Reálné plyny

Předpoklady zákona ideálního plynu

Zákon ideálního plynu je založen na řadě předpokladů o částicích plynu.

1. Všechny částice plynu jsou v neustálém pohybu a srážky mezi molekulami plynu a stěnami nádoby způsobují tlak plynu.
2. Částice jsou tak malé, že jejich objem je zanedbatelný ve srovnání s objemem, který zaujímá plyn.
3. Částice na sebe vzájemně nepůsobí. Nepůsobí mezi nimi žádné přitažlivé ani odpudivé síly.
4. Průměrná kinetická energie částic plynu je úměrná teplotě.

První předpoklad platí při jakékoli teplotě vyšší než absolutní nula.
Čtvrtý předpoklad platí pro malé molekuly plynu. Pokud je v molekule více atomů, část vnitřní energie přechází spíše do molekulových vibrací než do translačního pohybu. U velmi velkých molekul to může být významná část celkové energie, takže KEave bude o něco nižší, než předpovídá zákon ideálního plynu. (Podrobněji se molekulovým vibracím budeme věnovat příště.)

Objem atomu/molekuly

U většiny plynů za atmosférického tlaku je objem částice plynu skutečně zanedbatelný. Podívejte se například na helium s atomovým poloměrem 31 x 10-12 m.

objem atomu helia = 4/3r3 = (4/3)(3,1415)(29791 x 10-36 m3) = 1,2 x 10-31 m3
objem 1.0 mol atomů He = 1,2 x 10-31 m3 x 6,02 x 1023
= 7,5 x 10-8 m3 = 7,5 x 10-8 m3 x 103 L/m3 = 7,5 x 10-5 L

Víme, že 1,0 mol plynu by měl zabírat 24,47 L objemu. Atomy helia zabírají 7,5 x 10-5/24,47 neboli 0,00031 % objemu plynu, což je pro helium při tlaku 1 atmosféry vynikající předpoklad.
U velmi velkých molekul plynu a při velmi vysokých tlacích může být objem částic významný. Existuje korekce zákona ideálního plynu, kterou lze za těchto podmínek použít a která zohledňuje skutečný dostupný objem.

Atomové/molekulární interakce

Všechny atomy a molekuly v plynné fázi mají jak odpudivé, tak přitažlivé interakce s ostatními atomy a molekulami. Většina objemu každého atomu je způsobena jeho záporně nabitým elektronovým oblakem. Elektrostatická interakce jakýchkoli dvou stejně nabitých oblastí je odpudivá, takže když se dva atomy v plynné fázi setkají, jejich elektronová mračna mají tendenci je od sebe odtlačit. Odpudivá interakce je obzvláště silná, když je plyn pod vysokým tlakem, protože počet srážek mezi částicemi plynu roste s tlakem. Jak tato interakce ovlivňuje tlak? Pamatujte si, že tlak je dán silou, kterou působí částice plynu na jednotku plochy nádoby. Částice plynu budou narážet na stěnu nádoby o něco větší silou, pokud byly tlačeny elektronovým oblakem jiné částice. Poloha elektronového oblaku kolem částice plynu není konstantní. Může kolísat a zanechávat tak částici částečně kladné a částečně záporné části. Záporný elektronový oblak jiného atomu plynné fáze by byl elektrostaticky přitahován ke kladné části první částice. Některé molekuly plynu mají v důsledku polárních vazeb trvalé dipóly, oblasti s přebytkem kladného a přebytkem záporného náboje. Přitažlivé síly mezi částicemi plynné fáze se nazývají van der Waalsovy síly. V míře, v jaké se částice plynu drží pohromadě, a to i velmi krátce, se spolu s tlakem plynu snižuje i počet volných částic.

Existuje korekce zákona ideálního plynu, kterou lze použít k zohlednění malých změn tlaku, které jsou výsledkem působení sil mezi částicemi.