Реальные газы vs Идеальные газы

При изучении газов и газовых законов важно различать реальные и идеальные газы. Концепция идеальных газов основана на некоторых упрощенных предположениях, которые позволяют предсказывать и понимать поведение газов с использованием математических моделей. С другой стороны, реальные газы отклоняются от этих моделей в определённых ситуациях. Давайте подробно рассмотрим эти концепции.

Понимание идеальных газов

Идеальный газ — это теоретический газ, состоящий из многих случайно движущихся точечных частиц, которые взаимодействуют только посредством упругих столкновений. Концепция идеального газа помогает упростить изучение газов, предполагая следующее:

• Частицы газа находятся в постоянном, случайном движении.
• Нет силы притяжения или отталкивания между частицами.
• Объем частиц газа незначителен по сравнению с объемом контейнера.
• Столкновения между частицами газа и между частицами и стенками контейнера являются идеально упругими, т.е. энергия не теряется при столкновении.

Поведение идеального газа может быть полностью описано законом идеального газа:

PV = nRT

Где:

• P = давление газа
• V = объем газа
• n = количество вещества (в молях)
• R = универсальная газовая постоянная (около 8.314 Дж/(моль·К))
• T = температура газа (в Кельвинах)

Характеристики поведения идеального газа

Идеальный газ ведет себя предсказуемо и равномерно при всех условиях температуры и давления. При построении на PV-диаграмме зависимость между давлением и объемом является линейной при постоянной температуре. Эта простота позволяет предсказывать поведение газов с высокой точностью в различных ситуациях. Однако, важно помнить, что реальные газы приближаются к поведению идеального газа только при определенных условиях.

Пример: Расчет объема по уравнению идеального газа

Предположим, у вас есть 2 моля идеального газа при температуре 273 Кельвина (0 градусов Цельсия) и давлении 101.3 кПа. Вы можете рассчитать объем газа, используя уравнение идеального газа:

PV = nRT

Подставляя значения:

V = (nRT)/P = (2 моля × 8.314 Дж/(моль·К) × 273 К) / 101.3 кПа = 44.8 литра

Предполагая поведение идеального газа, рассчитанный объем для заданных условий составляет 44.8 литра.

Понимание реальных газов

В отличие от идеальных газов, реальные газы имеют физический контакт между частицами и занимают пространство. Эти отклонения становятся значительными при высоком давлении или низкой температуре, когда молекулы газа находятся близко друг к другу. Реальные газы отклоняются от поведения идеального газа, потому что:

• Молекулы газа занимают пространство и имеют объем.
• Между частицами есть силы притяжения или отталкивания, особенно когда они находятся близко друг к другу.

Характеристики поведения реальных газов

Реальные газы не всегда точно подчиняются закону идеальных газов. Они могут показывать отклонения, особенно заметные, когда газы сжаты или близки к конденсации. Эти отклонения часто учитываются в расчетах с использованием уравнения Ван дер Ваальса, которое учитывает объем молекул и силы притяжения:

(P + a(n/V)^2) (V - nb) = nRT

где a и b — специфические для каждого газа постоянные, (n/V) — молярная концентрация частиц газа, а (P + a(n/V)^2) учитывает межмолекулярные силы.

Пример: Расчет давления с использованием уравнения Ван дер Ваальса

Предположим, у вас есть 1 моль углекислого газа (CO₂) при 300 Кельвинах в контейнере объемом 10 литров. Константы для CO₂ такие: a = 3.592 L²·atm/mol² и b = 0.0427 L/mol. Рассчитайте давление, используя уравнение Ван дер Ваальса:

(P + a(n/V)^2) (V - nb) = nRT

Подставьте значения:

(P + (3.592 atm L²/mol² × (1 моль / 10 L)²) (10 L - 0.0427 L/mol × 1 моль) = 1 моль × 0.0821 L atm/(моль К) × 300 К

Упрощая уравнение:

(P + 0.03592 atm) (9.9573 L) = 24.63 L atm

Наконец, решите для P:

P = (24.63 L atm / 9.9573 L) - 0.03592 atm = 2.439 atm

Рассчитанное давление для CO₂ при этих фактических условиях составляет 2.439 atm.

Визуальные объяснения

Чтобы визуально понять различия, рассмотрите два одинаковых контейнера, заполненных газами при одинаковых температурных и объемных условиях: один содержимый идеальный газ, другой — реальный газ:

В этих примерах:

• Синие круги в контейнере с идеальным газом представляют собой частицы газа, движущиеся без взаимодействия друг с другом, полностью следуя предположениям закона идеального газа.
• Красные круги в контейнере с реальным газом представляют собой частицы газа, у которых есть силы притяжения между ними, что показано соединительными линиями. Это показывает более реалистичное взаимодействие между частицами, что приводит к отклонениям от модели идеального газа.

Условия, влияющие на поведение газа

Отклонение между реальными и идеальными газами более выражено в определённых ситуациях:

• Высокое давление: При высоком давлении, молекулы газа находятся ближе друг к другу. Объем, занимаемый молекулами газа, становится значительным, и межмолекулярные силы более заметны.
• Низкие температуры: При низких температурах молекулы газа движутся медленнее, что увеличивает эффект сил притяжения, так как они приближаются друг к другу.

Примерный сценарий: Кислородный газ в баллоне аквалангиста

Представьте себе баллон скуба дайвера, наполненный кислородом при высоком давлении и низкой температуре под водой. В этих условиях газ в баллоне будет вести себя как реальный газ, а не идеальный. Это понимание важно для инженеров и производителей, разрабатывающих оборудование, которое должно безопасно работать в условиях изменяющейся окружающей среды.

Основные различия вкратце

Подведем итоги основных различий между реальными и идеальными газами:

Аспект	Идеальный газ	Реальный газ
Объем частиц	Незначительный	Важен при высоком давлении
Межмолекулярные силы	Игнорируются	Значительные и важны при низких температурах
Применимые условия	Высокие температуры, низкое давление	Зависит от ситуации; требует корректировки при высоком давлении и низких температурах

Заключение

Понимание различий между реальными и идеальными газами важно для точного прогнозирования поведения газов в практических приложениях. Хотя закон идеальных газов предоставляет полезную основу для понимания поведения газов в различных ситуациях, именно признание поведения реальных газов через такие уравнения, как уравнение Ван дер Ваальса, позволяет более точно проводить расчёты в инженерии, химии и экологии.

В заключение, несмотря на то, что концепция идеального газа обеспечивает простоту и легкость понимания, реальные газы демонстрируют сложные взаимодействия, возникающие на микроскопическом уровне. Признавая эти различия и зная, как их учитывать в расчетах, мы получаем более глубокое понимание того, как газы ведут себя в реальном мире.

Комментарии