| ния (5) оказывается неприменимым, т. к. средние расстояния между молекулами Г. становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия. Для описания термодинамич. свойств неидеальных, или, как их чаще называют, реальных, Г. пользуются различными уравнениями состояния, имеющими более или менее строгое тео-ретпч. обоснование. Простейшим примером уравнения, к-рое качественно правильно описывает осн. отличия реального Г. от идеального, служит ур-ние Ван-дер-Ваальса. Оно учитывает, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Г.), с другой стороны - сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию Г. (см. Ван-дер-Ваальса уравнение).
К наиболее теоретически обоснованным, во всяком случае для состояний, удалённых от критич. точки, относится вириалъное уравнение состояния:
(7)
Значения вириальных коэффициентов В, С и т. д. определяются соударениями молекул: парными (В), тройными (С) и более высокого порядка для последующих коэффициентов. Существенно, что вириальные коэфф. являются функциями только темп-ры.
В Г. малой плотности наиболее вероятны парные столкновения молекул, т. е. для такого Г. в разложении (7) можно пренебречь всеми членами после члена с коэфф. В. В соответствии с температурным изменением В, при т. н. темп-ре Бойля ТВ (см. Бойля точка) В обращается в нуль, и умеренно плотный Г. ведёт себя как идеальный, т. е. подчиняется ур-нию (5). Физически это означает, что при ТВ межмолекулярные силы притяжения и отталкивания практически компенсируют друг друга. Существование межмолекулярного взаимодействия в той или иной степени сказывается на всех свойствах реальных Г. Внутр. энергия реального Г. оказывается зависящей от его объёма (от расстояний между молекулами), т. к. потенциальная энергия молекул определяется их взаимными расстояниями.
С межмолекулярным взаимодействием связано также изменение темп-ры реального Г. при протекании его с малой постоянной скоростью через пористую перегородку (этот процесс наз. дросселированием). Мерой изменения темп-ры Г. при дросселировании служит Джоуля - Томсона коэфф., к-рый в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Г.), отрицательным (нагрев Г.) либо равным нулю при т. н. темп-ре инверсии (см. Джоуля - Томсона явление). Эффект охлаждения Г. при дросселировании широко применяется в технике как один из методов сжижения газов.
Внутреннее строение молекул Г. слабо влияет на их термич. свойства (давление, темп-ру, плотность и связь между ними). Для этих сврйств в первом приближении существенна только молекулярная масса Г. Напротив, калорич. свойства Г. (теплоёмкость, энтропия и др.), а также его электрич. и магнитные свойства существенно зависят от внутр. строения молекул. Напр., для расчёта (в первом приближении) теплоёмкости Г. при постоянном объёме cv необходимо знать число внутр. степеней свободы молекулы (т. е. число возможных внутр. движений) iвн. В соответствии с равнораспределения законом классич. статистической физики на каждую степень свободы молекулы Г. (поступательную, колебательную, вращательную) приходится энергия, равная 1/2*kT. Отсюда теплоёмкость 1 моля
(8)
Для точного расчёта калорич. свойств Г. необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о к-рых в большинстве случаев получают из анализа спектров Г. Для большого числа веществ в состоянии идеального Г. калорич. свойства вычислены с высокой точностью и их значения представлены в виде таблиц до темп-р 10-22 тыс. градусов.
Электрич. 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 физич. факторов рассмотрена в ст. Электрический разряд в газах.
При темп-pax начиная с неск. 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, напр., инертные газы, Н2, N2, CO2, Н2О) и парамагнитные (напр., О2). Диамагнитны те Г., молекулы к-рых не имеют постоянного магнитного момента и приобретают его лишь под влиянием внешнего поля (см. Диамагнетизм). Те же Г., у к-рых молекулы обладают постоянным магнитным моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм).
Учёт межмолекулярного взаимодействия и внутр. строения молекул необходим при решении многих проблем физики Г., напр, при исследовании влияния верхних разреженных слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика, Аэродинамика разреженных газов).
В совр. физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний вещества. К Г. с особыми свойствами относят, напр., 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 (напр., фотонов, я-мезонов, фононов), наз. бозе-газом. Его свойства рассматривает квантовая статистика Бозе - Эйнштейна. Свойства частиц Г. с полуцелым спином - фермионов (напр., электронов, нейтронов, нейтрино, дырок проводимости и др.) рассматривает квантовая статистика Ферми - Дирака (см. Статистическая физика).
Лит.: Кириллин В. А., Сычёв В. В. и Ш ейндлин А. Е., Техническая термодинамика, М., 1969; Кикоин И. К. н Кикоин А. К., Молекулярная физика, М., 1963; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов н 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.
ГАЗЫ в технике, применяются гл. обр. в качестве топлива; сырья для химич. пром-сти; химич. агентов при сварке, газовой химико-термич. обработке металлов, создании инертной или спец. атмосферы, в нек-рых биохимич. процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механич. работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, паро-газовые установки, пневмотранспорт и др.); физич. среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах). В технике используется св. 30 различных Г.
Как топливо применяют природные газы горючие и получаемые искусственно в виде основной (генераторный Г.) или побочной (коксовый, доменный и др. Г.) продукции. Осн. потребители природного Г. в чёрной металлургии - доменное и мартеновское произ-во. С использованием природного Г. производится ежегодно ок. 60% цемента, 60% стекла, св. 60% керамзита, св. 60% керамики. Перевод стекловаренных печей на природный Г. значительно улучшает технико-экономич. показатели произ-ва стекла. В топливном балансе маш.-строит, пром-сти на долю горючего Г. приходится ок. 40%. Осн. потребителями являются нагревательные и термич. печи. Применение в этих печах природного Г. вместо др. видов топлива позволяет снизить стоимость нагрева, улучшить его качество, повысить кпд печей и создать более благоприятные сан.-гигиеннч. условия в производств, помещениях. В топливном балансе электростанций СССР удельный вес природного Г. составляет ок. 20%. Применение природного Г. на электростанциях даёт значит, эффект. Кпд котельных установок на электростанциях при переводе с твёрдого на газовое топливо увеличивается на 1 - 4%; уменьшается на 21-26% количество обслуживающего персонала. Суммарное снижение расхода топлива за счёт повышения кпд и снижения расхода электроэнергии на собств. нужды составляет 6-7%. Сжигание Г. в топках котлов малой производительности увеличивает кпд по сравнению с котлами, использующими твёрдое топливо, на 7-20% (в зависимости от сорта топлива) и позволяет повысить произв'одителыюсть на 30% и более. Использование природного Г. открывает широкие возможности для создания простых, менее металлоёмких и более экономичных котлов (паровых и водогрейных), работающих на природном Г.
Нек-рые Г. являются в то же время исходным сырьём для технологических процессов в химич. пром-сти (из них вырабатывается ок. 200 видов разлдч-ных химич. продуктов); на природном Г. работает ряд крупнейших химнч. комбинатов СССР.
Из числа Г., используемых в качестве химнч. агентов, воздух (атмосферный или обогащённый кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургич., химич. и смежных с ними отраслях пром-сти (см. Воздух и Кислород в технике). Большое значение имеют также многие др. Г.: ацетилен, хлор, фтор и редкие Г.
При газовой сварке большей частью используется пламя ацетилено-кислород-ной смеси, позволяющее развивать очень высокую темп-ру (ок. 3200 °С). В отдельных случаях применяют атомноводородную сварку, основанную на нагреве металла водородом, превращённым в атомарное состояние под действием электрической дуги.
Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химич. агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя стали углеродом (см. Цементация) производится путём длит, нагрева её в атмосфере Г., диссоциирующих с выделением атомарного углерода. В установках пром. типа для газовой цементации применяют: природный Г., бутан-пропановую смесь и др. Во избежание чрезмерного выделения сажи (или смолистых веществ) к этим Г. подмешивают генераторный газ или дымовые газы, очищенные от углекислого газа и паров воды.
Г. как химич. агенты применяются также в практике химико-термич. обработки поверхности стали при её азотировании, цианировании, алитировании, хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (или хромом) её нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот, генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения нек-рых Г. (после удаления из них углекислого газа и паров воды) и продукты диссоциации аммиака в ме-таллообр. пром-сти служат в качестве спец. атмосфер для борьбы с окислением и обезуглероживанием металлов, к-рые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.
В качестве инертных веществ для продувки взрывоопасной аппаратуры (газгольдеров, газоочистных коробок, коммуникаций и т. п.) применяют водяной пар, углекислый газ и азот, а также смесь углекислого газа с азотом, напр, продукты горения газообразного топлива, сжигаемого с малым избытком воздуха. Технологич. аппараты большой ёмкости продуваются инертными газами перед их заполнением Г. (напр., водородом). При этом вытесняется находящийся в аппарате атм. воздух и предотвращается образование взрывчатой смеси Г.- воздух.
В электроламповой пром-сти для наполнения ламп накаливания применяются азот, криптон, ксенон и др. Наполнение ламп накаливания инертным газом уменьшает скорость испарения нити и т. о. увеличивает срок службы ламп. Использование для этих целей нек-рых редких Г. позволяет значительно (до 30%) увеличить световую отдачу ламп накаливания, что имеет большое значение, т. к. на нужды освещения расходуется ок. 20% всей вырабатываемой в СССР энергии. Широко распространено наполнение ламп накаливания аргоно-азотной смесью, особенно подходящими наполнителями являются криптон и ксенон, обладающие высокой плотностью и минимальной теплопроводностью.
Г. применяются также для интенсификации нек-рых биохимич. процессов. Углекислый газ и чистые продукты горения бессернистого топлива могут быть использованы в качестве углекислого удобрения. Повышенное содержание углекислого газа (до 0,3% ) в атмосфере теплиц и оранжерей ускоряет рост и увеличивает плодоношение нек-рых растений. Дозревание сорванных овощей и плодов (томатов, яблок и др.) можно ускорить хранением их в атмосфере этилена.
В качестве теплоносителей широко распространены след. Г.: продукты горения (дымовые Г.), воздух и реже газообразные продукты экзотермич. процессов (окисления аммиака, получения серного ангидрида и др.). Дымовые газы как теплоноситель используют: для непо-средств. обогрева изделий или материалов в печах и сушилках; для получения и подогрева промежуточных теплоносителей (водяного пара, горячей воды, воздуха и др.). Для регулирования процесса нагрева дымовыми газами их можно разбавлять воздухом или отходящими газами. Иногда дымовые газы служат для транспортировки угольной пыли и её подсушки во взвешенном состоянии. В этих случаях дымовые газы являются не только теплоносителем, но и физич. средой для переноса твёрдых тел, находящихся в пылевидном состоянии. Воздух как промежуточный теплоноситель используют в тех случаях, когда недопустимо загрязнение нагреваемого продукта сажей и золой, содержащимися в нек-рых дымовых газах. Чаще всего воздух как теплоноситель применяется в сушилках и в некоторых системах отопления помещений.
В качестве рабочих веществ для совершения механич. работы Г.распространены в газовых турбинах, в огнестрельном оружии, в реактивных двигателях и снарядах, а также в двигателях внутр. сгорания. Для наполнения дирижаблей и аэростатов используются Г., имеющие невысокую плотность.
Электрич. разряд в Г. (или парах) широко применяется в электротехнике для выпрямления переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный, генерации электрич. колебаний, освещения газосветными лампами и мн. др. Подбором соответствующих газов или паров металлов можно повышать излучение газосветных ламп на заданном участке спектра. Этим достигается увеличение общей световой отдачи источника света (см. Электрический разряд в газах, Газосветная трубка).
Лит.: Кортунов А. К., Газовая промышленность СССР, М., 1967; Спейшер В. А., Сжигание газа на электростанциях и в промышленности, 2 изд., М., 1967; Использование газа в промышленных и энергетических установках, в сб.: Теория и практика сжигания газа, в. 3-4, Л., 1967 - 68; Рябцев И. И., Волков А. Е., Производство газа из жидких топлив для синтеза аммиака и спиртов, М , 1968. В. А. Спейшер.
ГАЗЫ в металлах. Г. попадают в твёрдые и жидкие металлы при их выплавке и электролитич. получении, при взаимодействии металлич. изделий с атмосферой. Напр., при произ-ве 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 между Г. и металлами: адсорбцию, растворение и образование химич. соединений.
При адсорбции Г. взаимодействуют только с поверхностью металла и образуют на ней плёнки толщиной, равной диаметру одной или неск. молекул. Адсорбция уменьшается при повышении темп-ры и понижении давления Г. над металлом. Г., адсорбированные на металлич. частях электровакуумных приборов (применяемых в измерит, аппаратуре), радиопередающих устройств, преобразователей электрич. энергии, в процессе эксплуатации десорбируются и нарушают устойчивую работу аппаратуры (напр., 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 к-рых состоят из неск. атомов (напр., 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 химич. взаимодействии атомов Г. и металла. Поэтому растворение многоатомных газов сопровождается их диссоциацией. Напр., двухатомные газы водород и азот растворяются в железе по реакциям
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 её объёме, а образующиеся при этом пузыри не успевают всплыть и удалиться до полного затвердевания слитка.
Г. часто образуют с металлами химич. соединения: окислы, сульфиды, нитриды. Эти соединения нерастворимы в металлах и выделяются в виде самостоятельных фаз - т. н. неметаллич. включений, присутствие к-рых сильно ухудшает механич. и антикоррозионные свойства металлов и сплавов. Поэтому в пром-сти 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 (напр., аргоном). В ряде случаев осуществляют плавку или нагрев металла в защитной газовой атмосфере, не содержащей компонентов, вредных для металла.
Лит.: Смителлс К., Газы н металлы, пер. с англ.. М.- Л., 1940; Вакуумная металлургия, М., 1962; Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А., Физическая химия, М., 1963; Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964. Л.А.Шварцман,
Л. В. Ванюкова.
ГАЗЫ ГОРЮЧИЕ, газообразные вещества, способные гореть. В широком смысле слова к Г. г. относятся водород, окись углерода, сероводород, газообразные углеводороды (напр., метан, этан, этилен). В технике под Г. г. обычно понимают природные и искусств, смеси этих газов, разбавленных негорючими газами, такими как двуокись углерода, азот, инертные газы, пары воды. Наибольшее значение в пром-сти имеют добываемые из недр земли газы природные горючие, в составе к-рых содержится до 99% газообразных углеводородов, гл. обр. метана и его ближайших гомологов. Природные Г. г. добывают из |
