物理・化学における理想気体を想定した理論について

気体について理想気体という条件を設定してその範囲で状態方程式であるとか、様々な考察が展開されていくわけですが、気体ではなく、液体（水）だったらどのようになるのでしょうか。

PV=ｎRT　というおなじみの状態方程式ですが、液体（水など）だったらどのように表現されるでしょうか。P, V, n, R,Tという個別の変数・定数群は、気体でないと定義できない、というものではありませんからそのまま成り立つのかなとも思いますが、液体・気体の根本的な違いによって修正を受けるのかもしれないと思いますが。
この辺りの解説をする学問分野とはどのようなものでしょうか。つまりこれが気体、これが液体ということなのですが。

No.5 回答者： むらさめ 回答日時： 2017/05/04 23:13

理想気体の状態方程式、PV=nRT　というのは大抵の気体では人間が生活している常温常圧付近では、

理想気体とほぼ同様に振舞うので、近似的に実在気体を理想気体として取り扱うことができたり、
そこから熱力学等に展開されていきますよね。

液体だったら、その状態方程式的な取り扱いは出来るのかと考えると、液体でも熱力学的な解釈はおこなわれています。
ですが、気体の状態方程式のようなものは確立されていません。

液体は、原子や分子は自由に運動しているものの、
固体状態での化学結合の様式や、化学結合に伴う原子・分子間の電荷の有無や大きさが影響していたりして
位置も固体状態と似たような位置を取りやすかったりします。
液体の分子や原子は隣の分子や原子から、電荷や化学結合の影響を受けているので、
それがなく、温度、圧力、体積、物質量で、気体分子の運動で解釈する気体とは違うのです。
(実在気体では、他の分子から分子間力や大きさの影響を受けることもありますが…)

基本的な学問としては熱力学や統計力学、物理化学辺りが現在も研究と上ですが古典的なもので、
更に、より深い解釈を追求する方向では量子力学や量子化学があります。

また、個々の物質に対して何か現象を説明しようとすると、
それぞれの化学分野でコロイド化学だったり界面化学だったり…調べたら幾つ関係した化学があるか判りません。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。状態方程式についてはf(p,ρ,T)=0というように圧力p、密度ρ、温度Tの間に１つの式が成立し、3つの量が独立ではなく、どれが２つが決まれば１つが決まる、という形式になっているものですね。実際の式形は理想気体の場合、水の場合、...というようにいろいろあるということのようです。ある流体力学の本にもそう書いてありました。海水だったら、これに塩分まであるようです。調べてみたら理論で決まるというより実験によって決めた式を使うことのようです。ρをp, T, Sで決めるという式でした（Sは塩分）。理屈で考えるものではなくなっているようでした。

お礼日時：2017/05/11 09:18

No.4 回答者： tknakamuri 回答日時： 2017/05/02 09:00

>PV=ｎRT　というおなじみの状態方程式ですが、

>液体（水など）だったらどのように表現されるでしょうか

水では理想気体のようには全然ならないです。
水の圧力が２倍になったら体積が半分になったりは
しませんよね。

No.3 回答者： doc_somday 回答日時： 2017/04/30 23:10

＞この辺りの解説をする学問分野

そんなの百年前に終わっているから、文献を探すだけでも大変、運が良くても英語、多分ドイツ語。付け加えるとvan der Waalsの状態方程式でやってみろと言うのが入試問題として頻繁に出る。

No.2 回答者： yhr2 回答日時： 2017/04/30 19:58

＞P, V, n, R,Tという個別の変数・定数群は、気体でないと定義できない、というものではありませんから

何を根拠に？ 個別には定義できるかもしれませんが、問題なのはその「相互関係」ですよね？
「PV=nRT　というおなじみの状態方程式」は、「理想気体」に対するものです？　気体定数 R は、理論的に決まるものではなく、経験的な実測値です。
また、理想気体と実在の気体、液体・固体に、同じ関係を拡張できることを保証するものではありません。

「気体・液体・固体」の三態や、原子・分子の運動から温度や圧力の関係を議論するのは「統計力学」「熱力学」「物理化学」あたりでしょうか。
「物性論」だと、一般には「固体」を扱うものが中心のようです。

↓　参考。これは「入門　化学熱力学」が出典だそうです。
http://saitolab.meijo-u.ac.jp/lecture/2012_1/tex …

↓　「入門　化学熱力学」（朝倉書店）
https://www.amazon.co.jp/%E5%85%A5%E9%96%80-%E5% …

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。流体力学では気体と液体について大きな差異がないように感じてます。それぞれのものに対する圧力、密度、温度はありますし、圧力、密度、温度についての関係式もあります。それぞれ版としてですね。100年前に整理されたということですが、整理されることによって不問に付されたようにも思われるし、再度考察する価値もあるかも知れないと思いますが。

お礼日時：2017/05/04 00:46

No.1 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2017/04/30 19:10

扱う分野は「物性論」または「統計力学」だと思います(－＿－)

しかしながら、PV=ｎRTのような式は無いようです(^^;)

PV=ｎRTは”理想気体”の状態方程式と呼ばれ、”理想気体”の場合しか成立しません。
”理想気体”は、語弊はありますが、結構、特殊な気体で、一般の気体ではPV=ｎRTは成り立ちません(・・;)
それで、実在気体の状態方程式があるのですが、これらも正確に成り立つ訳ではないんですねぇ～(^^A)
ちなみに、実在気体の状態方程式としては、ファン・デル・ワールスの状態方程式とか、PV/RTを体積で式展開したビリアル展開などが知られています(・∀・)

で、液体になると、分子間力などの影響が気体に比べて遙かに大きくなるので、扱いが凄く難しくなるんです(。。;)
実験的に求めた式がいくつかあるようなのですが、専門家では無いので、どんな物なのかは分かりません<(_ _)>
また、その式にしても、常に正しく液体の状態を記述できる訳ではないようですね(^^;)

参考にならなくてスミマセンm(_ _)m

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。ボルツマンまで引っ張り出してくると話が込み入ってくるでしょうか。流体力学の分野ではボルツマン方程式を使って考察するようになってきていて気体と液体の統計力学も対象になるようです。昔そのような整理もされたけれども今は個別分野（流体力学）で局地戦になっているのかなと思いますが。

お礼日時：2017/05/04 00:54