理想気体とは何か、その分類とそれらが示す性質について説明します。また、それらの一般的な特徴とその目的。
理想気体とは何ですか?
理想気体は、相互作用せずにランダムに移動する粒子で構成される仮説または理論上の気体です。
その運動エネルギーは温度に正比例します。それを構成する分子間の衝突（分子同士の衝突、および容器や容器との衝突）は弾性的です。つまり、運動量と運動エネルギーが保存されます。
これは、「理想気体法則」として知られる簡略化された状態方程式を通じて、統計力学を使用して分析できる有用な概念です。
化学で知られている実際の気体の多くは、少なくとも定性的な観点からは、周囲温度および周囲圧力で理想気体のように振る舞います。これにより、特定の合理的なパラメータ内の理想気体としてそれらを研究することができます。
ただし、温度が低く圧力が高い場合、理想気体モデルは失敗する傾向があります。これは、このような条件下では気体粒子間の相互作用が大きく、分子間空間を真空とみなすことができないためです。
ただし、このモデルは冷媒ガスなどの重いガスには適していませんが、分子状水素 (H 2 ) などの軽いガスや二酸化炭素(CO 2 ) などの一部の重いガスにはうまく機能します。
参照:希ガス
理想気体の種類
理想気体には、そのアプローチに選択された物理的アプローチの種類に応じて、次の 3 つの基本的なタイプがあります。
- マクスウェル・ボルツマン理想気体。さらに、研究に適用される物理的アプローチに応じて、古典的熱力学的理想気体または量子理想気体になる可能性があります。
- ボーズ量子理想気体。素粒子の一種であるボソンで構成されています。例:可視光などの電磁放射線を運ぶ粒子である光子は、ボソンの一種です。
- フェルミ量子理想気体。それは別の種類の素粒子であるフェルミ粒子で構成されています。例:原子を構成する粒子の 1 つである電子は、フェルミ粒子の一種です。
理想気体の性質
理想気体の主な特性のいくつかは次のとおりです。
- それらは常に同じ数の分子を持っています。
- 分子間には引力も斥力もありません。
- それらは相転移(気体-液体、気体-固体)を受けることができません。
- 理想気体の分子は、同じ圧力と温度条件では常に同じ体積を占めます。
理想気体の法則
ある量の気体物質の状態は、圧力、体積、温度、気体のモル数という 4 つの異なる変数に基づいて記述されます。
これらの要素間の理想的な数学的関係はまさに理想気体の法則であり、室温および常圧でのほとんどの実際の気体の挙動を予測します。
P はガスの圧力、 Vはその体積、 n はガスのモル数 (一定でなければなりません)、 R は理想ガス定数 (8.314472 J/molK に等しい)、 T は問題のガスの温度を表します。
気体がこの法則を満たす場合、それは理想的であるかのように扱うことができます。
この法律は、ボイル、ゲイ＝リュサック、シャルル、アボガドロの法則を組み合わせたものでもあります。
ボイルの法則
17 世紀、科学者ロバート ボイルは気体と液体を使用した一連の実験を行い、そのおかげで圧力が気体の体積に及ぼす影響を特定しました。
これにより、彼は「温度が一定に保たれると、気体の体積は圧力に反比例して変化する」という法則を定式化することになりました。
ここで、 P1とV1はガスの初期圧力と体積、 P2とV2は最終圧力と体積です。
ゲイ・リュサック法
この法則は、体積が一定に保たれるガスの塊の圧力がその温度 (ケルビンで表される) に正比例することを説明しています。 1802 年にジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックによって育てられました。
ここで、 P 1とT 1 はガスの初期圧力と温度であり、 P 2とT 2は最終圧力と温度です。
シャルルの法則
1787 年のフランス人ジャック シャルルの研究のおかげで、特定の圧力における気体の温度と体積との正比例関係を表す法則が得られました。
ここで、 V 1とT 1はガスの体積と初期温度、 V 2とT 2は体積と最終温度です。
アボガドロの法則
これは、次のことを発見したアマデオ アボガドロによって 1811 年に制定された法律です。
「同じ圧力と温度の条件下で測定された、同じ体積の異なる気体物質には、同じ数の分子が含まれています。」
理想的なガスモデルは何ですか?
理想気体の概念は、産業界で広く使用されているこれらの流体の動作を理解する必要性から生まれました。
ガスの種類ごとにモデルを作成する代わりに、その理想的な定式化が使用されます。つまり、ほとんどのガスを研究できる単純化されたモデルです。
理想気体と非理想気体
非理想気体は現実気体、つまり現実に存在し、その挙動が理想気体の法則の予測に必ずしも従うわけではない気体です。
これは、分子間の相互作用が非常に大きいため、その挙動を理想気体に近似することができない水蒸気などの重ガスの場合にさらに顕著になります。一方、他の軽い気体 (水素など) は、通常の圧力と温度の条件下では理想気体に近づく傾向があります。
コロイドの続きへ
参考文献
- 「理想気体」
- 「理想気体の法則」
- 「理想気体の法則」