10.9: Real Gases – Deviations from Ideal Behavior

Pressure, Volume, and Temperature Relationships in Real Gases

Ideaalikaasulle \(PV/nRT\) vs. \(P\) kuvaaja antaa vaakasuoran viivan, jonka leikkauspiste on 1 \(PV/nRT\)-akselilla. Todellisissa kaasuissa on kuitenkin huomattavia poikkeamia ideaalikaasulta odotetusta käyttäytymisestä, erityisesti korkeissa paineissa (kuva \(\PageIndex{1a}\)). Vain suhteellisen alhaisissa paineissa (alle 1 atm) todelliset kaasut lähestyvät ideaalikaasun käyttäytymistä (kuva \(\PageIndex{1b}\)).

imageedit_9_2502611383.jpg
Kuva \(\PageIndex{1}\): Todelliset kaasut eivät noudata ideaalikaasulakia varsinkaan korkeissa paineissa. (a) Näissä PV/nRT:n ja P:n kuvaajissa 273 K:n lämpötilassa useille yleisille kaasuille havaitaan suuria negatiivisia poikkeamia C2H4:n ja CO2:n osalta, koska ne nesteytyvät suhteellisen alhaisissa paineissa. (b) Nämä kuvaajat havainnollistavat reaalikaasuja koskevien kokeellisten tietojen ja ideaalikaasulain suhteellisen hyvää vastaavuutta matalissa paineissa.

Todelliset kaasut lähestyvät ideaalikaasun käyttäytymistä lähempänä myös korkeammissa lämpötiloissa, kuten kuvassa \(\PageIndex{2}\) \(N_2\) näkyy. Miksi todelliset kaasut käyttäytyvät niin eri tavalla kuin ideaalikaasut korkeissa paineissa ja alhaisissa lämpötiloissa? Näissä olosuhteissa ideaalikaasulain kaksi perusoletusta – nimittäin se, että kaasumolekyylien tilavuus on mitätön ja että molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat merkityksettömiä – eivät enää päde.

imageedit_4_8528510928.jpg
Kuva \(\PageIndex{2}\): Lämpötilan vaikutus todellisten kaasujen käyttäytymiseen. Kaavio \(PV/nRT\) vs. \(P\) typpikaasulle kolmessa lämpötilassa osoittaa, että approksimaatio ideaalikaasun käyttäytymiseen paranee lämpötilan kasvaessa.

Koska ideaalikaasun molekyyleillä oletetaan olevan nollatilavuus, niiden käytettävissä oleva tilavuus liikettä varten on aina sama kuin säiliön tilavuus. Sitä vastoin todellisen kaasun molekyyleillä on pienet mutta mitattavissa olevat tilavuudet. Pienissä paineissa kaasumolekyylit ovat suhteellisen kaukana toisistaan, mutta kaasun paineen kasvaessa molekyylien väliset etäisyydet pienenevät koko ajan (kuva \(\PageIndex{3}\)). Tämän seurauksena molekyylien viemästä tilavuudesta tulee merkittävä verrattuna säiliön tilavuuteen. Näin ollen kaasun kokonaistilavuus on suurempi kuin ideaalikaasulain ennustama tilavuus. Näin ollen hyvin korkeissa paineissa kokeellisesti mitattu PV/nRT-arvo on suurempi kuin ideaalikaasulain ennustama arvo.

imageedit_10_8052893891.jpg
Kuva \(\PageIndex{3}\): Kaasuhiukkasten nollasta poikkeavan tilavuuden vaikutus kaasujen käyttäytymiseen alhaisissa ja korkeissa paineissa. (a) Pienissä paineissa itse molekyylien viemä tilavuus on pieni verrattuna säiliön tilavuuteen. (b) Korkeissa paineissa molekyylit vievät suuren osan säiliön tilavuudesta, jolloin tila, jossa molekyylit voivat liikkua, pienenee huomattavasti.

Lisäksi kaikki molekyylit vetävät toisiaan puoleensa voimien yhdistelmällä. Nämä voimat tulevat erityisen tärkeiksi kaasuille alhaisissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa, joissa molekyylien väliset etäisyydet ovat lyhyempiä. Molekyylien väliset vetovoimat vähentävät törmäysten määrää säiliön seinämän kanssa, ja tämä vaikutus korostuu, kun vetovoimaisten vuorovaikutusten määrä kasvaa. Koska molekyylien keskimääräinen etäisyys pienenee, kaasun säiliön seinämään kohdistama paine pienenee, ja havaittu paine on odotettua pienempi (kuva \(\PageIndex{4}\)). Kuten kuvasta \(\PageIndex{2}\) nähdään, alhaisissa lämpötiloissa \(PV/nRT\) -suhde on alhaisempi kuin ideaalikaasulle ennustettu, ja tämä vaikutus tulee erityisen ilmeiseksi monimutkaisille kaasuille ja yksinkertaisille kaasuille alhaisissa lämpötiloissa. Hyvin korkeissa paineissa nollasta poikkeavan molekyylitilavuuden vaikutus on hallitseva. Näiden vaikutusten välinen kilpailu aiheuttaa monille kaasuille \(PV/nRT\) vs. \(P\) -kuvaajassa havaitun minimin.

Nollasta poikkeava molekyylitilavuus tekee todellisen tilavuuden ennustettua suuremmaksi korkeissa paineissa; molekyylien väliset vetovoimat tekevät paineen ennustettua pienemmäksi.

Korkeissa lämpötiloissa molekyyleillä on riittävästi kineettistä energiaa, jotta ne pystyvät kukistamaan molekyylien väliset vetovoimat ja nollasta poikkeavan molekyylitilavuuden vaikutukset ovat hallitsevia. Sitä vastoin lämpötilan laskiessa kaasumolekyylien kineettinen energia pienenee. Lopulta saavutetaan piste, jossa molekyylit eivät enää pysty voittamaan molekyylien välisiä vetovoimia, ja kaasu nesteytyy (tiivistyy nesteeksi).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.