Maddenin akışkan hallerinden biri. Bu durumda birbirlerinden çok uzaklaşmış olan moleküller, moleküllerarası etkileşimler son derece güçsüz olduğu için, aşağı yukarı serbestçe yer değiştirebilirler ve gazların genleşebilirliği de böylece açıklanır.
Gazların Termoelastik Özellikleri
Bir gaz kütlesinin hali, p basıncının, T sıcaklığının ve V hacminin belirli değerleriyle kendini belli eder. Bu büyüklüklerden birinin tümüyle değişmesi, genellikle öbür ikisinin de değişmesine neden olur. Söz gelimi, bir pompa içindeki havanın sıkıştırılması, bir hacim azalmasına ve ısınmaya yol açar. Söz konusu değişkenlerden birinin, üçüncü sabitken, ikinciye göre değişmesini inceleyen Mariotte, Gay-Lussac ve Charles üç yasalı bir dizi gerçekleştirmişlerdir.
Mariotte Yasası:
Değişmez bir gaz kütlesinin, sabit sıcaklıkta sıkışabilirliğiyle ilgilidir ve gazın p basıncının, V hacmiyle çarpının sabit olduğunu belirtir: pV=sabit
Gay – Lussac Yasası (Sabit Basınçta Genleşme Yasası):
Hacim değişmelerinin, sıcaklık değişmeleriyle orantılı olduğunu açıklar.
Tükel Gaz
Basınç sıfır yaklaşırken, gerçek gazlar da aybu yasakara uyarlar. Bu nedenle, gazların incelenmesini kolaylaştırmak ve bir bütün haline getirmek için, basınçlar hemen hemen sıfır olduğunda, gerçek gazlarla sınırlandırılmış bir tükel gaz modeli oluşturuldu. Tükel gaz, basınç ne olursa olsun, Mariotte, Gay-Lussac ve Charles yasalarına uyan ideal bir gazdır. Gerçek gazların sayısı kadar tükel gaz vardır:
Tükel Gazların Kinetik Kuramı
Bütün gazlarda, madde, birbirinden çok uzakta bulunan çok sayıdaki molekül arasında dağılmıştır. Bu nedenle, bir gazın kapladığı hacim, maddeden yoksun bol bir uzay parçası gibi görünür. Bütün bu gaz molekülleri, sürekli olarak ve çok hızlı hareket ederler. Tükel gaz halinde, noktaya benzedikleri varsayılan bu moleküller, yalnızca esnek olduğu varsayılan çarpışmalar sırasında birbirlerini karşılıklı etkilerler. Dağılımları son derece düzensizdir ve yer değiştirmeleri belirli bir doğrultuda değildir. Dolayısıyle adi sıcaklık ve basınç koşullarında bir molekül art arda iki çarpışma arasında, 500 m/sn’ye yakın bir hızla, yaklaşık 50 nanometrelik bir yol kateder (bir molekül, yarıçapı 0,1 nanometre olan bir küre olarak gösterilebilir), dolayısıyle saniyede birkaç milyar çarpışmaya neden olur. Bu düzensiz yapı, gazların sıkışabilirliğini ve karışımların olasılığını açıklar. Söz konusu taneciklerin kap çeperine yaptıkları sürekli bombardımansa gazın basıncını açıklamayı sağlar. Bir gazın bir çepere çarpmasından kaynaklanır. Bir gazdaki sıcaklık artışı, her taneciğin hızının artmasına yol açar; çarpma sayısı arttığında, basınç da yükselir. Akışkanların makroskopik incelenmesinin deneysel sonuçları da bunu kanıtlar. Bir gazın sıcaklığının artırılması, molekül hareketinin artması, yani, her bir taneciğin kinetik enerjisinin çoğalması demektir.
Gazların Kütlesel Isıları
Bir sıcaklık artışı, bir hacim ya da basınç artışına neden olur. Bir gazın kütle ısısının belirlenmesi, bir yandan, sabit basınçtaki bir dönüşüm için, öte yandan bir sabit hacimdeki dönüşüm için gerekir.
Cv sabit hacimdeki kütle ısısı, bu gazın sabit hacimde birim kütlesinin sıcaklığının 1 derece artırılması için gerekli ısı miktarıdır. Cp sabit basınçtaki kütle ısısı, sabit basınç altında bulunan gazın sıcaklığının 1 derece artırılması için, bu gazın birim kütlesine verilmesi gereken ısı miktarıdır. Bu miktarlar, gaz molekülünün yapısının incelenmesine olanak verir: Sabit hacimdeki mol ısısı, tek atomlu gazlarda, mol.kelvin başına 12,54, iki atomlu gazlardaysa 20,9 joule’a eşittir.
Gazların Sıvılaşması ve Katılaşması
Faraday, soğutucu karışımlar aracılığıyla, çok sayıda gaz sıvılaştırmayı başarmış, ama hava, hidrojen, vb. gazlarda başarısızlığa uğramıştır. Günümüzde bu gazların sıvılaşmasının, gaz sıcaklığının kritik nokta olarak adlandırılan belli bir değerin altına düşürülmesi koşuluyla gerçekleşebileceği bilinir.
Cailletet, Linde ve G. Claude, yavaş bir sıkıştırmayı izleyen ani bir genleşme yoluyla, helyum dışında, bilinen bütün gazları sıvılaştırmayı ve katılaştırmayı başardılar ve bu sıvılaşma olayını (sıvı hava, sentetik amonyak, neon, vb.) sanayi alanında yaygınlaştırmayı bildiler. Helyum, Leiden kentindeki özel bir labaratuvarda hem sıvılaştırıldı, hem katılaştırıldı. Kuramsal mutlak sıfıra yakın aşırı düşük sıcaklıklar, katı, sıvı ve gaz hallerinin sürekliliğinin sağlanmasına olanak vererek, maddenin bazı özelliklerinin incelenmesini kolaylaştırmıştır. Gazın, sıvı hale gelmeden katılaştırılması, kritik sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklıkta aşırı derecede sıkılaştırılması yoluyla elde edilebilir. Bu sonuç, Güneş’in ve bazı yıldızların çekirdeklerinin, söz konusu gök cisimlerinin çok yüksek sıcaklıklarına karşın, katı olduklarının düşünülmesini sağlar. Bu yıldızların içinde, insanoğlunun gerçekleştirebildiği en yüksek basınçların (30000 bar) bile pek düşük kaldığı, çok büyük basınçların bulunması olasılığı vardır.
Gazların Kullanım Alanları
Gaz moleküllerinin aşırı hareketliliği, gazların ilgilerini (afinite) hızla en yüksek düzeyde ortaya koymalarını sağlar ve çok düşük bir sıcaklıkta (-250 derece’de) bile, hidrojenle flüorun şiddetli biçimde birleştiği gözlenebilir. Isıtma için, kömür gazı, zayıf gaz (karbonoksit), su gazı (hidrojen ve karbonoksit) ile benzin, alkol, petrol ve mazon buharları kullanılır.
Hareket ettirici kuvvet elde etmek için, aynı gaz ya da buharların veya önceden sıkıştırılmış bir gazın (sıkıştırılmış hava) genleşmesinden yararlanılır. Sıkıştırılmış bir gazın ani genleşmesi ya da sıvı bir gazın ani genleşmesi ya da sıvı bir gazın hızla buharlaştırılması sonucundaysa, güçlü bir soğutma sağlanır.
Isınmada ve Aydınlatmada Kullanılan Gaz
Isınmada gaz kullanımı, İlkçağ’dan bu yana bilinir. Söz gelimi Aristoteles, Perslerden söz ederken bu konuya değinmiştir. Ama odun gazı ya da kömür gazının aydınlatmada ilk kez uygulanmasını, Fransız Philippe Lebon (1764-1804) gerçekleştirmiştir.
Üretim
Bu gaz, çoğunlukla gazojenlerden gelen gazlar aracılığıyla, taş kömürünün, karnilerde ya da 1000-1400 derece sıcaklığa kadar ısıtılmış odalarda damıtılması (ya da karbonlaştırma) yoluyla elde edilir. Açığa çıkan gaz, fiziksel bir arıtmadan geçirilerek, sudan, katrandan ve amonyak buharlarından temizlenir. Son olarak, tümüyle arıtılan gaz, gazometreye geri püskürtülür ve dağıtım buradan yapılır.
Doğal Gaz
Binlerce yıldır bilinen doğal gazı Çinliler, tuz yataklarından çıkartırlardı. A.B.D. doğal gaz çıkartmaya 1930 yılında başladı. 1960’ta, Batı Avrupa, S.S.C.B. ve Kuzey Afrika’da önemli doğal gaz yataklarının bulunması, dünya çapında kullanımlarının gelişmesine yol açtı.
Doğal gaz ile petrolün kökleri aynıdır. Bu gaz, çoğunlukla, petrol yataklarının üstünde bulunur. Doğal gaz, temel olarak, metan (yatağa göre %70-95 oranında), propan, etan, bütan ve bazen de, sülfürlü hirojenden oluşur. Doğal gazın ısı gücü, metre küpte yaklaşık 10 termidir.
Üretim, Depolama, Dağıtım
Doğal gaz, petrolle aynı yöntemlerle elde edilir; %81-97 arasında bir metan oranı elde etme k için de arıtılır (yoğunlaştırma , sülfürden, arıtma, gazlardan arıtma). Söz gelimi, Fransa’da çıkarılan Lacq gazı, bir milyon metre küp ham gazdan, 650.000 metre küp arıtılmış gaz, 200 ton kükürt, 20 ton propan ve bütan, 40 ton benzin elde edilmesini sağlar. Arıtılmış doğal gaz, gaz boruları ya da metan gemileriyle taşınır. Gaz borularının çapı, 2,5 m’yi bulabilir; 80 km aralıklarla yerleştirilmiş sıkıştırma istasyonları sayesinde, içlerindeki basınç 70 bar dolaylarında tutulur. Metan taşıyıcılarında doğal gazın taşınması için, bunun önce -160 derece sıcaklıkta sıvılaştırılması gerekir.
Doğal gaz, sığası birkaç milyar metre küp gaza erişebilen yeraltı depolarında (eski gazometreler yavaş yavaş ortadan kalkmaktadır) depolanır. Depolama işlemi sulu tabakalarda (gaz, suyla ıslatılmış kumla karıştırılır) ya da tuz tabakaları içinde (gaz tuzun tatlı su da çözündürülmesiyle elde edilen boşluklara doldurulur) yapılır. Dağıtım, çapı bir metreye erişebilen borulardan oluşmuş bir şebekeyle sağlanır. Gaz basıncı, genleşme bölümlerine göre, 4 bar ve 50 milibar (ortalama basınçlı gaz) arasında değişen basınçlara düşürülür.
Uygulama Alanları
Doğal gazın yüksek ısı gücü (10 th/metre küp) ve hava kirliliğine neden olması, kullanımın son yıllarda önemli ölçüde yaygınlaşmasına neden oldu. Doğal gaz, mutfaklarda, binaların ısıtılmasında, sıcak su elde edilmesinde, havuzların, sanayi fırınlarının ısıtılmasında, ayrıca termik santrallar da ve azotlu gübreler, amonyak ve plastik maddeler üretimi için kimya sanayisinde de kullanılır. Öte yandan, doğal gazın taşıt yakıtı olarak kullanılması için bir çok ülkede çeşitli araştırmalar yapılmıştır.
Doğal gaz, temiz bir yakıttır. Yanarken, ne kül bırakır, ne de zehirli madde üretir; yalnızca karbondioksit gazı ve su buharı açığa çıkarır. Bununla birlikte, her zaman, patlama tehlikesi vardır.
Bir patlama olması için, doğal gazın kapalı bir yerde %5-15 oranında havayla karışması ve bir alev ya da kıvılcımla karşılaşması gerekir.