ガス

気相粒子（ 原子、 分子、または イオン）は、電界が印加されていない状態で自由に動き回り ます。

強力な顕微鏡でガスを観察できれば、ほぼランダムな動きをしている明確な形状や体積のない粒子の集まりを見ることができます。これらのガス粒子は、別の粒子またはコンテナの側面と衝突したときにのみ方向を変えます。このガスの微視的見方は統計力学によってよく説明されていますが、多くの異なる理論によって説明することができます。これらの衝突が完全に弾性であると仮定する気体の運動論は、引力と斥力の分子間力を考慮していません。

気体の運動論

運動論は、気体の分子組成と運動を考慮することにより、気体の巨視的特性への洞察を提供します。定義から始まる運動量と運動エネルギー、^[16]一方が使用できる運動量の保存分子当たりの運動エネルギーの微視的性質に温度および圧力の巨視的なシステム特性に関連して、立方体の幾何学的関係を。理論は、これら2つのプロパティの平均値を提供します。

気体の運動論は、システム（考慮されている気体粒子の集まり）が温度の変化にどのように反応し、それに対応して運動エネルギーが変化するかを説明するのに役立ちます。

例：固定サイズ（一定の体積）の密閉容器があり、固定数のガス粒子が入っているとします。出発して絶対零（原子または分子が熱的エネルギーを持っていないれる理論上の温度、すなわち、移動または振動していない）、そう内部の粒子にエネルギーを転送することを、容器を加熱することにより、システムにエネルギーを追加し始めます。そのいったん内部エネルギーが上にある零点エネルギーその意味、運動（としても知られているエネルギーの熱エネルギー）が非ゼロである、ガス粒子が容器の周りに移動し始めます。ボックスがさらに加熱されると（より多くのエネルギーが追加されると）、システムの内部エネルギーの合計が増加するにつれて、個々の粒子の平均速度が増加します。全ての粒子リードのより高い平均速度大きいのに対して速度れる衝突が（すなわち、単位時間当たりの衝突のより多く）、粒子と容器との間、ならびに粒子自体の間で起こります。

マクロSCOPICの測定可能な量の圧力は、これらの直接的な結果である微小面とSCOPIC粒子衝突、個々の分子が小さな力を加える、その上、全体の力に対する各寄与は、特定のエリア内で適用されます。（上記のセクション「ガスの巨視的ビュー」の「圧力」をお読みください。）

同様に、巨視的に測定可能な温度の量は、粒子が示す運動の全体的な量、または運動エネルギーの定量化です。（上記のセクション「ガスの巨視的ビュー」の「温度」をお読みください。）

熱運動と統計力学

気体の運動理論では、運動エネルギーは、システム内の粒子の速度分布に応じた線形移動のみで構成されていると想定されています。ただし、実在気体やその他の実在物質では、システムの運動エネルギーを定義する運動（集合的に温度を決定する）は、分子の構造がより複雑であるため、単一の原子と比較して、単純な線形並進よりもはるかに複雑です。ポイントマスと同様に動作します。実際の熱力学系では、量子現象が熱運動の決定に大きな役割を果たします。分子内のランダムな熱運動（運動エネルギー）は、並進、回転、振動など、可能な運動の有限集合の組み合わせです。この有限範囲の可能な運動は、システム内の分子の有限集合とともに、システム内のミクロ状態の有限数につながります。すべてのマイクロステートのセットをアンサンブルと呼びます。原子または分子システムに固有で、状況に応じて、ミクロカノニカルアンサンブル、カノニカルアンサンブル、またはグランドカノニカルアンサンブルの3種類のアンサンブルが存在する可能性があります。アンサンブル内のミクロ状態の特定の組み合わせは、システムのマクロ状態（温度、圧力、エネルギーなど）を実際に定義する方法です。そのためには、最初にパーティション関数を使用してすべてのマイクロステートをカウントする必要があります。統計力学と分配関数の使用は、システムの微視的状態と、温度、圧力、熱容量などの測定可能な巨視的変数との間の接続の鍵となるため、すべての物理化学全体で重要なツールです。 、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピーなどです。（読み取り：パーティション関数の意味と重要性）

分配関数を使用して分子または分子のシステムのエネルギーを見つけることは、計算を大幅に簡素化する等分配の定理によって近似できる場合があります。ただし、この方法では、すべての分子の自由度が均等に設定されていることを前提としているため、分子内にエネルギーを保存するために均等に利用されます。これは、内部エネルギーが温度とともに直線的に変化することを意味しますが、そうではありません。これは、低温では一定の自由度に到達できない（別名「凍結」）ため、熱容量が温度とともに変化するという事実を無視します。分子の内部エネルギーが増加すると、追加の自由度内でエネルギーを貯蔵する能力も増加します。エネルギーを保持するためにより多くの自由度が利用可能になると、これにより物質のモル熱容量が増加します。^[17]

ガス粒子のランダムな動きは拡散をもたらし ます。

ブラウン運動

ブラウン運動は、流体に浮遊する粒子のランダムな動きを説明するために使用される数学モデルです。ピンクと緑の粒子を使用したガス粒子アニメーションは、この動作がどのようにガスの拡散（エントロピー）をもたらすかを示しています。これらのイベントは、粒子理論によっても説明されます。

個々のガス粒子（原子または分子）を観察することは現在の技術の限界（またはそれを超えて）であるため、理論計算のみがそれらの動きについての示唆を与えますが、ブラウン運動はスムーズな抗力を伴うため、ブラウン運動とは異なります。個々の（またはいくつかの）ガス分子と粒子との激しい衝突によって中断された、多くのガス分子の摩擦力に。したがって、粒子（一般に数百万または数十億の原子で構成される）はギザギザのコースで移動しますが、個々のガス分子を調べた場合に予想されるほどギザギザではありません。

分子間力-実気体と理想気体の主な違い

引力または反発力のいずれかである、2つ以上の分子または原子間の力は、分子間力と呼ばれます。分子間力は、分子が互いに物理的に近接しているときに発生します。これらの力は、あらゆるシステムの分子の微視的挙動を正確に予測するため、分子システムを適切にモデル化するために非常に重要です。したがって、物理的条件の幅広い変動にわたる気体（および液体）の物理的特性を正確に予測するために必要です。

物理化学の研究から生まれた、物理学全体で最も顕著な分子間力の1つは、ファンデルワールス力です。ファンデルワールス力は、粘度、流量、ガス力学など、流体のほぼすべての物理的特性を決定する上で重要な役割を果たします（物理的特性のセクションを参照）。気体分子間のファンデルワールス相互作用が、「実在気体」のモデル化が「理想気体」よりも数学的に難しい理由です。これらの近接依存力を無視すると、実在気体を理想気体のように扱うことができ、計算が大幅に簡素化されます。

実在気体の非理想性を表す等温曲線 。圧力が変化するにつれて発生する体積の変化（Z、圧縮率で示される ）。圧縮率Zは、比率Z = PV / nRTに等しくなります。圧縮率Z = 1の理想気体は、y軸が1に等しい水平線で表されます。非理想気体は、Z = 1より上または下の気体の偏差として説明できます。

2つのガス分子間の分子間引力と反発力は、それらの間の距離の量に依存します。結合された引力と反発力は、分子システムのポテンシャルエネルギーを説明するすべての原子間ポテンシャルの中で最も広く研究されているレナードジョーンズポテンシャルによって適切にモデル化されています。分子間のレナードジョーンズポテンシャルは、ロンドン分散力による長距離引力と、電子-電子交換相互作用による短距離反発（パウリの排他原理に関連する）の2つの別々の要素に分解できます。）。

2つの分子が比較的離れている場合（つまり、位置エネルギーが高い場合）、引き付け力が弱くなり、互いに向かって移動し、位置エネルギーが低下します。ただし、分子が遠すぎると、重要な引力は発生しません。さらに、分子が近づきすぎると衝突し、非常に高い反発力（剛体球でモデル化）が発生します。これは、引力よりもはるかに強い力であるため、近接による引力は無視されます。

2つの分子が近すぎたり近すぎたりしない距離から互いに近づくと、位置エネルギーの大きさが増加するにつれて引力が増加し（より負になり）、内部エネルギーの合計が減少します。^[18]分子を近づける引力は、分子が物理的に近づくのにかかる時間の間、分子が近接したままである場合にのみ発生する可能性があります。したがって、分子が低速で移動するときに引力が最も強くなります。これは、ガス温度が低いときに分子間の引力が重要であることを意味します。ただし、この冷たいガスを等温圧縮して少量にし、分子を強制的に近接させて圧力を上げると、衝突の発生率が大幅に増加するため、反発力がアトラクションを支配し始めます。したがって、低温および低圧では、引力が支配的な分子間相互作用です。

2つの分子が交差しない経路に沿って任意の方向に高速で移動している場合、それらは魅力的なロンドン分散力の影響を受けるのに十分な時間を近接して費やすことはありません。2つの分子が衝突すると、移動速度が速すぎて、運動エネルギーが魅力的な位置エネルギーよりもはるかに大きくなるため、衝突時にのみ反発が発生します。したがって、分子間の引力は、高速であるため、高温では無視できます。高温高圧では、反発力が主要な分子間相互作用です。

これらの引力と反発を引き起こす上記の影響、実在気体を説明すると、次の一般化によって理想気体モデルから描写されます。^[19]

• 低温および低圧では、実在気体が占める体積は、理想気体の法則によって予測される体積よりも小さくなります。
• 高温高圧では、実在気体が占める体積は、理想気体の法則によって予測される体積よりも大きくなります。

状態方程式（ガス用）が概ね記述または気体の状態の特性を予測するために使用される数学的モデルです。現在、すべての条件下ですべてのガスの特性を正確に予測する単一の状態方程式はありません。したがって、特定の温度および圧力範囲のガスについて、はるかに正確な状態方程式が数多く開発されています。最も広く議論されている「気体モデル」は、「完全気体」、「理想気体」、「実在気体」です。これらの各モデルには、特定の熱力学系の解析を容易にするための独自の一連の仮定があります。^[20]連続する各モデルは、適用されるカバレッジの温度範囲を拡大します。

理想気体と完全気体

状態方程式理想的または完全気体のためには、理想気体の法則と読み込み

${\ displaystyle PV = nRT、}$

ここで、Pは圧力、Vは体積、nはガスの量（モル単位）、Rはユニバーサルガス定数、8.314 J /（mol K）、Tは温度です。このように書かれているので、分子数nを強調しているため、「化学者版」と呼ばれることもあります。次のように書くこともできます

${\ displaystyle P = \ rho R_ {s} T、}$

どこ ${\ displaystyle R_ {s}}$は特定のガスの特定のガス定数で、単位はJ /（kg K）で、ρ= m / Vは密度です。この表記は「ガスダイナミスト」バージョンであり、化学反応を伴わない加速を伴うガス流のモデリングでより実用的です。

理想気体の法則は、気体の比熱についての仮定をしていません。最も一般的なケースでは、比熱は温度と圧力の両方の関数です。特定のアプリケーションで圧力依存性（および場合によっては温度依存性も）が無視される場合、正確な仮定は著者や科学分野によって異なる場合がありますが、ガスは完全気体であると言われることがあります。

理想気体の場合、比熱の制限なしに理想気体の法則が適用されます。理想気体は、圧縮率 Zが1に設定されていると仮定した単純化された「実在気体」であり、この空気圧比が一定のままであることを意味します。圧縮率が1の場合、理想気体の法則に従うために4つの状態変数も必要です。

この近似はエンジニアリングのアプリケーションに適していますが、より単純なモデルを使用して、実際のソリューションがどこにあるべきかに関する「ボールパーク」範囲を生成できます。「理想気体近似」が適切である例は、ジェットエンジンの燃焼室内である。^[21]排出量を計算するために素反応と化学解離を維持することも有用かもしれません。

実在ガス

1990年4月21日、アラスカのリダウト山の噴火 。熱力学的平衡にない実在ガスを示しています。

以下にリストされている仮定のそれぞれは、問題の解決策の複雑さを増します。ガスの密度が圧力の上昇とともに増加するにつれて、分子間力はガスの挙動においてより重要な役割を果たし、理想気体の法則はもはや「合理的な」結果を提供しなくなります。エンジン温度範囲の上限（例：燃焼器セクション– 1300 K）では、複雑な燃料粒子が回転と振動によって内部エネルギーを吸収し、比熱が二原子分子や希ガスの比熱とは異なります。その温度の2倍を超えると、ガス粒子の電子励起と解離が発生し始め、圧力がより多くの粒子に調整されます（ガスからプラズマへの遷移）。^[22]最後に、すべての熱力学的プロセスは、速度が一定の分布に従って変化する均一なガスを表すと推定されました。非平衡状態を使用することは、解を可能にするために流れ場を何らかの方法で特徴付けなければならないことを意味します。理想気体の法則の境界を拡大する最初の試みの一つは、異なるのカバレッジ含めることであった熱力学的プロセスを読み取るために式を調整することによってのpV ^N =定数、次に変えるNなどの異なる値を通るを特定熱率、γ。

実在ガスの影響には、より広範囲のガスの挙動を説明するために行われた調整が含まれます。

• 圧縮率の影響（Zは1.0から変化できます）
• 可変熱容量（比熱は温度によって異なります）
• ファンデルワールス力（圧縮率に関連し、他の状態方程式に置き換えることができます）
• 非平衡熱力学的効果
• 分子の解離とさまざまな組成の素反応に関する問題。

ほとんどのアプリケーションでは、このような詳細な分析は過剰です。実在ガスの影響が重大な影響を与える例は、非常に高い温度と圧力が存在するスペースシャトルの 再突入や、1990年のリダウト山の噴火の画像のように地質学的イベント中に生成されたガスです。

永久ガス

永久ガスとは、臨界温度が通常の人間が居住できる温度の範囲を下回っているため、この範囲内の圧力では液化できないガスに使用される用語です。歴史的に、そのようなガスは液化することが不可能であると考えられていたため、永久にガス状態のままでした。この用語は、周囲温度での貯蔵および高圧でのガスの輸送に関連しています。^[23]

ボイルの法則

ボイルの装備

ボイルの法則は、おそらく状態方程式の最初の表現でした。1662年、ロバートボイルは、一端が密閉されたJ字型のガラス管を使用して一連の実験を行いました。水銀がチューブに追加され、チューブの短い密閉された端に一定量の空気が閉じ込められました。次に、追加の水銀がチューブに追加されたときに、ガスの体積を注意深く測定しました。ガスの圧力は、チューブの短い方の端の水銀レベルと長い開いた端の水銀レベルの差によって決定できます。ボイルの機器の画像は、ボイルがガスの研究中に使用したエキゾチックなツールのいくつかを示しています。

これらの実験を通じて、ボイルは、一定の温度に保たれたガスによって加えられる圧力がガスの体積に反比例して変化することに気づきました。^[24]たとえば、体積が半分になると、圧力は2倍になります。体積が2倍になると、圧力は半分になります。圧力と体積の逆の関係が与えられると、圧力（P）と体積（V）の積は、温度が一定である限り、閉じ込められたガスの特定の質量に対して定数（k）になります。したがって、式として述べると、次のようになります。

${\ displaystyle PV = k}$

前後の温度が同じである一定量のガスの前後の体積と圧力は両方とも定数kに等しいため、これらは次の式で関連付けることができます。

${\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} = P_ {2} V_ {2}。}$

シャルルの法則

1787年、フランスの物理学者で気球のパイオニアであるジャックシャルルは、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、および空気が同じ80ケルビン間隔で同じ程度に膨張することを発見しました。彼は、一定圧力の理想気体の場合、体積はその温度に正比例すると述べました。

${\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {T_ {1}}} = {\ frac {V_ {2}} {T_ {2}}}}$

ゲイ・リュサックの法則

1802年、ジョセフルイゲイルサックは、より広範な実験ではあるが、同様の結果を発表した。^[25]ゲイ・ルサックは、チャールズの初期の業績を、彼に敬意を表して法律に名前を付けたことを認めた。ゲイ・ルサック自身は、1809年に発見した圧力を説明する法律の功績が認められています。理想気体によって容器の側面に加えられる圧力は、その温度に比例すると述べています。

${\ displaystyle {\ frac {P_ {1}} {T_ {1}}} = {\ frac {P_ {2}} {T_ {2}}} \、}$

アボガドロの法則

1811年、Amedeo Avogadroは、等量の純粋なガスに同数の粒子が含まれていることを確認しました。彼の理論は、別のイタリアの化学者スタニズラオカニッツァーロが非理想的な例外を説明することができた1858年まで一般的に受け入れられませんでした。1世紀前のガスに関する彼の研究では、アボガドロ定数という名前の数字は、12グラムの炭素12元素（6.022×10 ²³ mol ^-1）に含まれる原子の数を表しています。この特定の数のガス粒子は、標準の温度と圧力（理想気体の法則）で22.40リットルを占め、これはモル体積と呼ばれます。

アボガドロの法則によれば、理想気体が占める体積は、容器内に存在するモル（または分子）の数に比例します。これにより、ガスのモル体積が生じます。これは、STPでは22.4 dm ³（またはリットル）です。関係はによって与えられます

${\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {n_ {1}}} = {\ frac {V_ {2}} {n_ {2}}} \、}$

ここで、nはガスのモル数（分子の数をアボガドロの数で割った数）に等しくなります。

ドルトンの法則

ダルトンの表記。

1801年に、ジョンドルトンは、理想気体の法則の関係を持つ彼の研究からの部分圧力の法則を発表しました。非反応性ガスの混合物の圧力は、すべての構成ガスのみの圧力の合計に等しくなります。数学的には、これはn種について次のように表すことができます。

圧力_合計=圧力_1つの+圧力₂ + ... +圧_N

ダルトンの日記の画像は、彼がたどった道を記録するために彼が速記として使用した象徴を描いています。非反応性の「弾性流体」（気体）を混合したときの彼の主要なジャーナルの観察には、次のものがありました^。

• 液体とは異なり、重いガスは混合時に底にドリフトしませんでした。
• ガス粒子の同一性は、最終圧力を決定する上で何の役割も果たしませんでした（サイズが無視できるかのように動作しました）。

圧縮率

空気の圧縮率。

熱力学者は、この係数（Z）を使用して理想気体方程式を変更し、実在気体の圧縮率効果を説明します。この係数は、実際の比容積と理想的な比容積の比率を表します。設計目的で理想気体の法則の有効範囲を拡大するために、「ファッジファクター」または補正と呼ばれることもあります。通常、このZ値は1に非常に近い値です。圧縮率の画像は、非常に低い温度範囲でZがどのように変化するかを示しています。

レイノルズ数

流体力学では、レイノルズ数が慣性力（の比であるV _S ρ粘性力（へ）μ/ L）。これは、流体力学で最も重要な無次元数の1つであり、通常は他の無次元数とともに、動的相似則を決定するための基準を提供するために使用されます。このように、レイノルズ数は、モデリング結果（設計）と実物大の実際の条件との間のリンクを提供します。また、フローの特性評価にも使用できます。

粘度

1999年9月15日のロビンソンクルーソー諸島付近の気象パターンの衛星ビューは 、カルマン渦列と呼ばれる乱流の雲のパターンを示してい ます

物理的特性である粘度は、隣接する分子が互いにどれだけよく付着しているかの尺度です。固体は、これらの粘着性のある分子間力の強さにより、せん断力に耐えることができます。同様の負荷がかかると、流体は継続的に変形します。気体は液体よりも粘度の値が低くなりますが、それでも観察可能な特性です。ガスに粘性がない場合、ガスは翼の表面に付着して境界層を形成しません。研究デルタ翼におけるシュリーレンの画像は、（境界層の項を参照）、ガス粒子が互いに付着していることがわかります。

乱気流

風洞のデルタ翼。影は、ガスがこの翼の前縁で圧縮されるときに、ガス内で屈折率が変化するときに形成されます。

流体力学では、乱流または乱流は、カオス的で確率的な特性の変化を特徴とする流れレジームです。これには、低運動量拡散、高運動量対流、および空間と時間における圧力と速度の急激な変化が含まれます。ロビンソンクルーソー諸島周辺の天気の衛星写真は、その一例です。

境界層

パーティクルは、事実上、その中を移動するオブジェクトの表面に「付着」します。この粒子の層は境界層と呼ばれます。オブジェクトの表面では、表面の摩擦のために本質的に静的です。境界層を持つオブジェクトは、事実上、オブジェクトが近づくにつれて残りの分子が「見る」オブジェクトの新しい形状です。この境界層は表面から分離することができ、本質的に新しい表面を作成し、流路を完全に変更します。この古典的な例は、失速する翼型です。デルタ翼の画像は、ガスが前縁に沿って右から左に流れるにつれて境界層が厚くなることを明確に示しています。

最大エントロピー原理

自由度の総数が無限大に近づくと、システムは最高の多重度に対応するマクロ状態になります。この原理を説明するために、凍結した金属棒の皮膚温度を観察します。皮膚温度の熱画像を使用して、表面の温度分布に注意してください。この最初の温度観測は「ミクロ状態」を表しています。将来のある時点で、皮膚温度の2回目の観察により、2回目のミクロ状態が生成されます。この観察プロセスを継続することにより、バーの表面の熱履歴を示す一連のミクロ状態を生成することができます。この歴史的な一連のミクロ状態の特性評価は、それらすべてを1つのグループに正常に分類するマクロ状態を選択することで可能になります。

熱力学的平衡

エネルギー伝達がシステムから停止すると、この状態は熱力学的平衡と呼ばれます。通常、この状態は、システムと周囲が同じ温度にあるため、それらの間で熱が伝達されないことを意味します。また、外力のバランスが取れており（体積は変化しない）、システム内のすべての化学反応が完了していることも意味します。これらのイベントのタイムラインは、問題のシステムによって異なります。室温で溶ける氷の容器は数時間かかりますが、半導体では、デバイスがオンからオフの状態に移行するときに発生する熱伝達は、数ナノ秒のオーダーになる可能性があります。

物質の相転移（

• v
• t
• e

）。

		に
		固体	液体	ガス	プラズマ
から	固体		溶融	昇華
	液体	凍結		気化
	ガス	証言録取	結露		イオン化
	プラズマ			組換え

• 温室効果ガス
• ガスのリスト
• 天然ガス
• 火山ガス
• 呼吸ガス
• 風

• アンダーソン、ジョンD.（1984）。エアロダイナミクスの基礎。マグロウヒル高等教育。ISBN 978-0-07-001656-9。
• ジョン、ジェームズ（1984）。ガスダイナミクス。アリンアンドベーコン。ISBN 978-0-205-08014-4。
• マクファーソン、ウィリアム; ヘンダーソン、ウィリアム（1917年）。化学の初歩的な研究。

• フィリップヒルとカールピーターソン。推進力の力学と熱力学：第2版Addison-Wesley、1992年。 ISBN  0-201-14659-2
• 国立航空宇宙局（NASA）。アニメーションガスラボ。2008年2月にアクセス。
• ジョージア州立大学。HyperPhysics。2008年2月にアクセス。
• アントニールイスWordWeb。2008年2月にアクセス。
• ノースウェスタンミシガン大学ガス状州。2008年2月にアクセス。
• Lewes、Vivian Byam; ランジ、ゲオルク（1911）。「ガス」 。ブリタニカ百科事典。11（第11版）。p。481–493。