Todelliset kaasut: poikkeama ihanteellisuudesta

Kemistien ja fyysikkoiden "todellisia kaasuja" kutsutaan yleensä sellaisiksi kaasuiksi, joiden ominaispiirteet suoraan riippuvat niiden molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta. Vaikka missään erikoistuneessa viitekirjassa voidaan lukea, että yksi mooli näistä aineista normaaleissa olosuhteissa ja vakaassa tilassa on noin 22,41108 litraa. Tällainen väite pätee vain niin sanotuille "ihanteellisille" kaasulle, mistä Clapeyron-yhtälön mukaan molekyylien vastavuoroisen vetovoiman ja repulsion voimat eivät toimi, ja jäljelle jääneen tilavuus on vähäpätöinen.

Tällaisia aineita ei tietenkään ole luonteeltaan, joten kaikki nämä perustelut ja laskelmat ovat puhtaasti teoreettisia. Mutta todelliset kaasut, jotka jossakin määrin poikkeavat ihanteellisuuslaista, löytyvät hyvin usein. Tällaisten aineiden molekyylien välillä on aina keskinäisen vetovoiman voimia, joista seuraa, että niiden tilavuus eroaa jonkin verran siitä johdetun täydellisestä mallista. Ja kaikilla todellisilla kaasulla on eriasteiset poikkeamat ihanteellisuudesta.

Mutta tässä voimme nähdä erittäin selkeän taipukkeen: mitä enemmän aineen kiehumispiste lähestyy nolla astetta, sitä vahvempi tämä yhteys on ihanteellisesta mallista. Alankomaiden fyysikko Johannes Diederik van der Waalsin todellisesta kaasusta koostuva yhtälö sai hänet vuonna 1873. Tässä kaavassa, jolla on muoto (p + n ² a / V ² ) (V - nb) = nRT, viitataan kahteen hyvin tärkeään korjaukseen verrattuna Clapeyron-yhtälöön (pV = nRT), joka määritetään kokeellisesti. Ensimmäisessä niistä otetaan huomioon molekyylien vuorovaikutuksen voimat, joihin vaikuttaa paitsi kaasun tyyppi, myös sen tilavuus, tiheys ja paine. Toinen korjaus määrittää aineen molekyylimassan .

Merkittävin rooli näiden säätöjen saavuttamisessa korkeissa kaasupaineissa. Esimerkiksi typen nopeudella 80 atm. Laskelmat eroavat ihanteellisuudesta noin viidellä prosentilla ja paineen lisääntyessä neljään sataan atmosfääriin, ero nousee sataprosenttisesti. Tästä seuraa, että ihanteellisen kaasumallin lait ovat hyvin likimääräisiä. Poikkeama niistä on sekä määrällisiä että laadullisia. Ensimmäinen ilmenee siinä, että Clapeyron-yhtälö on tyydyttävä kaikkien todellisten kaasumaisten aineiden suhteen hyvin. Laadulliset retriitit ovat paljon syvällisempää.

Todelliset kaasut voidaan täysin muuntaa sekä nestemäiseksi että kiinteäksi aggregaatiksi, mikä olisi mahdotonta, jos ne noudattavat tarkasti Clapeyron-yhtälöä. Tällaisiin aineisiin vaikuttavat välikamariset voimat johtavat erilaisten kemiallisten yhdisteiden muodostumiseen. Tämä on taas mahdotonta teoreettisessa ideaalisessa kaasujärjestelmässä. Näin muodostuneita sidoksia kutsutaan kemiallisiksi sidoksiksi tai valenssisidoksiksi. Tapauksessa, jossa todellinen kaasu ionisoituu, Coulombin vetovoiman voimat alkavat ilmentyä siinä, mikä määrittää esimerkiksi plasman käyttäytymisen, joka on lähes neutraali ionisoitu aine. Tämä pätee erityisesti siksi, että plasman fysiikka on nykyään laaja, nopeasti kehittyvä tieteellinen kurinalaisuus, jolla on erittäin laaja sovellus astrofysiikassa, radioaaltosignaalien etenemissuunnitelma kontrolloiduissa ydin- ja termonukleaarisissa reaktioissa.

Kemiallisten sidosten todellisissa kaasuissa niiden luonteen mukaan käytännössä eivät poikkea molekyylivoimasta. Molemmat heistä yleistyvät alkuaineiden sähköisen vuorovaikutuksen kautta, josta koko aineen atomi- ja molekyylirakenne on rakennettu. Molekyylisten ja kemiallisten voimien täydellinen ymmärtäminen oli kuitenkin mahdollista vain kvanttimekaniikan kynnyksellä .

On syytä myöntää, että kaikki aineiston tilat, jotka ovat yhteensopivia hollantilaisen fyysikon yhtälön kanssa, voidaan toteuttaa käytännössä. Tätä varten tarvitaan myös termodynaaminen stabiilisuuskerroin. Yksi tärkeimmistä olosuhteista aineen stabiilisuuden kannalta on, että isotermisen paineyhtälön on tiukasti noudatettava taipumusta pienentää kehon kokonaismäärää. Toisin sanoen, kun V: n arvo kasvaa, kaikkien reaalikaasun isotermit on laskettava tasaisesti. Samaan aikaan Van der Waalsin isotermiset tontit alle kriittisen lämpötilamerkin, nousevat alueet havaitaan. Tällaisissa vyöhykkeissä olevat kohdat vastaavat aineen epävakaa tilan, jota käytännössä ei voida toteuttaa.