صحبت درباره گاز ها و قوانین حاکم بر آن ها قدمتی طولانی دارد و بحثی است که هرگز از رونق نیفتاده و همچنان برخی دانشجویان تحصیلات تکمیلی بر روی ایجاد معادلات دقیق تر کار می کنند.
برای ورود به دنیای گاز ها باید از گاز های کامل شروع کنیم. در حقیقت گاز های کامل, مدل بسیار ساده شده ای از گاز های حقیقی هستند که به ما اجازه می دهند تا قوانین کلی حاکم بر گاز ها را به دست آوریم و بعدا با انجام محاسبات دقیق تر, معادلات بهتری برای توصیف آن ها به دست آوریم تا در نهایت یک مدل خیلی خوب برای گاز های حقیقی به دست آید.
همانطور که می دانید, مدل گاز های کامل, از دل نظریه جنبشی گاز ها بیرون آمد. بر اساس این نظریه گاز ها چند ویژگی دارند:
- ذرات گازی حجم بسیار بسیار کوچکی دارند؛ به طوری که ما از حجم آن ها صرف نظر می کنیم و آن ها را به صورت نقطه ای در نظر می گیریم.
- این ذران نقطه ای با یکدیگر بر همکنش نداشته و نه یکدیگر را جذب می کنند و نه دفع می کنند.
- تمامی برخورد های بین این ذرات از نوع کشسان است. (انرژی جنبشی هر ذره پیش و پس از برخورد تغییر نمی کند) ذرات به هم برخورد می کنند و سپس از هم دور می شوند.
- این ذرات به طور دائمی در حال حرکت و برخورد با یکدیگر و دیواره ظرف نگهدارنده شان هستند و متوقف نمی شوند.
بر مبنای این چهار فرض, دانشمندان یک معادله برای توصیف گاز های کامل ارائه دادند که همه شما با آن آشنا هستید.
این مدل بسیار ناکامل بوده و نمی تواند رفتار گاز ها را در شرایط حقیقی توصیف کند و صرفا یک مدل ساده شده است که به ما کمک می کند تا درک تقریبی از رفتار گاز ها داشته باشیم. برای ایجاد درک صحیحی از چگونگی رفتار گاز ها نیاز است تا به برهمکنش های میان ذرات گازی توجه کنیم. راستی چه برهمکنش هایی میان ذرات گازی وجود دارد؟
آنچه میان ذرات گازی می تواند وجود داشته باشد یا از نوع جاذبه است و یا از نوع دافعه. البته باید اشاره کنم که سهم گرانش به حدی کوچک است که از آن صرف نظر می شود و همه سهم این برهمکنش ها را به نیرو های الکترواستاتیکی نسبت می دهیم و با جاذبه و دافعه واندروالسی آن را توضیح می دهیم.
برخورد بین این ذرات برخلاف تصورات ابتدایی می تواند کشسان باشد یا نباشد. اما آن ها همیشه در حرکت بوده و با هم برخورد دارند. البته که ذراتی نقطه ای هم نیستند و برای هر یک از آن ها یک حجم بسیار کوچک نیز وجود دارد. بنابراین آنچه لازم است تا درباره اش تجدید نظر کنیم دو چیز است. یکی اندازه ذرات و دیگری برهمکنش هایی که بین آن ها وجود دارد.
به نظر خیلی ساده می آید اما در حقیقت آنقدر هم ساده نیست. با در نظر گرفتن این دو پارامتر معادلات متعددی ساخته شد. دو تا از معروف ترین این معادلات یکی معادله حالت واندروالس و دیگری معادله حالت ویریال است.
معادله حالت ویریال
این معادله خیلی به معادله گاز های کامل شباهت دارد و در حقیقت بسط معادله حالت گاز کامل به حساب می آید. شکل آن به صورت زیر است.
در این معادله, B و C (ضرایب دوم و سوم ویریال) و ضرایب مشابه بعد از آن همگی ضرایبی هستند که باید تعیین شود که البته در هر دمایی مقدار منحصر به فردی نیز دارند. شکل دیگری نیز برای این معادله وجود دارد که به شکل زیر است.
در این معادله نیز ’B و ’C ضرایب دوم و سوم ویریال بوده و باید تعیین شود.
معادله حالت واندروالس
این معادله کمی پیچیده تر به نظر می رسد اما مفاهیم پشت آن بسیار ساده است. شکل کلی این معادله به صورت زیر است.
در این معادله a و b ضرایب واندروالس نامیده شده و وابسته به نوع گاز اند. یعنی از گازی به گاز دیگر فرق می کنند اما نسبت به دما ثابت اند و در هر دمایی همان مقدار را دارند.
_________________________________________________________________________
n = تعداد مول گازی
R = ثابت عمومی گاز ها (0.082 L.atm/mol.K)
T = دما بر حسب کلوین
P = فشار بر حسب اتمسفر
V = حجم بر حسب لیتر
