Состояние идеального газа. Частицы (атомы, молекулы) реально существующих газов обладают собственными размерами, занимают некоторый объем пространства, и в некоторой степени зависимы друг от друга. Силы физического взаимодействия между частицами газа затрудняют их движение и уменьшают их подвижность. По этим причинам газовые законы и следствия из них достаточно строго соблюдаются только для разреженных реальных газов, для которых рассояние между частицами значительно превышает собственный размер частиц газа, а взаимодействие между частицами сведено к минимуму. При обычном (атмосферном) давлении газовые законы становятся приблеженными, а при высоком давлении не выполняются совсем.
В связи с этим в науке присутствует понятие о состоянии идеального газа, при котором частицы рассматриваются как геометрические точки с нулевыми размерами и не взаимодействующие друг с другом. Таким образом, идеальный газ – это абстракция, а реальный газ приближается к модели идеального газа тем в большей степени, чем больше различаются температура равновесной конденсации этого газа и температура, при которой этот газ находится.
При комнатной температуре и атмосферном давлении к идеальному состоянию приближаются такие газы, как H2, N2, O2, температуры равновесной конденсации которых равны (округленно) 20K, 77K, 90K. Аммиак и диоксид серы (температура конденсации 240K 263K) далеки от состояния идеального газа, но при 500°C и выше поведение этих газов уже подчиняется, приближенно, уравнению состояния идеального газа.
Уравнение состояния идеального газа. Значение молярного объема газа, равное 22,4 л/моль, относится к норамльным физическим условиям, под которыми понимаются давление равное 1,01325·105 Па, или 1 атм, и термодинамическая температура, равная 273,15 К (0°C).
Между значениями термодинамической температуры T, выраженной в кельвинах K (не правильно использовать гибридное обозначение кельвина как °K, это запрещено в Международной системе единиц), и температуры Цельсия, выраженной в градусах Цельсия (обозначение °C) существует простая зависимость:
T(K) = t(°C) + 273.15
В химических реакциях указанные выше нормальные условия практически не реализуются. Поэтому, прежде чем проводить какие либо расчеты или сопоставления, измеренные при некоторых других условиях объемы газов необходимо пересчитывать применительно к нормальным условиям.
Для приведения объема газа к нормальным условиям можно пользоваться уравнением объединенного газоваго закона, выведенным французским физиком Клапейроном и носящим его имя:
pV / T = const или pV / T = p0V0 / T0
где
p (кПа), V (см3, дм3, м3), T (K) – параметры некоторого состояния идеального газа (отличные от н.у.);
p0, V0, T0 – параметры, отвечающие нормальным условиям.
Из последнего уравнения можно рассчитать значение V0 (объем газа при н.у.), если измерен объем V газа при некоторых других условиях:
V0 = pVT0 / p0T
Также легко пересчитать значение V0 на условия эксперимента:
V = p0V0T / pT0
Соотношение pV/T является постоянной величиной при любых заданных значениях p и V для любого измеренного объема идеального газа, следовательно, оно постоянно и для молярного объема идеального газа и при нормальных условиях:
R = p0VM / T0 = 101,325 кПа * 22,41383 дм3/моль / 100 кПа * 273,15 К = 8,31441 кПа*дм3/моль*К
Поскольку произведение объема на давление есть энергия W = pV, то и произведение единиц объема (м3) и давления (Па) есть единица энергии – джоуль в СИ (Дж). Следовательно, значение постоянной R в системе СИ составит:
R = 8.31441 Дж/(моль·K)
Таким образом, для 1 моль идеального газа и, следовательно, всех реальных газов, по свойствам приближающихся к идеальной модели, при нормальных условиях значение R называется универсальной газовой постоянной.
Соотношение между параметрами идеального газа (давлением p, объемом V, количеством вещества n, термодинамической температурой T) описывает уравнение Клапейрона-Менделеева:
pV = nRT
Уравнение Клапейрона-Менделеева устанавливает связь между давлением, объемом и температурой любой порции газа со свойствами идеальной модели, поэтому называется уравнение состояния идеального газа.
Уравнение состояния идеального газа, позволяет проводить расчеты параметров реальных газов при физических условиях, приближающихся к нормальным условиям.