Πραγματικά αέρια

Ένα πραγματικό αέριο δεν θα συμπεριφέρεται σαν ένα ιδανικό αέριο (τα μόρια δεν έχουν όγκο και δεν αλληλεπιδρούν) λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μορίων του αερίου τους. Πραγματικά αέρια είναι μη ιδανικά αέρια με μόρια που καταλαμβάνουν χώρο και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και επομένως δεν υπακούουν στον νόμο των ιδανικών αερίων. Ο νόμος του ιδανικού αερίου δεν ισχύει για τα πραγματικά αέρια λόγω τέτοιων διαμοριακών αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων αερίου. Ως αποτέλεσμα, ένα πραγματικό αέριο μπορεί να οριστεί ως ένα μη ιδανικό αέριο που έχει μόρια που καταλαμβάνουν συγκεκριμένο χώρο και μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλα.

Σύμφωνα με την Κινητική μοριακή θεωρία:

• Μεταξύ μορίων αερίου δεν υπάρχουν δυνάμεις έλξης.
  
  
• Σε σύγκριση με ολόκληρο τον όγκο του αερίου, οι πραγματικές ποσότητες των σωματιδίων αερίου είναι ασήμαντες.

Είναι δύσκολο να υγροποιηθούν τα αέρια εάν δεν υπάρχουν δυνάμεις έλξης. Ωστόσο, τα αέρια μπορούν να υγροποιηθούν με τη μείωση της θερμοκρασίας και την αύξηση της πίεσης. Ο ψυχρότερος αέρας σε κανονική πίεση λειτουργεί σαν ιδανικό αέριο επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας ή της πίεσής του αυξάνει τις διασυνδέσεις μεταξύ των μορίων, με αποτέλεσμα την πραγματική συμπεριφορά του αερίου που ο νόμος του ιδανικού αερίου δεν μπορεί να εξηγήσει.

Τα ιδανικά αέρια δεν περιέχουν έλξη ή απωθητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων, αλλά πραγματικά αέρια κάνω. Τα ιδανικά αέρια δεν έχουν όγκο, αλλά τα πραγματικά μόρια αερίου έχουν.

Απόκλιση από το ιδανικό αέριο σε πραγματικό αέριο

Ένα ιδανικό αέριο διατηρεί όλους τους νόμους του αερίου κάτω από όλες τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Στα ιδανικά αέρια δεν υπάρχει συμπύκνωση. Δεν έχουν ούτε τρίποντο. Η μάζα και η ταχύτητα των ιδανικών αερίων υπάρχουν και οι δύο.

Η θερμοκρασία στην οποία ένα πραγματικό αέριο συμπεριφέρεται ως ιδανικό αέριο σε μια τεράστια περιοχή πίεσης είναι γνωστή ως θερμοκρασία Boyle ή σημείο Boyle. Ο συντελεστής συμπιεστότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιοριστεί πόσο ένα πραγματικό αέριο μειώνει την ιδανική συμπεριφορά.

Η αρνητική απόκλιση έχει το ακόλουθο αποτέλεσμα:

1) Για τα ιδανικά αέρια η εξίσωση είναι Z =1 και PV =nRT

2) Για πραγματικά αέρια, η εξίσωση είναι  Z≠ 1 και PV ≠ nRT

Όταν Z<1, το αέριο λέγεται ότι αποκλίνει αρνητικά. Αυτό δείχνει ότι το αέριο συμπιέζεται ευκολότερα από ό,τι υποδηλώνει η τέλεια συμπεριφορά. Το Z είναι εξαιρετικά κοντά στο 1 σε κανονική πίεση, υπονοώντας ότι η απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά είναι αρκετά ελάχιστη ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι αρχές του ιδανικού αερίου.

Νόμος πραγματικού αερίου

Ο νόμος του ιδανικού αερίου τροποποιήθηκε από τον Ολλανδό επιστήμονα Johannes van der Waals για να περιγράψει τη συμπεριφορά των πραγματικών αερίων ενσωματώνοντας ρητά τα αποτελέσματα του μεγέθους των μορίων και των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων. Παρακάτω είναι η εξίσωση πραγματικού αερίου Van der Waal:

Πραγματικό αέριο =(P+an2)V2=(V−nb)nRT

Πού,

• a και b είναι η εμπειρική σταθερά. Είναι μοναδικά για κάθε αέριο
• n2V2 είναι η συγκέντρωση αερίου.
• R είναι η καθολική σταθερά αερίου 
• P είναι η πίεση και 
• Το T είναι η θερμοκρασία

Παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη κατά την αντιμετώπιση πραγματικών αερίων

Πρέπει να εξεταστούν αρκετά στοιχεία για να κατανοηθεί πώς συμπεριφέρονται τα πραγματικά αέρια. Οι παρακάτω είναι οι πολλοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την εργασία με πραγματικά αέρια .

• Η συμπιεστότητα είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την αντιμετώπιση πραγματικών αερίων.
• Η επαφή μεταξύ των μορίων σε ένα πραγματικό αέριο επηρεάζεται από τις δυνάμεις Van der Waals.
• Η ειδική θερμοχωρητικότητα διαφόρων πραγματικών αερίων ποικίλλει.
• Η πιθανότητα θερμοδυναμικών επιδράσεων μη ισορροπίας στο σύστημα.
• Η ποικιλόμορφη σύνθεση και οι αλλαγές στη σύνθεση του αερίου λόγω της μοριακής διάστασης και τυχόν θεμελιωδών διεργασιών που θα μπορούσαν να συμβούν.

Είναι όλα τα ιδανικά αέρια πραγματικά αέρια;

Πρακτικά κάθε αέριο μπορεί να συμπεριφέρεται τόσο σε ιδανικές όσο και σε πραγματικές καταστάσεις. Τα περισσότερα αέρια έχουν αποδειχθεί ότι συμπεριφέρονται σχεδόν ιδανικά όταν οι συνθήκες είναι σχεδόν ιδανικές. Όταν η θερμοκρασία ενός αερίου αυξάνεται σε εξαιρετικά υψηλή τιμή, η πίεση στο αέριο αυξάνεται σε εξαιρετικά υψηλή τιμή ή η θερμοκρασία και η πίεση που σχετίζεται με το αέριο αυξάνονται σε εξαιρετικά υψηλές τιμές, τα περισσότερα αέρια απομακρύνονται από την ιδανική συμπεριφορά και γίνονται πραγματικά αέρια.

Τι αέρια είναι τα πραγματικά αέρια;

Όταν υποβάλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες και/ή πιέσεις, σχεδόν όλα τα αέρια απομακρύνονται από την ιδανική συμπεριφορά, υποδεικνύοντας ότι είναι πραγματικά αέρια. Ως αποτέλεσμα, παρακάτω είναι πέντε διαφορετικές πραγματικές περιπτώσεις αερίων:

• Διοξείδιο του άνθρακα
• Άζωτο
• Οξυγόνο
• Υδρογόνο
• Ήλιο

Αν και όλα τα ιδανικά αέρια θα πρέπει να ικανοποιούν την εξίσωση του ιδανικού αερίου, τα πραγματικά αέρια αψηφήστε τους. Επιπλέον, ενώ ένα ιδανικό αέριο θα πρέπει να ικανοποιεί όλους τους νόμους του αερίου σε όλες τις συνθήκες, ένα πραγματικό αέριο δεν μπορεί να το κάνει σε ορισμένες περιπτώσεις, αλλά είναι σχετικά ακραίο. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι πραγματικά αέρια τείνουν να υγροποιούνται όταν χαμηλώνουν σε θερμοκρασίες κάτω από τα σημεία βρασμού τους.

Συμπεριφορά πραγματικών αερίων από την εξίσωση Van Der Waals 

• Όταν η πίεση είναι χαμηλή
  

Το V είναι αρκετά μεγάλο σε πολύ χαμηλές πιέσεις. Ως αποτέλεσμα, ο όρος διόρθωσης a/V είναι τόσο ελάχιστος που μπορεί να αγνοηθεί. Σε σύγκριση με το V, η συνιστώσα διόρθωσης b μπορεί επίσης να αγνοηθεί. Ως αποτέλεσμα, η εξίσωση van der Waals μειώνεται σε PV =RT.

• Όταν η πίεση είναι μέτρια
  

Το V πέφτει με μέτρια πίεση. Ως αποτέλεσμα, το a/V μεγαλώνει και δεν μπορεί να αγνοηθεί. Επειδή το V είναι ακόμα αρκετά τεράστιο σε αντίθεση με το b, το b μπορεί να αγνοηθεί.

Ως αποτέλεσμα, η εξίσωση van der Waals είναι (P + a/V) V =RT 

PV / RT =1 – (a / RTV).

Ο συντελεστής συμπιεστότητας είναι μικρότερος από ένα. Το V πέφτει όταν η πίεση αυξάνεται σε σταθερή θερμοκρασία, αυξάνοντας τον παράγοντα a/RTV.

• Όταν η πίεση είναι υψηλή
  

Το V είναι τόσο ελάχιστο σε υψηλή πίεση που δεν μπορούμε να παραβλέψουμε το b σε σύγκριση με το V. Ο παράγοντας a / V είναι αναμφισβήτητα μεγάλος, αλλά επειδή το P είναι τόσο υψηλό, μπορεί να αγνοηθεί σχετικά με το P.

Ως αποτέλεσμα, η εξίσωση van der Waals μειώνεται σε P (V – b) =RT. Ο συντελεστής συμπιεστότητας υπερβαίνει το ένα. Ο παράγοντας Pb/RT αυξάνεται καθώς αυξάνεται η πίεση. Με την αύξηση της πίεσης, ο συντελεστής συμπιεστότητας αυξάνεται.

• Όταν η θερμοκρασία είναι υψηλή

Το V γίνεται τόσο μεγάλο σε υψηλές θερμοκρασίες και οι δύο συντελεστές διόρθωσης γίνονται ασήμαντοι. Ως αποτέλεσμα, πραγματικά αέρια λειτουργούν σαν πραγματικά αέρια σε υψηλές θερμοκρασίες.

Συμπέρασμα

Τα πάντα στο περιβάλλον μας αναφέρονται ως ύλη. Θα μπορούσε να είναι το φαγητό που καταναλώνουμε, τα οχήματά μας, τα ηλεκτρονικά μας είδη, τα προϊόντα που χρησιμοποιούμε καθημερινά, ο αέρας που εισπνέουμε ή το νερό που ρουφάμε. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αγωγή ενός πραγματικού αερίου είναι ουσιαστικά ίδια με αυτή ενός ιδανικού αερίου στις περισσότερες περιπτώσεις. Είναι ζωτικής σημασίας να θυμόμαστε, ωστόσο, ότι όταν ένα αέριο πλησιάζει το σημείο συμπύκνωσής του, πρέπει να αντιμετωπίζεται ως πραγματικό αέριο.