6. ПОНЯТИЕ ОБ ИДЕАЛЬНОМ ГАЗЕ

При знакомстве со сформулированными выше эмпирическими газовыми законами естественно возникает вопрос о том, насколько точно они соответствуют нашим современным знаниям свойств газов. Подобное сравнение теории с опытом более наглядно в тех случаях, когда его делают графически. На рисунке 7 изображена найденная опытным путем зависимость произведения объема, занимаемого газом, на оказываемое им давление от величины

Рис. 7. Зависимость произведения объема на давление от давления (в атм) при постоянной температуре (для простоты принято, что при очень малых давлениях

давления если изменения последнего происходят при постоянной температуре. Согласно закону Бойля — Мариотта в этом случае произведение должно было бы оставаться постоянным, в то время как на опыте оно изменяется по-разному для разных газов.

Таблица 3 (см. скан) Значения термического коэффициента объемного расширения а и термического коэффициента давления для воздуха при давлении и разных температурах

В то же время весьма важно отметить, что для всех газов при понижении давления величина стремится к одному и тому же постоянному значению из этого следует, что закон Бойля — Мариотта будет правильно описывать их поведение, если только газы взять при достаточно малых давлениях.

Рис. 8. Зависимость коэффициента термического расширения газа от давления (в атм).

Сходные отклонения наблюдаются и при опытной проверке закона Гей-Люссака, как это явствует из данных, приведенных в таблице 3; термические коэффициенты объемного расширения а и термические коэффициенты давления у различных газов имеют разные, хотя и близкие, значения.

Если сопоставить термические коэффициенты объемного расширения а, измеренные при разных давлениях (рис. 8), то выявится,

что а изменяется при изменении давления и что это изменение различно для различных газов.

Большое значение при этом имеет то обстоятельство, что при понижении давления термические коэффициенты объемного расширения различных газов стремятся к одинаковой для всех газов величине, близкой к той, которая фигурирует в законе Гей-Люссака.

Весьма наглядное сопоставление эмпирических газовых законов с опытом можно осуществить, определив экспериментально для одной килограмм-молекулы какого-либо газа значения произведения при постоянной температуре и разных давлениях, как это делалось раньше, и выполнив несколько серий подобных измерений при разных абсолютных температурах Это позволит изобразить графически зависимость отношения от давления. Если бы поведение газа в точности следовало уравнению Клапейрона, то вычисленное на основе эксперимента отношение должно было бы иметь одно и то же значение при всех температурах и давлениях, равное по величине универсальной газовой постоянной На рисунке 9 изображены результаты подобного опыта, в котором в качестве изучаемого газа выбрана углекислота. Рассмотрение рисунка убеждает в том, что уравнение Клапейрона при относительно больших давлениях неправильно описывает поведение углекислоты.

Рис. 9. Зависимость отношения от давления (в атм) для

Однако тот же рисунок свидетельствует о том, что при понижении давления отношение при всех температурах стремится к одному и тому же значению, совпадающему со значением универсальной газовой постоянной. Эти особенности поведения газов указывают на то, что сформулированные выше простые эмпирические законы будут справедливы для любого газа, если только последний находится при

достаточно низком давлении и если его температура не слишком низка. Таким образом возникло представление об идеальном газовом состоянии, находясь в котором газ в точности следует законам Бойля — Мариотта и Гей-Люссака или, что то же самое, уравнению Клапейрона.

Каждый газ может находиться в идеальном газовом состоянии, которое для разных газов и разных температур будет достигаться при разных давлениях.

В дальнейшем идеальным газом будет называться такой гипотетический газ, поведение которого при всех давлениях и температурах в точности следует уравнению Клапейрона.