実在気体の熱力学的性質と状態方程式

実在気体（じつざいきたい、英: real gas）とは、実際に自然界に存在する気体の総称であり、気体分子自身の体積や、分子同士の間に働く相互作用（分子間力）を無視できない状態にある気体を指す。これに対し、分子の大きさがゼロであり分子間力が全く働かないと仮定した理想的なモデルは理想気体と呼ばれる。

理想気体との違い

低温高圧の条件下において、気体分子同士の距離が近接するため、理想気体の状態方程式（PV = nRT）からの乖離が顕著になる。実在気体では主に以下の2点が理想気体と異なる特性を生み出す原因となる。

• 分子の体積: 気体分子自体が占める有限の体積が存在するため、容器内で分子が自由に動き回る実効的な体積は理想気体よりも小さくなる。
• 分子間力: 分子間に働く引力や斥力により、壁面への衝突頻度や衝突時の運動量が変化し、結果として生じる圧力が理想気体の予測値から変動する。

状態方程式と補正

実在気体の振る舞いを記述するためには、理想気体の状態方程式を拡張・修正した方程式が用いられる。代表的なものとして、ファン・デル・ワールスが提唱したファン・デル・ワールスの状態方程式がある。

また、気体の挙動をより厳密に評価するために圧縮率因子（Z = PV / nRT）が導入される。理想気体であれば常にZ = 1であるが、実在気体では温度や圧力によってZの値が1から大きく上下する。

関連する物理量

実在気体の熱力学的特性を定量的に議論する際には、比熱容量、等温圧縮率、および体積膨張率などが重要な物性値として扱われる。