Real Gas vs Ideal Gas
Έναιδανικό αέριο είναι ένα αέριο που συμπεριφέρεται σύμφωνα με το ιδανικό αέριο, ενώ ένα μη ιδανικό ή πραγματικό αέριο είναι ένα αέριο που αποκλίνει από τον νόμο του ιδανικού αερίου. Ένας άλλος τρόπος για να το δούμε είναι ότι ένα ιδανικό αέριο είναι ένα θεωρητικό αέριο, ενώ ένα πραγματικό αέριο είναι ένα πραγματικό αέριο. Ακολουθεί μια ματιά στις ιδιότητες των ιδανικών αερίων και των πραγματικών αερίων, πότε είναι σκόπιμο να εφαρμοστεί ο νόμος των ιδανικών αερίων και τι πρέπει να κάνετε όταν αντιμετωπίζετε πραγματικά αέρια.
Ο νόμος του ιδανικού αερίου
Ο νόμος του ιδανικού αερίου ακολουθεί τον νόμο του ιδανικού αερίου:
PV =nRT
Το P είναι η πίεση, το V είναι ο όγκος, το n είναι ο αριθμός των mol του αερίου, το R είναι η σταθερά του αερίου και το T είναι η απόλυτη θερμοκρασία.
Ο νόμος του ιδανικού αερίου λειτουργεί για όλα τα ιδανικά αέρια, ανεξάρτητα από τη χημική τους ταυτότητα. Όμως, είναι μια εξίσωση κατάστασης που ισχύει μόνο υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Υποθέτει ότι τα σωματίδια συμμετέχουν σε απόλυτα ελαστικές συγκρούσεις, δεν έχουν όγκο και δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους παρά μόνο για να συγκρούονται. Με άλλα λόγια, το αέριο συμπεριφέρεται σύμφωνα με την κινητική μοριακή θεωρία των αερίων.
Ομοιότητες μεταξύ πραγματικών και ιδανικών αερίων
Τα πραγματικά και τα ιδανικά αέρια μοιράζονται ορισμένες ιδιότητες των αερίων:
- Μάζα :Τόσο τα πραγματικά όσο και τα ιδανικά σωματίδια αερίου έχουν μάζα.
- Χαμηλή πυκνότητα :Τα αέρια είναι πολύ λιγότερο πυκνά από τα υγρά ή τα στερεά. Ως επί το πλείστον, τα σωματίδια αερίου απέχουν πολύ το ένα από το άλλο τόσο σε ένα ιδανικό αέριο όσο και σε ένα πραγματικό αέριο.
- Χαμηλός όγκος σωματιδίων :Επειδή τα αέρια δεν είναι πυκνά, το μέγεθος ή ο όγκος των σωματιδίων αερίου είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ των σωματιδίων.
- Κίνηση :Και τα ιδανικά και τα πραγματικά σωματίδια αερίου έχουν κινητική ενέργεια. Τα σωματίδια αερίου κινούνται τυχαία, σχεδόν σε ευθεία γραμμή μεταξύ των συγκρούσεων.
Ο νόμος του ιδανικού αερίου είναι τόσο χρήσιμος επειδή πολλά πραγματικά αέρια συμπεριφέρονται σαν ιδανικά αέρια υπό δύο συνθήκες:
- Χαμηλή πίεση :Πολλά αέρια που συναντάμε στην καθημερινή ζωή βρίσκονται σε σχετικά χαμηλή πίεση. Η πίεση γίνεται παράγοντας όταν είναι αρκετά υψηλή για να αναγκάσει τα σωματίδια να έρθουν σε κοντινή απόσταση.
- Υψηλή θερμοκρασία :Στο πλαίσιο των αερίων, υψηλή θερμοκρασία είναι οποιαδήποτε θερμοκρασία πολύ πάνω από τη θερμοκρασία εξάτμισης. Έτσι, ακόμη και η θερμοκρασία δωματίου είναι αρκετά ζεστή ώστε να δώσει στα πραγματικά σωματίδια αερίου αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να λειτουργούν σαν ιδανικό αέριο.
Real Gas vs Ideal Gas
Υπό κανονικές συνθήκες, πολλά πραγματικά αέρια συμπεριφέρονται σαν ιδανικά αέρια. Για παράδειγμα:ο αέρας, το άζωτο, το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και τα ευγενή αέρια ακολουθούν σε μεγάλο βαθμό τον νόμο των ιδανικών αερίων κοντά σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές συνθήκες όπου τα πραγματικά αέρια αποκλίνουν από την ιδανική συμπεριφορά αερίου:
- Υψηλή πίεση :Η υψηλή πίεση αναγκάζει τα σωματίδια αερίου αρκετά κοντά ώστε να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Επίσης, ο όγκος των σωματιδίων είναι πιο σημαντικός επειδή η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι μικρότερη.
- Χαμηλή θερμοκρασία :Σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα άτομα και τα μόρια αερίου έχουν λιγότερη κινητική ενέργεια. Κινούνται αρκετά αργά ώστε οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων και της ενέργειας που χάνεται κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων είναι σημαντικές. Ένα ιδανικό αέριο δεν μετατρέπεται ποτέ σε υγρό ή στερεό, ενώ ένα πραγματικό αέριο μετατρέπεται.
- Βαρέα αέρια :Σε αέρια με υψηλή πυκνότητα, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι διαμοριακές δυνάμεις είναι πιο εμφανείς. Για παράδειγμα, πολλά ψυκτικά δεν συμπεριφέρονται σαν ιδανικά αέρια.
- Αέρια με διαμοριακές δυνάμεις :Τα σωματίδια σε ορισμένα αέρια αλληλεπιδρούν εύκολα μεταξύ τους. Για παράδειγμα, ο δεσμός υδρογόνου εμφανίζεται στους υδρατμούς.
Τα πραγματικά αέρια υπόκεινται σε:
- Δυνάμεις Van der Waals
- Εφέ συμπιεστότητας
- Μεταβλητή ειδική θερμική χωρητικότητα
- Σύνθεση μεταβλητής
- Θερμοδυναμικά φαινόμενα μη ισορροπίας
- Χημικές αντιδράσεις
Σύνοψη των διαφορών μεταξύ πραγματικών αερίων και ιδανικών αερίων
| Διαφορά | Real Gas | Ideal Gas |
|---|---|---|
| Όγκος σωματιδίων | Σίγουρος τόμος | Χωρίς ή αμελητέο όγκο |
| Συγκρούσεις (με κοντέινερ και μεταξύ τους) | Μη ελαστικό | Ελαστικό |
| Διαμοριακές δυνάμεις | Ναι | Όχι |
| Αλληλεπιδράσεις | Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν και ενδέχεται να αντιδράσουν | Δεν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις εκτός από σύγκρουση |
| Μετάβαση φάσης | Ναι, σύμφωνα με ένα διάγραμμα φάσης | Όχι |
| Νόμος για τα αέρια | Εξίσωση van der Waals | Νόμος για το Ιδανικό Αέριο |
| Υπάρχει στον πραγματικό κόσμο | Ναι | Όχι |
Νόμος ιδανικού αερίου εναντίον εξίσωσης van der Waals
Εάν ο νόμος του ιδανικού αερίου δεν λειτουργεί με πραγματικά αέρια, πώς εκτελείτε τους υπολογισμούς; Χρησιμοποιείτε την εξίσωση van der Waals . Η εξίσωση van der Waals μοιάζει με τον νόμο του ιδανικού αερίου, αλλά περιλαμβάνει δύο παράγοντες διόρθωσης. Ένας παράγοντας προσθέτει μια σταθερά (a ) και τροποποιεί την τιμή πίεσης για να επιτρέψει τη μικρή ελκτική δύναμη μεταξύ των μορίων του αερίου. Ο άλλος παράγοντας (β ) υπολογίζει την επίδραση του όγκου των σωματιδίων, αλλάζοντας το V στον νόμο του ιδανικού αερίου σε V – nb .
[P + a n/V](V – nb ) =nRT
Πρέπει να γνωρίζετε τις τιμές του a και β να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση van der Waals. Αυτές οι τιμές είναι συγκεκριμένες για κάθε αέριο. Για πραγματικά αέρια που προσεγγίζουν τα ιδανικά αέρια, a και β είναι πολύ κοντά στο μηδέν, μετατρέποντας την εξίσωση van der Waals στον νόμο του ιδανικού αερίου. Για παράδειγμα, για ήλιο:a είναι 0,03412 L-atm/mol και b είναι 0,02370 L/mol. Αντίθετα, για την αμμωνία (NH3 ):a είναι 4,170 L-atm/mol και b είναι 0,03707 L/mol.
Αέρια με μεγάλες τιμές για a έχουν υψηλά σημεία βρασμού, ενώ εκείνα με χαμηλές τιμές για ένα υγροποιημένο κοντά στο απόλυτο μηδέν. Η τιμή για το b υποδεικνύει το σχετικό μέγεθος ενός σωματιδίου αερίου, επομένως είναι χρήσιμο για την εκτίμηση της ακτίνας μονοατομικών αερίων, όπως τα άτομα ευγενών αερίων.
Αναφορές
- Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles (2010). Θερμοδυναμική:Μια Μηχανική Προσέγγιση (7η Έκδοση). McGraw-Hill. ISBN 007-352932-X.
- Tschoegl, N. W. (2000). Βασικές αρχές της ισορροπίας και της θερμοδυναμικής σταθερής κατάστασης . Άμστερνταμ:Elsevier. ISBN 0-444-50426-5.
- Tuckerman, Mark E. (2010). Στατιστική Μηχανική:Θεωρία και Μοριακή Προσομοίωση (1η έκδ.). ISBN 978-0-19-852526-4.
- Xiang, H. W. (2005). Η αρχή των αντίστοιχων καταστάσεων και η πρακτική της:Θερμοδυναμικές, μεταφορικές και επιφανειακές ιδιότητες των υγρών . Elsevier. ISBN 978-0-08-045904-2.
