実在気体

実在気体とは何か？

理想気体モデルは、気体の挙動を簡潔に記述する上で有用な近似ですが、現実の気体は理想気体とは異なる振る舞いを見せます。現実の気体、すなわち実在気体は、理想気体モデルでは無視されている分子間相互作用の影響を受けるため、圧力や温度の変化に対して理想気体とは異なる挙動を示します。

理想気体との違い：分子間相互作用

実在気体と理想気体の最も大きな違いは、分子間相互作用の存在です。この相互作用には、主に以下の2種類があります。

1. 分子間の反発力: 分子が非常に接近した際に働く斥力です。特に高圧下では、分子同士が衝突する頻度が高まるため、この反発力の影響が顕著になります。
2. 分子間の引力: 分子が互いに引き合う力です。低温で、分子間の距離が分子直径の数倍程度になるような圧力条件下では、この引力が支配的になり、気体分子は互いに集まりやすくなります。

これらの分子間相互作用によって、実在気体の圧力と体積の積（PV）は、理想気体の状態方程式（PV=nRT）からずれが生じます。このずれは、圧力の上昇や温度の低下に伴って大きくなり、気体の種類によっても異なります。低温・高圧条件下では、ずれが特に顕著になります。このずれを表す指標として、圧縮因子が用いられます。

さらに、温度と圧力の条件によっては、実在気体は凝縮などの相転移を起こし、気体ではなく液体や固体になる場合もあります。理想気体モデルでは、このような相転移は考慮されていません。

実在気体の状態方程式

実在気体の挙動を記述するため、理想気体の状態方程式を拡張した様々な状態方程式が提案されています。代表的なものとして、以下の2つが挙げられます。

1. ビリアル方程式: 理想気体の状態方程式を、圧力のべき級数で展開した方程式です。展開係数（ビリアル係数）は、分子間相互作用を反映した実験データから決定されます。圧縮因子は、ビリアル方程式を用いて計算することもできます。式で表すと以下のようになります。

$Z = \frac{PV_m}{RT} = 1 + B_P P + C_P P^2 + ...$

ここで、Zは圧縮因子、$V_m$はモル体積、Rは気体定数、Tは絶対温度、$B_P$と$C_P$は圧力に関するビリアル係数です。

2. ファンデルワールスの状態方程式: 分子の体積と分子間引力を考慮した経験的な状態方程式です。分子自身の体積と分子間引力をそれぞれbとaという定数で表現します。1モルに対するファンデルワールスの状態方程式は以下のようになります。

$(P + \frac{a}{V^2})(V - b) = RT$

ここで、aとbは気体の種類によって決まる定数です。

その他にも、ディーテリチの状態方程式、ペン＝ロビンソンの状態方程式、Redlich-Kwongの状態方程式など、様々な実在気体の状態方程式が提案されています。これらの状態方程式は、それぞれのモデルが持つ仮定や近似に基づいて導出されています。

まとめ

実在気体は、理想気体モデルでは考慮されない分子間相互作用の影響を受け、理想気体とは異なる挙動を示します。圧力や温度の変化、さらには相転移といった現象も、実在気体の重要な特徴です。実在気体の挙動を正確に記述するためには、様々な状態方程式が用いられており、それぞれの状態方程式は異なる仮定に基づいて導出されています。どの状態方程式を用いるかは、対象とする気体や圧力・温度条件によって適切に選択する必要があります。

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