Gaz; mekânda her tarafa yayılan ve bulunduğu kabı tamâmen dolduran cisimlerin ortak adı, cismin üç hâlinden sıvı veya katı olmayanı, gaz yağı demektir. Diğer bir ifade ile gaz; olağan basınç ve sıcaklıkta olduğu gibi kalan, içinde bulunduğu kabın her yanına yayılmak ve bu kabın iç yüzeyinin her noktasına basınç yapmak özelliğinde olan akışkan madde demektir. Gaz, maddenin 16 hâlinden biridir. Bu haldeyken maddenin yoğunluğu çok az, akışkanlığı son derece fazladır. Gaz halindeki maddelerin belirli bir şekli yoktur fakat hacmi vardır. Katı bir madde ısıtıldığı zaman, katı halden sıvı, sıvı halden de gaz haline geçer. Bu duruma faz değişikliği denir.
Bütün gazların molekülleri her an hızlı ve rastgele bir çalkalanma hareketi içindedir. Bu hareketli moleküller yayınım (ya da difüzyon) denen bir süreçle her yöne eşit olarak yayıldıkları için, bir gaz bulunduğu kabın ya da yerin bütün hacmini bir anda doldurur. Bu arada gaz molekülleri kabın çeperlerine sürekli olarak çarpar ve gaz basıncı denen belirli bir kuvvet uygular.
Gazları katılardan ve sıvılardan ayıran temel özellik, hacimlerinin sıcaklığa ve basınca bağlı olarak büyük ölçüde değişmesidir. Gazların bu genleşme (hacimlerinin artması) ve sıkıştırılabilme (hacimlerinin azalması) özellikleri buhar türbinleri, jet motorları, roketler, içten yanmalı motorlar gibi birçok mühendislik ve sanayi uygulamasının temelidir.
Gazların davranış özelliklerine ilişkin ilk yasayı 1662 yılında İngiliz kimyacı Robert Böyle geliştirmiştir. Yıllar sonra Fransız fizikçi Edme Mariotte (yaklaşık 1620-1684) yılları arasında aynı sonuca vardığı için “Boyle Mariotte yasası” ya da yalnızca “Boyle yasası” olarak bilinen bu bağıntı şöyle belirtilebilir: Sabit sıcaklıkta tutulan belirli kütledeki bir gazın basıncı hacmiyle ters orantılı olarak değişir. Buna göre, bir gaz kütlesine uygulanan basınç arttıkça gazın hacmi azalır ve hacmi yarıya inecek kadar sıkıştırılan bir gazın kaba uyguladığı basınç iki katına çıkar.
Fransız kimyacı Jacques Alexandre César Charles’ın (1746-1823) öne sürdüğü, sonradan gene Fransız kimyacı Louis Joseph Gay-Lussac’ın (1778-1850) geliştirdiği ikinci gaz yasası (“Charles yasası” ya da “Gay-Lussac yasası”) ise şöyle açıklanabilir: Sabit basınç altında tutulan belirli kütledeki bir gazın hacmi mutlak sıcaklığıyla doğru orantılı olarak değişir. (Mutlak sıcaklık, kuramsal olarak bir maddedeki bütün molekül hareketinin durduğu mutlak sıfır noktasını başlangıç alır ve Kelvin ölçeğiyle ölçülür. Bu yasanın daha basit anlatımıyla, gazlar ısındıkları zaman genleşir, soğudukları zaman büzülür. Sıcak havayla şişirilen bir balonun soğuyunca küçülmesinin nedeni budur.
Bu iki yasanın birleştirilmesiyle, gazların üçüncü yasası denen yeni bir bağıntıya ulaşılır: Hacmi sabit tutulan bir gazın sıcaklığı artarsa basıncı da artar. Bunun tersi de geçerlidir: Sabit hacimdeki bir gazın basıncı artınca sıcaklığı da artar.
Gazların davranışlarını en iyi açıklayan kuram, 19. yüzyılda geliştirilen “gazların kinetik kuramı”dır. Bu kurama göre, bir gazın molekülleri sürekli hareket halindedir ve moleküller arasındaki uzaklık molekülün boyutlarından çok daha fazladır. Bu nedenle gazları sıkıştırarak moleküllerini birbirine yaklaştırmak olanaklıdır. Oysa molekülleri birbirine çok daha yakın olan katılar ve sıvılar gazlar gibi kolayca sıkıştırılamaz. Moleküller arasın* da büyük boşlukların olması, gazların birbiri içinde hızla yayılmasına da olanak verir. Gaz molekülleri halindeki kokuların havada kolayca yayılarak burnumuza ulaşması bundandır. Bulundukları hacimde rastgele hareket eden gaz moleküllerinin birbirleriyle çarpışmaları ya da kabın çeperlerine çarpmaları sırasında enerji kaybı olmaz. Öte yandan, ısı alarak daha çok enerji yüklenen moleküllerin hareketi hızlanacağından, ısıtılan gazlar kolayca genleşir.
Aynı sıcaklık ve basınç koşulları altında bulunan eşit hacimdeki bütün gazlarda eşit sayıda molekül bulunur. İtalyan fizikçi Amedeo Avogadro’nun (1776-1856) ortaya attığı bu önerme; “Avogadro varsayımı” ya da Avogadro ilkesi olarak bilinir.
Yakıt Olarak Kullanılan Gazlar
Yandıkları zaman büyük miktarda ısı veren bazı gazlar evlerde ve sanayide yakıt olarak kullanılır. Bu gaz yakıtların bir bölümü doğada kendiliğinden oluşur (doğal gaz), bir bölümü ise doğal yakıtların işlenmesiyle elde edilir (fabrika gazı). Konutlarda ocak yakıtı olarak kullanılacak fabrika gazları ya hava gazında olduğu gibi doğrudan doğruya borularla tüketicilere dağıtılır ya da sıvılaştırıldıktan sonra çelik tüplere doldurularak kullanıma sunulur.
Doğal gaz bütün gaz yakıtlar içinde en önemlisidir ve büyük bölümü metan olmak üzere çeşitli hidrokarbonlardan oluşur. Milyonlarca yıl önce deniz diplerinde çökelen bitki artıklarının yoğun sıcaklık ve basınç altında çürümesiyle oluşan doğal gaz, günümüzde giderek bütün öbür gaz yakıtların yerini almak üzeredir. Çünkü, çok zengin bir enerji kaynağı olduğu kadar taşınması ve depolanması da çok kolaydır; basınç altında sıvılaştırılarak boru hatlarıyla çok uzak yerlere iletilebilir.
Fabrika gazları içinde en önemlileri havagazı, su gazı, üreteç (jeneratör) gazı ve asetilendir. Taşkömürünün havasız ortamda ısıtılmasıyla elde edilen havagazı, hidrojen, karbon monoksit, metan ve öbür hidrokarbonlar ile az miktarda azot, oksijen ve karbon dioksitten oluşan bir gaz karışımıdır. Demir-çelik fabrikalarında yan ürün olarak elde edilir ve yüksek fırına verilen havayı ısıtmak, pompaları çalıştırmak, bazı çelik üretim tesislerinde elektrik üretmek için kullanılır. Bir zamanlar evlerde yemek pişirmek için yaygın olarak kullanılan havagazı günümüzde yerini büyük ölçüde tüpgazlara bırakmıştır.
Karbon monoksit ile azot karışımı olan üreteç gazı, sıcak kokkömürü içinden yavaş yavaş hava geçirilerek elde edilir. Hidrojen ile karbon monoksit karışımı olan su gazı ise sıcak kokkömürü içinden su buharı geçirilerek üretilir. Bu nedenle, kokkömürü içinden buhar ve havayı birlikte ya da sırayla geçirerek hem üreteç gazı, hem su gazı elde edilebilir.
Tüpgaz adıyla anılan yakıtlar basınç altında sıvılaştırılmış petrol gazları, özellikle de bütan ve propandır. Benzin elde etmek üzere petrolün damıtılması sırasında bir yan ürün olarak çıkan propan ve bütan gazları doğal gazda da bulunur. Çelik tüpler içinde dağıtıma sunulan bu sıvılaştırılmış gazlar evlerde, özellikle doğal gaz dağıtım ağı olmayan yerleşmelerde, kamp yerlerinde ve teknelerde kullanılır.
Gazların davranışlarını belirleyen temel özellikler nelerdir?
Gazların fiziksel davranışlarını dört özellik belirler. Bunlar; Basınç (P), sıcaklık (T) ve hacim (V) gazların durumunu değiştirebilen etkenlerdir. Gazlar genellikle kokusuz ve renksizdirler. Bazılarının kokusu, rengi ve zehirliliği en belirgin özelliğidir. Br2 kahverengimsi kırmızı, I2 mor renkli, NO2 ve N2O3 kahve renkli, F2 ve C12 yeşilimsi sarı, NH3 keskin kokulu, oksijen, azot ve asal gazlar dışındakiler zehirlidirler.
Gazların davranışlarını belirleyen temel özellikler şunlardır;
– Basınç
– Sıcaklık
– Gaz miktarı
– Gazın hacmi
Basınç: Gazlar içine konuldukları kabın şeklini alır, kaptaki gaz molekülleri kabın duvarlarına çarparak basınç uygular. Böylece basınç gazın davranışını etkiler. Formüllerde basınç “P” harfiyle gösterilir.
Sıcaklık: Sıcaklık kavramı gaz için çok önemlidir. Gazların hacmi ve basıncı sıcaklıktan çok etkilenir. Sıcaklığın derecesini ayarlamak için termometreler üretilmiştir. Termometreler sayesinde gaz için uygun sıcaklık bulunur.
Hacim: Gazlar bulundukları kabın hem hacmini hem de şeklini alan maddelerdir. Kap ne kadar hacimdeyse gaz da o hacimdedir.
Gaz Miktarı: Gazın yoğunluğunu ayarlamak gazın davranışını etkileyen özelliklerden biridir. Gazın yoğunluğuna gaz miktarı denir.
Hava gazlardan oluşan bir karışımdır, yaklaşık olarak hacimce %79’u azot gazı, %21’i oksijen, % 0.93’ü argon ve kalan miktar diğer soygaz ve gazlardan oluşmaktadır. Gazların sıkıştırılabilmesi veya genleştirilebilmesi gaz davranışı olarak adlandırılır.