Deviazione dal comportamento ideale

I gas reali non rispettano perfettamente le leggi dei gas ideali, specialmente ad alte pressioni e basse temperature o quando stanno per condensarsi in liquido. Queste deviazioni si verificano a causa delle forze intermolecolari tra molecole di gas. Le forze repulsive favoriscono l'espansione e sono significative quando le molecole sono molto vicine tra loro, tipicamente ad alta pressione. Le forze attrenti favoriscono la compressione e hanno un raggio d'azione maggiore, essendo efficaci su diversi diametri molecolari. Diventano significative quando le molecole sono vicine ma non necessariamente in contatto, e diminuiscono quando le molecole sono distanti.

A basse pressioni, dove le molecole sono ampiamente distanziate e le interazioni intermolecolari sono minime, i gas si comportano quasi idealmente. A pressioni moderate, le forze attrenti superano le forze repulsive, rendendo il gas più comprimibile di un gas ideale. Ad alte pressioni dominano le forze repulsive, rendendo il gas meno comprimibile.

Il fattore di compressione, Z, viene utilizzato per quantificare la deviazione di un gas reale dal comportamento ideale. È il rapporto tra il volume molare misurato di un gas e il volume molare di un gas ideale alla stessa pressione e temperatura. Un gas ideale ha Z = 1 a tutte le pressioni. I gas reali hanno Z ≈ 1 a pressioni molto basse, comportandosi quasi perfettamente. Ad alte pressioni, Z > 1 a causa delle forze repulsive dominanti, e a pressioni intermedie, la maggior parte dei gas ha Z < 1, indicando che le forze attrattive riducono il volume molare rispetto a quello di un gas ideale.

La legge dei gas ideali (pV_m = RT) è una buona prima approssimazione per i gas reali ad alte temperature e volumi molari elevati. L'equazione viriale di stato affina questo aspetto aggiungendo termini per le variabili di pressione. Il fattore di compressione, Z, e i coefficienti viriali, che dipendono dalla temperatura, misurano le deviazioni dal comportamento ideale. Sebbene un gas reale possa allinearsi con il comportamento ideale del gas a basse pressioni, non tutte le sue proprietà coincidono necessariamente con quelle di un gas ideale. La temperatura di Boyle è quando le proprietà reali del gas corrispondono a quelle del gas ideale quando la pressione si avvicina a zero.