Что будет происходить с газом если его постоянно охлаждать?

Коротко: когда газ продолжают холодить, он по сути переходит в жидкость, а затем — при дальнейшем охлаждении — в твердое вещество. Это связано с тем, что с понижением температуры кинетическая энергия молекул уменьшается, а силы взаимного притяжения начинают доминировать, что приводит к конденсации и замещению объёма газа жидкостью и потом твёрдым веществом. Как именно это произойдёт, зависит от условий (давление, объём) и от самого газа.

Пошагово, для понимания

1. Что говорит закон газов (упрощённо, для учебной модели)

• Идеальный газ: PV = nRT.
• При фиксированном давлении P и количестве вещества n и уменьшении температуры T объём V уменьшается пропорционально T: V = nRT / P.
• При фиксированном объёме V и уменьшении T давление тоже уменьшается: P = nRT / V.

2. Что произойдёт при охлаждении в реальном эксперименте

• До тех пор, пока газ остаётся в газовой фазе и не конденсируется, поведение можно описывать газовым законом.
• Как только T достигает точки кипения (для данного давления) или ниже, молекулы начинают склоняться к друг другу и часть газа конденсируется в жидкость. В этот момент начинается фазовая равновесие жидкость–газ, и в системе появляются пары жидкость/газ.
• Продолжая охлаждать, если есть возможность поддерживать нужное давление, часть газа исчезает из газовой фазы и остаётся жидкость. В идеальном случае можно считать, что весь газ превращается в жидкость.

3. После превращения в жидкость

• Жидкость занимает намного меньший объём, чем газ того же количества молей при той же температуре и давлении. Поэтому при дальнейшем охлаждении жидкость продолжает нагреваться/остужаться ещё сильнее, но температура держится около точки кипения жидкости при данном давлении.
• В большинстве условий при дальнейшем снижении температуры жидкость может замерзнуть (переход в твёрдое состояние). Это происходит при характерной для вещества температуре плавления при соответствующем давлении.

4. Важные нюансы для разных газов

• Не все газы конденсируются в жидкость при охлаждении до очень низких температур при 1 атм. Например, CO2 при обычном давлении сублимуется и превращается в твёрдую фазу напрямую (сублимация); чтобы получить жидкость CO2, нужен высокое давление.
• Есть такое понятие критической температуры: выше неё газ не может превратиться в жидкость только давлением. Для каждого вещества Tc своя. Ниже Tc жидкость образуется при сжатии, выше Tc — конденсации может и не быть без очень высокого давления.
• Нормальные примеры: азот при 1 атм конденсируется в жидкость при примерно 77 K (минус 196 °C); кислород — около 90 K; гелий — около 4,2 K; эти значения показывают, что разные газы превращаются в жидкость при разных температурах.

5. Пример в бытовом виде (для наглядности)

• Возьмём азот в цилиндре с поршнем (давление почти постоянное). При нагревании азот был бы газом. При охлаждении до 77 K (минус 196 °C) он конденсируется в жидкость. При ещё более низких температурах жидкость может замёрзнуть.

Коротко про итог:

• При охлаждении газ сначала соблюдает газовые законы.
• При достижении условий конденсации часть газа превращается в жидкость; далее возможно замерзание до твёрдого вещества, в зависимости от конкретного газа и давления.
• Реальные вокруг эффекты: поведение отличается от идеального газа при низких температурах и/или большого давления; некоторые газы требуют высокого давления для жидкой фазы (не сублимируются при 1 атм).

Если хочешь, могу привести конкретные примеры для конкретного газа (например, азот, кислород, CO2, водород) и рассчитать, что будет происходить при заданном давлении и температуре. Также могу привести простые примеры расчётов по V = nRT/P или по рассмотрению переходов T кипения и плавления.