Реальные газы: отклонение от идеальности

Термином «реальные газы» среди химиков и физиков принято называть такие газы, свойства которых самым непосредственным образом зависят от их межмолекулярного взаимодействия. Хотя в любом специализированном справочнике можно прочесть, что один моль данных веществ в нормальных условиях и устойчивом состоянии занимает объем приблизительно 22,41108 л. Такое утверждение справедливо только в отношении так называемых "идеальных" газов, для которых, в соответствии с уравнением Клапейрона, не действуют силы взаимного притяжения и отталкивания молекул, а занимаемый последними объем является пренебрежимо малой величиной.

Видео: Переделка пневмата мр-654к в боевой

Разумеется, таких веществ в природе не существует, поэтому все эти рассуждения и вычисления имеют сугубо теоретическую направленность. А вот реальные газы, которые в той или иной степени отклоняются от законов идеальности, встречаются сплошь и рядом. Между молекулами таких веществ всегда присутствуют силы взаимного притяжения, из чего следует, что их объем несколько отличается от выведенной совершенной модели. Причем все реальные газы имеют разную степень отклонения от идеальности.

Но здесь прослеживается совершенно четкая тенденция: чем больше температура кипения вещества приближена к нулю градусов по Цельсию, тем сильнее данное соединение будет отличаться от идеальной модели. Уравнение состояния реального газа, принадлежащее нидерландскому физику Йоханнесу Дидерику Ван-дер-Ваальсу, было выведено им в 1873 году. В данную формулу, имеющую вид (p + n²a/V²) (V – nb) = nRT, введены две весьма существенных поправки по сравнению с уравнением Клапейрона (pV= nRT), определяемые экспериментально. Первой из них учитываются силы молекулярного взаимодействия, на которые влияет не только тип газа, но также его объем, плотность и давление. Второй поправкой определяется молекулярная масса вещества.

Видео: Остановка газового счётчика магнитом

Наиболее существенную роль данные коррективы приобретают при высоком давлении газов. Например, для азота при показателе в 80 атм. расчеты будут отличаться от идеальности примерно на пять процентов, а с увеличением давления до четырехсот атмосфер разница достигнет уже ста процентов. Отсюда следует, что законы идеальной газовой модели весьма приблизительны. Отступление от них носит как количественный, так и качественный характер. Первое проявляется в том, что уравнение Клапейрона соблюдается для всех реальных газообразных веществ весьма приблизительно. Отступления же качественного характера гораздо более глубокие.

Реальные газы вполне могут быть преобразованы и в жидкое, и в твердое агрегатное состояние, что было бы невозможно при их строгом следовании уравнению Клапейрона. Межмолекулярные силы, действующие на такие вещества, приводят к образованию различных химических соединений. Это опять же невозможно в теоретической идеальной газовой системе. Образованные таким образом связи называются химическими или валентными. В том случае, когда реальный газ ионизирован, в нем начинают проявляться силы кулоновского притяжения, которыми определяется поведение, например, плазмы, представляющей собой квазинейтральное ионизированное вещество. Это особенно актуально в свете того, что физика плазмы сегодня является обширной, бурно развивающейся научной дисциплиной, имеющей чрезвычайно широкое применение в астрофизике, теории распространения радиоволновых сигналов, в проблеме управляемых ядерных и термоядерных реакций.

Химические связи в реальных газах по своей природе практически не отличаются от молекулярных сил. И те, и другие по большому счету сводятся к электрическому взаимодействию между элементарными зарядами, из которых построена вся атомная и молекулярная структура вещества. Однако полное понимание молекулярных и химических сил стало возможно только с возникновением квантовой механики.

Видео: Опыт по физике. Метод Стокса

Стоит признать, что не любое состояние вещества, совместимое с уравнением голландского физика, может быть реализовано на практике. Для этого необходим еще и фактор их термодинамической устойчивости. Одно из важных условий такой стабильности вещества заключается в том, что в изотермическом уравнении давления должна строго соблюдаться тенденция к уменьшению общего объема тела. Иными словами, по мере возрастания значения V все изотермы реального газа должны неуклонно опускаться. Между тем, на изотермических графиках Ван-дер-Ваальса ниже критической температурной отметки наблюдаются поднимающиеся участки. Точки, лежащие в таких зонах, соответствуют неустойчивому состоянию вещества, которое на практике не может быть реализовано.