Valós gázok

Az ideális gáztörvény feltételezései

Az ideális gáztörvény egy sor, a gázrészecskékre vonatkozó feltételezésen alapul.

1. A gázrészecskék állandó mozgásban vannak, és a gázmolekulák és a tartály falai közötti ütközések okozzák a gáz nyomását.
2. A részecskék olyan kicsik, hogy térfogatuk elhanyagolható a gáz által elfoglalt térfogathoz képest.
3. A részecskék nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Nincsenek közöttük vonzó vagy taszító erők.
4. A gázrészecskék átlagos mozgási energiája a hőmérséklettel arányos.

Az első feltételezés az abszolút nulla feletti bármely hőmérsékleten igaz.
A negyedik feltételezés a kis gázmolekulákra igaz. Ha egy molekulában több atom van, a belső energia egy része a molekuláris rezgésekbe megy át, nem pedig transzlációs mozgásba. Nagyon nagy molekulákban ez a teljes energia jelentős része lehet, így a KEave valamivel alacsonyabb lenne, mint amit az ideális gáztörvény megjósol. (A molekuláris rezgéseket legközelebb részletesebben tárgyaljuk.)

Atomi/molekuláris térfogat

A legtöbb gáz esetében légköri nyomáson a gázrészecske térfogata valóban jelentéktelen. Nézzük például a héliumot, amelynek atomsugara 31 x 10-12 m.

Héliumatom térfogata = 4/3r3 = (4/3)(3,1415)(29791 x 10-36 m3) = 1,2 x 10-31 m3
térfogata 1.0 mol He atom = 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

Tudjuk, hogy 1,0 mol gáznak 24,47 L térfogatot kell elfoglalnia. A héliumatomok a gáz térfogatának 7,5 x 10-5/24,47 vagy 0,00031%-át foglalják el. 1 atmoszféra nyomáson lévő hélium esetében ez egy kiváló feltételezés.
Nagyon nagy gázmolekulák esetén és nagyon nagy nyomáson a részecskék térfogata jelentős lehet. Az ideális gáztörvényhez létezik egy korrekció, amely ilyen körülmények között alkalmazható, és amely figyelembe veszi a ténylegesen rendelkezésre álló térfogatot.

Atomi/molekuláris kölcsönhatások

A gázfázisban minden atom és molekula rendelkezik taszító és vonzó kölcsönhatásokkal más atomokkal és molekulákkal. Az atomok térfogatának legnagyobb része a negatív töltésű elektronfelhőnek köszönhető. Két azonos töltésű terület elektrosztatikus kölcsönhatása taszító hatású, így amikor két atom a gázfázisban találkozik egymással, elektronfelhőjük hajlamos egymástól eltávolodni. A taszító kölcsönhatás különösen erős, ha a gáz nagy nyomás alatt van, mert a gázrészecskék közötti ütközések száma a nyomással együtt nő. Hogyan befolyásolja ez a kölcsönhatás a nyomást? Ne feledjük, hogy a nyomás a gázrészecskéknek a tartály egységnyi területére ható erejének köszönhető. A gázrészecskék kicsit nagyobb erővel ütköznek a tartály falának, ha egy másik részecske elektronfelhője tolja őket. A gázrészecske körüli elektronfelhő helyzete nem állandó. Ingadozhat, és így a részecske részben pozitív, részben negatív részeket hagyhat maga után. Egy másik gázfázisú atom negatív elektronfelhője elektrosztatikusan vonzódna az első részecske pozitív részéhez. Egyes gázmolekuláknak a poláris kötések miatt állandó dipólusai vannak, azaz többlet pozitív töltéssel és többlet negatív töltéssel rendelkező területek. A gázfázisú részecskék közötti vonzóerőket van der Waals-erőknek nevezzük. Amennyiben a gázrészecskék akár csak nagyon rövid ideig is összetapadnak, a gáznyomással együtt a szabad részecskék száma is csökken.

Az ideális gáztörvénynek van egy korrekciója, amelyet a részecskék közötti erőkből eredő kis nyomásváltozások figyelembevételére lehet alkalmazni.