Рэальныя газы: адхіленне ад ідэальнасці

Тэрмінам «рэальныя газы» сярод хімікаў і фізікаў прынята называць такія газы, ўласцівасці якіх самым непасрэдным чынам залежаць ад іх межмолекулярных ўзаемадзеяння. Хоць у любой спецыялізаванай даведніку можна прачытаць, што адзін моль дадзеных рэчываў у нармальных умовах і ўстойлівым стане займае аб'ём прыблізна 22,41108 л. Такое сцвярджэнне справядліва толькі ў адносінах да так званых "ідэальных" газаў, для якіх, у адпаведнасці з раўнаннем Клапейрона, не дзейнічаюць сілы ўзаемнага прыцягнення і адштурхвання малекул, а займаны апошнімі аб'ём з'яўляецца занядбана малой велічынёй.

Зразумела, такіх рэчываў у прыродзе не існуе, таму ўсе гэтыя развагі і вылічэнні маюць асабліва тэарэтычную накіраванасць. А вось рэальныя газы, якія ў той ці іншай ступені адхіляюцца ад законаў ідэальнасці, сустракаюцца вельмі часта. Паміж малекуламі такіх рэчываў заўсёды прысутнічаюць сілы ўзаемнага прыцягнення, з чаго вынікае, што іх аб'ём некалькі адрозніваецца ад выведзенай дасканалай мадэлі. Прычым усе рэальныя газы маюць розную ступень адхіленні ад ідэальнасці.

Але тут прасочваецца зусім выразная тэндэнцыя: чым больш тэмпература кіпення рэчывы набліжаная да нуля градусаў па Цэльсіі, тым мацней дадзенае злучэнне будзе адрознівацца ад ідэальнай мадэлі. Раўнанне стану рэальнага газу, якое належыць нідэрландскім фізіку Ёханэс Дзідэрык Ван-дэр-Ваальса, было выведзена ім у 1873 годзе. У дадзеную формулу, якая мае выгляд (p + n ² a / V ²⁾ (V - nb) = nRT, уведзеныя дзве вельмі істотных папраўкі ў параўнанні з раўнаннем Клапейрона (pV = nRT), якія вызначаюцца эксперыментальна. Першай з іх ўлічваюцца сілы малекулярнага ўзаемадзеяння, на якія ўплывае не толькі тып газу, але таксама яго аб'ём, шчыльнасць і ціск. Другі папраўкай вызначаецца малекулярная маса рэчыва.

Найбольш істотную ролю дадзеныя карэктывы набываюць пры высокім ціску газаў. Напрыклад, для азоту пры паказчыку ў 80 атм. разлікі будуць адрознівацца ад ідэальнасці прыкладна на пяць адсоткаў, а з павелічэннем ціску на чатырыста атмасфер розніца дасягне ўжо ста працэнтаў. Адсюль вынікае, што законы ідэальнай газавай мадэлі вельмі прыблізныя. Адступленне ад іх носіць як колькасны, так і якасны характар. Першае праяўляецца ў тым, што раўнанне Клапейрона выконваецца для ўсіх рэальных газападобных рэчываў вельмі прыблізна. Адступлення ж якаснага характару значна больш глыбокія.

Рэальныя газы цалкам могуць быць ператвораныя і ў вадкае, і ў цвёрдае агрэгатны стан, што было б немагчыма пры іх строгай прытрымліванні раўнанні Клапейрона. Межмолекулярные сілы, якія дзейнічаюць на такія рэчывы, прыводзяць да адукацыі розных хімічных злучэнняў. Гэта зноў жа немагчыма ў тэарэтычнай ідэальнай газавай сістэме. Адукаваныя такім чынам сувязі называюцца хімічнымі або валентнасці. У тым выпадку, калі рэальны газ іянізаванай, у ім пачынаюць праяўляцца сілы кулонаўскімі прыцягнення, якімі вызначаецца паводзіны, напрыклад, плазмы, якая прадстаўляе сабой квазинейтральное іянізаванай рэчыва. Гэта асабліва актуальна ў святле таго, што фізіка плазмы сёння з'яўляецца шырокай, бурна развіваецца навуковай дысцыплінай, якая мае надзвычай шырокае прымяненне ў астрафізіцы, тэорыі распаўсюджвання радиоволновых сігналаў, у праблеме кіраваных ядзерных і тэрмаядзерных рэакцый.

Хімічныя сувязі ў рэальных газах па сваёй прыродзе практычна не адрозніваюцца ад малекулярных сіл. І тыя, і іншыя па вялікім рахунку зводзяцца да электрычнага ўзаемадзеянню паміж элементарнымі зарадамі, з якіх пабудавана ўся атамная і малекулярная структура рэчывы. Аднак поўнае разуменне малекулярных і хімічных сіл стала магчыма толькі з узнікненнем квантавай механікі.

Варта прызнаць, што не любое стан рэчыва, сумяшчальнае з раўнаннем галандскага фізіка, можа быць рэалізавана на практыцы. Для гэтага неабходны яшчэ і фактар іх тэрмадынамічнай устойлівасці. Адно з важных умоў такой стабільнасці рэчывы заключаецца ў тым, што ў ізатэрмічнага раўнанні ціску павінна строга выконвацца тэндэнцыя да памяншэння агульнага аб'ёму цела. Іншымі словамі, па меры ўзрастання значэння V ўсе ізатэрм рэальнага газу павінны няўхільна апускацца. Між тым, на ізатэрмічных графіках Ван-дэр-Ваальса ніжэй крытычнай тэмпературнай адзнакі назіраюцца узнімальныя ўчасткі. Кропкі, якія ляжаць у такіх зонах, адпавядаюць няўстойлівым стане рэчывы, якое на практыцы не можа быць рэалізавана.