Deviation of real gases from ideal behavior or volume and pressure error correction and significance and units of van der Waals constants (a and b).
Deviation of Real Gases and Van der Waals Equation
Or, Derivate the Van der Waals equation for real gases.
Answer: The Kinetic Theory of Gases, from which ideal gas laws are mathematically derived, contains two fundamentally faulty assumptions that cause real gases to deviate from ideal behavior. Dutch physicist J.D. Van der Waals corrected these two postulates to formulate a modified equation of state for real gases. According to his theory, by applying specific volume and pressure corrections to the ideal gas equation PV = nRT, the equation becomes perfectly applicable to real gases. This modified relation is widely recognized as the Van der Waals equation.
Causes of Deviation of Real Gases from Ideal Behavior:
Real gases do not strictly follow two core postulates of the kinetic theory. The underlying reasons for this deviation are classified into two major corrections:
- Volume Correction
- Pressure Correction
1. Volume Correction
One of the key postulates of the kinetic theory states that the actual volume occupied by gas molecules is completely negligible compared to the total volume of the container. However, under conditions of high pressure and low temperature, this assumption proves to be entirely invalid because:
- (i) At high pressures and low temperatures, a massive number of gas molecules are confined within a very restricted space. Under these circumstances, the actual volume of the gas molecules cannot be neglected relative to the total volume of the container.
- (ii) Under high pressure and low temperature, real gases can be liquefied and eventually solidified. Since substances possess a definite volume in their liquid and solid states, their molecules must inherently possess a definite intrinsic volume in the gaseous state as well.
- (iii) According to Avogadro’s hypothesis, the molar volume of any gas at STP is universally established as
22.4 L, which has been experimentally proven accurate. This structurally confirms that gas molecules possess a definite personal volume.
Consequently, while the free space available for the continuous movement of an ideal gas molecule is considered to be the total volume (V), the actual effective free volume for a real gas will be slightly less than V.
If the effective excluded volume (co-volume) for
n moles of gas = nb; Then, the free or actual volume of
n moles of a real gas = (V − nb)
2. Pressure Correction
Another prominent postulate of the kinetic theory suggests that there are no mutual forces of attraction or repulsion operating between gas molecules. However, under high pressure and low temperature conditions, this assumption fails. Under these states, the kinetic energy of gas molecules decreases substantially, allowing intermolecular attraction to grow stronger, eventually transforming the gas into a liquid or solid phase. Since phase transitions would be impossible without molecular attraction, it proves that real gas molecules exert mutual attraction.
Because of these intermolecular forces, a real gas molecule approaching the container wall experiences an inward pull from the bulk molecules behind it. Consequently, it strikes the wall with less impact, exerting a lower pressure (P) than it would in an attraction-free ideal state.
Pideal The actual measured pressure on the real gas container wall =
P And the pressure drop due to internal molecular attraction =
pa; Then, the true ideal pressure is defined as:
Pideal = P + pa
According to Van der Waals, this internal correction pressure (pa) is directly proportional to the square of the density of the gas, which makes it inversely proportional to the square of its molar volume.
pa =
For
n moles of gas, the pressure correction term is:
pa =
Here, a represents the Van der Waals constant, which serves as a quantitative measure of the intermolecular attractive forces of the gas.
Final Van der Waals Equation for Real Gases:
Substituting the corrected pressure and volume terms into the ideal gas equation PV = nRT, we get—
(P +
(P +
ভ্যান্ডার ওয়ালস ধ্রুবকের তাৎপর্য ও একক
ভ্যান্ডার ওয়ালস সমীকরণে ব্যবহৃত a এবং b ধ্রুবকদ্বয় বাস্তব গ্যাসের প্রকৃতি নির্ধারণে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। নিচে এদের বিস্তারিত তাৎপর্য ও একক প্রতিপাদন দেওয়া হলো:
১. ‘a’ এর তাৎপর্য ও একক
‘a’ এর তাৎপর্য:
'a' হলো বাস্তব গ্যাসের অণুগুলোর মধ্যে ক্রিয়াশীল পারস্পরিক আন্তঃআণবিক আকর্ষণ জনিত বলের পরিমাপ। গ্যাস অণুগুলোর মধ্যকার আকর্ষণ বল যত বেশি হবে, 'a' এর মানও তত বেশি হবে।
'a' এর মান প্রধানত গ্যাসের আণবিক ভরের ওপর নির্ভরশীল। সাধারণত গ্যাসের আণবিক ভর বেশি হলে তার মেরুকরণ ক্ষমতা বৃদ্ধি পায়, ফলে 'a' এর মান বেশি হয়। যে গ্যাসের 'a' এর মান যত বেশি, সেই গ্যাসের অণুগুলোকে কাছাকাছি আনা তত সহজ, অর্থাৎ সেই গ্যাসকে তরলীকরণ করা তত সহজ।
‘a’ এর একক প্রতিপাদন:
আমরা জানি, ভ্যান্ডার ওয়ালস সমীকরণের চাপ সংশোধনী পদ,
pa =
n2a = pa × V2
a =
a এর একক =
a এর একক =
a এর একক =
২. ‘b’ এর তাৎপর্য ও একক
‘b’ এর তাৎপর্য:
'b' পদটি গ্যাস অণুগুলোর নিজস্ব কার্যকর আয়তন (Excluded Volume বা বর্জিত আয়তন) সংক্রান্ত ধারণা দেয়। কোনো গ্যাসের ক্ষেত্রে 'b' এর মান বেশি হওয়ার অর্থ হলো গ্যাস অণুগুলোর প্রকৃত আকার বা ব্যাসার্ধ বড়।
অণুগুলোর আকার বড় হলে পাত্রের মোট আয়তনের তুলনায় তাদের নিজস্ব আয়তনকে নগণ্য বলে উপেক্ষা করা যায় না। ফলে অণুগুলোর অবাধে বিচরণের জন্য পাত্রের কার্যকরী মুক্ত আয়তন বা গ্যাসের সংকোচনযোগ্য আয়তনের পরিমাণ হ্রাস পায়।
‘b’ এর একক প্রতিপাদন:
আমরা জানি, ভ্যান্ডার ওয়ালস সমীকরণের আয়তন সংশোধনী পদ, V = nb
b =
b এর একক =
