علم الكيمياء بحر واسع لا حدود له، وتوجد فيه الكثير من الأبحاث والاكتشافات التي يحتاج الإنسان منَّا إلى الإبحار فيها أكثر ليعرف خبايا المواد، سواء كانت هذه المواد صلبة أو سائلة أو غازية، ومن المصطلحات التي يكثر تداولها في الأوساط العلمية الغاز المثالي، ولكن ماهو الغاز المثالي ؟
ما هو الغاز المثالي
الغاز المثالي هو غاز نظري يتكون من عدة جسيمات نقطية متحركة عشوائيًا، لا تخضع لتفاعلات بين الجسيمات، ويُعد هذا المفهوم مفيدًا لأنه يخضع لقانون الغاز المثالي باعتباره معادلة بسيطة للحالة، و قابل للتحليل في إطار الميكانيكا الإحصائية، وغالبًا ما يمكن تخفيف متطلبات التفاعل، في حال كان التفاعل مرنًا تمامًا أو اعتُبر اصطدامًا شبيهًا بالنقطة.
العوامل المؤثرة بالغاز المثالي
- في الظروف المختلفة مثل درجة الحرارة والضغط ، تتصرف العديد من الغازات الحقيقية إلى حد ما مثل المثالي، إذ تلعب جزيئات الغاز (أو ذرات الغاز الأحادي) دور الجسيمات المثالية.
- يمكن معالجة العديد من الغازات مثل النيتروجين والأكسجين والهيدروجين والغازات النبيلة وبعض الغازات الأثقل مثل ثاني أكسيد الكربون والمخاليط مثل الهواء، فمثل الغازات المثالية ضمن تفاوتات معقولة عبر نطاق متغير كبير حول درجة الحرارة و الضغط القياسيين.
- سلوك الغاز غالبًا مثل سلوك المثالي منه عند درجة حرارة أعلى وضغط أقل، حيث تصبح الطاقة الكامنة بسبب القوى بين الجزيئات أقل أهمية مقارنة بالطاقة الحركية للجسيمات، ويصبح حجم الجزيئات أقل أهمية مقارنةً بالمساحة الفارغة بينهما.
- تبلغ سعة مول واحد من النوع المثالي 22.710947 (13) لترًا، عند درجة حرارة وضغط معياريين (درجة حرارة 273.15 كلفن ضغط مطلق يبلغ 105 باسكال بالضبط) على النحو المحدد من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء.
أنواع الغاز المثالي
بعد أن عرفنا ماهو الغاز المثالي ، سنتطرق في هذا الجزء إلى ثلاث أنواع رئيسية له، وهي على النحو التالي:
- الغاز الكلاسيكي: وهو نوعين، الديناميكي الحراري الكلاسيكي، وغاز بولتزمان الكمي، كلاهما متماثلان بشكل أساسي، باستثناء أن الغاز الديناميكي الحراري الكلاسيكي يعتمد على ميكانيكا إحصائية كلاسيكية ، وبعض المعلومات الديناميكية الحرارية.
- غاز Bose الكم، وهذا الغاز مكون من البوزونات.
- غاز فيرمي الكمي، وهو مكون من المكون الفرميونات.
خصائص الغاز المثالي
سنقدم أهم خصائصه ما يلي:
- صغر حجم الجزيئات المكونة للغاز.
- الجزيئات المكونة لهذا لغاز غالبًا ما تكون متساوية بالحجم، ولا توجد أي قوى تنافر أو تجاذب بينهما وبين جزيئات الغازات الأخرى.
- تحرك الجزيئات التي يتكون منها تتحرك عشوائيًا، باعتبارها محكومة بقوانين نيوتن للحركة.
- جزيئات هذا الغاز لها اصطدامات مرنة مثالية مع عدم فقدان الطاقة.
والجدير بالذكر عدم وجود غازات مثالية في الحقيقية، إذ يمتلك أي جسيم غازي حجمًا داخل النظام (كمية دقيقة، ولكنه موجود مع ذلك) ، وهو ما يهدم الافتراض الأول، بالإضافة إلى ذلك يمكن أن تكون جزيئات الغاز بأحجام مختلفة، فعلى سبيل المثال، غاز الهيدروجين أصغر بكثير من غاز الزينون.
خصائص الغاز الحقيقي
أهم خصائص الغاز العادي:
- الكثافة القليلة، إذ تحتوي الغازات على جزيئات متناثرة منتشرة عبر حجم معين؛ وبالتالي فهي أقل كثافة من حالتها الصلبة أو السائلة، وهذه الكثافة المنخفضة تعطي الغازات مرونة، مما يسمح لجزيئات الغاز بالتحرك بسرعة وبشكل عشوائي فوق بعضها.
- الشكل والحجم غير ثابتين، فليس للغازات شكل أو حجم محدد، إذ أنَّ الحركة العشوائية لجزيئات الغاز تسمح لها بالتمدد أو الانكماش لتحمل حجم المكان الذي توجد فيه.
- قابلية الغازات للتوسع والانضغاط، إذ أنَّ الكثافة المنخفضة للغازات تجعلها قابلة للانضغاط لأن جزيئاتها يمكن وضعها بعيدًا عن بعضها، وهذا يسمح لها بالتحرك بحرية، فهي قابلة للتمدد والانضغاط على حدٍ سواء.
- الانتشار، إذ يمكن لجزيئات الغازات المختلفة الانتشار بسرعة وسهولة مع بعضها.
