実在気体への適用を可能にする理想気体方程式の修正

圧縮率係数。 273 K 温度におけるガスの PV 対 P 積のグラフ。実在気体が理想的な挙動に到達する。ファンデルワールス方程式。異なる温度における水素 1 モルの PV と RT および P の関係を示すグラフ。

圧縮係数と理想方程式との関係。ガスの圧縮係数は、特定の温度と圧力におけるガスの体積と、同じ温度と圧力で理想気体であった場合にガスが占める体積の比です。圧縮率係数は、特定の温度と圧力において、特定のガスが理想気体からどれだけ逸脱しているかを示します。

これは、同じ圧力と温度におけるガスの体積と理想気体の体積の比です。理想気体方程式の圧縮率係数は次のように導出できます。ここで、P は圧力、n はガスのモル数、T は絶対温度、R は気体定数です。

ボイルの法則によれば、圧力は体積に反比例します。したがって、圧力と体積の積は平衡状態では一定になります。標準温度です。したがって、温度が一定の理想気体の場合、圧力が変化しても PV は一定のままです。しかし、実際のガスの場合、PV 対 P グラフは直線にはなりません。

実際の気体には分子間力があるため、気体粒子は互いに衝突すると減速します。したがって、圧力は理想気体状態での圧力よりも低くなります。したがって、実際のガスのグラフは、圧力の上昇により最初は下がりますが、その後上昇し始めます。

傾斜が大きいほど、ガス粒子間の分子間力も大きくなります。これは、実際のガスは特定のポイントでのみ圧縮でき、その圧力を超えると体積の減少が起こらないために発生します。したがって、実際の気体のグラフは次のようになります。

実在気体は低圧で理想的な挙動に達します。気体には分子間力が非常に弱いですが、それでもこれらの引力は存在します。理想気体には分子間力がないため、実在気体は理想気体の挙動から外れます。低圧では、実在の気体は分子間力が少なくなります。低圧では、気体分子は互いに非常に離れており、分子間の空間により分子の大きさはそれほど重要ではなくなります。したがって、ガスは低圧でより理想的な挙動を示す傾向があります。

高温。実在気体は分子間に引力を示し、理想気体から外れます。理想気体同士の間には引力はごくわずかしかありません。低圧・高温にすることで、実在気体は理想気体のような挙動を示すようになります。高温低圧では、分子は互いに非常に離れており、分子間力は無視できるほど小さくなります。したがって、ガスは低圧および高温で理想的な挙動を示します。この状態では、気体はボイルの法則に従い、理想気体のように動作します。

ファンデルワールス方程式。この式は、圧力、体積、温度、実在気体の量の関係を示しています。この式では、実在気体の体積分率の補正に定数 b が使用されます。一方、a は実際の気体分子間の引力を測定するために使用されます。ファンデルワールス方程式には、特定の単位を持つ 2 つの定数があります。

実在気体と定常気体の体積と圧力の補正には、ファンデルワールス方程式が使用されます。異なる温度における水素 1 モルの PV/RT と P の関係を示すグラフ。まず、一定温度における水素のグラフを見てみましょう。グラフによれば、理想気体の状態では直線がありますが、水素は実際の気体です。そして、実在気体は理想気体の 2 つの仮定を満たしていません。

まず、気体分子間には引力はありませんが、実際の気体には引力が存在します。第二に、気体分子の体積は無視できるほど小さいですが、実際の気体分子には特定の体積があります。そのため、水素のグラフ線は理想気体の線から外れます。

ここで、異なる温度での同じシナリオを考えてみましょう。温度が上昇すると、実在気体は一定の低圧下で理想気体のように振る舞います。したがって、温度が上昇すると、水素のグラフ線はより水平になり、理想気体の線に近くなります。しかし、温度が下がると分子の引力が増すため、実在気体は理想気体の挙動からさらに外れます。

実在気体への適用を可能にする理想気体方程式の修正

圧縮率係数。 273 K 温度におけるガスの PV 対 P 積のグラフ。 実在気体が理想的な挙動に到達する。 ファンデルワールス方程式。 異なる温度における水素 1 モルの PV と RT および P の関係を示すグラフ。

圧縮率係数。 273 K 温度におけるガスの PV 対 P 積のグラフ。実在気体が理想的な挙動に到達する。ファンデルワールス方程式。異なる温度における水素 1 モルの PV と RT および P の関係を示すグラフ。