αέριο

Σώμα σε κατάσταση τέτοια που δεν χαρακτηρίζεται ούτε από το σχήμα ούτε από τον όγκο του και αυτό οφείλεται στη σχεδόν πλήρη ελευθερία κίνησης των συστατικών σωματιδίων του και των σχετικά μεγάλων αποστάσεων μεταξύ τους. Η ύπαρξη χώρου μεταξύ των σωματιδίων κάνει τα α. συμπιεστά σε αξιοσημείωτο βαθμό. Ο όρος α. χρησιμοποιείται συνήθως για ουσίες που βρίσκονται σε αέρια κατάσταση στις κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, ενώ ο όρος ατμός χρησιμοποιείται για ουσίες που, αν και κανονικά είναι υγρές ή στερεές, οικειοποιούνται την αέρια κατάσταση κάτω από ειδικές συνθήκες θερμοκρασίας ή πίεσης (υψηλές θερμοκρασίες, χαμηλές πιέσεις). Μερικά χημικά στοιχεία είναι α. σε συνήθεις θερμοκρασίες, όπως π.χ. τα στοιχεία υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, φθόριο, χλώριο, ήλιο, νέο και αργό. Ένας μεγάλος αριθμός χημικών ενώσεων είναι συνήθως α. και σε αυτές συμπεριλαβάνονται η αμμωνία, το υδροχλώριο, το μονοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο, το αιθυλένιο, το ακετυλένιο, το υδροκυάνιο και τα οξείδια του αζώτου. Ένα σπουδαίο χαρακτηριστικό των α. είναι η τάση οποιασδήποτε ποσότητας, όσο μικρή και αν είναι, να κατέχει όλο το χώρο που βρίσκει στη διάθεσή της. Αυτή η διαστολή α., που κατέχει τον διαθέσιμο χώρο, έχει ως κατάληξη την εκδήλωση πίεσης στα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει ή στην οποιαδήποτε επιφάνεια με την οποία έρχεται σε επαφή (πίεση είναι δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας). Όλα τα α. που βρίσκονται σε κλειστό χώρο παρουσιάζουν τη δική τους πίεση, όγκο και θερμοκρασία, τα μεγέθη των οποίων εξαρτώνται το ένα από το άλλο, δηλαδή δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Εάν δύο από τα μεγέθη αυτά είναι ορισμένα, τότε το τρίτο μέγεθος μπορεί να υπολογιστεί πλήρως. Για παράδειγμα, εάν η πίεση ενός α. είναι καθορισμένη, τότε για κάθε δεδομένη θερμοκρασία υπάρχουν οι αντίστοιχοι όγκοι του. Κατά συνέπεια, αν δώσουμε μια ορισμένη τιμή στο ένα από τα μεγέθη, η μεταβολή ενός από τα υπόλοιπα δύο προκαλεί αντίστοιχη μεταβολή του τρίτου. Έτσι, αν μεταβάλλουμε την πίεση, διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, μεταβάλλεται o όγκος τον οποίο κατέχει μια ορισμένη ποσότητα του α. Κάτω από ορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, τα α. μπορεί να μετατραπούν στις υγρές ή στερεές καταστάσεις τους. Αντίστροφα, μερικά στερεά και όλα τα υγρά μπορούν να μεταπηδήσουν στην αέρια κατάσταση σε κατάλληλες χαμηλές πιέσεις ή όταν αυτά μπορούν να φτάσουν σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία χωρίς αποσύνθεση. Για κάθε α. υπάρχει μια κρίσιμη θερμοκρασία, πάνω από την οποία η υγροποίησή του είναι αδύνατη όσο μεγάλη πίεση και αν εφαρμοστεί. Τα κοινά α. είναι ουσίες που έχουν μια κρίσιμη θερμοκρασία υπό τις συνήθεις ατμοσφαιρικές θερμοκρασίες. Η συστηματική μελέτη της φυσικής συμπεριφοράς των α. άρχισε τον 17o αι. από τον Ρόμπερτ Μπόιλ, o οποίος κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, για μια σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος ενός α. μεταβάλλεται κατά τρόπο αντίστροφο προς την πίεση. Αυτό σημαίνει ότι, για κάθε δεδομένη θερμοκρασία, ο όγκος όταν πολλαπλασιάζεται με την πίεση δίνει ένα γινόμενο σταθερό. Αυτό είναι γνωστό ως νόμος του Μπόιλ και εκφράζεται με την εξίσωση: pV = σταθερό ή pV = K Τη σχέση αυτή ανακάλυψε, τελείως ανεξάρτητα, δεκαπέντε χρόνια αργότερα, και o Γάλλος Εντμ Μαριότ (1620-1684) και σήμερα είναι γνωστή ως νόμος των Μπόιλ και Μαριότ. Πρέπει να τονιστεί ότι στην πραγματικότητα o νόμος αυτός είναι με ακρίβεια ορθός μόνο για ένα ιδανικό α., δηλαδή για ένα α. στο οποίο δεν υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων από τα οποία αυτό αποτελείται· εφαρμόζεται όμως με μια καλή προσέγγιση σε όλα τα πραγματικά α., αλλά σε χαμηλές πιέσεις και πολύ μακριά από τις κρίσιμες θερμοκρασίες τους. Ένας άλλος θεμελιώδης νόμος των α. είναι εκείνος που ανακάλυψε πρώτος ο Γ. Άμοντονς και το οποίο αργότερα ανακάλυψαν πάλι οι Τσαρλς και Γκέι-Λουσάκ και είναι γνωστός ως νόμος του Τσαρλς ή μερικές φορές ως πρώτος νόμος του Γκέι-Λουσάκ. Ο νόμος αυτός καθορίζει ότι o όγκος ενός α. υπό σταθερή πίεση είναι ανάλογος προς την απόλυτη θερμοκρασία του. Αυτό ισοδυναμεί με την έκφραση ότι ίσοι όγκοι όλων των α., υπό τις ίδιες πιέσεις, διαστέλλονται ή συστέλλονται εξίσου στις ίδιες μεταβολές θερμοκρασίας και μπορεί να εκφραστεί με την εξίσωση: V/T = σταθερό, όπου Τ είναι η θερμοκρασία που μετράται στην απόλυτη κλίμακα, στην οποία μηδέν είναι το -273°C. Είναι φανερό ότι και οι δύο νόμοι μπορεί να δοθούν με τη γενική έκφραση: pV = σταθερό, ή pV = RT Εάν η ποσότητα του α. εκφράζεται με γραμμομοριακά βάρη ή με γραμμομόρια που συμβολίζονται με n, τότε καταλήγουμε στην καταστατική εξίσωση των α., την εξής: pV = nRT. Η καταστατική εξίσωση των α. είναι πάρα πολύ σπουδαία και βοήθησε να λυθούν πολλά προβλήματα (ισχύει για τα ιδανικά α. με ακρίβεια) και έτσι αξίζει να παρακολουθήσουμε την ανάπτυξή της. Στον Γκέι-Λουσάκ οφείλεται η ακριβής μέτρηση της μεταβολής του όγκου, την οποία υφίσταται ένα α. ως επακόλουθο της αύξησης της θερμοκρασίας του, όταν διατηρείται σταθερή η πίεση. Μεταξύ 1 και 100°C o συντελεστής διαστολής (δηλαδή η διαστολή ή συστολή που προκαλείται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1°C) είναι: Έτσι προκύπτει ότι o όγκος ενός α. σε θερμοκρασία t είναι: όπου V₀ ο όγκος του α. σε 0°C και στην πίεση που δίνεται και t η θερμοκρασία η οποία εκφράζεται σε βαθμούς Κελσίου. Στη σχέση αυτή, που εκφράζει τον νόμο του Γκέι-Λουσάκ, o όρος (1 + αt) ονομάζεται διώνυμο διαστολής. Αντίστοιχος είναι ο νόμος που εξετάζει τη μεταβολή της πίεσης εξαιτίας της μεταβολής της θερμοκρασίας, ενώ ο όγκος του α. διατηρείται σταθερός: Για να καθοριστεί η σχέση που συνδέει μεταξύ τους τις μεταβολές της θερμοκρασίας, πίεσης και όγκου, υπολογίζεται το πέρασμα μιας δεδομένης ποσότητας α. από μια κατάσταση που τη χαρακτηρίζει η πίεση p0, o όγκος V₀ και η θερμοκρασία 0°C, σε μια κατάσταση όπου αυτά τα μεγέθη παίρνουν τις τιμές p, V και t. Αρχικά μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία του α. από 0°C σε t°C μεταβάλλοντας έτσι και τον όγκο, ενώ η πίεση μένει σταθερή (ανάλογοςείναι o συλλογισμός εάν μεταβάλλουμε την πίεση διατηρώντας σταθερό τον όγκο) έως την τιμή V’ που θα τη δώσει ο νόμος του Γκέι-Λουσάκ. V’ = V₀ (1 + αt) οπότε έχουμε: P₀V = P₀V₀ (1 + αt) Σύμφωνα όμως με τον νόμο του Μπόιλ, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, το γινόμενο της πίεσης επί τον όγκο δεδομένης ποσότητας α. είναι σταθερό, οπότε: p₀V’ = σταθερό Αν τώρα διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία μεταβάλλουμε την πίεση ώσπου να φτάσει την τιμή p και μεταβληθεί ανάλογα και ο όγκος κατά τρόπο που να μη μεταβάλλεται η τιμή του γινόμενου, θα προκύψει: pV = p₀V’ και αν αντικαταστήσουμε την τιμή V’ που βρήκαμε πριν, θα έχουμε: pV = p₀V’ = p₀V₀ (1 + αt), εξίσωση που προσδιορίζει την κατάσταση ενός α. και που γι’ αυτό λέγεται καταστατική εξίσωση. Αν τώρα, αντί να έχουμε τη θερμοκρασία t (έτσι ώστε t₀ = 0° να αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του λιωμένου πάγου), πάρουμε μια θερμομετρική κλίμακα όπου το μηδέν να είναι ίσο προς t = –273°C και παραστήσουμε με Τ τη σχετική θερμοκρασία στη νέα αυτή τιμή του μηδενός, o νόμος ο οποίος δίνει τον όγκο που καταλαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα α., σε δεδομένη θερμοκρασία, θα παρασταθεί:  Από τον τύπο που δίνει τον συντελεστή διαστολής προκύπτει ότι, αν υποβάλλαμε ένα α. στη θερμοκρασία -273°C, θα έπρεπε να μηδενιστεί ο όγκος του και ότι για χαμηλότερες ακόμα θερμοκρασίες θα γινόταν αρνητικός, πράγμα που από φυσική άποψη είναι παράλογο. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η θερμοκρασία των -273°C μπορεί να θεωρηθεί ως η χαμηλότερη δυνατή, δηλαδή ως απόλυτο μηδέν. Η θερμομετρική κλίμακα που έχει το μηδέν 273°C κάτω από τη θερμοκρασία του λιωμένου πάγου (σε πίεση μιας ατμόσφαιρας) ονομάζεται απόλυτη κλίμακακλίμακα του Κέλβιν –από το όνομα του λόρδου Κέλβιν που την πρότεινε το 1848– και η θερμοκρασία Τ που εκφράζεται με καθορισμό του μηδενός στους -273°C λέγεται απόλυτη θερμοκρασία και εκφράζεται σε βαθμούς Κέλβιν (°Κ). Το βαθύτερο νόημα αυτού του ορισμού της απόλυτης θερμοκρασίας και της τιμής που παίρνει στην απόλυτη κλίμακα το μηδέν γίνεται αντιληπτό με την κινητική θεωρία τωνα. που εκτίθεται παρακάτω. Αντικαθιστώντας στην καταστατική εξίσωση τη θερμοκρασία t με την απόλυτη θερμοκρασία Τ, επειδή  θα έχουμε: pV = P₀V₀ (1 + at) = p₀V₀ αT Δεδομένου όμως ότι p₀ και α είναι σταθερά (ίσα αντιστοίχως προς 1 ατμόσφαιρα και α = 1/273) και V₀ είναι ορισμένο για μια δεδομένη ποσότητα α., αυτά μπορούμε να τα συμπεριλάβουμε σε μια σταθερά και καταλήγουμε στην εξίσωση: pV = RT και pV = nRT που είναι η καταστατική εξίσωση των ιδανικών α., όπου R καλείται η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών α. και έχει την τιμή:  Ακριβέστερα, επειδή το απόλυτο μηδέν της εκατοστιαίας απόλυτης κλίμακας δεν είναι 273°Κ αλλά 273,15°K  Οι νόμοι των α. και η καταστατική εξίσωση που αναφέραμε παραπάνω ισχύουν αυστηρά, όπως έχει ήδη αναφερθεί, για τα καλούμενα τέλεια α. ή ιδανικά α. Η συμπεριφορά των πραγματικών α. απομακρύνεται από τους νόμους αυτούς, λιγότερο ή περισσότερο, ανάλογα με τις δυνάμεις που ασκούνται στα σωματίδια που τα συγκροτούν. Αν στην παράσταση της καταστατικής εξίσωσης ληφθεί υπόψη, εκτός από την εξωτερική πίεση που ασκείται στο α., και η έλξη που υπάρχει μεταξύ των μορίων, η τιμή p πρέπει να αντικατασταθεί με την τιμή:  όπου α είναι μία σταθερά και V ο όγκος που καταλαμβάνει ένα α. σε 0°C και 1 ατμόσφαιρα·o όγκος V πρέπει να αντικατασταθεί από τον όρο (V-b) όπου b είναι ο όγκος που καταλαμβάνουν τα μόρια. Αν ληφθεί υπόψη και η έλξη μεταξύ των μορίων η καταστατική εξίσωση παίρνει τότε τη μορφή: και ονομάζεται εξίσωση του Bαν ντερ Βάαλς. αέρια μείγματα.Η ολική πίεση ενός μείγματος α. που δεν αντιδρούν χημικά μεταξύ τους ισούται προς το άθροισμα των πιέσεων που θα ασκούσε το καθένα ξεχωριστάαν κατείχε μόνο του τον όγκο του μείγματος (μερική πίεση).Μπορούμε δηλαδή να πούμε ότι η πίεση ενός μείγματος α. δίνεται από το άθροισματων μερικών πιέσεων (νόμος του Ντάλτον).Οι νόμοι του Μπόιλ και του Γκέι-Λουσάκκαι οι καταστατικές εξισώσεις των α. (ακόμα και στην περίπτωση των πραγματικών α.) δεν ερμηνεύουν την εσωτερική υφή των α., αλλά στηρίζονται στη μακροσκοπική και θερμοδυναμική συμπεριφορά τους (βλ. λ. θερμοδυναμική). Τη θεωρητική ερμηνεία των μεγεθών που χαρακτηρίζουν την κατάσταση των α. και της συμπεριφοράς τους παρέχει η κινητική θεωρία των α. Ο νόμος του Αβογκάντρο για τα α., που τον πρότεινε ως υπόθεση το 1811 αλλά τον θεμελίωσε αργότερα, το 1858, o Κανιτσάρο, ορίζει ότι ίσοι όγκοι όλων των α. κάτω από τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Αυτό έχει ως επακόλουθο ότι κάθε δεδομένος όγκος ενός α. περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων με έναν ίσο όγκο υδρογόνου. Αυτό αποτέλεσε μία δυνατή βάση σύγκρισης. Αποδείχτηκε ότι ένα γραμμομόριο υδρογόνου (δηλαδή 2 γραμμάρια) καταλαμβάνει όγκο 22,412 λίτρων σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Αλλά είναι δεκτό ότι το μοριακό βάρος κάθε ουσίας είναι το συνολικό άθροισμα των ατομικών βαρών των στοιχείων που αποτελούν το μόριό της και αυτά είναι τα βάρη τους τα οποία συγκρίνονται με το βάρος ενός υδρογονατόμου (με μια πολύ μεγάλη προσέγγιση). Τα παραπάνω οδηγούν στο συμπέρασμα ότι τα γραμμομόρια όλων των α. καταλαμβάνουν επίσης όγκο 22,412 λίτρων σε κανονικές συνθήκες. Ο αριθμός των μορίων ενός α. στον όγκο αυτό, που συμβολίζεται με Ν και έχει επικυρωθεί ότι είναι ίσος με 6,0225.10²³, ονομάζεται αριθμός του Αβογκάντρο. Αυτός είναι πραγματικά τόσο τεράστιος, ώστε μας δείχνει ότι ακόμη και τα μεγαλύτερα μόρια των α. πρέπει να είναι απίθανα μικρά. Τoελαφρύτερο γνωστό α. είναι το υδρογόνο κι έτσι η πυκνότητα ενός α.μετράται με τη σύγκριση του βάρους ενός δεδομένου όγκου του α. με έναν ίσο όγκο υδρογόνου. Έναν σπουδαίο νόμο για τη συμπεριφορά των α. που σχετίζεται με τις πυκνότητές τους, ανακάλυψε ο Γκράχαμ το 1829. Είναι γνωστός ως νόμος διάχυσης του Γκράχαμ και αναφέρεται στις ταχύτητες με τις οποίες τα α. διαχέονται μέσω πορωδών υλικών, όπως είναι o μόροξος ή πορσελάνη που δεν έχει λειανθεί. Ο νόμος ορίζει ότι οι σχετικές ταχύτητες της διάχυσης των α. είναι αντιστρόφως ανάλογες προς την τετραγωνική ρίζα των πυκνοτήτων τους. Ο νόμος εφαρμόζεται εξίσου στην έκχυση (effusion) των α. μέσω μιας λεπτής οπής ή ενός στομίου προεξοχής (jet) και είναι σπουδαίος για τον πρακτικό διαχωρισμό μειγμάτων α. στα συστατικά τους, εάν αφήσουμε τα α.μείγματα να διαχυθούν ή να εκχυθούν σε κατάλληλες συσκευές. Η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για τον διαχωρισμό ουρανίου -235 από το ουράνιο -238 για την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας, όπου το κοινό ουράνιο πρώτα ενώθηκε χημικά με φθόριο, για να παραχθεί το αέριο προϊόν του, εξαφθοριούχο ουράνιο. Η πορεία της μεθόδου όμως ήταν αργή και έπρεπε πραγματικά να επαναληφθεί πολλές φορές, γιατί οι δύο ποικιλίες των αερίων προϊόντων έχουν παραπλήσιες πυκνότητες. κινητική θεωρίατων α.Η κινητική θεωρία των α. παίρνει ως βάση –όταν τα μελετά– ότι αυτά αποτελούνται από έναν υπερβολικά μεγάλο αριθμό σωματιδίων (μόρια ή άτομα) που βρίσκονται σε μια συνεχή κίνηση ή αναταραχή τα οποία συγκρούονται διαρκώς μεταξύ τους ή αποδεσμεύονται το ένα από το άλλο. Αυτό ισχύει μόνο για τα τέλεια α. ή για πραγματικά α. σε θερμοκρασία αρκετά υψηλή, ώστε η συνοχή των μορίων να γίνεται αμελητέα σε σχέση με την κινητική τους ενέργεια. Σύμφωνα με αυτή την άποψη, τα μακροσκοπικά (θερμοδυναμικά) μεγέθη που χαρακτηρίζουν την κατάσταση και τη συμπεριφορά ενός α. πρέπει να θεωρηθούν ως στατική συνισταμένη της συμπεριφοράς του καθενός σωματιδίου. Στην πραγματικότητα, σε συνήθεις συνθήκες τα περισσότερα α., στοιχεία ή χημικές ενώσεις αποτελούνται από μόρια, εκτός από τα ευγενή α. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες τα μόρια πολυάριθμων α. χωρίζονται στα άτομα που τα αποτελούν. Η κινητική θεωρία συσχετίζει τη στατική συμπεριφορά ενός μεγάλου αριθμού σωματιδίων, που ακολουθούν τους νόμους της μηχανικής, με τα θερμοδυναμικά μεγέθη που χαρακτηρίζουν την κατάσταση ενός μακροσκοπικού συστήματος. Ως βασικό αποτέλεσμα της συσχέτισης αυτής προκύπτει η αντιστοιχία μεταξύ κίνησης των μορίων και θερμοκρασίας ενός α. Η θερμοκρασία ενός α. (αλλά και ενός υγρού ή στερεού) είναι τόσο πιο μεγάλη (ευθέως ανάλογη) όσο πιο μεγάλη είναι η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων (μορίων ή ατόμων) που το αποτελούν. Θερμαίνοντας ένα α. σε σταθερό όγκο (για vα αποφύγουμε την παραγωγή μηχανικού έργου) του προσδίδουμε ορισμένο ποσό ενέργειας –σε μορφή θερμότητας– η οποία προκαλεί αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που το αποτελούν και εκδηλώνεται μακροσκοπικά ως αύξηση της θερμοκρασίας. Αντιστρόφως, όταν παίρνουμε θερμότητα από ένα α. μέσα στις ίδιες συνθήκες, δηλαδή με το να το ψύχουμε, δεν κάνουμε τίποτε άλλο παρά να ελαττώνουμε τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων που απαρτίζουν το α. αυτό. Με αυτή την αλληλουχία των συλλογισμών φαίνεται εύκολο επίτευγμα –υποθετικά τουλάχιστον– η αφαίρεση όλης της θερμότητας του συστήματος. Στο σημείο αυτό καταπαύει η θερμική αναταραχή, κυριαρχεί απόλυτη ακινησία και η θερμοκρασία φτάνει στο πιο χαμηλό σημείο: στο απόλυτο μηδέν. Η τιμή του απόλυτου μηδενός, προσδιορισμένη θερμοδυναμικά, είναι -273,15°C. Στα πραγματικά α., όταν αυτή η ενέργεια κατεβεί κάτω από μια ορισμένη τιμή, η ελκτική δύναμη μεταξύ των μορίων υπερνικά την κινητική τους ενέργεια και το α. μεταπηδά στην υγρή κατάσταση και με επιπλέον αφαίρεση θερμότητας στη στερεή κατάσταση. Η κινητική θεωρία, επιβεβαιωμένη με πολλά πειράματα, δίνει σαφή ερμηνεία και της πίεσης. Ας εξετάσουμε αυτό που θα συμβεί σε μια δεδομένη ποσότητα α. κλεισμένου σε ένα δοχείο. Κατά την κίνησή τους τα σωματίδια που απαρτίζουν το α., προσκρούουν στα τοιχώματα του δοχείου. Η ώθηση που μεταβιβάζεται σε ένα από τα τοιχώματα (o συλλογισμός επεκτείνεται και για τα άλλα) από κάθε σωματίδιο, ισούται με τη μεταβολή της ορμής (βλ. λ. δυναμική) αυτού του σωματιδίου. Ως συνέπεια των κρούσεων στο τοίχωμα, η συνολική ώθηση που μεταβιβάζεται σε αυτό στη μονάδα του χρόνου δίνεται από το άθροισμα των μεταβολών των ορμών όλων των σωματιδίων, τα οποία στο χρονικό αυτό διάστημα προσκρούουν στο τοίχωμα. Τώρα, επειδή η ώθηση ανά μονάδα χρόνου δεν είναι τίποτε άλλο παρά δύναμη, εξάγεται το συμπέρασμα ότι το άθροισμα των ωθήσεων που μεταβιβάστηκαν στο τοίχωμα στη μονάδα του χρόνου δεν είναι παρά η δύναμη που ασκεί το α. στο τοίχωμα που εξετάζεται. Διαιρώντας τη δύναμη αυτή με την επιφάνεια του τοιχώματος, βρίσκουμε την πίεση που ασκεί το α. Έτσι προκύπτει ότι κάθε αύξηση του πλήθους των σωματιδίων (και κατά συνέπεια του πλήθους των κρούσεων στο τοίχωμα ανά μονάδα χρόνου), προκαλεί αύξηση της πίεσης που ασκεί το α. Εδώ πρέπει να αναφέρουμε ότι επειδή κατά τον νόμο του Αβογκάντρο ένα γραμμομόριο οποιουδήποτε α. περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων, συγκεκριμένα Ν = 6,0225.10²³, σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας, οπότε και η μέση κινητική ενέργεια των μορίων είναι η ίδια, προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα των σωματιδίων, τόσο μικρότερη είναι η ταχύτητά τους και αντίστροφα. Στο γεγονός αυτό βασίζεται η δυνατότητα διαχωρισμού διαφόρων α. με τη μέθοδο διάχυσης, αλλά και των ισοτόπων του ιδίου α. Έτσι, αν η τιμή της πίεσης εκφράζεται ως ανάλογη προς τη μέση ταχύτητα των σωματιδίων και η θερμοκρασία ως ανάλογη προς το τετράγωνο της μέσης ταχύτητας, είναι δυνατόν να διατυπώσουμε την καταστατική εξίσωση των α. με βάση την κινητική θεωρία. Από τις πολλές πειραματικές επιβεβαιώσεις της κινητικής θεωρίας, μια από τις πιο άμεσες μας παρέχουν οι κινήσεις του Μπράουν. Α. στη φύση. Η ατμόσφαιρα της Γης περιέχει άζωτο, οξυγόνο, αργό, διοξείδιο του άνθρακα, υδρατμούς, όζον, υδρογόνο, ήλιο και τα άλλα ευγενή α. Ένας μεγάλος αριθμός από τα α. αυτά παράγεται σταθερά από φυσικά φαινόμενα. Τo οξυγόνο που υπάρχει στη γήινη ατμόσφαιρα προέρχεται αποκλειστικά από τα φυτά. To διοξείδιο του άνθρακα εκπνέεται και από τα φυτά και από τα ζώα, ενώ η φθορά της οργανικής ύλης παράγει αμμωνία, ελειογενές α. (μεθάνιο), υδρόθειο, φωσφίνες και άλλες αέριες ενώσεις. Το μεθάνιο και η φωσφίνη συχνά σχηματίζονται μέσα σε βορβόρους, όπου μπορεί να ανέβουν στην επιφάνεια και να πιάσουν φωτιά. Η πρωτογενής ατμόσφαιρα της Γης περιείχε μεθάνιο, αμμωνία και υδροκυάνιο, ενώ το διοξείδιο του θείου και του άνθρακα, το υδρόθειο, υδροχλώριο και άλλα βλαβερά αέρια εκφεύγουν από ηφαίστεια και καπνοδόχους. Το όζον και το οξείδιο του αζώτου, που ενώνονται αυθόρμητα με το οξυγόνο για να σχηματίσουν υπεροξείδια του αζώτου, σχηματίζονται στον αέρα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Το ήλιο βρίσκεται απορροφημένο σε μερικούς βράχους και μπορεί να επισωρεύεται σε σημαντικές ποσότητες κατάλληλες για εμπορική εξαγωγή. φυσικό α. Α. μείγμα που αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (περίπου 80% κ.ο.) αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, σπανιότερα πεντάνιο και εξάνιο, όπως και άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. Μπορεί ακόμη να περιέχει σε πολύ μικρές ποσότητες υδρογόνο, υδρόθειο, ενώσεις του θείου και ευγενή α. Είναι ιδανικό ως καύσιμο και, αν απαλλαγεί από τις ενώσεις του θείου, δίνει καυσαέρια απολύτως αβλαβή, διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Το φυσικό α. σχηματίζεται όπως και το πετρέλαιο σε κοιτάσματα, από τη διάσπαση οργανικών πρώτων υλών που ήταν εγκλωβισμένα σε ιζηματογενή πετρώματα. Σε μικρότερα βάθη σχηματίζεται μαζί με πετρέλαιο, ενώ σε μεγαλύτερα με την αύξηση της θερμοκρασίας εννοείται η διάσπαση των μορίων σε μεθάνιο. Το α. εγκλωβίζεται σε πορώδη πετρώματα (άμμος, ψαμμίτες και ασβεστόλιθοι), στη βάση των οποίων μπορούν να συνυπάρξουν νερό και πετρέλαιο. Κατά την άντλησή του υφίσταται συμπίεση, ώστε να υγροποιηθούν υδρογονάνθρακες βαρύτεροι του μεθανίου (π.χ. προπένιο και βουτένιο που εμφιαλώνονται σε μικρή πίεση) ή ακόμα και βενζίνη ή πετρέλαιο. Πολλές φορές, η αξία του συμπυκνωμένου προϊόντος είναι μεγαλύτερη της αξίας του α., που σε μερικές περιπτώσεις επιστρέφει ξηρό στο κοίτασμα για να σπρώξει προς τα πάνω νέο υγρό φυσικό α., κρατώντας υψηλή την πίεση. Μετά τη συμπίεσή του, το φυσικό α. καθαρίζεται από τις ενώσεις του θείου (υδρόθειο) και το διοξείδιο του άνθρακα και μεταφέρεται στην κατανάλωση. Η μεταφορά του γίνεται είτε με πλοία σε υγρή κατάσταση είτε με αγωγούς σε αέρια κατάσταση που μπορούν να φτάσουν σε μήκος πολλές χιλιάδες χιλιόμετρα. Οι αγωγοί αυτοί έχουν μεγάλο κόστος, απαιτούν σταθμούς συμπίεσης ανά 100 χιλιόμετρα και επιτυγχάνουν ταχύτητες ροής της τάξης των 10 κ.μ./δευτ. Η διέλευση ενός τέτοιου αγωγού από μια χώρα είναι στρατηγικής σημασίας για την ενεργειακή της επάρκεια και την οικονομία της. Οι περισσότερες ανεπτυγμένες βιομηχανικά χώρες έχουν τεράστια δίκτυα τέτοιων αγωγών με πρώτες τις ΗΠΑ, και ακολουθούν η Ρωσία και οι κεντροευρωπαϊκές χώρες όπως η Γαλλία, η Ιταλία, η Ολλανδία, το Βέλγιο κ.ά. α. βιομηχανικής χρήσης βιομηχανικά α.Στη σύγχρονη βιομηχανία τα α. χρησιμοποιούνται συνήθως σε υγρή κατάσταση κάτω από πίεση, επειδή έτσι μπορεί να αποθηκευτούν πολύ μεγάλες ποσότητες σε σχετικά μικρά δοχεία. Τα τελευταία χρόνια οι μέθοδοι συμπίεσης και υγροποίησης των α. απέκτησαν μεγάλη σημασία, τόσο για τη βιομηχανία, με τον συνεχώς μεγαλύτερο αριθμό των χημικών συνθέσεων μεταξύ α., όσο και για οικιακή χρήση. Τα συμπιεσμένα και υγροποιημένα α. αποθηκεύονται και μεταφέρονται μέσα σε κυλινδρικά δοχεία, χαλύβδινα ή από ελαφρά κράματα. Κάθε τέτοιο δοχείο έχει μια βαλβίδα για τη ρύθμιση της πίεσης και έναν μειωτήρα που επιτρέπει τη χρησιμοποίηση του α. σε χαμηλή πίεση. Συνήθως τα δοχεία αυτά αντέχουν σε περίπου 300 ατμόσφαιρες, έχουν μέγιστο ύψος 2 μ. και χωρητικότητα 80 λίτρων, ποτέ όμως δεν πρέπει να γεμίζονται εντελώς. Για την υγροποίηση ή τη συμπίεση ενός α. χρησιμοποιούνται ποικίλα μηχανήματα, ανάλογα με το α. Τα μηχανήματα αυτά είναι αρκετά πολύπλοκα και εφοδιασμένα πάντοτε με όργανα ασφαλείας, ελέγχου και ρύθμισης. Για την υγροποίηση των α. πρέπει να λαμβάνονται υπόψη η κρίσιμη θερμοκρασία και η κρίσιμη πίεση. Τα πιο συνηθισμένα βιομηχανικά α. είναι: υδρογόνο, οξυγόνο, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, φωταέριο, υδραέριο, πτωχό α., αιθυλένιο, μεθυλαιθέρας, ήλιο, φωσγένιο, διοξείδιο του θείου, υποξείδιο του αζώτου, αμμωνία, χλώριο, άζωτο, ακετυλένιο, ατμοσφαιρικός αέρας. Τo υδραέριο είναι μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα και παρασκευάζεται με τη διαβίβαση υδρατμών πάνω από κάρβουνα πυρωμένα. Η μέση κατ’ όγκον σύστασή του είναι: μονοξείδιο του άνθρακα 40%, υδρογόνο 50%, διοξείδιο του άνθρακα 5%, μεθάνιο 1% και άζωτο 4%. Η θερμαντική ικανότητά του είναι περίπου 2.832 cal/m³. Από ένα χιλιόγραμμο άνθρακα παίρνουμε 2 m³ αερίου. Το πτωχό α. παρασκευάζεται με ατελή καύση ανθράκων. Πρακτικά, η σύνθεση του πτωχού α. είναι η ακόλουθη: άζωτο 61%, μονοξείδιο του άνθρακα 29,2%, διοξείδιο του άνθρακα 7,3%, υδρογόνο 2,5%. Η θερμαντική ικανότητά του είναι περίπου 950 cal/m³ και κατά μέσο όρο παίρνουμε 4 m³ από 1 κιλό άνθρακα. Πάντως το πτωχό α. δεν χρησιμοποιείται πολύ. Το ανθρακαέριο ή μεικτό α. ή α. του Ντάουζον (Dowson) που πρώτος το εισήγαγε είναι μείγμα υδραέριου και πτωχού α. και παρασκευάζεται με ταυτόχρονη εμφύσηση αέρα και υδρατμών σε κάρβουνα που έχουν πυρωθεί σε θερμοκρασία 1.200°C. Η μέση σύστασή του είναι η ακόλουθη: μονοξείδιο του άνθρακα 28%, υδρογόνο 10,5%, άζωτο 55,2%, μεθάνιο 2,5%, διοξείδιο του άνθρακα 3,8%. Η θερμαντική του ικανότητα είναι περίπου 1.100 cal/m³. Τα α. αυτά χρησιμοποιούνται ως βιομηχανικά καύσιμα, επειδή παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα απέναντι στα στερεά καύσιμα, όπως η έλλειψη στάχτης, η επίτευξη μεγαλύτερων θερμοκρασιών με καλύτερη ρύθμιση του απαραίτητου για την καύση αέρα, δυνατότητα προθέρμανσης κλπ. Τα α. καύσιμα χρησιμοποιούνται σε μόνιμες εγκαταστάσεις (παραγωγή θερμότητας σε κλίβανους), σε μηχανές εσωτερικής καύσης, σε βραδείες αντιδράσεις κλπ. Το υγραέριο είναι μείγμα κυρίως υγρού βουτανίου και προπανίου. Με την επεξεργασία των παραγώγων του πετρελαίου παίρνουμε ορισμένα α. κλάσματα που περιέχουν μεθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο κλπ. Από τους υδρογονάνθρακες αυτούς μπορεί εύκολα να χωριστεί ένα μέρος, που περιέχει κυρίως βουτάνιο, με πίεση δε και εκτόνωση να επιτευχθεί βουτάνιο σε υγρή κατάσταση το οποίο εναποθηκεύεται μαζί με το προπάνιο σε χαλύβδινα δοχεία (φιάλες, βόμβες) των 5-10 λίτρων (που αντιστοιχούν σε 230 περίπου λίτρα α.) και χρησιμοποιείται για οικιακή χρήση σε περιοχές όπου δεν υπάρχει ηλεκτρικό δίκτυο. αεριόφως φωταέριο.Παραγόταν με ξηρή απόσταξη γαιανθράκων. Κατά κανόνα χρησιμοποιούνταν πλούσιοι σε υδρογονάνθρακες λιθάνθρακες με μέγιστη περιεκτικότητα πτητικών ουσιών 32%. Η σύσταση του κατάλληλου για την παραγωγή φωταερίου άνθρακα ήταν η ακόλουθη: 78-85% άνθρακας, 5-6%υδρογόνο, 6-13% οξυγόνο, 1,2-1,9% άζωτο. Το θείο (S) ήταν κάτω του 2%, γιατί η παρουσία θείου δημιουργεί υδρόθειο (Η2S), που είναι πάντα αρκετά βλαβερό. Η παραγωγή του φωταερίου γινόταν σε θαλάμους απόσταξης (σύστημα Κλον) από πυριτικά υλικά. Το ακατέργαστο α. που παραγόταν από τις συστοιχίες των θαλάμων απόσταξης υποβαλλόταν σε διαδοχικούς καθαρισμούς για να απαλλαγεί από ορισμένα συστατικά του: την πίσσα (με συσκευή απορρόφησης τύπου Πελούζ), τη ναφθαλίνη (με διάλυση σε τετραλίνη), τα αμμωνιακά προϊόντα (με καθαριστήρες Σκράμπερ ή Στάνταρτ) και τα θειούχα και κυανιούχα συστατικά με διάφορους τρόπους. Μετά τον καθαρισμό του ακατέργαστου α., προέκυπτε το φωταέριο που απαρτιζόταν βασικά από υδρογόνο (Η₂= 42-45%), μεθάνιο (CH₄= 32-38%), αρωματικούς υδρογονάνθρακες (1,4%), ακόρεστους υδρογονάνθρακες (περίπου 2,5%) και από μικρά ποσοστά μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα. Το ειδικό βάρος του φωταερίου είναι 0,35-0,50. Η μέγιστη θερμαντική του ικανότητα φτάνει τις 4000-4500 cal/m³. Η βιομηχανία του φωταερίου γεννήθηκε στις αρχές του 19ου αι. όταν το 1805 ο Βατ και ο Πίκετ έκαναν τις πρώτες προσπάθειες φωτισμού με φωταέριο. Χρειάστηκε να υπερνικηθούν πολλές δυσκολίες πριν αρχίσουν να φωτίζονται τακτικά ορισμένες συνοικίες του Λονδίνου και του Παρισιού (1815). Στην Ελλάδα το φωταέριο δόθηκε στην κατανάλωση το 1887, οπότε γαλλική εταιρεία κατασκεύασε το εργοστάσιο Αθήνας. Η μεγαλύτερη ανάπτυξη της βιομηχανίας φωταερίου παρατηρήθηκε στο δεύτερο μισό του 19ου αι. Κατόπιν, η εισαγωγή του ηλεκτρικού λαμπτήρα περιόρισε τη χρήση του φωταερίου στον φωτισμό. αεριογόνο. Συσκευή μέσα στην οποία επιτυγχάνεται η αεριοποίηση στερεών καυσίμων (άνθρακα, κοκ, λιγνίτη κλπ.). Αποτελείται βασικά από έναν κλειστό θάλαμο, που περιέχει το στερεό καύσιμο και είναι κατά κανόνα κυλινδρικός με εσωτερική επένδυση από πυρίμαχο υλικό. Μέσα στον θάλαμο γίνονται οι διάφορες αντιδράσεις αεριοποίησης. Το καύσιμο εισάγεται με χοάνη που τοποθετείται πάνω από τον θάλαμο και η οποία έχει ανοίγματα για την εμφύσηση του αέρα ή του ατμού, με τη βοήθεια κατάλληλων ανεμιστήρων. Τα αεριογόνα τέλος είναι εφοδιασμένα με κατάλληλους αγωγούς για την έξοδο των α. που παράγονται και με συσκευές πλύσης και συλλογής τους. Υπάρχουν αεριογόνα συνεχούς και άλλα διακοπτόμενης λειτουργίας. Χαρακτηρίζονται συνήθως από το όνομα του εφευρέτη τους (Ζίμενς, Μπίσοφ, Σέλερ, Μοντ, Ουίνκλερ, Νάτα-Ριγκαμόντι, Κέρπλι). Ένας τύπος αεριογόνου είχε χρησιμοποιηθεί κατά την περίοδο της γερμανικής κατοχής (1941-44) στην Αθήνα για την κίνηση των λεωφορείων –τα γνωστά γκαζοζέν. αεριοφυλάκιο.Συσκευή για τη συλλογή, μέτρηση και μεταφορά ορισμένου όγκου α. Υπάρχουν αεριοφυλάκια για τη βιομηχανία –που έχουν συχνά σημαντικές διαστάσεις, ακόμα και δεκάδες μέτρα, τόσο ύψους όσο και διαμέτρου– και αεριοφυλάκια εργαστηρίου. Συνήθως η πίεση των φυλασσόμενων α. δεν υπερβαίνει την ατμοσφαιρική και γι’ αυτό τα αεριοφυλάκια κατασκευάζονται από σιδηρολαμαρίνα. Έχουν σχήμα κώδωνα, με υδραυλικό κλείσιμο ή σχήμα τηλεσκοπίου, οπότε αποτελούνται από κινητούς δακτυλίους που συνδέονται με υδραυλικό κλείσιμο, οι οποίοι κινούνται ο ένας μέσα στον άλλο, ώστε ο όγκος του αεριοφυλακίου να μεταβάλλεται. Η βιομηχανική και η οικιακή χρήση των αερίων οδήγησε στη μελέτη και εφαρμογή ειδικών συστημάτων μεταφοράς, όπως ο εικονιζόμενος αγωγός μεταφοράς μεθανίου (φωτ. Eni). Πλοίο μεταφοράς υγραερίου (φωτ. Eni). Εγκαταστάσεις αποθήκευσης φυσικού αερίου στη βιομηχανική περιοχή της Σμύρνης στην Τουρκία. Κινητική θεωρία των αερίων: τα μόρια ενός αερίου βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και οι κρούσεις τους στα τοιχώματα του δοχείου που τα περιέχει καθορίζουν την πίεση. Συστοιχία κλιβάνων ξερής απόσταξης λιθανθράκων για την παρασκευή φωταερίου. Σταθμός εμφιάλωσης υγραερίου. Ένας κύβος 5 εκατομμυριοστών του χιλιοστού γεμάτος αέριο υπό πίεση 1 ατμόσφαιρας περιέχει κατά μέσο όρο 3 μόρια αερίου. Δεξιά πάνω, οι διαστάσεις ενός μορίου οξυγόνου. Σχηματική παράσταση του νόμου του Γκέι-Λουσάκ. Εφόσον η πίεση διατηρείται σταθερή, κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1°C προκαλεί αύξηση του όγκου ίση προς 1/273 του αρχικού. Εάν θερμανθεί το αέριο σε σταθερό όγκο, η πίεσή του αυξάνει κατά 1/273 για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1°C. Δίπλα, γραφική παράσταση του νόμου Γκέι-Λουσάκ. Σε θερμοκρασία -273°C ο όγκος θα έπρεπε να μηδενιστεί. Αυτό δείχνει ότι η θερμοκρασία αυτή είναι η χαμηλότερη νοητή, δηλαδή το απόλυτο μηδέν. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΑΕΡΙΟΓΟΝΟΥ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΤΩΧΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

* * *

το (ουδ. εν. τού επιθ. αέριος* ως ουσ.)

κατάσταση ή φάση τής ύλης που χαρακτηρίζεται από την έλλειψη καθορισμένου όγκου ή σχήματος.