Biophysics · 06.11

実在気体

The real gas

🧠 実在気体real gas実在気体（real gas）real gas（実在気体）では分子自身の有限体積finite molecular volume有限体積（finite molecular volume）finite molecular volume（有限体積）と分子間引力intermolecular attraction分子間引力（intermolecular attraction）intermolecular attraction（分子間引力）を無視neglect無視（neglect）neglect（無視）できず、理想気体的挙動ideal behavior理想気体的挙動（ideal behavior）ideal behavior（理想気体的挙動）からずれる。

分子の大きさと引力

低圧力low pressure低圧力（low pressure）low pressure（低圧力）・高温度temperature高温度（temperature）temperature（高温度）では理想気体ideal gas理想気体（ideal gas）ideal gas（理想気体）へ近づく。高圧力では排除体積excluded volume排除体積（excluded volume）excluded volume（排除体積）、低温度では分子間引力intermolecular attraction分子間引力（intermolecular attraction）intermolecular attraction（分子間引力）が重要になる。

flowchart TD
  A["密度上昇"]
  B["分子間距離短縮"]
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermolecular attraction'>分子間引力</span>と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='excluded volume'>排除体積</span>が顕在化"]
  D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ideal gas'>理想気体</span>則から偏差"]
  A --> B
  B --> C
  C --> D

理想気体からのずれ

Z=\frac{pV}{nRT}

圧縮係数compressibility factor圧縮係数（compressibility factor）compressibility factor（圧縮係数） $Z=1$ なら理想気体ideal gas理想気体（ideal gas）ideal gas（理想気体）。 $Z<1$ は分子間引力intermolecular attraction分子間引力（intermolecular attraction）intermolecular attraction（分子間引力）優位、 $Z>1$ は斥力repulsive force斥力（repulsive force）repulsive force（斥力）・有限体積finite molecular volume有限体積（finite molecular volume）finite molecular volume（有限体積）優位の目安。

相図と臨界点

粒子間相互作用を無視neglect無視（neglect）neglect（無視）する理想気体ideal gas理想気体（ideal gas）ideal gas（理想気体）と比較すると、 $Z$ のずれから引力attractive force引力（attractive force）attractive force（引力）と排除体積excluded volume排除体積（excluded volume）excluded volume（排除体積）のどちらが支配的かを判定できる。補正の具体式は実在気体real gas実在気体（real gas）real gas（実在気体）の状態方程式van der Waals equation状態方程式（van der Waals equation）van der Waals equation（状態方程式）で与える。

実在気体real gas実在気体（real gas）real gas（実在気体）は凝縮可能。
臨界点critical point臨界点（critical point）critical point（臨界点）付近では偏差が大きい。
気体ごとに相互作用の強さが異なる。

生体・医学での解釈

医療用ガスボンベmedical gas cylinder医療用ガスボンベ（medical gas cylinder）medical gas cylinder（医療用ガスボンベ）の高圧気体量やCO₂の相挙動では実在気体補正real-gas correction実在気体補正（real-gas correction）real-gas correction（実在気体補正）が必要。

まとめ

実在気体real gas実在気体（real gas）real gas（実在気体）では分子自身の有限体積finite molecular volume有限体積（finite molecular volume）finite molecular volume（有限体積）と分子間引力intermolecular attraction分子間引力（intermolecular attraction）intermolecular attraction（分子間引力）を無視neglect無視（neglect）neglect（無視）できず、理想気体的挙動ideal behavior理想気体的挙動（ideal behavior）ideal behavior（理想気体的挙動）からずれる。
実在気体real gas実在気体（real gas）real gas（実在気体）は凝縮可能。
医療用ガスボンベmedical gas cylinder医療用ガスボンベ（medical gas cylinder）medical gas cylinder（医療用ガスボンベ）の高圧気体量やCO₂の相挙動では実在気体補正real-gas correction実在気体補正（real-gas correction）real-gas correction（実在気体補正）が必要。