Реальні гази: відхилення від ідеальності

Терміном «реальні гази» серед хіміків і фізиків прийнято називати такі гази, властивості яких самим безпосереднім чином залежать від їх міжмолекулярної взаємодії. Хоча в будь-якому спеціалізованому довіднику можна прочитати, що один моль даних речовин в нормальних умовах і стійкому стані займає об`єм приблизно 22,41108 л. Таке твердження справедливе лише стосовно так званих "ідеальних" газів, для яких, відповідно до рівняння Клапейрона, не діють сили взаємного тяжіння і відштовхування молекул, а займаний останніми обсяг є пренебрежимо малою величиною.

Зрозуміло, таких речовин у природі не існує, тому всі ці міркування і обчислення мають суто теоретичну спрямованість. А ось реальні гази, які в тій чи іншій мірі відхиляються від законів ідеальності, зустрічаються часто-густо. Між молекулами таких речовин завжди присутні сили взаємного тяжіння, з чого випливає, що їх обсяг дещо відрізняється від виведеної досконалої моделі. Причому всі реальні гази мають різну ступінь відхилення від ідеальності.

Але тут простежується абсолютно чітка тенденція: чим більше температура кипіння речовини наближена до нуля градусів за Цельсієм, тим сильніше дане з`єднання буде відрізнятися від ідеальної моделі. Рівняння стану реального газу, що належить нідерландському фізику Йоханнес Дідерик Ван-дер-Ваальса, було виведено їм в 1873 році. В дану формулу, що має вигляд (p + n²a / V²) (V - nb) = nRT, введені дві дуже істотних поправки в порівнянні з рівнянням Клапейрона (pV = nRT), що визначаються експериментально. Першою з них враховуються сили молекулярної взаємодії, на які впливає не тільки тип газу, але також його обсяг, щільність і тиск. Другий поправкою визначається молекулярна маса речовини.

Найбільш істотну роль дані корективи набувають при високому тиску газів. Наприклад, для азоту при показнику в 80 атм. розрахунки будуть відрізнятися від ідеальності приблизно на п`ять відсотків, а зі збільшенням тиску до чотирьохсот атмосфер різниця досягне вже ста відсотків. Звідси випливає, що закони ідеальної газової моделі досить приблизні. Відступ від них носить як кількісний, так і якісний характер. Перше виявляється в тому, що рівняння Клапейрона дотримується для всіх реальних газоподібних речовин дуже приблизно. Відступу ж якісного характеру набагато глибші.

Реальні гази цілком можуть бути перетворені і в рідкий, і в тверде агрегатний стан, що було б неможливо при їх суворому дотриманні рівнянням Клапейрона. Міжмолекулярні сили, що діють на такі речовини, призводять до утворення різних хімічних сполук. Це знову ж неможливо в теоретичній ідеальної газовій системі. Утворені таким чином зв`язки називаються хімічними або валентними. У тому випадку, коли реальний газ іонізований, в ньому починають проявлятися сили кулонівського тяжіння, якими визначається поведінка, наприклад, плазми, що представляє собою квазінейтральності іонізоване речовина. Це особливо актуально в світлі того, що фізика плазми сьогодні є великою, що бурхливо розвивається науковою дисципліною, що має надзвичайно широке застосування в астрофізиці, теорії поширення радіохвильових сигналів, у проблемі керованих ядерних і термоядерних реакцій.

Хімічні зв`язки в реальних газах за своєю природою практично не відрізняються від молекулярних сил. І ті, й інші за великим рахунком зводяться до електричного взаємодії між елементарними зарядами, з яких побудована вся атомна і молекулярна структура речовини. Однак повне розуміння молекулярних і хімічних сил стало можливе тільки з виникненням квантової механіки.

Варто визнати, що не будь-яке стан речовини, сумісний з рівнянням голландського фізика, може бути реалізоване на практиці. Для цього необхідний ще й фактор їх термодинамічної стійкості. Одне з важливих умов такої стабільності речовини полягає в тому, що в ізотермічному рівнянні тиску повинна суворо дотримуватися тенденція до зменшення загального обсягу тіла. Іншими словами, у міру зростання значення V все ізотерми реального газу повинні неухильно опускатися. Тим часом, на ізотермічних графіках Ван-дер-Ваальса нижче критичної температурної позначки спостерігаються піднімаються ділянки. Точки, що лежать в таких зонах, відповідають нестійкого стану речовини, яка на практиці не може бути реалізоване.