气体定义

气体被定义为一种物质形式，其粒子既没有明确的形状也没有明确的体积。与固态、液态和等离子态一样，它是物质的四种基本形态之一。在正常情况下，气态介于液态和等离子态之间。气体的组成可以是同一种元素的原子（如 H₂ 或 Ar），化合物（如 HCl 或 CO₂），或者它们的组合（例如空气、天然气）。低温度标下的简并量子气体正吸引越来越多的关注。过冷到极低温度的高密度分子气体构成了玻色子气体和费米子气体。

历史

17 世纪早期，佛兰德斯科学家 Jan Baptist van Helmont 创造了“gas”（气体）一词。他将已知的第一种非空气物质命名为二氧化碳。Van Helmont 只是遵循了巴拉塞尔苏斯著作中首次记载的公认炼金术实践。根据巴拉塞尔苏斯的说法，混沌是“超稀释的水”。

另一种解释是，Van Helmont 受到“gahst”（有时称为“geist”）一词的启发，该词指的是鬼魂或精神。历史学家 Jacques Barzun 认为，Van Helmont 可能通过德语单词“Gäscht”借用了这个词，该词表示发酵过程中产生的泡沫。

气体的特性

物质的气态中，其粒子之间的距离非常大。在低温和常压下，它们表现出“理想气体”的行为，此时粒子相互作用很小，碰撞是完全弹性的。在更高的压力下，气体粒子之间的分子间作用力的影响更为显著。由于原子或分子之间的空间，大多数气体是透明的。其中一些，如氟和氯，带有轻微的色调。与物质的其他状态相比，电力和引力对气体的影响较小。

由于气体粒子之间的距离很远，因此它们之间的分子相互作用不如液体或固体粒子中的相互作用有效。这些分子间压力是由气体粒子之间的静电相互作用引起的。具有相反电荷区域的不同气体粒子相互吸引，而具有相似电荷的粒子相互排斥。这些气体具有始终带电的离子，这一事实使它们被称为“等离子体”。在具有极性共价键的气体中，尽管化合物的分子会经历相对较强的分子间吸引力，但由于化合物固有的电荷不平衡，化合物的净电荷保持中性。范德华力是由非极性键（称为分子的共价键）中存在的瞬时、无意诱导电荷产生的静电相互作用。每种气体中的许多物理特性都取决于这些分子间力在物质内部如何以不同的方式相互作用。通过维持离子键和共价键化合物的沸点，我们可以得出这个结论。图像中飞扬的烟尘颗粒有助于我们理解低压气体的行为。

与其他物质形态相比，气体的密度和粘度最低。给定空间内的粒子受到压力和温度的影响。粒子分离和速度的这种变化由可压缩性描述。从附带的折射率列表可以看出，粒子的大小和分离会影响气体的光学性质。最后，气体原子会扩散或扩散，均匀地分散在容器中。

等离子体与气体的区别

离子是带电的原子或化合物，可以在气体中找到。实际上，范德华力经常导致气体区域出现零星的、瞬时的带电区域。相反的离子相互吸引，而相似的离子相互排斥。如果流体完全由带电粒子组成，或者粒子始终带电，那么它是一种物质形态，即等离子体，而不是气体。

气体示例

物质的温度和压力决定了它是否为气体。在典型压力和温度下的气体示例包括：

• 空气（气体混合物）
• 标准压力和温度下的氯仿
• 臭氧、氢气和蒸汽或水蒸气
• 元素和气体列表

有 11 种化学气体（如果算上臭氧则是 12 种）。六种是单原子气体，五种是同核分子气体。

• 氢气是 H₂
• 氮气是 N₂
• 氧气，或 O₂（另外，O₃ 是臭氧）
• 氟气 (F₂)
• 氯气 (Cl₂)
• 氦气 (He)
• 氖气：Ne。
• 氩气。
• 氪气是一种物质。
• 氙气 - Xe
• 氡气 (Rn)

元素周期表中的元素气体位于右侧，氢气除外，它位于左上角。

与气体相关的术语

可压缩性

热力学家使用此因子 (Z) 来修改理想气体方程，以考虑实际气体的可压缩性影响。该变量表示实际体积与特定理想体积的比例。为了设计目的而扩大理想气体定律的适用范围，通常可以称为“调整因子”或调整。在大多数情况下，此 Z 值非常接近 1。可压缩性因子图显示了 Z 在各种极低温度下的变化。

雷诺数

雷诺数，或 R，是流体力学中粘性力与惯性力之比的度量 (vs/L)。它是流体动力学中最显著的无量纲数之一，它作为计算动力相似性的标准。它通常与其他无量纲数结合使用。因此，雷诺数充当模型（设计）结果与实际全尺寸条件之间的连接因子。流也可以用它来描述。

粘度

1999 年 9 月 15 日，罗宾逊·克鲁索群岛地区的天气模式卫星图像描绘了一个称为卡门涡街的湍流云层。粘度的物理特性衡量相邻分子彼此粘附的紧密程度。这些强大的分子间相互作用使固体能够承受剪切力。当受到相同的载荷时，流体将持续变形。虽然气体的粘度比液体小，但它仍然是可测量的特性。如果没有粘度，就不会形成边界层，因为它们不会粘附在机翼表面。图像中的纹影图像中的三角翼可用于分析边界层，表明气体粒子会相互粘附。

湍流

在风洞中有一个三角翼。当气体在该机翼的前缘压缩时，其折射率会发生变化，从而产生阴影。湍流，也称为湍流，是一种流动状态，当流体的性质发生随机、不可预测的变化时就会发生。这包括高动量对流、低动量扩散以及随时间和空间发生的压力和速度的突然变化。罗宾逊·克鲁索群岛附近的天气卫星图像提供了一个例子。

边界层

本质上，当物体通过介质时，粒子会“粘附”在物体表面上。这个粒子层被称为边界层。由于表面摩擦，物体在其表面几乎是静止的。当物体靠近时，物体的边界层基本上会给它一个周围分子“看到”的新形状。这个边界层可能会从表面分离，有效地形成一个新的表面，完全改变流动模式。失速的翼型是这种现象的典型例子。如三角翼图像所示，当气体从右向左沿着前缘流动时，边界层会变厚。

最大熵理论

当自由度总数趋于无穷大时，系统将处于对应于最大多重性的宏观状态。考虑一个冷的金属棒皮肤的温度来举例说明这个概念。通过对皮肤温度进行热成像，注意表面的温度分布。这种初始温度观测代表了一个“微观状态”。第二次皮肤温度观测在稍后的时间产生第二个微观状态。可以重复进行此观测过程以生成描述棒材表面热演变的一系列微观状态。通过选择能够有效地将所有先前的微观状态统一到单个类别中的宏观状态，可以表征这一系列微观状态。

热力学平衡

“热力学平衡”一词是指能量从系统传递停止的情况。这种情况通常表示在热量不再在系统和环境之间移动的温度。此外，它表明所有内部化学反应都已完成，并且所有外部力都处于平衡状态（体积保持恒定）。根据所考虑的系统，这些事件的时间框架会有所不同。将冰在常温下融化需要数小时。然而，在半导体中，当设备从开启状态切换到关闭状态时发生的热传递可能只需要几纳秒。

气体分子的微观视角

在观察气体时，将一个物体定义为参考或测量尺度是标准做法。更大的长度尺度反映了气体的宏观或全局视角。该区域（也称为体积）必须足够大，以便容纳多个气体粒子。该区域内所有气体分子的“平均”行为（即速度、温度或压力）由该样本大小的统计评估决定。相比之下，微观或粒子视角涉及较短的长度尺度。

宏观上，气体的性质根据气体粒子本身的性质（速度、压力或温度）或它们存在的环境（体积）来测量。例如，罗伯特·波义耳曾短暂地研究过气体力学。在他的一项实验中，他研究了气体压力和体积的宏观特性。在实验中使用了 J 型管压力计，它在表示上类似于试管的 J 字形。Boyle 使用一列汞将惰性气体困在试管的封闭端，同时保持试管的温度和粒子数量恒定。他注意到，随着通过向管中添加更多汞导致气体压力增大，捕获气体的体积减小（这被称为反比关系）。Boyle 将每次观测的压力和体积相乘，结果是一个常数。Boyle 发现这种关系对所有气体都成立，这导致了以他的名字命名的定律（PV=k）的产生，以纪念他对科学的贡献。

有多种数学技术可用于检查气体的性质。这些工具，从无粘性流的欧拉方程到完全考虑粘性效应的纳维-斯托克斯方程，随着气体承受极端条件而变得更加复杂。这些方程已被修改以适应相关气体系统的条件。Boyle 的实验工具使他能够使用代数来得出他的分析结果。由于他研究的气体处于相对低压和“理想”行为的条件下，因此他的研究得以实现。各种飞行情况下的安全估算适用于这些理想关系。现代高科技工具被创造出来，以便能够安全地探索越来越不寻常的操作条件，在这些条件下气体不再表现出“理想”行为。通过这种复杂的数学（包括统计学和多变量微积分），可以解决航天器再入等复杂的动力学问题。为了检查在此加载条件下的材料特性是否合适，一个具体的例子是所示的航天飞机再入分析。在飞行过程中，气体不再表现出最佳行为。