गैस

गैस पदार्थ की एक अवस्था है जिसका न तो निश्चित आयतन होता है और न ही निश्चित आकार। यह तरल के विपरीत द्रव का एक संपीड्य रूप है। एक शुद्ध गैस अलग-अलग परमाणु (जैसे उत्कृष्ट गैस जैसे नियॉन), या अणु (जैसे ऑक्सीजन (O₂) या कार्बन डाइऑक्साइड) से बनी होती है। शुद्ध गैसों को हवा की तरह आपस में मिश्रित भी किया जा सकता है। जो चीज गैसों को तरल और ठोस से अलग करती है, वह है व्यक्तिगत गैस कणों का विशाल अलगाव। यह अलगाव कुछ गैसों को मानव पर्यवेक्षक के लिए अदृश्य बना सकता है।

पदार्थ की गैसीय अवस्था तरल और प्लाज्मा अवस्थाओं के बीच होती है,^[1] जिसमें से बाद वाला गैसों के लिए उच्च-तापमान सीमा प्रदान करता है। तापमान पैमाने के निचले सिरे पर अपक्षयी क्वांटम गैसें होती हैं^[2] जिन पर ध्यान बढ़ रहा है।^[3] बहुत कम तापमान पर सुपर-कूल्ड उच्च-घनत्व वाली परमाणु गैसों को उनके सांख्यिकीय व्यवहार के आधार पर बोस गैस या फर्मी गैस के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। पदार्थ की इन विदेशी अवस्थाओं की व्यापक सूची के लिए, पदार्थ की अवस्थाओं की सूची देखें।

मौलिक गैसें

STP पर एकमात्र रासायनिक तत्व जो स्थिर द्विपरमाणुक समनाभिकीय आणविक गैसें हैं, वे हैं हाइड्रोजन (H₂), नाइट्रोजन (N₂), ऑक्सीजन (O₂), और दो हैलोजन: फ्लोरीन (F₂) और क्लोरीन (Cl₂)। जब इन्हें एकपरमाणुक उत्कृष्ट गैसों - हीलियम (He), नियॉन (Ne), आर्गन (Ar), क्रिप्टन (Kr), ज़ेनॉन (Xe), और रेडॉन (Rn) - के साथ समूहीकृत किया जाता है, तो इन गैसों को "मौलिक गैसें" कहा जाता है।

व्युत्पत्ति

गैस शब्द का प्रयोग सबसे पहले 17वीं शताब्दी के शुरुआती ब्रैबेंटियन या दक्षिणी नीदरलैंड के रसायनज्ञ जान बैपटिस्ट वैन हेलमोंट द्वारा किया गया था।^[4] उन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड की पहचान की, जो हवा के अलावा पहली ज्ञात गैस थी।^[5] वैन हेलमोंट का शब्द केवल प्राचीन ग्रीक शब्द χάος अराजकता का एक ध्वन्यात्मक प्रतिलेखन प्रतीत होता है - डच में 'g' का उच्चारण "लोच" (अघोष वेलर फ्रिकेटिव, IPA: /x/) में 'ch' की तरह होता है - जिस स्थिति में वैन हेलमोंट केवल पैरासेलसस के कार्यों में पहली बार प्रमाणित स्थापित कीमियाई उपयोग का पालन कर रहे थे। पैरासेलसस की शब्दावली के अनुसार, अराजकता का अर्थ कुछ अति-विरल जल जैसा था।^[6]

एक वैकल्पिक कहानी यह है कि वैन हेलमोंट का शब्द "gahst (या geist), से लिया गया था, जिसका अर्थ भूत या आत्मा है"।^[7] उस कहानी को ऑक्सफोर्ड इंग्लिश डिक्शनरी के संपादकों द्वारा कोई श्रेय नहीं दिया गया है।^[8] इसके विपरीत, फ्रांसीसी-अमेरिकी इतिहासकार जैक्स बार्ज़ुन ने अनुमान लगाया कि वैन हेलमोंट ने यह शब्द जर्मन Gäscht से उधार लिया था, जिसका अर्थ किण्वन के परिणामस्वरूप होने वाला झाग है।^[9]

भौतिक विशेषताएं

चूंकि अधिकांश गैसों का सीधे निरीक्षण करना कठिन है, इसलिए उन्हें चार भौतिक गुणों या मैक्रोस्कोपिक विशेषताओं के उपयोग के माध्यम से वर्णित किया जाता है: दबाव, आयतन, कणों की संख्या (रसायनज्ञ उन्हें मोल द्वारा समूहित करते हैं) और तापमान। इन चार विशेषताओं को रॉबर्ट बॉयल, जैक्स चार्ल्स, जॉन डाल्टन, जोसेफ गे-लुसाक और अमेदेओ अवोगाद्रो जैसे वैज्ञानिकों द्वारा विभिन्न सेटिंग्स में विभिन्न गैसों के लिए बार-बार देखा गया था। उनके विस्तृत अध्ययनों ने अंततः इन गुणों के बीच एक गणितीय संबंध को जन्म दिया जिसे आदर्श गैस नियम (नीचे आदर्श और पूर्ण गैस अनुभाग देखें) द्वारा व्यक्त किया गया।

गैस के कण एक-दूसरे से व्यापक रूप से अलग होते हैं, और परिणामस्वरूप, तरल या ठोस की तुलना में कमजोर अंतर-आणविक बंधन होते हैं। ये अंतर-आणविक बल गैस कणों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन से उत्पन्न होते हैं। विभिन्न गैस कणों के समान-आवेशित क्षेत्र एक-दूसरे को पीछे हटाते हैं, जबकि विभिन्न गैस कणों के विपरीत आवेशित क्षेत्र एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं; जिन गैसों में स्थायी रूप से आवेशित आयन होते हैं उन्हें प्लाज्मा के रूप में जाना जाता है। ध्रुवीय सहसंयोजक बंधों वाले गैसीय यौगिकों में स्थायी आवेश असंतुलन होता है और इसलिए वे अपेक्षाकृत मजबूत अंतर-आणविक बलों का अनुभव करते हैं, हालांकि यौगिक का शुद्ध आवेश तटस्थ रहता है। अणुओं के गैर-ध्रुवीय सहसंयोजक बंधन के पार क्षणिक, यादृच्छिक रूप से प्रेरित आवेश मौजूद होते हैं और उनके कारण होने वाले इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन को वैन डेर वाल्स बल कहा जाता है। इन अंतर-आणविक बलों की परस्पर क्रिया एक पदार्थ के भीतर भिन्न होती है जो प्रत्येक गैस के लिए अद्वितीय कई भौतिक गुणों को निर्धारित करती है।^[10]^[11] आयनिक और सहसंयोजक बंधों द्वारा गठित यौगिकों के लिए क्वथनांक की तुलना हमें इस निष्कर्ष पर ले जाती है।^[12]

पदार्थ की अन्य अवस्थाओं की तुलना में, गैसों का घनत्व और श्यानता कम होती है। दबाव और तापमान एक निश्चित आयतन के भीतर कणों को प्रभावित करते हैं। कणों के अलगाव और गति में इस भिन्नता को संपीड्यता कहा जाता है। यह कण अलगाव और आकार गैसों के ऑप्टिकल गुणों को प्रभावित करता है जैसा कि निम्नलिखित अपवर्तनांक की सूची में पाया जा सकता है। अंत में, गैस के कण किसी भी कंटेनर में समान रूप से वितरित होने के लिए फैल जाते हैं या विसरित हो जाते हैं।

गैसों का मैक्रोस्कोपिक दृश्य

यह भी देखें: गैस गतिकी

गैस का निरीक्षण करते समय, संदर्भ का एक फ्रेम या लंबाई पैमाना निर्दिष्ट करना सामान्य है। एक बड़ा लंबाई पैमाना गैस के मैक्रोस्कोपिक या वैश्विक दृष्टिकोण से मेल खाता है। यह क्षेत्र (जिसे आयतन कहा जाता है) गैस कणों के एक बड़े नमूने को समाहित करने के लिए पर्याप्त आकार का होना चाहिए। इस नमूना आकार का परिणामी सांख्यिकीय विश्लेषण क्षेत्र के भीतर सभी गैस कणों का "औसत" व्यवहार (अर्थात वेग, तापमान या दबाव) उत्पन्न करता है। इसके विपरीत, एक छोटा लंबाई पैमाना माइक्रोस्कोपिक या कण दृष्टिकोण से मेल खाता है।

मैक्रोस्कोपिक रूप से, मापी गई गैस विशेषताएं या तो गैस कणों (वेग, दबाव, या तापमान) या उनके परिवेश (आयतन) के संदर्भ में होती हैं। उदाहरण के लिए, रॉबर्ट बॉयल ने अपने करियर के एक छोटे हिस्से के लिए वायवीय रसायन विज्ञान का अध्ययन किया। उनके प्रयोगों में से एक ने गैस के दबाव और आयतन के मैक्रोस्कोपिक गुणों को संबंधित किया। उनके प्रयोग ने एक जे-ट्यूब मैनोमीटर का उपयोग किया जो जे अक्षर के आकार की परख नली जैसा दिखता है। बॉयल ने पारे के एक स्तंभ के साथ परख नली के बंद सिरे में एक अक्रिय गैस को फंसाया, जिससे कणों की संख्या और तापमान स्थिर हो गया। उन्होंने देखा कि जब स्तंभ में अधिक पारा डालकर गैस में दबाव बढ़ाया गया, तो फंसी हुई गैस का आयतन कम हो गया (इसे व्युत्क्रम संबंध के रूप में जाना जाता है)। इसके अलावा, जब बॉयल ने प्रत्येक अवलोकन के दबाव और आयतन को गुणा किया, तो गुणनफल स्थिर था। यह संबंध हर उस गैस के लिए था जिसे बॉयल ने देखा, जिससे नियम (PV=k) बना, जिसे इस क्षेत्र में उनके काम का सम्मान करने के लिए नामित किया गया।

गैस गुणों का विश्लेषण करने के लिए कई गणितीय उपकरण उपलब्ध हैं। बॉयल के प्रयोगशाला उपकरणों ने उनके विश्लेषणात्मक परिणाम प्राप्त करने के लिए केवल एक साधारण गणना का उपयोग करने की अनुमति दी। उनके परिणाम इसलिए संभव थे क्योंकि वह अपेक्षाकृत कम दबाव वाली स्थितियों में गैसों का अध्ययन कर रहे थे जहाँ वे "आदर्श" तरीके से व्यवहार करती थीं। ये आदर्श संबंध उपयोग में आने वाली सामग्रियों पर विभिन्न उड़ान स्थितियों के लिए सुरक्षा गणनाओं पर लागू होते हैं। हालाँकि, आज उपयोग में आने वाले उच्च तकनीक वाले उपकरणों को उन अधिक विदेशी परिचालन वातावरणों का सुरक्षित रूप से पता लगाने में हमारी मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया था जहाँ गैसें अब "आदर्श" तरीके से व्यवहार नहीं करती हैं। जैसे-जैसे गैसें चरम स्थितियों के अधीन होती हैं, उनकी व्याख्या करने के उपकरण अधिक जटिल हो जाते हैं, यूलर समीकरणों से लेकर अदृश्य प्रवाह के लिए नेवियर-स्टोक्स समीकरणों^[13] तक जो चिपचिपे प्रभावों के लिए पूरी तरह से जिम्मेदार हैं। यह उन्नत गणित, जिसमें सांख्यिकी और बहुचर कलन शामिल है, प्रश्न में गैस प्रणाली की स्थितियों के अनुकूल है, जिससे अंतरिक्ष यान पुनः प्रवेश जैसी जटिल गतिशील स्थितियों को हल करना संभव हो जाता है। एक उदाहरण अंतरिक्ष शटल पुनः प्रवेश का विश्लेषण है जिसे यह सुनिश्चित करने के लिए चित्रित किया गया है कि इस लोडिंग स्थिति के तहत सामग्री गुण उपयुक्त हैं। इस उड़ान स्थिति में, गैस अब आदर्श रूप से व्यवहार नहीं कर रही है।

दबाव

यह भी देखें: दबाव

एक कंटेनर में, गैस दबाव (प्रतीक p या P, पास्कल की SI इकाइयों के साथ) प्रति इकाई क्षेत्र में औसत बल है जो गैस कंटेनर की सतह पर लगाती है। इस आयतन के भीतर, गैस कणों को सीधी रेखाओं में चलते हुए देखना कभी-कभी आसान होता है जब तक कि वे कंटेनर से टकराते नहीं हैं (शीर्ष पर आरेख देखें)। इस टक्कर के दौरान कंटेनर में गैस कण द्वारा लगाया गया बल कण के संवेग में परिवर्तन है।^[14] टक्कर के दौरान केवल वेग का अभिलंब घटक बदलता है। दीवार के समानांतर यात्रा करने वाला कण अपना संवेग नहीं बदलता है। इसलिए, एक सतह पर औसत बल इन सभी गैस कण टक्करों से रैखिक संवेग में औसत परिवर्तन होना चाहिए। दबाव कंटेनर की दीवारों से टकराने वाले कणों द्वारा लगाए गए बल के सभी अभिलंब घटकों का योग है जिसे दीवार के सतह क्षेत्र से विभाजित किया गया है।

तापमान

File:Nitrogen.ogv

मुख्य लेख: ऊष्मप्रवैगिकी तापमान

समीकरणों में तापमान का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रतीक T है, जिसकी SI इकाइयाँ केल्विन हैं।

गैस कण की गति उसके निरपेक्ष तापमान के समानुपाती होती है। वीडियो में गुब्बारे का आयतन तब सिकुड़ जाता है जब फंसी हुई गैस के कण अत्यधिक ठंडी नाइट्रोजन के जुड़ने से धीमे हो जाते हैं। किसी भी भौतिक प्रणाली का तापमान उन कणों (अणुओं और परमाणुओं) की गति से संबंधित होता है जो [गैस] प्रणाली बनाते हैं।^[15] सांख्यिकीय यांत्रिकी में, तापमान एक अणु में संग्रहीत औसत गतिज ऊर्जा का माप है (जिसे तापीय ऊर्जा के रूप में भी जाना जाता है)। इस ऊर्जा को संग्रहीत करने के तरीके अणु के स्वयं के स्वतंत्रता की कोटि (ऊर्जा मोड) द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। गैस या तरल में जोड़ी गई तापीय (गतिज) ऊर्जा (ऊष्माशोषी प्रक्रिया) अनुवादकीय, घूर्णी और कंपन गति उत्पन्न करती है। इसके विपरीत, एक ठोस केवल अतिरिक्त कंपन मोड को उत्तेजित करके अपनी आंतरिक ऊर्जा बढ़ा सकता है, क्योंकि क्रिस्टल जाली संरचना अनुवादकीय और घूर्णी दोनों गति को रोकती है। इन गर्म गैस अणुओं में उच्च औसत या माध्य गति के साथ एक बड़ी गति सीमा (गति का व्यापक वितरण) होती है। इस वितरण का विचरण व्यक्तिगत कणों की गति के कारण होता है जो लगातार बदलती रहती है, अन्य कणों के साथ बार-बार टक्कर के कारण। गति सीमा को मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है। इस वितरण का उपयोग कणों की प्रणाली के लिए आदर्श गैसों के ऊष्मप्रवैगिकी संतुलन के निकट होने का तात्पर्य है।

विशिष्ट आयतन

मुख्य लेख: विशिष्ट आयतन

समीकरणों में विशिष्ट आयतन का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रतीक "v" है, जिसकी SI इकाइयाँ प्रति किलोग्राम घन मीटर हैं।

यह भी देखें: आयतन (ऊष्मप्रवैगिकी)

समीकरणों में आयतन का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रतीक "V" है, जिसकी SI इकाइयाँ घन मीटर हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी विश्लेषण करते समय, गहन और व्यापक गुण के बारे में बात करना सामान्य है। जो गुण गैस की मात्रा (द्रव्यमान या आयतन द्वारा) पर निर्भर करते हैं, उन्हें व्यापक गुण कहा जाता है, जबकि जो गुण गैस की मात्रा पर निर्भर नहीं करते हैं, उन्हें गहन गुण कहा जाता है। विशिष्ट आयतन एक गहन गुण का एक उदाहरण है क्योंकि यह गैस के द्रव्यमान की इकाई द्वारा कब्जा किए गए आयतन का अनुपात है जो संतुलन पर एक प्रणाली में समान होता है।^[16] 1000 परमाणु एक गैस किसी भी तापमान और दबाव के लिए किसी अन्य 1000 परमाणुओं के समान स्थान घेरते हैं। यह अवधारणा लोहे जैसे ठोस पदार्थों के लिए कल्पना करना आसान है जो गैसों की तुलना में असंपीड्य हैं। हालाँकि, आयतन स्वयं --- विशिष्ट नहीं --- एक व्यापक गुण है।

घनत्व

मुख्य लेख: घनत्व

समीकरणों में घनत्व का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रतीक ρ (rho) है, जिसकी SI इकाइयाँ प्रति घन मीटर किलोग्राम हैं। यह शब्द विशिष्ट आयतन का गुणात्मक व्युत्क्रम है।

चूंकि गैस के अणु एक कंटेनर के भीतर स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, इसलिए उनका द्रव्यमान सामान्य रूप से घनत्व द्वारा पहचाना जाता है। घनत्व किसी पदार्थ के प्रति इकाई आयतन में द्रव्यमान की मात्रा है, या विशिष्ट आयतन का व्युत्क्रम है। गैसों के लिए, घनत्व एक विस्तृत श्रृंखला में भिन्न हो सकता है क्योंकि दबाव या आयतन द्वारा प्रतिबंधित होने पर कण करीब आने के लिए स्वतंत्र होते हैं। घनत्व की इस भिन्नता को संपीड्यता कहा जाता है। दबाव और तापमान की तरह, घनत्व गैस का एक अवस्था चर है और किसी भी प्रक्रिया के दौरान घनत्व में परिवर्तन ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों द्वारा शासित होता है। एक स्थिर गैस के लिए, घनत्व पूरे कंटेनर में समान होता है। इसलिए घनत्व एक अदिश राशि है। इसे गतिज सिद्धांत द्वारा दिखाया जा सकता है कि घनत्व उस कंटेनर के आकार के व्युत्क्रमानुपाती होता है जिसमें गैस का एक निश्चित द्रव्यमान सीमित होता है। निश्चित द्रव्यमान के इस मामले में, जैसे-जैसे आयतन बढ़ता है, घनत्व कम हो जाता है।

गैसों का माइक्रोस्कोपिक दृश्य

यदि कोई शक्तिशाली माइक्रोस्कोप के तहत गैस का निरीक्षण कर सके, तो कोई बिना किसी निश्चित आकार या आयतन के कणों का एक संग्रह देखेगा जो कमोबेश यादृच्छिक गति में होते हैं। ये गैस कण केवल तभी दिशा बदलते हैं जब वे किसी अन्य कण या कंटेनर के किनारों से टकराते हैं। गैस का यह माइक्रोस्कोपिक दृश्य सांख्यिकीय यांत्रिकी द्वारा अच्छी तरह से वर्णित है, लेकिन इसे कई अलग-अलग सिद्धांतों द्वारा वर्णित किया जा सकता है। गैसों का गतिज सिद्धांत, जो यह धारणा बनाता है कि ये टक्करें पूरी तरह से प्रत्यास्थ हैं, आकर्षण और प्रतिकर्षण के अंतर-आणविक बलों के लिए जिम्मेदार नहीं है।

गैसों का गतिज सिद्धांत

मुख्य लेख: गैसों का गतिज सिद्धांत, मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण

गतिज सिद्धांत गैसों की आणविक संरचना और गति पर विचार करके उनके मैक्रोस्कोपिक गुणों में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। संवेग और गतिज ऊर्जा की परिभाषाओं से शुरू करके,^[17] कोई संवेग संरक्षण और एक घन के ज्यामितीय संबंधों का उपयोग तापमान और दबाव के मैक्रोस्कोपिक प्रणाली गुणों को प्रति अणु गतिज ऊर्जा के माइक्रोस्कोपिक गुण से संबंधित करने के लिए कर सकता है। सिद्धांत इन दो गुणों के लिए औसत मान प्रदान करता है।

गैसों का गतिज सिद्धांत यह समझाने में मदद कर सकता है कि प्रणाली (गैस कणों का संग्रह जिस पर विचार किया जा रहा है) गतिज ऊर्जा में संबंधित परिवर्तन के साथ तापमान में परिवर्तन पर कैसे प्रतिक्रिया करती है।

उदाहरण के लिए: कल्पना करें कि आपके पास एक निश्चित आकार (एक स्थिर आयतन) का एक सीलबंद कंटेनर है, जिसमें गैस कणों की एक निश्चित संख्या है; निरपेक्ष शून्य (सैद्धांतिक तापमान जिस पर परमाणुओं या अणुओं में कोई तापीय ऊर्जा नहीं होती है, अर्थात वे हिल या कंपन नहीं कर रहे होते हैं) से शुरू करके, आप कंटेनर को गर्म करके प्रणाली में ऊर्जा जोड़ना शुरू करते हैं, ताकि ऊर्जा अंदर के कणों में स्थानांतरित हो जाए। एक बार जब उनकी आंतरिक ऊर्जा शून्य-बिंदु ऊर्जा से ऊपर हो जाती है, जिसका अर्थ है कि उनकी गतिज ऊर्जा (जिसे तापीय ऊर्जा के रूप में भी जाना जाता है) गैर-शून्य है, तो गैस के कण कंटेनर के चारों ओर घूमना शुरू कर देंगे। जैसे-जैसे बॉक्स को और गर्म किया जाता है (जैसे अधिक ऊर्जा जोड़ी जाती है), व्यक्तिगत कण अपनी औसत गति बढ़ाते हैं क्योंकि प्रणाली की कुल आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। सभी कणों की उच्च औसत-गति उस दर की ओर ले जाती है जिस पर टक्कर होती है (अर्थात प्रति इकाई समय में टक्करों की अधिक संख्या), कणों और कंटेनर के बीच, साथ ही कणों के बीच भी।

मैक्रोस्कोपिक, दबाव की मापने योग्य मात्रा, सतह के साथ इन माइक्रोस्कोपिक कण टक्करों का सीधा परिणाम है, जिस पर, व्यक्तिगत अणु एक छोटा बल लगाते हैं, प्रत्येक एक विशिष्ट क्षेत्र के भीतर लागू कुल बल में योगदान देता है। (दबाव पढ़ें।)

इसी तरह, तापमान की मैक्रोस्कोपिक रूप से मापने योग्य मात्रा, कणों द्वारा प्रदर्शित गति, या गतिज ऊर्जा की कुल मात्रा का एक परिमाणीकरण है। (तापमान पढ़ें।)

तापीय गति और सांख्यिकीय यांत्रिकी

गैसों के गतिज सिद्धांत में, गतिज ऊर्जा को प्रणाली में कणों के गति वितरण के अनुसार केवल रैखिक अनुवादों से मिलकर माना जाता है। हालाँकि, वास्तविक गैसों और अन्य वास्तविक पदार्थों में, वे गतियाँ जो किसी प्रणाली की गतिज ऊर्जा को परिभाषित करती हैं (जो सामूहिक रूप से तापमान निर्धारित करती हैं), बिंदु-द्रव्यमान के समान कार्य करने वाले एकल परमाणुओं की तुलना में अणुओं की अधिक जटिल संरचना के कारण सरल रैखिक अनुवाद से कहीं अधिक जटिल हैं। वास्तविक ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों में, तापीय गतियों को निर्धारित करने में क्वांटम घटनाएं बड़ी भूमिका निभाती हैं। अणुओं में यादृच्छिक, तापीय गतियाँ (गतिज ऊर्जा) अनुवाद, घूर्णन और कंपन सहित संभावित गतियों के एक सीमित सेट का संयोजन है। संभावित गतियों की यह सीमित सीमा, प्रणाली में अणुओं के सीमित सेट के साथ, प्रणाली के भीतर माइक्रोस्टेट्स की एक सीमित संख्या की ओर ले जाती है; हम सभी माइक्रोस्टेट्स के सेट को एक पहनावा कहते हैं। परमाणु या आणविक प्रणालियों के लिए विशिष्ट, हमारे पास स्थिति के आधार पर तीन अलग-अलग प्रकार के पहनावे हो सकते हैं: माइक्रोकेनोनीकल पहनावा, केनोनीकल पहनावा, या ग्रैंड केनोनीकल पहनावा। एक पहनावे के भीतर माइक्रोस्टेट्स के विशिष्ट संयोजन ही हैं कि हम वास्तव में प्रणाली के मैक्रोस्टेट (तापमान, दबाव, ऊर्जा, आदि) को कैसे परिभाषित करते हैं। ऐसा करने के लिए, हमें पहले विभाजन फलन के उपयोग के माध्यम से सभी माइक्रोस्टेट्स की गणना करनी होगी। सांख्यिकीय यांत्रिकी और विभाजन फलन का उपयोग पूरे भौतिक रसायन विज्ञान में एक महत्वपूर्ण उपकरण है, क्योंकि यह एक प्रणाली की माइक्रोस्कोपिक अवस्थाओं और मैक्रोस्कोपिक चर के बीच संबंध की कुंजी है जिसे हम माप सकते हैं, जैसे तापमान, दबाव, ऊष्मा क्षमता, आंतरिक ऊर्जा, एन्थैल्पी और एन्ट्रापी, बस कुछ का नाम लेने के लिए। (पढ़ें: विभाजन फलन अर्थ और महत्व)

अणु, या अणुओं की प्रणाली की ऊर्जा खोजने के लिए विभाजन फलन का उपयोग कभी-कभी समविभाजन प्रमेय द्वारा अनुमानित किया जा सकता है, जो गणना को बहुत सरल करता है। हालाँकि, यह विधि मानती है कि सभी आणविक स्वतंत्रता की कोटि समान रूप से आबादी वाली हैं, और इसलिए अणु के भीतर ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए समान रूप से उपयोग की जाती हैं। इसका तात्पर्य यह होगा कि आंतरिक ऊर्जा तापमान के साथ रैखिक रूप से बदलती है, जो कि मामला नहीं है। यह इस तथ्य को अनदेखा करता है कि ऊष्मा क्षमता तापमान के साथ बदलती है, क्योंकि कुछ स्वतंत्रता की कोटि कम तापमान पर अप्राप्य (उर्फ "जमे हुए") होती हैं। जैसे-जैसे अणुओं की आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है, वैसे-वैसे अतिरिक्त स्वतंत्रता की कोटि के भीतर ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता भी बढ़ती है। जैसे-जैसे ऊर्जा रखने के लिए अधिक स्वतंत्रता की कोटि उपलब्ध होती है, यह पदार्थ की मोलर ऊष्मा क्षमता को बढ़ने का कारण बनता है।^[18]

ब्राउनियन गति

मुख्य लेख: ब्राउनियन गति

ब्राउनियन गति एक तरल में निलंबित कणों की यादृच्छिक गति का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला गणितीय मॉडल है। गुलाबी और हरे कणों का उपयोग करने वाला गैस कण एनीमेशन यह दर्शाता है कि यह व्यवहार गैसों के फैलने (एन्ट्रॉपी) में कैसे परिणाम देता है। इन घटनाओं को कण सिद्धांत द्वारा भी वर्णित किया गया है।

चूंकि व्यक्तिगत गैस कणों (परमाणुओं या अणुओं) का निरीक्षण करना वर्तमान तकनीक की सीमा पर (या उससे परे) है, केवल सैद्धांतिक गणना ही सुझाव देती है कि वे कैसे चलते हैं, लेकिन उनकी गति ब्राउनियन गति से भिन्न होती है क्योंकि ब्राउनियन गति में कई गैस अणुओं के घर्षण बल के कारण एक सहज खिंचाव शामिल होता है, जो कण के साथ एक व्यक्तिगत (या कई) गैस अणु (अणुओं) की हिंसक टक्करों द्वारा विरामित होता है। कण (आमतौर पर लाखों या अरबों परमाणुओं से बना) इस प्रकार एक दांतेदार पाठ्यक्रम में चलता है, फिर भी इतना दांतेदार नहीं जितना कि यदि किसी व्यक्तिगत गैस अणु की जांच की जाती तो अपेक्षित होता।

अंतर-आणविक बल - वास्तविक और आदर्श गैसों के बीच प्राथमिक अंतर

मुख्य लेख: वैन डेर वाल्स बल, अंतर-आणविक बल, लेनार्ड-जोन्स क्षमता

दो या दो से अधिक अणुओं या परमाणुओं के बीच के बल, चाहे वे आकर्षक हों या प्रतिकारक, अंतर-आणविक बल कहलाते हैं। अंतर-आणविक बलों का अनुभव अणु तब करते हैं जब वे एक-दूसरे की भौतिक निकटता में होते हैं।^[19]^[20] ये बल आणविक प्रणालियों को ठीक से मॉडल करने के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, ताकि किसी भी प्रणाली में अणुओं के माइक्रोस्कोपिक व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी की जा सके, और इसलिए, भौतिक स्थितियों में व्यापक विविधताओं में गैसों (और तरल पदार्थों) के भौतिक गुणों की सटीक भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक हैं।

भौतिक रसायन विज्ञान के अध्ययन से उत्पन्न, भौतिकी में सबसे प्रमुख अंतर-आणविक बलों में से एक, वैन डेर वाल्स बल हैं। वैन डेर वाल्स बल तरल पदार्थों के लगभग सभी भौतिक गुणों जैसे श्यानता, प्रवाह दर, और गैस गतिकी (भौतिक विशेषताओं अनुभाग देखें) को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। गैस अणुओं के बीच वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन, यही कारण है कि "वास्तविक गैस" को मॉडल करना "आदर्श गैस" की तुलना में गणितीय रूप से अधिक कठिन है। इन निकटता-निर्भर बलों को अनदेखा करने से एक वास्तविक गैस को आदर्श गैस की तरह माना जा सकता है, जो गणना को बहुत सरल करता है।

संपीड्यता कारक Z, अनुपात Z = PV/nRT के बराबर है।

एक आदर्श गैस, जिसका संपीड्यता कारक (compressibility factor) Z = 1 होता है, को एक क्षैतिज रेखा द्वारा वर्णित किया जाता है जहाँ y-अक्ष 1 के बराबर होता है। गैर-आदर्शता को Z = 1 के ऊपर या नीचे गैस के विचलन के रूप में वर्णित किया जा सकता है।]] दो गैस अणुओं के बीच अंतर-आणविक आकर्षण और प्रतिकर्षण उनके बीच की दूरी पर निर्भर करते हैं। संयुक्त आकर्षण और प्रतिकर्षण को लेनार्ड-जोन्स विभव (Lennard-Jones potential) द्वारा अच्छी तरह से मॉडल किया गया है,^[21]^[22] जो आणविक प्रणालियों की स्थितिज ऊर्जा (potential energy) का वर्णन करने वाले सभी अंतर-परमाणु विभवों (interatomic potentials) में सबसे व्यापक रूप से अध्ययन किए गए विभवों में से एक है। इसकी सामान्य प्रयोज्यता और महत्व के कारण, लेनार्ड-जोन्स मॉडल प्रणाली को अक्सर 'लेनार्ड-जोन्सियम' (Lennard-Jonesium) कहा जाता है।^[23]^[24] अणुओं के बीच लेनार्ड-जोन्स विभव को दो अलग-अलग घटकों में विभाजित किया जा सकता है: लंदन परिक्षेपण बल (London dispersion force) के कारण लंबी दूरी का आकर्षण, और इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन विनिमय अन्योन्यक्रिया (exchange interaction) (जो पाउली अपवर्जन सिद्धांत से संबंधित है) के कारण कम दूरी का प्रतिकर्षण।

जब दो अणु अपेक्षाकृत दूर होते हैं (जिसका अर्थ है कि उनकी स्थितिज ऊर्जा उच्च होती है), तो वे एक कमजोर आकर्षण बल का अनुभव करते हैं, जिससे वे एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं, जिससे उनकी स्थितिज ऊर्जा कम हो जाती है। हालाँकि, यदि अणु बहुत दूर हैं, तो वे किसी भी महत्वपूर्ण आकर्षण बल का अनुभव नहीं करेंगे। इसके अतिरिक्त, यदि अणु बहुत करीब आ जाते हैं तो वे टकराएंगे, और एक बहुत उच्च प्रतिकर्षण बल (जिसे हार्ड स्फीयर द्वारा मॉडल किया गया है) का अनुभव करेंगे, जो आकर्षण की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली बल है, ताकि निकटता के कारण होने वाले किसी भी आकर्षण को नजरअंदाज कर दिया जाए।

जैसे-जैसे दो अणु एक-दूसरे के करीब आते हैं, एक ऐसी दूरी से जो न तो बहुत दूर है, और न ही बहुत करीब, उनका आकर्षण बढ़ता है क्योंकि उनकी स्थितिज ऊर्जा का परिमाण बढ़ता है (अधिक नकारात्मक होता जाता है), और उनकी कुल आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।^[25] अणुओं को करीब लाने वाला आकर्षण तभी हो सकता है जब अणु उस समय की अवधि के लिए निकटता में रहें जो भौतिक रूप से करीब आने में लगती है। इसलिए, आकर्षक बल तब सबसे मजबूत होते हैं जब अणु कम गति पर चलते हैं। इसका मतलब है कि अणुओं के बीच आकर्षण तब महत्वपूर्ण होता है जब गैस का तापमान कम होता है। हालाँकि, यदि आप इस ठंडी गैस को एक छोटे आयतन में समतापीय रूप से (isothermally) संपीड़ित करते हैं, जिससे अणु मजबूरन निकटता में आ जाते हैं, और दबाव बढ़ जाता है, तो प्रतिकर्षण आकर्षण पर हावी होने लगेगा, क्योंकि टकराव की दर काफी बढ़ जाएगी। इसलिए, कम तापमान और कम दबाव पर, आकर्षण प्रमुख अंतर-आणविक अन्योन्यक्रिया है।

यदि दो अणु उच्च गति से, मनमानी दिशाओं में, गैर-प्रतिच्छेदी पथों पर चल रहे हैं, तो वे आकर्षक लंदन-परिक्षेपण बल से प्रभावित होने के लिए पर्याप्त समय निकटता में नहीं बिताएंगे। यदि दो अणु टकराते हैं, तो वे बहुत तेजी से चल रहे होते हैं और उनकी गतिज ऊर्जा किसी भी आकर्षक स्थितिज ऊर्जा से कहीं अधिक होगी, इसलिए वे टकराने पर केवल प्रतिकर्षण का अनुभव करेंगे। इस प्रकार, उच्च तापमान पर उच्च गति के कारण अणुओं के बीच आकर्षण को नगण्य माना जा सकता है। उच्च तापमान और उच्च दबाव पर, प्रतिकर्षण प्रमुख अंतर-आणविक अन्योन्यक्रिया है।

उपर्युक्त प्रभावों को ध्यान में रखते हुए, जो इन आकर्षणों और प्रतिकर्षणों का कारण बनते हैं, वास्तविक गैसें (real gases), आदर्श गैस मॉडल से निम्नलिखित सामान्यीकरण द्वारा अलग होती हैं:^[26]

कम तापमान और कम दबाव पर, वास्तविक गैस द्वारा घेरा गया आयतन, आदर्श गैस नियम द्वारा अनुमानित आयतन से कम होता है।
उच्च तापमान और उच्च दबाव पर, वास्तविक गैस द्वारा घेरा गया आयतन, आदर्श गैस नियम द्वारा अनुमानित आयतन से अधिक होता है।

गणितीय मॉडल

मुख्य लेख: Equation of state

एक अवस्था का समीकरण (equation of state) (गैसों के लिए) एक गणितीय मॉडल है जिसका उपयोग गैस के अवस्था गुणों का मोटे तौर पर वर्णन या भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है। वर्तमान में, ऐसा कोई एकल अवस्था समीकरण नहीं है जो सभी परिस्थितियों में सभी गैसों के गुणों की सटीक भविष्यवाणी कर सके। इसलिए, विशिष्ट तापमान और दबाव श्रेणियों में गैसों के लिए कई अधिक सटीक अवस्था समीकरण विकसित किए गए हैं। "गैस मॉडल" जिन पर सबसे व्यापक रूप से चर्चा की जाती है, वे हैं "परफेक्ट गैस", "आदर्श गैस" और "वास्तविक गैस"। इनमें से प्रत्येक मॉडल की अपनी धारणाएं हैं ताकि किसी दिए गए ऊष्मागतिक प्रणाली (thermodynamic system) का विश्लेषण सुगम हो सके।^[27] प्रत्येक क्रमिक मॉडल उस तापमान सीमा का विस्तार करता है जिस पर वह लागू होता है।

आदर्श और परफेक्ट गैस

मुख्य लेख: Perfect gas

एक आदर्श या परफेक्ट गैस के लिए अवस्था का समीकरण आदर्श गैस नियम है और इसे इस प्रकार पढ़ा जाता है:

P V = n R T,

जहाँ P दबाव है, V आयतन है, n गैस की मात्रा है (मोल इकाइयों में), R सार्वभौमिक गैस नियतांक (universal gas constant) है, 8.314 J/(mol K), और T तापमान है। इस तरह लिखे जाने पर, इसे कभी-कभी "केमिस्ट का संस्करण" कहा जाता है, क्योंकि यह अणुओं की संख्या n पर जोर देता है। इसे इस प्रकार भी लिखा जा सकता है:

P = ρ R_{s} T,

जहाँ $R_{s}$ किसी विशेष गैस के लिए विशिष्ट गैस नियतांक है, जिसकी इकाइयाँ J/(kg K) हैं, और ρ = m/V घनत्व है। यह अंकन "गैस डायनामिस्ट का" संस्करण है, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के बिना त्वरण से जुड़े गैस प्रवाह के मॉडलिंग में अधिक व्यावहारिक है।

आदर्श गैस नियम गैस की ऊष्मा धारिता (heat capacity) के बारे में कोई धारणा नहीं बनाता है। सबसे सामान्य मामले में, विशिष्ट ऊष्मा तापमान और दबाव दोनों का एक कार्य है। यदि किसी विशेष अनुप्रयोग में दबाव-निर्भरता (और संभवतः तापमान-निर्भरता भी) की उपेक्षा की जाती है, तो कभी-कभी गैस को परफेक्ट गैस कहा जाता है, हालांकि सटीक धारणाएं लेखक और/या विज्ञान के क्षेत्र के आधार पर भिन्न हो सकती हैं।

एक आदर्श गैस के लिए, आदर्श गैस नियम विशिष्ट ऊष्मा पर प्रतिबंधों के बिना लागू होता है। एक आदर्श गैस एक सरलीकृत "वास्तविक गैस" है जिसमें यह धारणा होती है कि संपीड्यता कारक (compressibility factor) Z को 1 पर सेट किया गया है, जिसका अर्थ है कि यह वायवीय अनुपात स्थिर रहता है। एक के संपीड्यता कारक के लिए यह भी आवश्यक है कि चार अवस्था चर आदर्श गैस नियम का पालन करें।

यह सन्निकटन इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है, हालांकि सरल मॉडल का उपयोग यह बताने के लिए किया जा सकता है कि वास्तविक समाधान कहाँ होना चाहिए। एक उदाहरण जहाँ "आदर्श गैस सन्निकटन" उपयुक्त होगा, वह एक जेट इंजन के दहन कक्ष (combustion chamber) के अंदर होगा।^[28] उत्सर्जन की गणना के लिए प्राथमिक प्रतिक्रियाओं और रासायनिक पृथक्करणों को बनाए रखना भी उपयोगी हो सकता है।

वास्तविक गैस

मुख्य लेख: Real gas

नीचे सूचीबद्ध प्रत्येक धारणा समस्या के समाधान की जटिलता को बढ़ाती है। जैसे-जैसे बढ़ते दबाव के साथ गैस का घनत्व बढ़ता है, अंतर-आणविक बल गैस के व्यवहार में अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आदर्श गैस नियम अब "उचित" परिणाम नहीं देता है। इंजन के तापमान श्रेणियों के ऊपरी छोर पर (उदाहरण के लिए दहन कक्ष अनुभाग - 1300 K), जटिल ईंधन कण घूर्णन और कंपन के माध्यम से आंतरिक ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, जिससे उनकी विशिष्ट ऊष्मा द्विपरमाणुक अणुओं और उत्कृष्ट गैसों (noble gases) से भिन्न हो जाती है। उस तापमान से दोगुने से अधिक पर, गैस कणों का इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना और पृथक्करण (dissociation) होने लगता है, जिससे दबाव कणों की अधिक संख्या के अनुसार समायोजित हो जाता है (गैस से प्लाज्मा में संक्रमण)।^[29] अंत में, सभी ऊष्मागतिक प्रक्रियाओं को उन समान गैसों का वर्णन करने के लिए माना गया था जिनका वेग एक निश्चित वितरण के अनुसार भिन्न होता है। गैर-संतुलन स्थिति का उपयोग करने का अर्थ है कि प्रवाह क्षेत्र को समाधान सक्षम करने के लिए किसी तरह से चित्रित किया जाना चाहिए। आदर्श गैस नियम की सीमाओं का विस्तार करने के प्रयासों में से एक यह था कि विभिन्न ऊष्मागतिक प्रक्रियाओं के लिए कवरेज शामिल किया जाए, समीकरण को pVⁿ = constant के रूप में समायोजित करके और फिर विशिष्ट ऊष्मा अनुपात, γ जैसे विभिन्न मानों के माध्यम से n को बदलकर।

वास्तविक गैस प्रभावों में गैस व्यवहार की एक बड़ी श्रृंखला के लिए जिम्मेदार समायोजन शामिल हैं:

संपीड्यता प्रभाव (Z को 1.0 से भिन्न होने की अनुमति है)
परिवर्तनीय ऊष्मा धारिता (विशिष्ट ऊष्मा तापमान के साथ बदलती है)
वैन डेर वाल्स बल (संपीड्यता से संबंधित, अवस्था के अन्य समीकरणों को प्रतिस्थापित कर सकते हैं)
गैर-संतुलन ऊष्मागतिक प्रभाव
परिवर्तनीय संरचना के साथ आणविक पृथक्करण और प्राथमिक प्रतिक्रियाओं के साथ मुद्दे।

अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए, ऐसा विस्तृत विश्लेषण अत्यधिक है। जिन उदाहरणों में वास्तविक गैस प्रभावों का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा, वे स्पेस शटल के पुन: प्रवेश (re-entry) होंगे जहाँ अत्यधिक उच्च तापमान और दबाव मौजूद थे, या भूवैज्ञानिक घटनाओं के दौरान उत्पादित गैसें, जैसा कि 1990 के माउंट रेडाउट के विस्फोट की छवि में है।

स्थायी गैस

स्थायी गैस (Permanent gas) एक ऐसी गैस के लिए उपयोग किया जाने वाला शब्द है जिसका क्रांतिक तापमान सामान्य मानव-रहने योग्य तापमान की सीमा से नीचे होता है और इसलिए इसे इस सीमा के भीतर दबाव द्वारा द्रवीभूत (liquefied) नहीं किया जा सकता है। ऐतिहासिक रूप से ऐसी गैसों को द्रवीभूत करना असंभव माना जाता था और इसलिए वे स्थायी रूप से गैसीय अवस्था में रहती थीं। यह शब्द उच्च दबाव पर गैसों के परिवेश के तापमान भंडारण और परिवहन के लिए प्रासंगिक है।^[30]

ऐतिहासिक अनुसंधान

यह भी देखें: Gas laws, Timeline of fluid and continuum mechanics

बॉयल का नियम

मुख्य लेख: Boyle's law

बॉयल का नियम शायद अवस्था के समीकरण की पहली अभिव्यक्ति थी। 1662 में रॉबर्ट बॉयल ने एक J-आकार की कांच की नली का उपयोग करके प्रयोगों की एक श्रृंखला की, जिसे एक सिरे पर सील कर दिया गया था। नली में पारा डाला गया, जिससे नली के छोटे, सील किए गए सिरे में हवा की एक निश्चित मात्रा फंस गई। फिर नली में अतिरिक्त पारा डाले जाने पर गैस के आयतन को सावधानीपूर्वक मापा गया। गैस के दबाव को नली के छोटे सिरे में पारे के स्तर और लंबे, खुले सिरे में पारे के स्तर के बीच के अंतर से निर्धारित किया जा सकता था। बॉयल के उपकरण की छवि उन विदेशी उपकरणों में से कुछ को दिखाती है जिनका उपयोग बॉयल ने गैसों के अपने अध्ययन के दौरान किया था।

इन प्रयोगों के माध्यम से, बॉयल ने नोट किया कि स्थिर तापमान पर रखी गई गैस द्वारा लगाया गया दबाव गैस के आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है।^[31] उदाहरण के लिए, यदि आयतन आधा कर दिया जाता है, तो दबाव दोगुना हो जाता है; और यदि आयतन दोगुना कर दिया जाता है, तो दबाव आधा हो जाता है। दबाव और आयतन के बीच व्युत्क्रम संबंध को देखते हुए, दबाव (P) और आयतन (V) का गुणनफल एक निश्चित मात्रा में सीमित गैस के लिए एक स्थिरांक (k) है, जब तक कि तापमान स्थिर है। एक सूत्र के रूप में, यह है:

P V = k

चूंकि गैस की निश्चित मात्रा के पहले और बाद के आयतन और दबाव, जहाँ पहले और बाद के तापमान समान होते हैं, दोनों स्थिरांक k के बराबर होते हैं, उन्हें समीकरण द्वारा संबंधित किया जा सकता है:

$P_{1} V_{1} = P_{2} V_{2} .$

चार्ल्स का नियम

मुख्य लेख: Charles's law

1787 में, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी और गुब्बारा अग्रणी, जैक्स चार्ल्स, ने पाया कि ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हाइड्रोजन, कार्बन डाइऑक्साइड और हवा समान 80 केल्विन अंतराल पर समान सीमा तक फैलते हैं। उन्होंने नोट किया कि, स्थिर दबाव पर एक आदर्श गैस के लिए, आयतन सीधे उसके तापमान के समानुपाती होता है:

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

गे-लुसाक का नियम

मुख्य लेख: Gay-Lussac's law

1802 में, जोसेफ लुई गे-लुसाक ने समान, हालांकि अधिक व्यापक प्रयोगों के परिणाम प्रकाशित किए।^[32] गे-लुसाक ने चार्ल्स के पिछले काम को उनके सम्मान में नियम का नाम देकर श्रेय दिया। गे-लुसाक को स्वयं दबाव का वर्णन करने वाले नियम का श्रेय दिया जाता है, जिसे उन्होंने 1809 में पाया था। यह बताता है कि एक आदर्श गैस द्वारा कंटेनर की दीवारों पर लगाया गया दबाव उसके तापमान के समानुपाती होता है।

\frac{P_{1}}{T_{1}} = \frac{P_{2}}{T_{2}}

एवोगैड्रो का नियम

मुख्य लेख: Avogadro's law

1811 में, एमेडियो एवोगैड्रो ने सत्यापित किया कि शुद्ध गैसों के समान आयतन में कणों की संख्या समान होती है। उनका सिद्धांत 1858 तक आम तौर पर स्वीकार नहीं किया गया था जब एक अन्य इतालवी रसायनज्ञ स्टैनिस्लाओ कैनिज़ारो गैर-आदर्श अपवादों की व्याख्या करने में सक्षम थे। गैसों के साथ उनके काम के लिए एक सदी पहले, उनके नाम पर भौतिक स्थिरांक (एवोगैड्रो स्थिरांक) मौलिक कार्बन-12 के प्रति मोल परमाणुओं की संख्या है (6.022×10^23 mol-1)। गैस कणों की यह विशिष्ट संख्या, मानक तापमान और दबाव (आदर्श गैस नियम) पर 22.40 लीटर घेरती है, जिसे मोलर आयतन कहा जाता है।

एवोगैड्रो का नियम बताता है कि एक आदर्श गैस द्वारा घेरा गया आयतन आयतन में पदार्थ की मात्रा के समानुपाती होता है। यह एक गैस के मोलर आयतन को जन्म देता है, जो STP पर 22.4 dm³/mol (लीटर प्रति मोल) है। संबंध इस प्रकार दिया गया है: $\frac{V_{1}}{n_{1}} = \frac{V_{2}}{n_{2}},$ जहाँ n गैस के पदार्थ की मात्रा है (अणुओं की संख्या को एवोगैड्रो स्थिरांक से विभाजित किया गया है)।

डाल्टन का नियम

मुख्य लेख: Dalton's law

1801 में, जॉन डाल्टन ने आदर्श गैस नियम संबंध से आंशिक दबावों का नियम प्रकाशित किया: गैर-प्रतिक्रियाशील गैसों के मिश्रण का दबाव सभी घटक गैसों के अकेले दबावों के योग के बराबर होता है। गणितीय रूप से, इसे n प्रजातियों के लिए इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

Pressure_total = Pressure₁ + Pressure₂ + ... + Pressure_n

डाल्टन की पत्रिका की छवि उस प्रतीकात्मकता को दर्शाती है जिसका उपयोग उन्होंने उस पथ को रिकॉर्ड करने के लिए आशुलिपि के रूप में किया था जिसका उन्होंने अनुसरण किया था। गैर-प्रतिक्रियाशील "लोचदार तरल पदार्थ" (गैसों) को मिलाते समय उनकी प्रमुख पत्रिका टिप्पणियों में निम्नलिखित शामिल थे:^[33]

तरल पदार्थों के विपरीत, भारी गैसें मिलाने पर नीचे की ओर नहीं बहती थीं।
गैस कण की पहचान अंतिम दबाव निर्धारित करने में कोई भूमिका नहीं निभाती थी (वे ऐसे व्यवहार करते थे जैसे उनका आकार नगण्य हो)।

विशेष विषय

संपीड्यता

मुख्य लेख: Compressibility factor

ऊष्मागतिकीविद् वास्तविक गैसों के संपीड्यता प्रभावों के लिए आदर्श गैस समीकरण को बदलने के लिए इस कारक (Z) का उपयोग करते हैं। यह कारक वास्तविक से आदर्श विशिष्ट आयतन के अनुपात का प्रतिनिधित्व करता है। इसे कभी-कभी डिजाइन उद्देश्यों के लिए आदर्श गैस नियम की उपयोगी सीमा का विस्तार करने के लिए "फज-फैक्टर" या सुधार के रूप में संदर्भित किया जाता है। आमतौर पर यह Z मान एकता के बहुत करीब होता है। संपीड्यता कारक छवि दर्शाती है कि Z बहुत ठंडे तापमान की एक श्रृंखला पर कैसे भिन्न होता है।

सीमा परत (Boundary layer)

मुख्य लेख: Boundary layer

कण, वास्तव में, इसके माध्यम से चलने वाली वस्तु की सतह पर "चिपक" जाएंगे। कणों की इस परत को सीमा परत कहा जाता है। वस्तु की सतह पर, यह सतह के घर्षण के कारण अनिवार्य रूप से स्थिर होती है। वस्तु, अपनी सीमा परत के साथ, प्रभावी रूप से वस्तु का नया आकार है जिसे बाकी अणु वस्तु के करीब आने पर "देखते" हैं। यह सीमा परत सतह से अलग हो सकती है, अनिवार्य रूप से एक नई सतह बना सकती है और प्रवाह पथ को पूरी तरह से बदल सकती है। इसका क्लासिक उदाहरण एक स्टॉलिंग एयरफ़ोइल है। डेल्टा विंग छवि स्पष्ट रूप से दिखाती है कि जैसे-जैसे गैस अग्रणी किनारे के साथ दाएं से बाएं बहती है, सीमा परत मोटी होती जाती है।

अशांति (Turbulence)

मुख्य लेख: Turbulence

द्रव गतिकी में, अशांति या अशांत प्रवाह एक प्रवाह शासन है जो अराजक, स्टोकेस्टिक संपत्ति परिवर्तनों की विशेषता है। इसमें कम गति प्रसार, उच्च गति संवहन, और अंतरिक्ष और समय में दबाव और वेग का तेजी से परिवर्तन शामिल है। रॉबिन्सन क्रूसो द्वीप समूह के आसपास मौसम का उपग्रह दृश्य अशांत बादल पैटर्न का एक उदाहरण दिखाता है जिसे कारमन भंवर गली (Kármán vortex street) कहा जाता है।

श्यानता (Viscosity)

मुख्य लेख: Viscosity

श्यानता, एक भौतिक गुण, इस बात का माप है कि आसन्न अणु एक-दूसरे से कितनी अच्छी तरह चिपकते हैं। एक ठोस इन चिपचिपे अंतर-आणविक बलों की ताकत के कारण कतरनी बल (shearing force) का सामना कर सकता है। एक तरल पदार्थ समान भार के अधीन होने पर लगातार विकृत हो जाएगा। जबकि एक गैस में तरल की तुलना में श्यानता का मान कम होता है, यह अभी भी एक अवलोकन योग्य गुण है। यदि गैसों में कोई श्यानता नहीं होती, तो वे पंख की सतह पर नहीं चिपकतीं और सीमा परत नहीं बनातीं। श्लीरेन छवि में डेल्टा विंग का अध्ययन यह बताता है कि गैस के कण एक-दूसरे से चिपक जाते हैं (सीमा परत अनुभाग देखें)।

रेनॉल्ड्स संख्या

मुख्य लेख: Reynolds number

द्रव यांत्रिकी में, रेनॉल्ड्स संख्या जड़त्वीय बलों (v_sρ) का अनुपात है जो एक अशांत प्रवाह पर हावी होते हैं, श्यान बलों (μ/L) के लिए जो श्यानता के समानुपाती होती है। यह द्रव गतिकी में सबसे महत्वपूर्ण आयामहीन संख्याओं में से एक है और इसका उपयोग, आमतौर पर अन्य आयामहीन संख्याओं के साथ, गतिशील समानता निर्धारित करने के लिए एक मानदंड प्रदान करने के लिए किया जाता है। इस प्रकार, रेनॉल्ड्स संख्या मॉडलिंग परिणामों (डिजाइन) और पूर्ण-पैमाने की वास्तविक स्थितियों के बीच कड़ी प्रदान करती है। इसका उपयोग प्रवाह को चिह्नित करने के लिए भी किया जा सकता है।

अधिकतम एन्ट्रापी सिद्धांत

मुख्य लेख: Principle of maximum entropy

जैसे-जैसे स्वतंत्रता की डिग्री की कुल संख्या अनंत के करीब पहुंचती है, प्रणाली उस मैक्रोस्टेट में पाई जाएगी जो उच्चतम बहुलता (multiplicity) से मेल खाती है। इस सिद्धांत को स्पष्ट करने के लिए, एक जमे हुए धातु की छड़ की त्वचा के तापमान का निरीक्षण करें। त्वचा के तापमान की थर्मल छवि का उपयोग करके, सतह पर तापमान वितरण को नोट करें। तापमान का यह प्रारंभिक अवलोकन एक "माइक्रोस्टेट" का प्रतिनिधित्व करता है। भविष्य के किसी समय, त्वचा के तापमान का दूसरा अवलोकन दूसरा माइक्रोस्टेट उत्पन्न करता है। इस अवलोकन प्रक्रिया को जारी रखकर, माइक्रोस्टेट्स की एक श्रृंखला तैयार करना संभव है जो छड़ की सतह के थर्मल इतिहास को स्पष्ट करती है। माइक्रोस्टेट्स की इस ऐतिहासिक श्रृंखला का लक्षण वर्णन उस मैक्रोस्टेट को चुनकर संभव है जो उन सभी को एक एकल समूह में सफलतापूर्वक वर्गीकृत करता है।

ऊष्मागतिक संतुलन

मुख्य लेख: Thermodynamic equilibrium

जब किसी प्रणाली से ऊर्जा का स्थानांतरण बंद हो जाता है, तो इस स्थिति को ऊष्मागतिक संतुलन कहा जाता है।^[34] आमतौर पर, इस स्थिति का अर्थ है कि प्रणाली और परिवेश एक ही तापमान पर हैं ताकि उनके बीच गर्मी का स्थानांतरण न हो। इसका यह भी अर्थ है कि बाहरी बल संतुलित हैं (आयतन नहीं बदलता है), और प्रणाली के भीतर सभी रासायनिक प्रतिक्रियाएं पूरी हो चुकी हैं।^[35] इन घटनाओं के लिए समयरेखा विचाराधीन प्रणाली के आधार पर भिन्न होती है। कमरे के तापमान पर पिघलने के लिए छोड़े गए बर्फ के एक कंटेनर को घंटों लगते हैं, जबकि अर्धचालकों में डिवाइस के ऑन से ऑफ स्थिति में संक्रमण में होने वाला गर्मी हस्तांतरण कुछ नैनोसेकंड के क्रम का हो सकता है।

इन्हें भी देखें

नोट्स

↑ यह 20वीं सदी की शुरुआती चर्चा उस स्थिति का अनुमान लगाती है जिसे प्लाज्मा अवस्था माना जाता है। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी, फैराडे सोसाइटी, केमिकल सोसाइटी (ग्रेट ब्रिटेन) द जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री, वॉल्यूम 11 कॉर्नेल (1907) का पृष्ठ 137 देखें।
↑ Zelevinsky, Tanya. (2009-11-09). —just right for forming a Bose-Einstein condensate. Physics. 2 (20) 94. doi:10.1103/PhysRevLett.103.200401.
↑ Quantum Gas Microscope Offers Glimpse Of Quirky Ultracold Atoms. ScienceDaily.
↑ Helmont, Jan Baptist Van. (1652). Ortus medicine, id est initial physicae inaudita... authore Joanne Baptista Van Helmont,.... apud L. Elzevirium. "गैस" शब्द पहली बार पृष्ठ 58 पर दिखाई देता है, जहाँ वह उल्लेख करते हैं: "... Gas (meum scil. inventum) ..." (... गैस (अर्थात, मेरी खोज) ...)। पृष्ठ 59 पर, वह कहते हैं: "... in nominis egestate, halitum illum, Gas vocavi, non longe a Chao ..." (... नाम की आवश्यकता में, मैंने इस वाष्प को "गैस" कहा, जो "अराजकता" से दूर नहीं है ...)
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↑ लेखक धातुओं के आणविक बलों और उनके संबंधित भौतिक गुणों के बीच संबंध बनाते हैं। विस्तार से, यह अवधारणा गैसों पर भी लागू होगी, हालांकि सार्वभौमिक रूप से नहीं। कॉर्नेल (1907) पृष्ठ 164–5।
↑ इस भौतिक संपत्ति संबंध का एक उल्लेखनीय अपवाद चालकता है जो पदार्थ की स्थिति (पानी में आयनिक यौगिक) के आधार पर भिन्न होती है जैसा कि माइकल फैराडे द्वारा 1833 में वर्णित किया गया था जब उन्होंने नोट किया कि बर्फ करंट का संचालन नहीं करती है। जॉन टिंडाल की फैराडे एज़ ए डिस्कवरर (1868) का पृष्ठ 45 देखें।
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संदर्भ

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अग्रिम पठन

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Georgia State University. HyperPhysics. Accessed February 2008.
Antony Lewis WordWeb. Accessed February 2008.
Northwestern Michigan College The Gaseous State. Accessed February 2008.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Gas" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Gas यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

[1] यह 20वीं सदी की शुरुआती चर्चा उस स्थिति का अनुमान लगाती है जिसे प्लाज्मा अवस्था माना जाता है। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी, फैराडे सोसाइटी, केमिकल सोसाइटी (ग्रेट ब्रिटेन) द जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री, वॉल्यूम 11 कॉर्नेल (1907) का पृष्ठ 137 देखें।

[2] Zelevinsky, Tanya. (2009-11-09). —just right for forming a Bose-Einstein condensate. Physics. 2 (20) 94. doi:10.1103/PhysRevLett.103.200401.

[3] Quantum Gas Microscope Offers Glimpse Of Quirky Ultracold Atoms. ScienceDaily.

[4] Helmont, Jan Baptist Van. (1652). Ortus medicine, id est initial physicae inaudita... authore Joanne Baptista Van Helmont,.... apud L. Elzevirium. "गैस" शब्द पहली बार पृष्ठ 58 पर दिखाई देता है, जहाँ वह उल्लेख करते हैं: "... Gas (meum scil. inventum) ..." (... गैस (अर्थात, मेरी खोज) ...)। पृष्ठ 59 पर, वह कहते हैं: "... in nominis egestate, halitum illum, Gas vocavi, non longe a Chao ..." (... नाम की आवश्यकता में, मैंने इस वाष्प को "गैस" कहा, जो "अराजकता" से दूर नहीं है ...)

[ley196606-5] Ley, Willy. (June 1966). The Re-Designed Solar System. Galaxy Science Fiction. 94–106.

[et-6] s

[7] Draper, John William. (1861). A textbook on chemistry. 178. Harper and Sons.

[8] (June 2021). "OED Online". Oxford University Press.

[9] Barzun, Jacques. (2000). For Dawn to Decadence: 500 Years of Western Cultural Life. 199. HarperCollins Publishers.

[10] लेखक धातुओं के आणविक बलों और उनके संबंधित भौतिक गुणों के बीच संबंध बनाते हैं। विस्तार से, यह अवधारणा गैसों पर भी लागू होगी, हालांकि सार्वभौमिक रूप से नहीं। कॉर्नेल (1907) पृष्ठ 164–5।

[11] इस भौतिक संपत्ति संबंध का एक उल्लेखनीय अपवाद चालकता है जो पदार्थ की स्थिति (पानी में आयनिक यौगिक) के आधार पर भिन्न होती है जैसा कि माइकल फैराडे द्वारा 1833 में वर्णित किया गया था जब उन्होंने नोट किया कि बर्फ करंट का संचालन नहीं करती है। जॉन टिंडाल की फैराडे एज़ ए डिस्कवरर (1868) का पृष्ठ 45 देखें।

[12] John S. Hutchinson. (2008). Concept Development Studies in Chemistry. 67.

[13] एंडरसन, पृष्ठ 501

[14] J. Clerk Maxwell. (1904). "Theory of Heat". 319–20. Dover Publications. ISBN 978-0-486-41735-6.

[15] सोसाइटी, कॉर्नेल (1907) के पृष्ठ 137–8 देखें।

[16] Kenneth Wark. (1977). Thermodynamics. 12. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-068280-1.

[17] गतिज सिद्धांत की धारणाओं के लिए मैकफर्सन, पृष्ठ 60-61 देखें

[18] Jeschke, Gunnar. (26 November 2020). Canonical Ensemble.

[19] (October 2023). "On the history of key empirical intermolecular potentials". Fluid Phase Equilibria. 573. doi:10.1016/j.fluid.2023.113876.

[20] (2011). http://dx.doi.org/10.1016/b978-0-12-391927-4.10024-6. iii. Elsevier. ISBN 978-0-12-391927-4. doi:10.1016/b978-0-12-391927-4.10024-6.

[21] (June 2024). "On the History of the Lennard-Jones Potential". Annalen der Physik. 536 (6). doi:10.1002/andp.202400115.

[22] (October 1924). "On the determination of molecular fields. —II. From the equation of state of a gas". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 106 (738) 463–477. doi:10.1098/rspa.1924.0082.

[23] (February 2024). A child of prediction. On the History, Ontology, and Computation of the Lennard-Jonesium. Studies in History and Philosophy of Science. 103 105–113. doi:10.1016/j.shpsa.2023.11.007.

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[25] (2020-08-22). Lennard-Jones Potential - Chemistry LibreTexts.

[26] (2021-02-06). 14.11: Real and Ideal Gases - Chemistry LibreTexts.

[27] Anderson, pp. 289–291

[28] John, p.205

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[31] McPherson, pp.52–55

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[33] John P. Millington. (1906). John Dalton. 72, 77–78.

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