแบบล่องหนไปจนถึงสมการเนเวียร์ - สโตกส์[12]ที่อธิบายถึงผลกระทบที่มีความหนืดอย่างเต็มที่ สมการเหล่านี้ถูกปรับให้เข้ากับเงื่อนไขของระบบก๊าซที่เป็นปัญหา อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการของ Boyle อนุญาตให้ใช้พีชคณิตเพื่อให้ได้ผลการวิเคราะห์ของเขา ผลลัพธ์ของเขาเป็นไปได้เพราะเขากำลังศึกษาเกี่ยวกับก๊าซในสถานการณ์ที่มีความกดดันค่อนข้างต่ำซึ่งพวกมันมีพฤติกรรมในลักษณะ "อุดมคติ" ความสัมพันธ์ในอุดมคติเหล่านี้ใช้กับการคำนวณความปลอดภัยสำหรับสภาพการบินที่หลากหลายบนวัสดุที่ใช้งาน อุปกรณ์เทคโนโลยีชั้นสูงที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้รับการออกแบบมาเพื่อช่วยให้เราสามารถสำรวจสภาพแวดล้อมการทำงานที่แปลกใหม่ได้อย่างปลอดภัยโดยที่ก๊าซไม่ทำงานในลักษณะที่ "เหมาะ" อีกต่อไป คณิตศาสตร์ขั้นสูงนี้รวมถึงสถิติและแคลคูลัสหลายตัวแปรช่วยให้สามารถแก้ปัญหาสถานการณ์พลวัตที่ซับซ้อนเช่นการย้อนกลับของยานอวกาศได้ ตัวอย่างคือการวิเคราะห์ภาพการย้อนกลับของกระสวยอวกาศเพื่อให้แน่ใจว่าคุณสมบัติของวัสดุภายใต้สภาวะการบรรทุกนี้เหมาะสม ในระบบการบินนี้ก๊าซจะไม่ทำงานตามอุดมคติอีกต่อไป

ความดัน

สัญลักษณ์ที่ใช้ในการเป็นตัวแทนของความดันในสมเป็น"p"หรือ"P"กับหน่วย SI ของpascals

เมื่ออธิบายถึงภาชนะบรรจุก๊าซคำว่าความดัน (หรือความดันสัมบูรณ์) หมายถึงแรงเฉลี่ยต่อหน่วยพื้นที่ที่ก๊าซออกแรงบนพื้นผิวของภาชนะ ภายในปริมาตรนี้บางครั้งการมองเห็นอนุภาคของก๊าซที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจะง่ายกว่าจนกระทั่งชนกับภาชนะ (ดูแผนภาพที่ด้านบนสุดของบทความ) แรงที่ส่งโดยอนุภาคก๊าซเข้าไปในภาชนะระหว่างการชนกันนี้คือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของอนุภาค [13]ในระหว่างการชนกันเท่านั้นองค์ประกอบปกติของการเปลี่ยนแปลงความเร็ว อนุภาคที่เคลื่อนที่ขนานกับผนังจะไม่เปลี่ยนโมเมนตัม ดังนั้นแรงเฉลี่ยบนพื้นผิวจะต้องเป็นการเปลี่ยนแปลงโดยเฉลี่ยของโมเมนตัมเชิงเส้นจากการชนกันของอนุภาคก๊าซทั้งหมดนี้

ความดันคือผลรวมของส่วนประกอบปกติทั้งหมดของแรงที่กระทำโดยอนุภาคกระทบผนังของภาชนะหารด้วยพื้นที่ผิวของผนัง

อุณหภูมิ

"> File:Nitrogen.ogvเล่นสื่อ
บอลลูนอากาศหดตัวหลังจากจมอยู่ในไนโตรเจนเหลว

สัญลักษณ์ที่ใช้ในการเป็นตัวแทนของอุณหภูมิในสมเป็นTกับหน่วย SI ของเคลวิน

ความเร็วของอนุภาคก๊าซเป็นสัดส่วนของอุณหภูมิสัมบูรณ์ ปริมาตรของบอลลูนในวิดีโอจะหดตัวลงเมื่ออนุภาคของก๊าซที่ติดอยู่ช้าลงด้วยการเติมไนโตรเจนที่เย็นมาก อุณหภูมิของระบบทางกายภาพใด ๆเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาค (โมเลกุลและอะตอม) ซึ่งประกอบกันเป็นระบบ [แก๊ส] [14]ในกลศาสตร์สถิติอุณหภูมิคือการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยที่เก็บไว้ในอนุภาค วิธีการจัดเก็บพลังงานนี้กำหนดโดยองศาอิสระของอนุภาคเอง ( โหมดพลังงาน ) พลังงานจลน์ที่เพิ่มเข้าไป ( กระบวนการดูดความร้อน ) ให้กับอนุภาคของก๊าซโดยการชนทำให้เกิดการเคลื่อนที่เชิงเส้นการหมุนและการสั่นสะเทือน ในทางตรงกันข้ามโมเลกุลในของแข็งสามารถเพิ่มโหมดการสั่นสะเทือนได้ด้วยการเพิ่มความร้อนเนื่องจากโครงสร้างผลึกขัดแตะป้องกันการเคลื่อนที่ทั้งแบบเชิงเส้นและแบบหมุน โมเลกุลของก๊าซที่ให้ความร้อนเหล่านี้มีช่วงความเร็วที่มากขึ้นซึ่งแปรผันตลอดเวลาเนื่องจากการชนกับอนุภาคอื่น ๆ อย่างต่อเนื่อง ช่วงความเร็วที่สามารถอธิบายได้โดยการกระจาย Maxwell-Boltzmann การใช้การกระจายนี้แสดงถึงก๊าซในอุดมคติที่อยู่ใกล้สมดุลทางอุณหพลศาสตร์สำหรับระบบของอนุภาคที่กำลังพิจารณา

ปริมาณเฉพาะ

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาตรเฉพาะในสมการคือ"v"โดยมีหน่วย SI ลูกบาศก์เมตรต่อกิโลกรัม

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาตรในสมการคือ"V"โดยมีหน่วย SI ลูกบาศก์เมตร

เมื่อดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์การวิเคราะห์มันเป็นเรื่องปกติที่จะพูดถึงคุณสมบัติที่เข้มข้นและกว้างขวาง คุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับปริมาณของก๊าซ (โดยมวลหรือปริมาตร) เรียกว่าคุณสมบัติที่กว้างขวางในขณะที่คุณสมบัติที่ไม่ขึ้นอยู่กับปริมาณของก๊าซเรียกว่าคุณสมบัติเข้มข้น ปริมาตรเฉพาะเป็นตัวอย่างของคุณสมบัติที่เข้มข้นเนื่องจากเป็นอัตราส่วนของปริมาตรที่ครอบครองโดยหน่วยมวลของก๊าซที่เหมือนกันทั่วทั้งระบบที่สภาวะสมดุล [15]ก๊าซ 1,000 อะตอมครอบครองพื้นที่เดียวกับอะตอมอื่น ๆ อีก 1,000 อะตอมสำหรับอุณหภูมิและความดันใด ๆ แนวคิดนี้ง่ายกว่าในการมองเห็นของแข็งเช่นเหล็กซึ่งไม่สามารถบีบอัดได้เมื่อเทียบกับก๊าซ อย่างไรก็ตามปริมาตรเอง --- ไม่เฉพาะเจาะจง --- เป็นคุณสมบัติที่กว้างขวาง

ความหนาแน่น

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความหนาแน่นในสมการคือρ (rho) โดยมีหน่วย SI กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร คำนี้คือส่วนต่างของปริมาตรที่เฉพาะเจาะจง

เนื่องจากโมเลกุลของแก๊สสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในภาชนะโดยปกติแล้วมวลของมันจึงมีลักษณะความหนาแน่น ความหนาแน่นคือปริมาณมวลต่อหน่วยปริมาตรของสารหรือผกผันของปริมาตรเฉพาะ สำหรับก๊าซความหนาแน่นอาจแตกต่างกันไปในช่วงกว้างเนื่องจากอนุภาคมีอิสระที่จะเคลื่อนที่เข้าใกล้กันมากขึ้นเมื่อถูก จำกัด ด้วยความดันหรือปริมาตร รูปแบบของความหนาแน่นนี้จะเรียกว่าอัด เช่นเดียวกับความดันและอุณหภูมิความหนาแน่นเป็นตัวแปรสถานะของก๊าซและการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นระหว่างกระบวนการใด ๆ จะอยู่ภายใต้กฎของอุณหพลศาสตร์ สำหรับก๊าซคงที่ความหนาแน่นจะเท่ากันตลอดทั้งภาชนะ ความหนาแน่นจึงเป็นปริมาณสเกลาร์ สามารถแสดงให้เห็นโดยทฤษฎีจลน์ว่าความหนาแน่นแปรผกผันกับขนาดของภาชนะที่มีมวลคงที่ของก๊าซ จำกัด ในกรณีของมวลคงที่ความหนาแน่นจะลดลงเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น

หากสามารถสังเกตก๊าซภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพเราจะเห็นกลุ่มของอนุภาค (โมเลกุลอะตอมไอออนอิเล็กตรอน ฯลฯ ) โดยไม่มีรูปร่างหรือปริมาตรที่แน่นอนซึ่งอยู่ในการเคลื่อนที่แบบสุ่มมากขึ้นหรือน้อยลง อนุภาคของก๊าซที่เป็นกลางเหล่านี้จะเปลี่ยนทิศทางเมื่อชนกับอนุภาคอื่นหรือด้านข้างของภาชนะเท่านั้น ในก๊าซอุดมคติการชนเหล่านี้ยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์แบบ อนุภาคหรือนี้กล้องจุลทรรศน์มุมมองของก๊าซจะถูกอธิบายโดยทฤษฎีจลน์โมเลกุล สมมติฐานที่อยู่เบื้องหลังทฤษฎีนี้สามารถพบได้ในส่วนสมมุติฐานของทฤษฎีจลน์

ทฤษฎีจลน์

อนุภาคแก๊สเฟส ( อะตอม , โมเลกุลหรือ ไอออน ) ย้ายไปรอบ ๆ ได้อย่างอิสระในกรณีที่ไม่มีของที่ใช้ สนามไฟฟ้า

ทฤษฎีจลน์ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติระดับมหภาคของก๊าซโดยพิจารณาจากองค์ประกอบของโมเลกุลและการเคลื่อนที่ เริ่มต้นด้วยคำจำกัดความของโมเมนตัมและพลังงานจลน์ , [16]หนึ่งสามารถใช้การอนุรักษ์โมเมนตัมและความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตของลูกบาศก์ที่จะเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของระบบมหภาคของอุณหภูมิและความดันกับกล้องจุลทรรศน์ทรัพย์สินของพลังงานจลน์ต่อโมเลกุล ทฤษฎีให้ค่าเฉลี่ยสำหรับคุณสมบัติทั้งสองนี้

ทฤษฎียังอธิบายว่าระบบแก๊สตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างไร ตัวอย่างเช่นเมื่อก๊าซถูกทำให้ร้อนจากศูนย์สัมบูรณ์เมื่อ (ตามทฤษฎี) นิ่งสนิทพลังงานภายใน (อุณหภูมิ) จะเพิ่มขึ้น เมื่อก๊าซถูกทำให้ร้อนอนุภาคจะเร่งความเร็วและอุณหภูมิจะสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดการชนกันของภาชนะต่อหน่วยเวลามากขึ้นเนื่องจากความเร็วของอนุภาคที่สูงขึ้นซึ่งสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่สูงขึ้น ความดันจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของจำนวนการชนต่อหน่วยเวลา

การเคลื่อนไหวของ Brownian

การเคลื่อนไหวแบบสุ่มของอนุภาคก๊าซส่งผลให้เกิด การแพร่กระจาย

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของไหล ภาพเคลื่อนไหวของอนุภาคก๊าซที่ใช้อนุภาคสีชมพูและสีเขียวแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมนี้ส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของก๊าซ ( เอนโทรปี ) อย่างไร เหตุการณ์เหล่านี้อธิบายโดยทฤษฎีอนุภาคด้วย

เนื่องจากเทคโนโลยีปัจจุบันอยู่ในขีด จำกัด (หรือสูงกว่า) ในการสังเกตอนุภาคของก๊าซแต่ละอนุภาค (อะตอมหรือโมเลกุล) การคำนวณทางทฤษฎีเท่านั้นที่ให้คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีที่พวกมันเคลื่อนที่ แต่การเคลื่อนที่ของพวกมันแตกต่างจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเนื่องจากการเคลื่อนที่ของบราวเนียนเกี่ยวข้องกับการลากที่ราบรื่นเนื่องจาก กับแรงเสียดทานของโมเลกุลของก๊าซจำนวนมากซึ่งคั่นด้วยการชนกันอย่างรุนแรงของแต่ละโมเลกุลของก๊าซ (หรือหลายตัว) กับอนุภาคนั้น อนุภาค (โดยทั่วไปประกอบด้วยอะตอมหลายล้านหรือหลายพันล้านอะตอม) จึงเคลื่อนที่ในแนวขรุขระ แต่ไม่ขรุขระอย่างที่คาดไว้หากตรวจสอบโมเลกุลของก๊าซแต่ละตัว

แรงระหว่างโมเลกุล

เมื่อก๊าซถูกบีบอัดแรงระหว่างโมเลกุลเช่นเดียวกับที่แสดงไว้ที่นี่จะเริ่มมีบทบาทในการทำงานมากขึ้น

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สถานที่สำคัญในชั่วขณะ (หรือ repulsions) ระหว่างอนุภาคมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงก๊าซ ในทางเคมีกายภาพชื่อที่กำหนดให้กับกองกำลังระหว่างโมเลกุลเหล่านี้คือแรงแวนเดอร์วาลส์ แรงเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซเช่นความหนืดและอัตราการไหล (ดูหัวข้อลักษณะทางกายภาพ) ละเว้นกองกำลังเหล่านี้ในเงื่อนไขบางประการที่จะช่วยให้ก๊าซที่แท้จริงที่จะได้รับการปฏิบัติเช่นแก๊สอุดมคติ สมมติฐานนี้ช่วยให้สามารถใช้กฎของก๊าซในอุดมคติซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการคำนวณได้อย่างมาก

การใช้ความสัมพันธ์ของก๊าซเหล่านี้อย่างเหมาะสมต้องอาศัยทฤษฎีจลน์ - โมเลกุล (KMT) เมื่ออนุภาคของก๊าซสัมผัสกับแรงระหว่างโมเลกุลพวกมันจะค่อยๆมีอิทธิพลต่อกันและกันเมื่อระยะห่างระหว่างพวกมันลดลง (แบบจำลองพันธะไฮโดรเจนแสดงตัวอย่างหนึ่ง) ในกรณีที่ไม่มีประจุใด ๆ ณ จุดหนึ่งเมื่อระยะห่างระหว่างอนุภาคของก๊าซลดลงอย่างมากพวกเขาจะไม่สามารถหลีกเลี่ยงการชนกันเองที่อุณหภูมิของก๊าซปกติได้อีกต่อไป อีกกรณีหนึ่งสำหรับการชนกันที่เพิ่มขึ้นระหว่างอนุภาคของก๊าซจะรวมถึงปริมาณก๊าซคงที่ซึ่งเมื่อให้ความร้อนจะมีอนุภาคที่เร็วมาก ซึ่งหมายความว่าสมการในอุดมคติเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ที่สมเหตุสมผลยกเว้นสภาวะความดันสูงมาก (อัดได้) หรืออุณหภูมิสูง (แตกตัวเป็นไอออน) เงื่อนไขยกเว้นทั้งหมดนี้อนุญาตให้มีการถ่ายเทพลังงานภายในระบบแก๊ส การไม่มีการถ่ายโอนภายในเหล่านี้คือสิ่งที่เรียกว่าเงื่อนไขในอุดมคติซึ่งการแลกเปลี่ยนพลังงานเกิดขึ้นที่ขอบเขตของระบบเท่านั้น ก๊าซจริงพบการชนและแรงระหว่างโมเลกุลเหล่านี้ เมื่อการชนเหล่านี้มีความสำคัญทางสถิติเล็กน้อย (ไม่สามารถบีบอัดได้) ผลลัพธ์จากสมการในอุดมคติเหล่านี้ยังคงมีความหมาย ถ้าอนุภาคของก๊าซถูกบีบอัดเข้าใกล้พวกมันจะทำงานเหมือนของเหลวมากขึ้น (ดูพลศาสตร์ของของไหล )

สมการของรัฐ (ก๊าซ) เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการประมาณอธิบายหรือทำนายคุณสมบัติรัฐของก๊าซ ในปัจจุบันไม่มีสมการสถานะเดียวที่ทำนายคุณสมบัติของก๊าซทั้งหมดภายใต้เงื่อนไขทั้งหมดได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงมีการพัฒนาสมการสถานะที่แม่นยำกว่าจำนวนมากสำหรับก๊าซในช่วงอุณหภูมิและความดันที่เฉพาะเจาะจง "แบบจำลองก๊าซ" ที่มีการพูดถึงกันมากที่สุดคือ "ก๊าซที่สมบูรณ์แบบ" "ก๊าซในอุดมคติ" และ "ก๊าซจริง" แต่ละแบบจำลองเหล่านี้มีชุดสมมติฐานของตัวเองเพื่ออำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์ระบบอุณหพลศาสตร์ที่กำหนด [17]แต่ละรุ่นที่ต่อเนื่องกันจะขยายช่วงอุณหภูมิของการครอบคลุมที่ใช้

รุ่นแก๊สในอุดมคติและสมบูรณ์แบบ

สมการของรัฐสำหรับเหมาะหรือก๊าซที่สมบูรณ์แบบเป็นแก๊สอุดมคติกฎหมายและอ่าน

โดยที่PคือความดันVคือปริมาตรnคือปริมาณของก๊าซ (ในหน่วยโมล) Rคือค่าคงที่ของก๊าซสากล 8.314 J / (mol K) และTคืออุณหภูมิ เขียนแบบนี้มันเป็นบางครั้งเรียกว่า "นักเคมีรุ่น" เพราะมันเน้นจำนวนของโมเลกุลn นอกจากนี้ยังสามารถเขียนเป็นไฟล์

ที่ไหน คือค่าคงที่ของก๊าซเฉพาะสำหรับก๊าซเฉพาะในหน่วย J / (kg K) และρ = m / V คือความหนาแน่น สัญกรณ์นี้เป็นเวอร์ชัน "gas dynamicist" ซึ่งใช้งานได้จริงมากกว่าในการสร้างแบบจำลองการไหลของก๊าซที่เกี่ยวข้องกับการเร่งความเร็วโดยไม่ต้องทำปฏิกิริยาทางเคมี

กฎของก๊าซในอุดมคติไม่ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับความร้อนจำเพาะของก๊าซ ในกรณีทั่วไปความร้อนจำเพาะเป็นหน้าที่ของทั้งอุณหภูมิและความดัน หากละเลยการพึ่งพาความดัน (และอาจเป็นการพึ่งพาอุณหภูมิด้วย) ในการใช้งานเฉพาะบางครั้งก๊าซก็ถูกกล่าวว่าเป็นก๊าซที่สมบูรณ์แบบแม้ว่าสมมติฐานที่แน่นอนอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้เขียนและ / หรือสาขาวิทยาศาสตร์

สำหรับก๊าซในอุดมคติกฎของก๊าซในอุดมคติจะมีผลบังคับใช้โดยไม่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับความร้อนจำเพาะ ก๊าซในอุดมคติคือ "ก๊าซจริง" แบบง่ายโดยมีสมมติฐานว่าค่าความสามารถในการบีบอัด Zถูกตั้งค่าเป็น 1 หมายความว่าอัตราส่วนนิวเมติกนี้คงที่ ปัจจัยการอัดของหนึ่งยังต้องมีตัวแปรรัฐสี่ที่จะปฏิบัติตามกฎหมายของก๊าซในอุดมคติ

การประมาณนี้เหมาะสำหรับการใช้งานในด้านวิศวกรรมแม้ว่าแบบจำลองที่เรียบง่ายกว่าสามารถใช้เพื่อสร้างช่วง "ball-park" ได้ว่าโซลูชันที่แท้จริงควรอยู่ที่ใด ตัวอย่างที่ "ประมาณก๊าซอุดมคติ" จะเหมาะจะเป็นภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ [18]นอกจากนี้ยังอาจจะมีประโยชน์เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาประถมศึกษาและโรคดิสโซสิเอทีฟเคมีสำหรับการคำนวณการปล่อยก๊าซ

ก๊าซจริง

21 เมษายน 1990 การปะทุของ Mount Redoubtในอะแลสกาแสดงให้เห็นถึงก๊าซจริงที่ไม่อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

สมมติฐานแต่ละข้อที่ระบุไว้ด้านล่างช่วยเพิ่มความซับซ้อนของการแก้ปัญหา เมื่อความหนาแน่นของก๊าซเพิ่มขึ้นตามความดันที่เพิ่มขึ้นแรงระหว่างโมเลกุลจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในพฤติกรรมของก๊าซซึ่งส่งผลให้กฎของก๊าซในอุดมคติไม่ให้ผลลัพธ์ที่ "สมเหตุสมผล" อีกต่อไป ที่ปลายด้านบนของช่วงอุณหภูมิของเครื่องยนต์ (เช่นส่วนของเครื่องเผาไหม้ - 1300 K) อนุภาคเชื้อเพลิงเชิงซ้อนจะดูดซับพลังงานภายในโดยการหมุนและการสั่นสะเทือนซึ่งทำให้ความร้อนจำเพาะแตกต่างจากโมเลกุลไดอะตอมและก๊าซมีตระกูล ที่อุณหภูมิมากกว่าสองเท่าการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์และการแยกตัวของอนุภาคก๊าซจะเริ่มเกิดขึ้นทำให้ความดันปรับเป็นอนุภาคจำนวนมากขึ้น (การเปลี่ยนจากก๊าซเป็นพลาสมา ) [19]ในที่สุดกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ทั้งหมดถูกสันนิษฐานว่าอธิบายถึงก๊าซที่มีความสม่ำเสมอซึ่งมีความเร็วแตกต่างกันไปตามการกระจายคงที่ การใช้สถานการณ์ที่ไม่สมดุลหมายความว่าฟิลด์การไหลจะต้องมีลักษณะบางอย่างเพื่อให้สามารถแก้ปัญหาได้ หนึ่งในความพยายามครั้งแรกที่จะขยายขอบเขตของกฎหมายของก๊าซในอุดมคตินั้นจะรวมถึงความคุ้มครองสำหรับการที่แตกต่างกันกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์โดยการปรับสมการในการอ่านpV n = คงที่แล้วที่แตกต่างกันnผ่านค่าที่แตกต่างกันเช่นอัตราส่วนความร้อนที่เฉพาะเจาะจง , γ

ผลกระทบของก๊าซจริงรวมถึงการปรับเปลี่ยนที่ทำขึ้นเพื่ออธิบายพฤติกรรมของก๊าซที่หลากหลาย:

  • เอฟเฟกต์การบีบอัด ( Zอนุญาตให้แตกต่างจาก 1.0)
  • ความจุความร้อนแปรผัน ( ความร้อนจำเพาะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ)
  • กองกำลัง Van der Waals (เกี่ยวข้องกับความสามารถในการบีบอัดสามารถแทนที่สมการอื่น ๆ ของสถานะได้)
  • ผลทางอุณหพลศาสตร์ที่ไม่สมดุล
  • ปัญหาเกี่ยวกับการแยกตัวของโมเลกุลและปฏิกิริยาเบื้องต้นที่มีองค์ประกอบตัวแปร

สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่การวิเคราะห์โดยละเอียดนั้นมากเกินไป ตัวอย่างที่มีผลกระทบก๊าซที่แท้จริงก็จะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจะเป็นบนกระสวยอวกาศ re-entryที่มีอุณหภูมิสูงมากและแรงกดดันอยู่ในปัจจุบันหรือก๊าซที่ผลิตในช่วงเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาเช่นเดียวกับในภาพของปี 1990 การระเบิดของภูเขาที่มั่น

ก๊าซถาวร

ก๊าซถาวรเป็นคำที่ใช้สำหรับก๊าซที่มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่าช่วงอุณหภูมิปกติที่มนุษย์อาศัยอยู่ได้ดังนั้นจึงไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวได้ด้วยความดันภายในช่วงนี้ ในอดีตเชื่อกันว่าก๊าซดังกล่าวไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวได้ดังนั้นจึงคงอยู่ในสถานะก๊าซอย่างถาวร คำนี้เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บอุณหภูมิโดยรอบและการขนส่งก๊าซที่ความดันสูง [20]

กฎหมายของบอยล์

อุปกรณ์ของ Boyle

กฎของบอยล์อาจเป็นนิพจน์แรกของสมการสถานะ ในปี 1662 Robert Boyleได้ทำการทดลองหลายชุดโดยใช้หลอดแก้วรูปตัว J ซึ่งปิดผนึกที่ปลายด้านหนึ่ง สารปรอทถูกเพิ่มเข้าไปในท่อดักจับอากาศในปริมาณคงที่ในส่วนปลายท่อที่ปิดสนิทและสั้น จากนั้นจึงวัดปริมาตรของก๊าซอย่างระมัดระวังเนื่องจากมีการเติมปรอทเพิ่มเติมลงในหลอด ความดันของก๊าซสามารถกำหนดได้จากความแตกต่างระหว่างระดับปรอทในปลายท่อสั้นกับปลายเปิดด้านยาว ภาพอุปกรณ์ของ Boyle แสดงให้เห็นถึงเครื่องมือแปลกใหม่บางอย่างที่ Boyle ใช้ในระหว่างการศึกษาเกี่ยวกับก๊าซ

จากการทดลองเหล่านี้ Boyle ตั้งข้อสังเกตว่าความดันที่เกิดจากก๊าซที่มีอุณหภูมิคงที่แปรผกผันกับปริมาตรของก๊าซ [21]ตัวอย่างเช่นถ้าปริมาตรลดลงครึ่งหนึ่งความดันจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และถ้าปริมาตรเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าความดันจะลดลงครึ่งหนึ่ง เมื่อพิจารณาถึงความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างความดันและปริมาตรผลคูณของความดัน ( P ) และปริมาตร ( V ) คือค่าคงที่ ( k ) สำหรับมวลของก๊าซกักขังที่กำหนดตราบเท่าที่อุณหภูมิคงที่ ระบุเป็นสูตรจึงเป็น:

เนื่องจากปริมาตรก่อนและหลังและความกดดันของปริมาณก๊าซคงที่โดยที่อุณหภูมิก่อนและหลังเท่ากันทั้งคู่เท่ากับค่าคงที่kจึงสามารถสัมพันธ์กันได้โดยสมการ:

กฎของชาร์ลส์

ในปี 1787 Jacques Charlesนักฟิสิกส์และผู้บุกเบิกบอลลูนชาวฝรั่งเศสพบว่าออกซิเจนไนโตรเจนไฮโดรเจนคาร์บอนไดออกไซด์และอากาศขยายตัวในระดับเดียวกันในช่วง 80 เคลวินเท่ากัน เขาตั้งข้อสังเกตว่าสำหรับก๊าซในอุดมคติที่ความดันคงที่ปริมาตรจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิของมัน:

กฎหมายของเกย์ - ลัสซัค

ในปี 1802 Joseph Louis Gay-Lussac ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองที่คล้ายกันแม้ว่าจะมีการทดลองที่กว้างขวางกว่าก็ตาม [22]เกย์ - ลัสซัคให้เครดิตงานก่อนหน้านี้ของชาร์ลส์โดยตั้งชื่อกฎหมายเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา เกย์ - ลัสซัคเองก็ให้เครดิตกับกฎหมายที่อธิบายถึงความกดดันซึ่งเขาพบในปี 1809 โดยระบุว่าความดันที่กระทำต่อด้านข้างของภาชนะบรรจุโดยก๊าซในอุดมคตินั้นแปรผันตามอุณหภูมิของมัน

กฎหมายของ Avogadro

ในปีพ. ศ. 2354 Amedeo Avogadro ได้ตรวจสอบว่าก๊าซบริสุทธิ์ในปริมาณที่เท่ากันมีจำนวนอนุภาคเท่ากัน ทฤษฎีของเขาไม่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปจนถึงปี 1858 เมื่อ Stanislao Cannizzaro นักเคมีชาวอิตาลีอีกคนสามารถอธิบายข้อยกเว้นที่ไม่เหมาะ สำหรับผลงานของเขากับก๊าซเมื่อหนึ่งศตวรรษก่อนจำนวนที่มีชื่อว่าค่าคงที่ของ Avogadroแสดงถึงจำนวนอะตอมที่พบในธาตุคาร์บอน 12 กรัม (6.022 × 10 23โมล−1 ) อนุภาคก๊าซจำนวนเฉพาะนี้ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (กฎของก๊าซในอุดมคติ) มีปริมาตร 22.40 ลิตรซึ่งเรียกว่าปริมาตรโมลาร์

กฎของ Avogadro ระบุว่าปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซในอุดมคติเป็นสัดส่วนกับจำนวนโมล (หรือโมเลกุล) ที่มีอยู่ในภาชนะ สิ่งนี้ก่อให้เกิดปริมาตรโมลาร์ของก๊าซซึ่งที่STPคือ 22.4 dm 3 (หรือลิตร) ความสัมพันธ์ถูกกำหนดโดย

โดยที่ n เท่ากับจำนวนโมลของก๊าซ (จำนวนโมเลกุลหารด้วยจำนวนของ Avogadro )

กฎหมายของดาลตัน

สัญกรณ์ของ Dalton

ในปี 1801 จอห์นดาลตันได้ตีพิมพ์กฎแห่งแรงกดดันบางส่วนจากผลงานของเขากับความสัมพันธ์ของกฎก๊าซในอุดมคติ: ความกดดันของส่วนผสมของก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะเท่ากับผลรวมของความกดดันของก๊าซที่เป็นส่วนประกอบทั้งหมดเพียงอย่างเดียว ในทางคณิตศาสตร์สิ่งนี้สามารถแทนnสายพันธุ์ได้ดังนี้:

ความดันรวม = ความดัน1 + ความดัน2 + ... + ความดันn

ภาพของวารสารของ Dalton แสดงให้เห็นถึงสัญลักษณ์ที่เขาใช้เป็นชวเลขเพื่อบันทึกเส้นทางที่เขาเดินตาม ในการสังเกตวารสารสำคัญของเขาเกี่ยวกับการผสม "ของเหลวยืดหยุ่น" (ก๊าซ) ที่ไม่ใช้งานมีดังต่อไปนี้: [23]

  • ซึ่งแตกต่างจากของเหลวก๊าซที่หนักกว่าไม่ได้ลอยไปที่ด้านล่างเมื่อผสมกัน
  • เอกลักษณ์ของอนุภาคก๊าซไม่มีบทบาทในการกำหนดความดันสุดท้าย (พวกมันทำงานราวกับว่าขนาดของมันมีค่าเล็กน้อย)

การบีบอัด

ปัจจัยการอัดอากาศ

นักอุณหพลศาสตร์ใช้ปัจจัยนี้ ( Z ) เพื่อปรับเปลี่ยนสมการของก๊าซในอุดมคติเพื่ออธิบายถึงผลกระทบการอัดของก๊าซจริง ปัจจัยนี้แสดงถึงอัตราส่วนของปริมาณจริงต่อปริมาตรเฉพาะในอุดมคติ บางครั้งเรียกว่า "ปัจจัยเหลวไหล" หรือการแก้ไขเพื่อขยายขอบเขตที่เป็นประโยชน์ของกฎหมายก๊าซในอุดมคติสำหรับวัตถุประสงค์ในการออกแบบ โดยปกตินี้Zคุ้มค่าเป็นอย่างมากใกล้เคียงกับความเป็นเอกภาพ ภาพปัจจัยการบีบอัดแสดงให้เห็นว่า Z แตกต่างกันอย่างไรในช่วงอุณหภูมิที่เย็นจัด

หมายเลขเรย์โนลด์

ในกลศาสตร์ของไหลจำนวนเรย์โนลด์คืออัตราส่วนของแรงเฉื่อย ( v s ρ ) ต่อแรงหนืด ( μ / L ) เป็นหนึ่งในตัวเลขไร้มิติที่สำคัญที่สุดในพลศาสตร์ของไหลและมักจะใช้ร่วมกับตัวเลขไร้มิติอื่น ๆ เพื่อเป็นเกณฑ์ในการกำหนดความคล้ายคลึงแบบไดนามิก ด้วยเหตุนี้หมายเลขเรย์โนลด์จึงให้ความเชื่อมโยงระหว่างผลการสร้างแบบจำลอง (การออกแบบ) และเงื่อนไขจริงแบบเต็มสเกล นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อกำหนดลักษณะของโฟลว์

ความหนืด

มุมมองจากดาวเทียมเกี่ยวกับรูปแบบสภาพอากาศในบริเวณใกล้เคียง หมู่เกาะโรบินสันครูโซเมื่อวันที่ 15 กันยายน พ.ศ. 2542 แสดงรูปแบบเมฆปั่นป่วนที่เรียกว่า ถนนกระแสน้ำวนKármán

ความหนืดเป็นสมบัติทางกายภาพคือการวัดว่าโมเลกุลที่อยู่ติดกันเกาะติดกันได้ดีเพียงใด ของแข็งสามารถทนต่อแรงเฉือนได้เนื่องจากความแข็งแรงของแรงระหว่างโมเลกุลที่เหนียวเหล่านี้ ของเหลวจะเปลี่ยนรูปอย่างต่อเนื่องเมื่ออยู่ภายใต้ภาระที่ใกล้เคียงกัน ในขณะที่ก๊าซมีค่าความหนืดต่ำกว่าของเหลว แต่ก็ยังคงเป็นคุณสมบัติที่สังเกตได้ ถ้าก๊าซไม่มีความหนืดพวกมันจะไม่เกาะที่พื้นผิวของปีกและก่อตัวเป็นชั้นขอบเขต การศึกษาปีกเดลต้าในภาพSchlierenเผยให้เห็นว่าอนุภาคของก๊าซเกาะติดกัน (ดูส่วนชั้นขอบเขต)

ความปั่นป่วน

ปีกเดลต้าในอุโมงค์ลม เงาก่อตัวขึ้นเมื่อดัชนีการหักเหของแสงเปลี่ยนไปภายในก๊าซเมื่อมันบีบอัดที่ขอบนำของปีกนี้

ในพลศาสตร์ของไหลความปั่นป่วนหรือการไหลแบบปั่นป่วนเป็นระบบการไหลที่มีลักษณะการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่ไม่เป็นระเบียบและสุ่ม ซึ่งรวมถึงการแพร่ของโมเมนตัมต่ำการพาความร้อนของโมเมนตัมสูงและการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความดันและความเร็วในอวกาศและเวลา มุมมองจากดาวเทียมของสภาพอากาศรอบ ๆ หมู่เกาะโรบินสันครูโซแสดงให้เห็นตัวอย่างหนึ่ง

ชั้นขอบเขต

โดยผลแล้วอนุภาคจะ "เกาะ" กับพื้นผิวของวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่าน ชั้นของอนุภาคนี้เรียกว่าชั้นขอบเขต ที่พื้นผิวของวัตถุนั้นมีความคงตัวเนื่องจากแรงเสียดทานของพื้นผิว วัตถุที่มีชั้นขอบเขตเป็นรูปร่างใหม่ของวัตถุที่โมเลกุลที่เหลือ "มองเห็น" ได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อวัตถุเข้าใกล้ ชั้นขอบเขตนี้สามารถแยกออกจากพื้นผิวได้โดยพื้นฐานแล้วจะสร้างพื้นผิวใหม่และเปลี่ยนเส้นทางการไหลโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างคลาสสิกของนี้เป็นairfoil ถ่วง ภาพปีกเดลต้าแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าชั้นขอบเขตหนาขึ้นเมื่อก๊าซไหลจากขวาไปซ้ายตามขอบนำ

หลักการเอนโทรปีสูงสุด

ในฐานะที่เป็นจำนวนองศาอิสระแนวทางอินฟินิตี้ระบบจะพบได้ในmacrostateที่สอดคล้องกับสูงสุดหลายหลาก เพื่อแสดงหลักการนี้ให้สังเกตอุณหภูมิผิวของแท่งโลหะแช่แข็ง ใช้ภาพความร้อนของอุณหภูมิผิวสังเกตการกระจายของอุณหภูมิบนพื้นผิว การสังเกตอุณหภูมิเริ่มต้นนี้แสดงถึง " ไมโครสเตท " ในอนาคตการสังเกตครั้งที่สองของอุณหภูมิผิวทำให้เกิด microstate ที่สอง ด้วยการดำเนินกระบวนการสังเกตต่อไปนี้จะสามารถสร้างชุดของไมโครสเตตที่แสดงให้เห็นถึงประวัติความร้อนของพื้นผิวของแท่ง ลักษณะเฉพาะของชุดประวัติศาสตร์ของไมโครสเตทนี้สามารถทำได้โดยการเลือกแมคโครสเตทที่จำแนกพวกมันทั้งหมดออกเป็นกลุ่มเดียวได้สำเร็จ

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์

เมื่อการถ่ายเทพลังงานสิ้นสุดลงจากระบบเงื่อนไขนี้จะเรียกว่าสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ โดยปกติเงื่อนไขนี้แสดงว่าระบบและสภาพแวดล้อมอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกันเพื่อไม่ให้ความร้อนถ่ายเทระหว่างกันอีกต่อไป นอกจากนี้ยังบอกเป็นนัยว่าแรงภายนอกมีความสมดุล (ปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลง) และปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดภายในระบบเสร็จสมบูรณ์ ไทม์ไลน์จะแตกต่างกันไปสำหรับเหตุการณ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับระบบที่เป็นปัญหา ภาชนะบรรจุน้ำแข็งที่ได้รับอนุญาตให้ละลายที่อุณหภูมิห้องต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในขณะที่ในเซมิคอนดักเตอร์การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในการเปลี่ยนอุปกรณ์จากสถานะเปิดเป็นปิดอาจเป็นไปตามลำดับไม่กี่นาโนวินาที

  • ก๊าซเรือนกระจก
  • รายชื่อก๊าซ
  • ก๊าซธรรมชาติ
  • ก๊าซภูเขาไฟ
  • หายใจก๊าซ
  • ลม
การเปลี่ยนเฟสของสสาร ( )
basicถึง
ของแข็ง ของเหลว แก๊ส พลาสม่า
จาก ของแข็ง ละลาย การระเหิด
ของเหลว การแช่แข็ง การระเหย
แก๊ส การทับถม การควบแน่น ไอออไนเซชัน
พลาสม่า การสร้างใหม่

  1. ^ การอภิปรายในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นี้อนุมานได้ว่าเป็นสถานะของพลาสมา ดูหน้า 137 ของ American Chemical Society, Faraday Society, Chemical Society (Great Britain) The Journal of Physical Chemistry เล่ม 11 Cornell (1907)
  2. ^ ผลงานของ T. Zelevinski ให้ลิงก์ไปยังงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับสตรอนเทียมในสาขาการศึกษาใหม่นี้ ดู Tanya Zelevinsky (2009) "84Sr-เพียงที่เหมาะสมสำหรับการสร้างคอนเดนเสท Bose-Einstein" ฟิสิกส์ . 2 : 94. Bibcode : 2009PhyOJ ... 2 ... 94Z . ดอย : 10.1103 / ฟิสิกส์ 2.94 .
  3. ^ สำหรับ Bose-Einstein คอนเดนเสทเห็นควอนตัมแก๊สกล้องจุลทรรศน์เสนอเหลือบของ Quirky ultracold อะตอม ScienceDaily. 4 พฤศจิกายน 2552.
  4. ^ JB แวน Helmont, Ortus แพทยศาสตร์ … (อัมสเตอร์ดัม (เนเธอร์แลนด์): Louis Elzevir, 1652 (พิมพ์ครั้งแรก: 1648)) คำว่า "แก๊ส" ปรากฏเป็นครั้งแรกในหน้าที่ 58โดยเขากล่าวถึง: "…แก๊ส (meum scil. Inventum) …" (… gas (คือการค้นพบของฉัน) …) ในหน้า 59เขากล่าวว่า: "… in nominis egestate, halitum illum, Gas vocavi, non longe a Chao …" (... ต้องการชื่อฉันเรียกไอนี้ว่า "ก๊าซ" ไม่ไกลจาก "ความโกลาหล" ... )
  5. ^ Ley, Willy (มิถุนายน 2509) "ระบบสุริยะที่ออกแบบใหม่" . สำหรับข้อมูลของคุณ นิยายวิทยาศาสตร์กาแล็กซี่ . หน้า 94–106
  6. ^ ฮาร์เปอร์ดักลาส "แก๊ส" . ออนไลน์นิรุกติศาสตร์พจนานุกรม
  7. ^ เดรเปอร์จอห์นวิลเลียม (2404) ตำราเคมี นิวยอร์ก: Harper and Sons น. 178.
  8. ^ Barzun, Jacques (2000). สำหรับรุ่งอรุณที่จะเสื่อมโทรม: 500 ปีของเวสเทิร์ชีวิตวัฒนธรรม นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์ HarperCollins น. 199.
  9. ^ ผู้เขียนสร้างความเชื่อมโยงระหว่างแรงโมเลกุลของโลหะและคุณสมบัติทางกายภาพที่สอดคล้องกัน โดยการขยายแนวคิดนี้จะนำไปใช้กับก๊าซเช่นกันแม้ว่าจะไม่ใช่ในระดับสากล Cornell (1907) หน้า 164–5
  10. ^ ข้อยกเว้นที่เห็นได้ชัดเจนอย่างหนึ่งสำหรับการเชื่อมต่อคุณสมบัติทางกายภาพนี้คือการนำไฟฟ้าซึ่งแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสถานะของสสาร (สารประกอบไอออนิกในน้ำ) ตามที่ Michael Faradayอธิบายไว้ในปี 1833 เมื่อเขาสังเกตว่าน้ำแข็งไม่นำกระแส ดูหน้า 45 ของฟาราเดย์ของ John Tyndall ในฐานะผู้ค้นพบ (1868)
  11. ^ จอห์นเอสฮัทชินสัน (2008) การศึกษาการพัฒนาแนวคิดทางเคมี . น. 67.
  12. ^ แอนเดอร์สันน. 501
  13. ^ เจเสมียนแม็กซ์เวลล์ (1904) ทฤษฎีของความร้อน Mineola: Dover Publications. หน้า 319–20 ISBN 978-0-486-41735-6.
  14. ^ ดูหน้า 137–8 ของ Society, Cornell (1907)
  15. ^ เคนเน็ ธ วาร์ก (2520) อุณหพลศาสตร์ (3 ed.). McGraw-Hill น. 12 . ISBN 978-0-07-068280-1.
  16. ^ สำหรับสมมติฐานของทฤษฎีจลน์โปรดดูที่ McPherson หน้า 60–61
  17. ^ แอนเดอร์สัน, หน้า 289–291
  18. ^ ยอห์นหน้า 205
  19. ^ ยอห์นหน้า 247–56
  20. ^ "แก๊สถาวร" . www.oxfordreference.com . Oxford University Press สืบค้นเมื่อ3 เมษายน 2564 .
  21. ^ McPherson, pp.52-55
  22. ^ McPherson, pp.55-60
  23. ^ จอห์นพีมิลลิงตัน (1906) จอห์นดาลตัน หน้า 72, 77–78

  • แอนเดอร์สัน, จอห์นดี. (2527). พื้นฐานของอากาศพลศาสตร์ การศึกษาระดับอุดมศึกษาของ McGraw-Hill ISBN 978-0-07-001656-9.
  • จอห์นเจมส์ (1984) แก๊ส Dynamics อัลลินและเบคอน ISBN 978-0-205-08014-4.
  • แม็คเฟอร์สัน, วิลเลียม; เฮนเดอร์สันวิลเลียม (2460) การศึกษาประถมศึกษาวิชาเคมี

  • Philip Hill และ Carl Peterson กลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ของการขับเคลื่อน: Second Edition Addison-Wesley, 1992 ISBN  0-201-14659-2
  • องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) เคลื่อนไหวแก๊สแล็บ เข้าถึงเมื่อกุมภาพันธ์ 2551
  • มหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย HyperPhysics เข้าถึงเมื่อกุมภาพันธ์ 2551
  • แอนโทนีลูอิสWordWeb เข้าถึงเมื่อกุมภาพันธ์ 2551
  • วิทยาลัยมิชิแกนทิศก๊าซรัฐ เข้าถึงเมื่อกุมภาพันธ์ 2551
  • ‹ดู Tfd›ลูอิส, วิเวียนบายอัม; Lunge, Georg (2454). "แก๊ส"  . สารานุกรมบริแทนนิกา . 11 (ฉบับที่ 11) น. 481–493
TOP