Введение в идеальные и реальные газы

Газы являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Мы дышим воздухом, который является смесью газов. Воздушные шары поднимаются из-за газа, который они содержат. Даже газированные напитки пенятся благодаря газам. В этой статье мы рассмотрим понятие газа в химии, сосредоточив внимание на различиях между идеальными и реальными газами.

Что такое газы?

По сути, газ — это состояние вещества, не имеющее ни определенной формы, ни определенного объема. Это означает, что газы могут расширяться, чтобы заполнить любой контейнер. Молекулы в газах распределены значительно более разреженно, чем в жидкостях и твердых телах, и именно это придает газам их уникальные свойства.

Свойства газов

Газы обладают некоторыми характерными свойствами:

• Они сжимаемы: вы можете сжимать газы в меньшие объемы.
• Они расширяются, чтобы заполнить свои емкости: газы равномерно заполняют емкость, независимо от ее размера или формы.
• Они смешиваются равномерно и полностью: различные газы могут смешиваться друг с другом без каких-либо препятствий.
• Они оказывают давление: молекулы газа сталкиваются со стенками своего контейнера, создавая давление.

Концепция идеальных газов

Для лучшего понимания газов ученые используют понятие "идеального газа". Идеальный газ — это теоретический газ, состоящий из случайно движущихся, невзаимодействующих точечных частиц. Идеальные газы помогают ученым разрабатывать математические модели для предсказания поведения газов при различных условиях. Для идеального газа действуют ряд правил, известных как законы идеального газа.

Закон идеального газа

Закон идеального газа описывает взаимоотношение между давлением, объемом, температурой и количеством молей газа. Основная формула для идеального газа выражается как:

PV = nRT

Где:

• P — давление газа
• V — объем газа
• n — количество газа в молях
• R — универсальная газовая постоянная
• T — температура газа в Кельвинах

Давайте рассмотрим это подробнее:

Давление (P)

Давление — это сила, которую газ оказывает на стенки своего контейнера. Оно измеряется в таких единицах, как атмосферы (атм), паскали (Па) или миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.).

Объем (V)

Объем — это пространство, которое газ занимает. Общие единицы измерения — литры (л) или кубические метры (м³).

Количество газа (n)

Количество газа измеряется в молях, что является способом выражения количества вещества на основе числа частиц, обычно атомов или молекул.

Температура (T)

В химии температура измеряется в Кельвинах (К). Чтобы преобразовать Цельсии в Кельвины, добавьте 273,15 к температуре в Цельсиях.

Универсальная газовая постоянная (R)

R — это константа, которая позволяет единицам работать правильно. Ее значение зависит от единиц измерения давления и объема, но если давление измеряется в атм, а объем в литрах, часто используется значение 0.0821 л атм/(К моль).

Визуальный пример: Закон идеального газа

        /** * Визуализация Закона идеального газа * Переменные представлены в виде кругов со стрелками, указывающими на их взаимодействие */
        /** * Визуализация Закона идеального газа * Переменные представлены в виде кругов со стрелками, указывающими на их взаимодействие */
        
        
        P
        
        
        V
        
        
        T
    
    

Реальные газы

В отличие от идеальных газов реальные газы не всегда подчиняются закону идеального газа, особенно при таких условиях, как высокое давление или низкая температура. Молекулы реальных газов имеют объем и межмолекулярные силы, которые могут влиять на их поведение.

Различия между реальными и идеальными газами

Хотя идеальные газы — это простая модель и они очень полезны, они не учитывают все сложности реальных газов. Вот некоторые ключевые различия:

• Объем молекул: молекулы в реальных газах занимают пространство, тогда как идеальные газы являются точечными частицами без объема.
• Межмолекулярные силы: реальные газы имеют силы притяжения или отталкивания между молекулами, в то время как идеальные газы их не имеют.
• Высокое давление: при высоком давлении реальные газы могут значительно отклоняться от поведения идеального газа из-за объема и межмолекулярных сил молекул.
• Низкие температуры: при низких температурах кинетическая энергия молекул газа уменьшается, что делает межмолекулярные силы более значимыми и приводит к отклонениям от идеального поведения.

Уравнение ван-дер-Ваальса

Уравнение ван-дер-Ваальса модифицирует закон идеального газа, учитывая объем и межмолекулярные силы молекул газа. Оно записывается как:

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

Где:

• a — мера притяжения между частицами.
• b — объем, занимаемый одним молем частиц газа.

Визуальный пример: эффект реального газа

        /** * Эффект реального газа * Показаны молекулы в контейнере с силами между ними */
        /** * Эффект реального газа * Показаны молекулы в контейнере с силами между ними */
        
        
        
        
        
        
        
        
        
    
    

Пример урока: как газы отклоняются от идеального поведения

Представьте, что вы надуваете воздушный шар воздухом. В нормальных условиях воздух ведет себя очень близко к идеальному газу. Однако, если вы переместите шарик в холодное горное место, вы заметите, что он сжимается. Это происходит из-за того, что реальный газ в шарике не ведет себя идеально при низких температурах.

Другой пример — это сжатый природный газ, используемый в транспортных средствах. При высоком давлении молекулы газа сближаются, что делает эффект их объема более заметным и приводит к отклонению от закона идеального газа.

Применение газов

Понимание работы газов важно в нескольких областях:

• Прогнозирование погоды: метеорологи используют газовые законы для прогнозирования погодных условий и изменений.
• Инженерия: газовые законы помогают в проектировании двигателей, холодильных систем и даже в космических исследованиях.
• Медицинские применения: газы, такие как кислород и закись азота, используются в медицинской практике и хирургии.

Заключение

Газы представляют фантастический интерес и их изучение является неотъемлемой частью химии. Понимая разницу между идеальными и реальными газами, а также законы, которыми они подчиняются, мы получаем ценную информацию о природных и промышленных процессах, связанных с газами.

Комментарии