Мы с вами помним, что идеальный газ — это модель
, при определенных условиях реализующаяся с очень хорошим приближением. Можно сказать, что реальный газ — это газ, для которого не нужны те предположения, которые вводились для идеального газа. И это верно. Для реального газа мы не пренебрегаем ни энергией взаимодействия молекул, ни их объемом. Но для описания реального газа все равно требуется некоторая модель. Их несколько, мы рассмотрим модель, предложенную голландским физиком Ван-дер-Ваальсом.
Из закона Гей-Люссака следует, что при температуре идеального газа -273 °С его объем обращается в ноль. Так бы оно и было, если бы молекулы газа были материальными точками и не взаимодействовали друг с другом. Но молекулы имеют собственный объем и на малых расстояниях взаимодействуют. Для того, чтобы получить уравнение состояния реального газа, разумно воспользоваться уравнением Клапейрона, введя в него соответствующие поправки, учитывающие собственный объем молекул и силы взаимодействия между ними.
В уравнении (19) предполагается, что молекула может двигаться внутри всего сосуда объемом V, содержащего газ. Это почти так и есть при малой концентрации молекул, т. е. при достаточно низких давлениях. При, например, изотермическом увеличении давления, т. е. при уменьшении объема, может настать такой момент, когда собственный объем молекул станет сопоставим с общим объемом газа и пренебречь объемом молекул уже нельзя. Именно это и учитывает первая поправка Ван-дер-Ваальса. Молекула может двигаться не по всему объему сосуда, для нее есть «запретные» области, пространство, занятое другими молекулами, недоступный объем Ь, значит для движения ей предоставлен объем V - Ь. Дело обстоит так, как если бы для идеального газа объем сосуда уменьшили на величину Ь. В сущности в этой поправке учтено наличие сил отталкивания между молекулами, потому что твердыми телами их считать нельзя, о чем мы уже подробно говорили в § 21. Правда, характер этих сил здесь не учитывается, молекулы рассматриваются именно как непроницаемые шарики и силы отталкивания возникают как бы сразу (здесь уместно модное и обычно не к месту употребляемое «как бы»).
Теперь посмотрим, как действуют силы межмолекулярного притяжения. В § 17 мы предположили, что давление газа определяется ударами молекул о стенки сосуда. В дальнейшем это предположение подтвердилось и ничто не мешает нам рассмотреть и в случае реального газа давление как результат тех же соударений. Молекулы идеального газа, по нашим предположениям, не взаимодействуют друг с другом, здесь же надо учесть силы притяжения. Молекула, находящаяся во внутренних слоях газа, ведет себя так же, как и молекула идеального газа, потому что она со всех сторон окружена своими «соседками» — молекулами, с которыми взаимодействует, но, поскольку в среднем силы взаимодействия с каждой молекулой одинаковы, то в среднем действующая на каждую такую молекулу сила равна нулю. Молекулы же, находящиеся вблизи стенки сосуда, находятся в ином положении. На них действуют силы притяжения со стороны молекул, находящихся внутри сосуда, и, следовательно, направленные внутрь сосуда. Эти силы уменьшают число ударов о стенку, а значит, уменьшают и давление газа на стенку сосуда. Дотошный читатель, возможно, не удовлетворен, он хочет крикнуть автору, что стенки сосуда тоже состоят из молекул и надо учесть взаимодействие молекул газа с этими молекулами. Надо бы, но этим взаимодействием мы пренебрежем, не вдаваясь в сложные подробности. Мы имеем на это право, потому что давление, как показывают многочисленные эксперименты, практически не зависит от материала сосуда.