Реальні гази: відхилення від ідеальності
Терміном «реальні гази» серед хіміків і фізиків прийнято називати такі гази, властивості яких самим безпосереднім чином залежать від їх міжмолекулярної взаємодії. Хоча в будь-якому спеціалізованому довіднику можна прочитати, що один моль даних речовин в нормальних умовах і стійкому стані займає об'єм приблизно 22,41108 л. Таке твердження справедливе лише стосовно так званих "ідеальних" газів, для яких, відповідно до рівняння Клапейрона, не діють сили взаємного тяжіння і відштовхування молекул, а займаний останніми обсяг є пренебрежимо малою величиною.
Зрозуміло, таких речовин у природі не існує, тому всі ці міркування і обчислення мають суто теоретичну спрямованість. А ось реальні гази, які в тій чи іншій мірі відхиляються від законів ідеальності, зустрічаються часто-густо. Між молекулами таких речовин завжди присутні сили взаємного тяжіння, з чого випливає, що їх обсяг дещо відрізняється від виведеної досконалої моделі. Причому всі реальні гази мають різну ступінь відхилення від ідеальності.
Але тут простежується абсолютно чітка тенденція: чим більше температура кипіння речовини наближена до нуля градусів за Цельсієм, тим сильніше дане з'єднання буде відрізнятися від ідеальної моделі. Рівняння стану реального газу, що належить нідерландському фізику Йоханнес Дідерик Ван-дер-Ваальса, було виведено їм в 1873 році. В дану формулу, що має вигляд (p + n2a / V2) (V - nb) = nRT, введені дві дуже істотних поправки в порівнянні з рівнянням Клапейрона (pV = nRT), що визначаються експериментально. Першою з них враховуються сили молекулярної взаємодії, на які впливає не тільки тип газу, але також його обсяг, щільність і тиск. Другий поправкою визначається молекулярна маса речовини.
Найбільш істотну роль дані корективи набувають при високому тиску газів. Наприклад, для азоту при показнику в 80 атм. розрахунки будуть відрізнятися від ідеальності приблизно на п'ять відсотків, а зі збільшенням тиску до чотирьохсот атмосфер різниця досягне вже ста відсотків. Звідси випливає, що закони ідеальної газової моделі досить приблизні. Відступ від них носить як кількісний, так і якісний характер. Перше виявляється в тому, що рівняння Клапейрона дотримується для всіх реальних газоподібних речовин дуже приблизно. Відступу ж якісного характеру набагато глибші.
Реальні гази цілком можуть бути перетворені і в рідкий, і в тверде агрегатний стан, що було б неможливо при їх суворому дотриманні рівнянням Клапейрона. Міжмолекулярні сили, що діють на такі речовини, призводять до утворення різних хімічних сполук. Це знову ж неможливо в теоретичній ідеальної газовій системі. Утворені таким чином зв'язки називаються хімічними або валентними. У тому випадку, коли реальний газ іонізований, в ньому починають проявлятися сили кулонівського тяжіння, якими визначається поведінка, наприклад, плазми, що представляє собою квазінейтральності іонізоване речовина. Це особливо актуально в світлі того, що фізика плазми сьогодні є великою, що бурхливо розвивається науковою дисципліною, що має надзвичайно широке застосування в астрофізиці, теорії поширення радіохвильових сигналів, у проблемі керованих ядерних і термоядерних реакцій.
Хімічні зв'язки в реальних газах за своєю природою практично не відрізняються від молекулярних сил. І ті, й інші за великим рахунком зводяться до електричного взаємодії між елементарними зарядами, з яких побудована вся атомна і молекулярна структура речовини. Однак повне розуміння молекулярних і хімічних сил стало можливе тільки з виникненням квантової механіки.
Варто визнати, що не будь-яке стан речовини, сумісний з рівнянням голландського фізика, може бути реалізоване на практиці. Для цього необхідний ще й фактор їх термодинамічної стійкості. Одне з важливих умов такої стабільності речовини полягає в тому, що в ізотермічному рівнянні тиску повинна суворо дотримуватися тенденція до зменшення загального обсягу тіла. Іншими словами, у міру зростання значення V все ізотерми реального газу повинні неухильно опускатися. Тим часом, на ізотермічних графіках Ван-дер-Ваальса нижче критичної температурної позначки спостерігаються піднімаються ділянки. Точки, що лежать в таких зонах, відповідають нестійкого стану речовини, яка на практиці не може бути реалізоване.