Говоря о реальных газах, нужно принимать во внимание притяжение между отдельными молекулами (атомами). Это притяжение обратно пропорционально квадрату объема, занимаемого газом. По предложению Ван-дер-Ваальса оно обозначается буквой a. Притяжение между молекулами (атомами) сжимает газы, следовательно, равноценно увеличению давления на газ, именно, на величину a/V2. Таким образом, давление реального газа в объеме V должно быть равно P + a/V2, где величина a зависит от природы газа.
Следует также учесть и то, что молекулы (атомы) реальных газов сами занимают некоторый объем, так что в действительности их движение происходит не в объеме V, а в объеме V—b. Приняв это во внимание, уравнение реальных газов можно написать в таком виде:
(P + a/V2)(V—b) = nRT.
Для точных расчетов необходимо при вычислении применять это уравнение, называемое уравнением Ван-дер-Ваальса.
Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева.
Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объем. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщенным уравнением Менделеева — Клапейрона:
где p — давление; T — температура; Zr = Zr (p,T) — коэффициент сжимаемости газа; m - масса; М — молярная масса; R — газовая постоянная.
Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.
Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами.
Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).
Классический идеальный газ.
Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:
объём частицы газа равен нулю (то есть, диаметр молекулы пренебрежимо мал по сравнению со средним расстоянием между ними,);
импульс передается только при соударениях (то есть, силы притяжения между молекулами не учитываются, а силы отталкивания возникают только при соударениях);
суммарная энергия частиц газа постоянна (то есть, нет передачи энергии за счет передачи тепла или излучения)
В этом случае частицы газа движутся независимо друг от друга, давление газа на стенку равно сумме импульсов в единицу времени, переданной при столкновении частиц со стенкой, энергия — сумме энергий частиц газа. Свойства идеального газа описываются уравнением Менделеева — Клапейрона
где — давление, — концентрация частиц, — постоянная Больцмана, — абсолютная температура.
Равновесное распределение частиц классического идеального газа по состояниям описывается распределением Больцмана:
где — среднее число частиц, находящихся в -ом состоянии с энергией, а константа определяется условием нормировки:
где — полное число частиц.
Распределение Больцмана является предельным случаем (квантовые эффекты пренебрежимо малы) распределений Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна, и, соответственно, классический идеальный газ является предельным случаем Ферми-газа и Бозе-газа.
Для любого идеального газа справедливо соотношение Майера:
где — универсальная газовая постоянная, — молярная теплоемкость при постоянном давлении, — молярная теплоемкость при постоянном объёме.
