理想气体与真实气体

理想气体是物理学中的一个概念，它使我们能够以非常高的精度研究真实气体的行为。

在这个物理学家创建的模型中，气体是由许多小粒子组成的，这些粒子都是一些小硬球体。换句话说，这个理想气体模型假设每个粒子都是一个完美的小球体，并且每个球体在各个方面都彼此相同。

它还假设如果两个粒子之间或粒子与壁之间存在任何碰撞，那么这些碰撞都是弹性的。也就是说，在这些碰撞中没有能量损失，这意味着两个粒子碰撞时没有变形，它们只是完美地相互弹开，而且也没有能量的转换。

在真实的气体中，我们刚才讨论的假设不一定有效。例如，真实气体可以由单个原子组成，也可以由分子组成。如果我们谈论的气体是由像二氧化碳这样的分子组成的，那么显然每个气体粒子都不是一个小硬球体。即使我们谈论的是由单个原子组成的气体，它们仍然不是硬球体，特别是如果我们考虑原子的量子力学模型。

理想气体模型做出的另一个假设是，粒子是如此分散，以至于粒子之间的平均距离远大于粒子本身的尺寸。另一种看待这一问题的方式是，气体的密度非常低。事实上，对于理想气体，我们甚至可以将每个粒子视为无限小，此时粒子之间的距离肯定大于它的尺寸。

对于真实气体，如果气体的密度确实很低，那么这确实是一个很好的假设。但是如果气体的密度增加，例如气缸中的气体受到挤压，那么这种假设会变得越来越糟。

接下来是一个更理想的气体假设，这个假设说不存在分子间力。换句话说，粒子之间没有吸引力或排斥力，粒子彼此施加的唯一力是在粒子彼此碰撞并弹开时产生的。

但我们知道，这对于真实的情况来说是不正确的。让我们考虑一下由单个原子组成的气体。我们知道原子是由质子、中子和电子组成的，质子和电子是带电粒子。那么当两个原子在这种气体中靠在一起时，它们之间就会存在有某种静电力，而且它们也不一定会相互碰撞。然而，我们在这里展示的作用力实际上非常弱，这就是理想气体模型发挥作用的地方。

我们在这个理想气体模型中所做的所有假设都是对真实气体的简化，并且我们做出的假设越接近真实气体，理想气体模型对于真实气体的效果就越好。

一个很好的例子是氦气，因为气体是由单个原子组成的，这些原子具有非常弱的原子间力，所以我们假设不存在力。在室温和室压下，与构成气体的其他分子的尺寸相比，氦原子的平均尺寸非常小，因此我们假设粒子之间的平均距离远大于粒子的大小是非常合理的。氦气的密度通常足够低，我们可以认为这个假设是高度准确的。

事实上，对于像氦这样的气体，我们看到理想气体行为和真实气体行为之间存在非常微小的差异，这意味着我们并不需要处理所有真实气体行为的复杂性。我们可以进行大量简化，并且得到一个非常好的模型，该模型密切代表真实气体的表现。

事实证明，如果有必要，我们可以使理想气体模型变得更复杂一些。例如，正如我们上述讨论的，理想气体模型假设每个粒子都是一个微小的硬球体，这样我们就不必处理粒子以旋转形式存储在该气体中的任何能量。但是真正的气体可以以分子旋转的形式存储一些能量，例如双原子气体，它们可以由分子的旋转而将能量存储在其分子中。在这种情况下，我们可以更改我们的基本模型以包括双粒子模型。

另一个例子是当气体的密度增加时，我们假设粒子之间的距离大于粒子的尺寸不再适用，这些粒子之间作用的力变得越来越重要，我们不能再忽视它们。在这种特殊情况下，我们上述采用的理想气体模型将替换为为范德华气体。