Learning Objective
- Describe the five factors that lead to non-ideal behavior in gases and relate these to the two most common models for real gases
Key Points
- The Ideal Gas Law is a convenient approximation of most gas-phase reactions, but does not always sufficiently describe real gases near the condensation point, near the critical point, or at high pressures.
- Two common models for real gases are the van der Waals model and the Redlich-Kwong model.
- The deviation of a real gas from ideality can be quantified using the compressibility factor, Z.
Terms
- critical pointthe temperature and pressure above which liquid and gas phases become indistinguishable; 臨界点以上では、物質は液体でも気体でもなく、「超臨界流体」として存在する
- 比熱：1グラムの物質を摂氏1度上げるために必要な熱量
- 等温：熱力学で用いられる。 (「iso-」は同じ、「-therm」は温度を意味する)
等温線と P-V 図
理想気体の法則は、気体がランダムに動く、相互作用しない点粒子で構成されていると仮定しています。 この法則は、多くの計算で気体の挙動を十分に近似しています。しかし、実際の気体は、下のグラフの等温線が示すように、理想モデルから逸脱した複雑な挙動を示します。 (等温線とは、グラフ上の異なる曲線で、温度一定で圧力と体積が異なる状態での気体の状態を表します。)
理想モデルの限界
ほとんどのアプリケーションで、理想ガス近似は適度に正確です。 また、多くの冷媒を含む重い気体や、水蒸気など分子間力の強い気体では、理想気体モデルは破綻する。 現実の気体は、低温高圧のある地点で、気体から液体や固体に相転移する。
気体の凝結点 (気体が液滴を形成し始める温度)、臨界点付近、非常に高い圧力、およびその他のあまり一般的ではないケースで、実ガスのモデルを使用する必要があります。 実際の気体を数学的に表現するモデルには、いくつかの種類がある。
ファンデルワールスモデル
実際の気体は、モル重量と体積を考慮することによってしばしばモデル化されます:
(P + \frac{an^2}{V^2})(V – nb)=nRT
ここで、。
- P = 圧力
- T = 温度
- R = 理想気体定数
- V = 体積
- a は経験的に決められた係数で、ガス粒子間の分子間力を補正するものです。 それはそれぞれのガスに特有のものです
- b は、ガス粒子の排除体積を補正する、経験的に決定された要素です。 これはほとんど常にファンデルワールス方程式より正確で、しばしば2つ以上のパラメータを持ついくつかの方程式より正確です。
RT = P(V_{m} – b) + a \cdot \frac{V_{m} – b}{V_{m}
なお、ここでのa、bはファンデルワールス方程式とは定義が異なる。
非理想気体に適用できるモデルとして、Berthelotモデル、Dietericiモデル、Clausiusモデル、Virialモデル、Peng-Robinsonモデル、Wohlモデル、Beattie-Bridgemanモデル、Benedict-Webb-Rubinモデルなどがある。
圧縮率および理想からのずれ
理想からのずれは、圧縮率 Z を使って定量化することができます。 下のグラフは、一般化されたグラフについて、圧縮率が圧力の増加とともにどのように変化するかを表したものである。 高温の等温線では理想的な挙動からのずれが少なく（グラフ全体ではZは1に近いまま）、低温の等温線ではZが1から大きくずれていることに注意してください。
Compressibility factor and pressure低温では、一般化気体の圧縮係数は単一から大きく外れており、非理想的気体の振る舞いを示しますが、高温では圧縮係数は圧力増加の影響をあまり受けません 圧縮係数は一般化気体の圧縮係数を示します。