Co je ideální plyn a může se mu přiblížit zemní plyn ve vaší domácnosti?
Datum vydání: 10. 6. 2019
Při odvozování fyzikálních rovnic bývá reálný plyn často nahrazován zjednodušeným modelem dokonale stlačitelného ideálního plynu. Skutečné plyny se mu mohou přiblížit za určitých podmínek, které splňuje například zemní plyn, proudící k vám domů nízkotlakým plynovodem.
Koncept ideálních tekutin se ve fyzice používá především kvůli snadnější a přehlednější formulaci mechanických i termodynamických zákonů popisujících chování kapalin a plynů. Za vhodných podmínek lze totiž některé parametry jejich molekul zanedbat, protože nemají téměř žádný vliv na výsledné chování celého systému.
3 základní pravidla platná pro molekuly ideálního plynu
Ideální plyn je dokonale stlačitelný a mezi jeho molekulami nevzniká tření. Má proto snahu vyplnit celý prostor, ve kterém je uchováván. Tyto vlastnosti ideálního plynu vyplývají ze tří základních předpokladů, které splňují jeho molekuly.
- Rozměry molekul ideálního plynu jsou zanedbatelné ve srovnání s jejich vzájemnými vzdálenostmi. Každou molekulu proto můžeme považovat za hmotný bod.
- Vzájemné srážky molekul ideálního plynu i jejich srážky se stěnou nádoby jsou dokonale pružné. Nemění se při nich proto celková kinetická energie ani hybnost částic.
- S výjimkou vzájemných srážek na sebe molekuly nepůsobí žádnými silami. Potenciální energie ideálního plynu je tudíž nulová a jeho molekuly vykonávají rovnoměrný přímočarý pohyb, přičemž v důsledku srážek má jejich trajektorie tvar lomené čáry.
K čemu se koncept ideálního plynu používá v praxi?
Model ideálního plynu nachází uplatnění zejména při formulaci jednoduché stavové rovnice, která ukazuje závislost tlaku ideálního plynu na jeho objemu a teplotě. Stavová rovnice ideálního plynu je pak základem pro odvozování dalších termodynamických zákonů, popisujících chování plynu například za stálé teploty nebo neměnného tlaku.
Bez zjednodušení pro ideální plyn by bylo potřeba stavovou rovnici doplnit o korekční členy, čímž by se její řešení stalo podstatně složitějším. V případě reálného plynu je totiž nutné započítat do stavové rovnice například objem jednotlivých molekul a zahrnout do ní člen, popisující jejich vzájemné působení.
Existuje ideální plyn?
Většinu skutečných plynů můžeme s dostatečnou přesností považovat za ideální při takzvaných normálních podmínkách – teplotě 0 stupňů Celsia a tlaku 1 bar, což je běžný atmosférický tlak vzduchu.
Problém však nastává u stlačených plynů, u kterých už není objem molekul zanedbatelný vzhledem k jejich vzájemným vzdálenostem. Při vysokém tlaku navíc nelze ignorovat ani odpudivou sílu, kterou na sebe jednotlivé molekuly působí, když jsou dostatečně blízko u sebe. Reálný plyn proto nikdy není dokonale stlačitelný.
Skutečný plyn nelze popsat pomocí modelu ideálního plynu ani při nízkých teplotách, kdy se jeho molekuly pohybují pomaleji. V takovém případě už totiž není energie vzájemného silového působení molekul plynu zanedbatelná ve srovnání s jejich pohybovou energií.
Jak je na tom zemní plyn?
Při distribuci zemního plynu se využívá několik typů plynovodů, které se od sebe liší tlakem, pod nímž je v nich plyn poháněn. Zemní plyn proudící nízkotlakými či středotlakými plynovody pod tlakem kolem 1 baru lze s dobrou přesností považovat za ideální. Tlak plynu ve vysokotlakých plynovodech však může dosahovat hodnot až 100 barů, při kterých už by bylo použití modelu ideálního plynu značně nepřesné.
Zemní plyn, který doma používáte například při vaření, však za ideální považovat můžeme. Do většiny českých domácností totiž vedou nízkotlaké plynovody – a v opačném případě je před plynoměrem umístěn redukční ventil, který tlak přiváděného plynu snižuje.
