Състояние на реален и на идеален газ

Да си припомним какво означава „идеален газ“. Какви основни предположения правим за един идеален газ? Първото предположение е, че в него няма взаимодействия между молекулите. Какво означава това? Пример за междумолекулно взаимодействие е водородната връзка. Ако имаме две водни молекули, които се намират близо една до друга, а всяка от тях е кислороден с два водородни атома, знаем как взаимодействат зарядите им... Състоянието е газообразно, това са водни пари. Знаем, че кислородът дава частично отрицателен заряд, а водородният край на молекулата е с частично положителен. Тези молекули ще се привлекат една друга. Това са водородните връзки. Те са един от примерите за междумолекулни взаимодействия. Тук прмери са диполните сили с подобна полярност на молекулите. Пример са и силите на Ван дер Ваалс. Тези различни взаимодействия между молекулите, при които на случаен принцип едната им страна получава временна полярност и може да се привлече или отблъсне от противоположна страна на съседна молекула. Когато говорим за идеален газ и прилагаме закона за идеалния газ, приемаме, че не действат такива взаимовръзки. Или, че те са пренебрежимо малки, по правило, идеалният газ няма такива връзки. Ако имаме истински газ, който да приемем за идеален газ, ще предположим, че при него те са нищожни или не се случват изобщо. Второто основно предположение е, че обемът на самите молекули в газа е пренебрежимо малък спрямо обема на съда. И така, няма обем на газовите молекули. От това следва, че в реалността няма газове, които да отговарят на условията за идеален газ. Очевидно е, че молекулите на всички реални газове заемат някакъв собствен обем и влизат в някакъв вид междумолекулни взаимодействия, било то Ван дер Ваалсови сили или някакви други. Но също така в повечето условия, в които боравим с газове на практика тези предположения вършат работа. В много от условията те имат практически смисъл. Затова наричаме тези условия за идеален газ разумни предположения за реалните газове при сравнително високи температури и ниски налягания. Очевидно има значение според конкретния газ колко висока да е температурата или колко ниско да е налягането. Престави си, че тези условия за идеален газ важат все по-малко, когато газът доближава своята точка на кондензация. Когато намали достатъчно много температурата или увеличи налягането си, е по-вероятно да премине от газообразна към течна форма. Когато се доближи до тази точка на кондензация, газът ще има все по-малко поведение на идеален газ. Но, както сме правили и в предишни примери, ако можеш да направиш тези предположения, тогава е разумно да приложиш закона за идеалния газ. Той гласи, че налягането по обема на идеалния газ е равно на броя молове по универсалната газова константа по температурата, измерена в келвини. Нека най-напред помислим защо това е разумно за повечето газове при относително високи температури и ниско налягане. После ще видим къде започва да важи все по-малко, когато се доближава точката на кондензация, където температурата става по-ниска или налягането се покачва. Да направим тези три случая. Най-напред ще разгледам, да използвам този цвят, висока температура и ниско налягане. После ще опитам с ниска температура, а накрая и с високо налягане. Първо да видим защо е разумно идеалните газове да имат такова поведение когато температурата е сравнително висока и налягането е сравнително ниско. Да нарисувам един съд. Това са неговите стени. Очевидно е, че съдът има обем. Да нарисувам обемна фигура, представи си нейната дълбочина, а това е схемата ѝ в равнината. Вътре рисувам молекулите на газа, които се движат. Температурата е висока, това значи, че те се движат доста бързо вътре. Налягането обаче е ниско, значи няма много удари, особено със стените на съда. Това е реален газ. Молекулите му очевидно заемат собствен обем. В реалния свят са, значи взаимодействат помежду си с междумолекулни връзки. Но поради високата температура частиците хвърчат наоколо много бързо и не остават близо достатъчно дълго, за да поддържат взаимодействия. Тогава силите на привличане, породени например от водородни или други връзки нямат съществена роля. Също така поради ниското налягане, няма голям брой сблъсъци. Разумно е да се приеме, че обемът на молекулите е пренебрежимо малък в сравнение с обема на съда. Поне можем да си представим колко огромен е съдът в сравнение с газовите молекули. Като вземе предвид възможните им взаимодействия, можем да игнорираме връзките между молекулите. Било то като сблъсъци и електростатично отблъскване, или поради това, че са твърде отдалечени през повечето време, за да действат сили на привличане: водородни връзки или диполни моменти няма да имат ефект. Затова при тези условия можем да приемем повечето истински газове да отговарят на условията за идеален газ и да приложим закона за идеалния газ. Сега да разгледаме някои по-гранични случаи. Да вземем ниска температура. В ситуация, когато температурата е ниска... Рисувам същия съд, в който има газ, но този път при ниска температура. Ако вътре има идеален газ, този съвсем хипотетичен и несъществуващ идеален газ, тогава температурата няма да има значение. Но когато е истински газ и температурата е ниска, вече на съседните молекули ще влияят сили на привличане, те ще имат шанс да се проявят. Молекулите вече не прехвърчат толкова бързо една покрай друга. И така, когато започват да влияят силите на привличане, и докато обемът остава постоянен, както и температурата остава постоянна, при постоянна ниска температура, и постоянен брой молекули... дали налягането на реалния газ ще стане по-ниско или по-високо, отколкото на идеалния газ? Остави видеото на пауза, за да помислиш над това. И така, температурата е ниска. Предполагаме, че се запазват температурата Т, обемът и броят молове на идеалния газ и при реалния. Ако сравним налягането на реалния газ с изчисленото налягане на идеалния, какво ще бъде то? При реалния газ частиците ще се влачат една покрай друга и ще имат повече време да се привличат с водородни връзки и Ван дер Ваалсови сили. И така ще прекарват повече време да се блъскат една в друга или да се скупчват, отколкото да се блъскат хаотично в стените на съда. Представи си, че същата ниска температура остава постоянна в двете ситуации, при идеалния газ и при реалния... Постоянни остават обема, броят на молекулите, тогава налягането на реалния газ ще е по-ниско от налягането на идеалния газ. Представи си, че температурата става толкова ниска, че да достигне точката на кондензация. Тогава частиците ще се движат толкова бавно, че ще се привличат една друга и ще дадат възможност на привличането да надделее над кинетичните сили, с които се разминават. Това е поради ниската температура. Така частиците се закачат една за друга и преминават в течно състояние Това се случва в молекулите на водните пари, когато температурата спадне близо до точката на кондензация, която е и точката на кипене, ако се погледне в обратна посока. Сега да разгледаме другия пример. Когато налягането е високо. Сега отново ще сравним поведението на реалния газ с това на идеалния газ. Този път ще сравняваме обемите. Искаме да сравним обема на реалния газ с обема на идеалния газ. Ще поддържаме постоянни величините температура, налягане и брой молове. И така, да видим. Ще нарисувам отново един съд. Когато в него има идеален газ, високото налягане няма да има влияние. Но да сложим реални частици. Те са сблъскани една в друга, удрят се много, много често. Не само в стените на съда, но и една в друга. Когато приемем техния обем за несъществен, както е при идеалния газ, по-важни ще са ударите в стените. Но когато налягането е достатъчно голямо, тогава ударите между частиците стават много, че за да поддържаме налягането постоянно, особено ако техния обем стане значим, поради многото удари, за да не се промени налягането на реалния газ спрямо това на идеалния, ще трябва да разширим пространството на реалния газ. Той ще се нуждае от повече пространство, тъй като обемът на неговите молекули ще стане по-значим. Тук спира да важи условие номер 2. За да имаме едно и също налягане, в този случай високо налягане, обемът на съда с реалния газ ще трябва да е по-голям, отколкото при идеалния газ. Отново получваме, че с увеличаването на налягането газът отново се доближава до точката си на кондензация. По принцип, с намаляване на температурата и с увеличаване на налягането молекулите на газа все повече взаимодействат една с друга и се събират до течно състояние. Да обобщим: условията за идеален газ и закона за идеалния газ вършат работа за повечето газове, когато са при висока температура и при ниско налягане. Но когато проверим тези условия при ниска температура или високо налягане, те започват да не отговарят на реалността.