23. Нақты газдар. Ван-дер-Ваальс теңдеуі

Нақты газдар идеалды газдардан молекулаларының ақырғы өзіндік көлемдерінің орын алуымен және олар бір-бірімен табиғаты электромагнитті және квантты болып келетін өзара әсер ету күштерімен байланыста болуымен өзгешеленеді. Бұл күштер кез келген молекулалар арасында барлық жағдайда орын алады және олардың ара қашықтығы өскен сайын кемиді. Молекулалар бір-біріне өте аз қашықтыққа жақындағанда тартылыс күштері кенет азайып, өте үлкен шамаға жететін тебіліс күштеріне ауысады.

Нақты газдардың барлық қасиеттерін ескеріп, олардың күйін анықтайтын теңдеу ретінде ең қарапайым болып табылатын Ван-дер-Ваальс теңдеуін айтуға болады. Бұл теңдеу жеке жағдайда Майер-Боголюбовтың жалпы күй теңдеуінен алынады.

Молекулалардың өзара әрекет күштері қатты және сұйық денелерде өте жоғары және газтәрізді күйден сұйық кеүйіне ауысуға жуық газдарда да тым жоғарылау болады. Сондықтан, нақты газдардың қасиеттерін зерттеу кезінде олардың молекулаларының арасындағы өзара әрекет күштері мен молекулаларының өздерінің көлемдерін есепке алу керек.

Нақты газдың идеалды газдан ауытқуын есепке алуда Ван-дер-Ваальс өзінің теңдеуіне екі түзету енгізді.

Біріншіден түзету молекулаларының өзіндік көлеміне қатысты. Егер қысымды шексіз арттырсақ, онда молекулалардың еркін көлемі v-b-ға тең болады, мұндағы b- газы сығуға болатын ең кіші көлем, ол молекулалардың өзіндік көлемі мен олардың арасындағы саңлаулық көлемінің қосындысына тең. Сонда Клайперон теңдеуі мына түрге ие болады:

v-b=RT/p (5.1)

Екінші түзету молекулалардың арасындағы өзара әрекет күшін есепке алады.

Нақты газдарда молекулалардың арасындағы өзара әрекет күштерінің әсерінен ыдыстың қабырғасына берілетін соққы күші азаяды, себебі қабырға жанындағы молекулалар басқа көрші молекулалардың әсерімен ішке қарай тартылады. Сондықтан нақты газдың қысымы идеалды газдың қысымнан Δр мөлшеріне кем болады. Бұл түзету газдың меншікті көлемінің квадратына кері пропорционал болады:

Δр=a/v², (5.2)

мұндағы а- әр газға қатысты нақты сандық мәні бар пропорционал коэффициенті.

Екінші түзетуді енгізіп, мынаны аламыз:

немесе

Осыдан Ван-дер-Ваальс теңдеуі мынадай түрге ие болады:

(p+a/v²)(v-b)=RT (5.3)

Бұл теңдеуді Ван-дер-Ваальс 1873 жылы жариялады.

Сонымен бірге, нақты газдың pv-диаграммасын үш сипатты аймақтарға бөлуге болады: 1) сұйықтың шекаралық сызығынан солға қарай орналасқан сұйық күйінің аймағы; 2) сұйық пен бу шекаралық сызықтарының арасына орналасқан қосфазалы ылғалды бу күйінің аймағы; 3) будың шекаралық сызығынан оңға және критикалық нүктеден жоғары орналасқан қыздырылған бу аймағы.

Нақты заттардың pv-диагрммасын Эндрюс диаграммасы деп атайды.

24. Су буы. Бу түзілу процесі

Нақты газдың бір түрі ретінде техниканың көптеген салаларында су буы кеңінен таралған. Сондықтан су мен су буының термодинамикалық қасиеттерін зерттеудің практикалық маңызы зор.

Қаныққан бу деп, өзі түзілген сұйықпен термиялық және динамикалық теңдесуде болатын буды айтамыз. Динамикалық теңдесулік, ол судан бу кеңістігіне ұшып шығатын молекулалар саны су бетіне қайта оралатын молекулалар санына тең болған жағдайды есепке алады. Егер буды изотермалы сығатын болсақ, онда оның бір бөлігі тұрақты қысымда сұйылады да тығыздығы өзгермейді. Ал қаныққан будың температурасын арттырсақ, онда булы кеңістікке ұшып шығатын молекулалар саны артады да, теңдесулік күйі қысымның өсіп және тығыздықтың артуының арқасында сұйылатын молекулалардың санының көбеюінің әсерінен сақталынады. Осыдан барып, қаныққан будың қысымы оның температурасының біркелкі өсетін функциясы болып табылады да, сол сияқты қаныққан будың температурасы оның қысымының біркелкі өсетін функциясы болады.

Егер қаныққан буда сұйықтық фазаның асылған бөліктері жоқ болса, онда оны құрғақ қаныққан бу деп атайды. Оның меншікті көлемі мен температурасы қысымның функциялары болады. Сондықтан құрғақ будың күйін кез келген параметрмен беруге болады – қысым, меншікті көлем немесе температурамен .

Бу мен оның ішіне асылған сұйық тамшыларынын тұратын қосфазалы қоспаны ылғалды қаныққан бу деп атайды. Құрғақ қаныққан будың массалық бөлігі будың құрғақтық дәрежесі деп аталып х әрпімен белгіленеді. 1-х-қа тең ылғалды будағы қайнаған судың массалық бөлігін будың ылғалдылық дәрежесі деп атайды. Қайнаған сұйық үшін x=0, ал құрғақ қаныққан бу үшін -x=1. Ылғалды будың күйі екі параметрмен бейнеленеді: қысым (немесе соған сәйкес қанығу температурасы t_s) және будың құрғақтық дәрежесі.

Егер бу түзілу процесін жоғарырақ қысымда қарастырсақ, онда а_о нүктесі сол тік сызықта қалады, себебі су сығылыссыз зат, ал а’ нүктесі оңға қарай жылжиды, себебі қысымның үлкеюіне байланысты судың қайнау температурасы артады да, сұйықтың көлемі үлкейеді. Будың жағдайына келсек, (а’’ нүктесі), қайнау температурасының артуына қарамастан будың меншікті көлемі қысымның өсуіне байланысты тез кеміп кетеді, сонымен а’’ нүктесі солға жылжиды.

Судың критикалық нүктесінің параметрлері мынаған тең: р_кр=221,2910⁵ Па, t_кр=374,15°С, v_кр=0,00326 м³/кг.