Gas

Was ein Gas ist

Gasförmig ist neben fest und flüssig einer der drei klassischen Aggregatzustände. Eine Substanz liegt als Gas vor, wenn ihre Teilchen weit voneinander entfernt sind und sich frei bewegen. Die freie Weglänge der Teilchen ist dabei größer als ihr Teilchendurchmesser. Deshalb füllt ein Gas den verfügbaren Raum kontinuierlich aus. Es besitzt weder Nahordnung noch Fernordnung, also keine regelmäßige Teilchenanordnung auf kurze oder große Entfernung.

Bei gleicher Masse nimmt ein Gas unter Normalbedingungen im Vergleich zu einem Festkörper oder einer Flüssigkeit etwa den tausend- bis zweitausendfachen Raum ein. Gase gehören zusammen mit Flüssigkeiten zu den Fluiden: Sie können fließen und passen sich der Form eines Behälters an.

Entstehung und Teilchenverteilung

Aus einer festen oder flüssigen Form kann ein Stoff durch Energiezufuhr, besonders Wärme, gasförmig werden. Manche Elemente und Verbindungen sind bereits bei den Standardbedingungen von 20 °C und 101325 Pa Gase. Bei ausreichend hohen Temperaturen wird jede Materie in den gasförmigen Zustand versetzt.

Die zugeführte Energie wird zur Bewegungsenergie der Teilchen. Je nach Temperatur erreichen sie Geschwindigkeiten im Bereich um 500 m/s. Dadurch verteilen sich die Gasteilchen statistisch gleichmäßig im gesamten vorgegebenen Raum. Das Gesamtsystem strebt dabei nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik einen Zustand höchster Entropie an. Entropie beschreibt hier, dass eine Verteilung über den ganzen Raum viel mehr mögliche Teilchenanordnungen, also Mikrozustände, besitzt als eine Konzentration in einem kleinen Teil des Raums. Die gleichmäßige, raumerfüllende Verteilung ist deshalb der wahrscheinlichste Makrozustand und hat das größte statistische Gewicht.

Ideale und reale Gase

Bei einem idealen Gas können sich die Teilchen nach der kinetischen Gastheorie vollkommen frei bewegen. Dieser Zustand wird erst bei hohen Temperaturen gegenüber dem Siedepunkt erreicht; bei Wasserstoff und Helium gilt dies bereits bei Zimmertemperatur.

Für jedes ideale Gas gilt: Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur enthält ein vorgegebenes Volumen immer gleich viele Teilchen, unabhängig von deren Masse und damit unabhängig von der Gasart. Ein Mol enthält nach Avogadro 6,022 × 10^{23} Teilchen. Unter Normalbedingungen beansprucht ein Mol jedes beliebigen Gases 22,4 Liter.

Reale Gase unterscheiden sich davon, weil zwischen ihren Teilchen Anziehungskräfte wirken, die Van-der-Waals-Kräfte. Besonders beim Komprimieren werden die Abweichungen sichtbar. Gase sind kompressibel; bei idealen Gasen ist das Volumen umgekehrt proportional zum Druck. Reale Gase weichen von diesen Gesetzmäßigkeiten unterschiedlich stark ab. Wie Flüssigkeiten fließen Gase und widerstehen Verformungen nicht, obwohl sie viskos sind.

Zustandsübergänge und Speicherung

Der Übergang von flüssig zu gasförmig heißt oberhalb des Siedepunktes Verdampfung, unterhalb des Siedepunktes Verdunstung. Der umgekehrte Übergang von gasförmig zu flüssig heißt Kondensation. Direkt von fest zu gasförmig gelangt ein Stoff durch Sublimation; der direkte Übergang von gasförmig zu fest heißt Resublimation.

Für die Speicherung großer Gasmengen wird Gas stark komprimiert, um eine hohe Dichte zu erreichen. Druckbehälter sind wegen der hohen Druckbelastung meist zylinder- oder kugelförmig, zum Beispiel Gasflaschen. Gaskessel oder Gasometer sind Niederdruckspeicher mit großem geometrischem Volumen. Da ihr Druck unter 1 bar liegt, ist die gespeicherte Menge jedoch unbedeutend. Gasversorger speichern Gas üblicherweise im Gasnetz, vor allem in Hochdruckleitungen großer Nennweite.

Als Dampf bezeichnet man einen Stoff im gasförmigen Aggregatzustand, der unter Normalbedingungen flüssig ist, zum Beispiel Wasserdampf.