گاز چیست؟

مقدمه

گاز چیست؟ گازها یکی از چهار حالت اصلی ماده در کنار جامد، مایع و پلاسما هستند. ویژگی های خاص گازها باعث شده است که نقش بسیار مهمی در طبیعت و زندگی انسان ها ایفا کنند. گازها می توانند طبیعی یا مصنوعی باشند و در علوم مختلفی مانند شیمی، فیزیک، زیست شناسی، مهندسی و حتی پزشکی کاربرد دارند. در این مقاله به تعریف گاز، ویژگی های آن، انواع گازها و کاربردهای آن ها خواهیم پرداخت.

تعریف گاز

گاز چیست؟ گاز حالتی از ماده است که در آن ذرات (مولکول ها یا اتم ها) دارای انرژی زیاد و فاصله بسیار زیاد از یکدیگر هستند. برخلاف جامدات و مایعات، گازها شکل و حجم ثابتی ندارند و همواره فضای در دسترس خود را پر می کنند. جنبش مولکول های گاز سریع و تصادفی است و برخورد آن ها با دیواره های ظرف باعث ایجاد فشار گاز می شود.

ویژگی های گازها

گازها ویژگی هایی دارند که آن ها را از دیگر حالت های ماده متمایز می کند:

1. تراکم پذیری بالا: گازها برخلاف جامدات و مایعات به راحتی متراکم می شوند، زیرا فضای خالی زیادی بین مولکول های آن ها وجود دارد.
2. انتشار سریع: گازها به سرعت در فضا پخش می شوند و با گذشت زمان به طور یکنواخت در کل فضا پخش می شوند.
3. فشار: گازها به دلیل برخورد مداوم مولکول ها با دیواره های ظرف، فشاری ایجاد می کنند که می توان آن را با فشارسنج اندازه گرفت.
4. حجم متغیر: گازها بسته به دما و فشار محیط، حجم خود را تغییر می دهند.
5. بی رنگ و بی بو بودن: بسیاری از گازها بی رنگ و بی بو هستند، هرچند برخی گازها بو و رنگ خاصی دارند.

قوانین مربوط به گازها

در علم شیمی و فیزیک، گازها توسط قوانینی توصیف می شوند که مهم ترین آن ها عبارت اند از:

• قانون بویل: در دمای ثابت، حجم گاز با فشار آن رابطه معکوس دارد.

                   1/P×V=ثابت

• قانون شارل: در فشار ثابت، حجم گاز با دمای آن رابطه مستقیم دارد.

                    TV​=ثابت

• قانون گاز ایده آل: رابطه بین فشار، حجم، دما و تعداد مولکول های گاز را نشان می دهد.

                   PV=nRT

انواع گازها

گازها را می توان بر اساس ترکیب شیمیایی، منشاء، یا کاربرد به انواع مختلف تقسیم کرد. در ادامه مهم ترین دسته بندی های گازها را بررسی می کنیم:

۱. گازهای طبیعی و مصنوعی

• گازهای طبیعی: این گازها در طبیعت یافت می شوند و بدون دخالت مستقیم انسان تولید می شوند مانند:
  • گاز اکسیژن (O₂): برای تنفس موجودات زنده ضروری است.
  • گاز نیتروژن (N₂): بیش از ۷۸٪ جو زمین را تشکیل می دهد.
  • گاز متان (CH₄): از تجزیه مواد آلی در مرداب ها و معده دام ها تولید می شود.
  • گاز دی  اکسیدکربن (CO₂): در فرآیند تنفس و سوختن مواد آلی تولید می شود.
• گازهای مصنوعی: این گازها توسط فرآیندهای صنعتی و شیمیایی ساخته می شوند. مانند:
  • گاز کلروفلوئوروکربن ها (CFCs): مورد استفاده در یخچال ها و اسپری ها (که تخریب کننده لایه ازن هستند).
  • گاز هیدروژن تولیدی: از الکترولیز آب یا اصلاح متان در صنعت تولید می شود.

۲. گازهای خنثی و واکنش پذیر

• گازهای خنثی: گازهایی هستند که به سختی وارد واکنش شیمیایی می شوند مانند گازهای نجیب (هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون). این گازها در جو زمین به مقدار کم یافت می شوند و کاربردهای زیادی در صنایع الکترونیک، روشنایی و لیزر دارند.
• گازهای واکنش پذیر: این گازها تمایل زیادی به واکنش با سایر مواد دارند مانند:
  • اکسیژن: در واکنش سوختن و تنفس شرکت می کند.
  • هیدروژن: بسیار سبک و انفجاری است.
  • کلر و آمونیاک: گازهای سمی و واکنش  پذیر هستند.

۳. گازهای گلخانه ای

گازهای گلخانه ای به گازهایی گفته می شود که باعث گرم شدن زمین و تغییرات اقلیمی می شوند. این گازها با جذب تابش مادون قرمز و بازتاب آن به سطح زمین، اثر گلخانه ای ایجاد می کنند. مهم ترین گازهای گلخانه ای عبارت اند از:

• دی اکسیدکربن (CO₂)
• متان (CH₄)
• گاز نیتروژن دی اکسید (N₂O)
• گازهای فلوئوردار (مانند CFCها)

این گازها عمدتاً از فعالیت های انسانی مانند سوزاندن سوخت های فسیلی، کشاورزی و صنایع مختلف تولید می شوند.

۴. گازهای صنعتی

گازهایی که در صنعت به صورت گسترده برای مقاصد مختلف به کار می روند، به گازهای صنعتی معروف اند. برخی از این گازها عبارت اند از:

• اکسیژن صنعتی: برای جوشکاری و ذوب فلزات.
• آرگون: در جوشکاری و در لامپ های الکتریکی.
• نیتروژن مایع: برای سرمایش و نگهداری مواد حساس.
• هیدروژن: در صنایع شیمیایی و تولید آمونیاک.

۵. گازهای سمی و خطرناک

برخی گازها برای سلامتی انسان خطرناک هستند و می توانند باعث خفگی، مسمومیت یا حتی مرگ شوند:

• کربن مونوکسید (CO): گازی بی بو و بی رنگ که در اثر احتراق ناقص سوخت ها تولید می شود.
• گاز کلر: گازی سبز رنگ و بسیار سمی.
• سولفید هیدروژن (H₂S): گازی با بوی تخم مرغ فاسد که در فاضلاب ها تولید می شود.

کاربردهای گازها

گازها در بسیاری از زمینه ها و صنایع کاربرد دارند:

• پزشکی: گاز اکسیژن برای بیماران تنفسی، نیتروز اکسید (گاز خنده) برای بی حسی.
• صنعت: در فرآیندهای تولید، جوشکاری، برش فلزات، تولید شیشه و…
• غذا: گاز نیتروژن و دی اکسیدکربن برای بسته بندی و نگهداری مواد غذایی.
• هوانوردی و فضانوردی: استفاده از گازهای خاص در موتورهای راکت و سیستم های کنترل فشار.
• زیست محیطی: بررسی نقش گازها در گرمایش زمین و کیفیت هوا.

۶. گازهای فشرده و مایع  شده (Compressed and Liquefied Gases)

با پیشرفت صنعت، روش هایی برای ذخیره و انتقال گازها به صورت ایمن و مقرون به صرفه ایجاد شده است. گازهایی مانند متان یا هیدروژن که به حالت طبیعی شان گازی هستند، در شرایط خاصی فشرده یا مایع می شوند تا حمل و نقل و ذخیره سازی آن ها ساده تر باشد. دو نمونه رایج از این نوع گازها LNG و CNG هستند.

الف) گاز طبیعی مایع شده (LNG – Liquefied Natural Gas)

تعریف:
LNG گاز طبیعی است (عمدتاً متان) که به منظور سهولت در حمل و نگهداری، در دمای بسیار پایین (حدود ۱۶۲- درجه سانتی  گراد) به حالت مایع در می  آید.

ویژگی ها:

• بی رنگ، بی بو و غیرسمی است.
• حجم آن در حالت مایع حدود ۶۰۰ برابر کمتر از حالت گازی است.
• برای ذخیره سازی نیاز به تانک های عایق حرارتی دارد.

کاربردها:

• سوخت در صنایع و نیروگاه ها.
• صادرات بین المللی گاز.
• استفاده در کشتی ها و خودروهای سنگین به عنوان سوخت پاک.

مزایا:

• حمل و نقل آسان تر در مقایسه با گاز خط لوله ای.
• آلودگی زیست محیطی کمتر نسبت به سوخت های فسیلی مایع مانند نفت.

ب) گاز طبیعی فشرده (CNG – Compressed Natural Gas)

تعریف:
CNG گاز طبیعی (عمدتاً متان) است که با فشار بالا (معمولاً بین ۲۰۰ تا ۲۵۰ بار) فشرده شده، بدون تغییر فاز به مایع.

ویژگی ها:

• در دمای محیط نگهداری می شود.
• نیاز به تانک های فشار قوی دارد.
• ایمن تر از بنزین و گازوئیل در صورت نشت است (به دلیل سبکی و انتشار سریع در هوا).

کاربردها:

• سوخت خودروها، به ویژه در کشورهای دارای منابع گاز طبیعی زیاد (مثل ایران، هند، پاکستان).
• جایگزین بنزین و گازوئیل در حمل و نقل شهری.

مزایا:

• ارزان تر از سوخت های مایع.
• تولید آلاینده کمتر مانند CO₂، NOx و ذرات معلق.
• افزایش عمر موتور خودروها به دلیل احتراق تمیزتر.

مقایسه بین LNG و CNG

گاز چیست؟

 ۷. سایر انواع گازهای فشرده و مایع شده

گاز اکسیژن مایع (LOX):

• در پزشکی، صنایع هوافضا و جوشکاری کاربرد دارد.
• در دمای بسیار پایین به حالت مایع در می آید.

گاز هیدروژن مایع (LH₂):

• مورد استفاده در موشک ها و برنامه های فضایی.
• بسیار سبک و نیازمند شرایط خاص نگهداری.

گاز دی اکسیدکربن فشرده:

• در خاموش کننده ها، صنایع غذایی و نوشیدنی های گازدار استفاده می شود.

۸. ایمنی در استفاده از گازهای فشرده و مایع

استفاده از گازها، چه به صورت مایع و چه فشرده، نیازمند رعایت نکات ایمنی است:

• استفاده از مخازن استاندارد با فشارسنج و سوپاپ اطمینان.
• جلوگیری از حرارت یا ضربه به مخزن گاز.
• آموزش مصرف کنندگان و رانندگان خودروهای گازسوز.
• نصب سنسورهای نشت گاز در مکان های بسته.

۹. آینده گازها در صنعت انرژی

با توجه به نگرانی های جهانی در خصوص تغییرات اقلیمی، بسیاری از کشورها به دنبال جایگزین هایی برای سوخت های فسیلی هستند. در این میان، گاز طبیعی (چه به صورت LNG و چه CNG) به عنوان سوخت گذار به سمت انرژی های تجدیدپذیر شناخته می شود. همچنین پژوهش ها برای استفاده از گاز هیدروژن سبز (تولیدشده از انرژی های پاک) به  عنوان سوخت آینده در حال گسترش است.

۱۰. گاز مایع‌شده نفتی (LPG – Liquefied Petroleum Gas)

تعریف:

LPG یا گاز مایع‌شده نفتی، مخلوطی از پروپان (C₃H₈) و بوتان (C₄H₁₀) است که از پالایش نفت خام یا به‌عنوان محصول جانبی استخراج گاز طبیعی به دست می‌آید. این گاز در دمای معمولی و با فشار نسبتاً کم به‌راحتی به حالت مایع در می‌آید و به همین دلیل در سیلندرهای فلزی یا مخازن تحت فشار ذخیره و حمل می‌شود.

ویژگی‌های LPG:

• بی‌رنگ است و معمولاً برای شناسایی نشت، ماده‌ای با بوی تند به آن افزوده می‌شود.
• نسبت به بنزین و گازوئیل تمیزتر می‌سوزد.
• انرژی حرارتی بالایی دارد.
• در دمای اتاق و فشار حدود ۸ بار به مایع تبدیل می‌شود.

کاربردهای LPG:

1. خانگی:
   • پخت‌و پز در اجاق گازهای خانگی (به‌ویژه در مناطق فاقد شبکه گاز طبیعی)
   • گرمایش خانه‌ها و آب
2. صنعتی:
   • در کارگاه‌ها برای حرارت‌دهی، ذوب فلزات، تولید شیشه و سرامیک
   • در خشک‌کن‌ها و کوره‌ها
3. خودرو (Autogas):
   • جایگزینی برای بنزین در خودروها، به‌ویژه در کشورهایی که LPG به وفور تولید می‌شود
   • باعث کاهش هزینه سوخت و آلاینده‌ها نسبت به بنزین
4. کشاورزی:
   • برای گرم‌کردن گلخانه‌ها و خشک‌کردن محصولات زراعی

مزایای LPG:

• قابل‌حمل بودن: به‌راحتی می‌توان آن را در سیلندرها و مخازن جابجا کرد.
• سوزش تمیز: نسبت به بسیاری از سوخت‌های فسیلی آلودگی کمتری دارد.
• در دسترس بودن: در بسیاری از نقاط جهان تولید و توزیع می‌شود.
• مقرون‌به‌صرفه: در بسیاری از کشورها قیمت پایین‌تری نسبت به بنزین دارد.

معایب و نکات ایمنی:

• قابل اشتعال بالا: در صورت نشت می‌تواند خطر انفجار یا آتش‌سوزی ایجاد کند.
• سنگین‌تر از هوا: در صورت نشت، در پایین‌ترین نقاط جمع می‌شود و تهویه مناسب ضروری است.
• نیاز به مخازن و تجهیزات استاندارد: برای جلوگیری از خطرات باید از سیلندرها و تجهیزات تاییدشده استفاده شود.

مقایسه مختصر LPG با LNG و CNG

آشنایی با گازها و انواع گازها

جمع بندی نهایی

گازها بخش جدایی ناپذیری از دنیای پیرامون ما هستند. شناخت ویژگی ها و انواع مختلف گازها به ما کمک می کند تا بهتر بتوانیم آن  ها را کنترل، استفاده یا حتی در برابر خطرات آن ها ایمن باشیم. با افزایش دانش درباره گازهای طبیعی و مصنوعی و درک تأثیر آن ها بر محیط  زیست، می توانیم تصمیمات بهتری در جهت حفاظت از سیاره زمین اتخاذ کنیم.

گازها نقش بنیادی در زندگی بشر، صنعت، انرژی، پزشکی و محیط زیست ایفا می کنند. با درک انواع گازها از گازهای طبیعی گرفته تا گازهای مایع شده و فشرده می توان به درک بهتری از فرآیندهای صنعتی و آینده انرژی دست یافت. شناخت دقیق ویژگی ها، مزایا و چالش های هر نوع گاز ما را در استفاده بهینه و ایمن از این منابع ارزشمند یاری خواهد کرد.