19. Реальний газ

Реальний газ — це газ, між молекулами якого діють сили міжмолекулярної взаємодії. Сили міжмолекулярної взаємодії — короткодіючі, тобто проявляються на відстанях r ≤ 10⁻⁹ м і швидко зменшуються із збільшенням віддалі. Сили міжмолекулярної взаємодії залежно від віддалі між молекулами можуть бути силами притягання або силами відштовхування. Молекулярні сили притягання називають силами Ван дер Ваальса (Йоганнес Ван дер Ваальс — нідерландський фізик).

Стан реального газу часто при вирішенні задач технічного характеру описують узагальненим рівнянням Клапейрона-Менделєєва (технічним рівнянням стану реального газу):

де p — тиск;

T — температура;

Z_r = Z_r (p,T) — коефіцієнт стисливості газу;

R — універсальна газова стала;

n — кількість газу в молях, ( m — маса газу; μ — молярна маса газу);

Для ідеального газу за будь-яких умов Z = 1, при якому записане рівняння перетворюється у рівняння стану ідеального газу. Для реальних газів Z може істотно відрізнятися від одиниці за певних умов, і завжди в сильно розрідженому газі (р → 0 і ρ → 0) в т. ч. і для реальних газів Z → 0.

20. Рівняння Ван-дер-Ваальса.

Рівняння Ван дер Ваальса — модельне рівняння стану неідеального газу.

де P — тиск, V — об'єм, N — число молекул, T — температура, k_B — стала Больцмана, a та b — характерні для кожного реального газу сталі, які будуть визначені нижче.

Рівняння ван дер Ваальса описує збільшення тиску при зменшенні об'єму розріджених газів, перенасичену пару, перегріту рідину, різке зменшення стисливості в рідкій фазі. Рівняння ван дер Ваальса визначає також критичну температуру, вище якої газ не зріджується при жодному тиску. Фактично рівняння Ван дер Ваальса описує різницю між станом реального та ідеального газів. Поправки a і b мають більше значення при високих тисках газів. Наприклад, для азоту при тиску порядку 80 атм розрахунки проведені за рівняннями ідеального та реального газів різняться приблизно на 5%, а при тиску порядку 400 атм різниця складає вже 100%.

21. Критична точка реального газу.

Ізотерми реального газу (схематично)

Лінії:

Сині — ізотерми за температури нижчої від критичної. Зелені ділянки на них — метастабільні стани.

Червона — критична ізотерма.

Блакитні — надкритичні ізотерми.

Точки:

Точка F — точка кипіння.

Точка K — критична точка.

Точка G — точка роси.

Ділянки:

Ділянка, що лежить лівіше від точки F — нормальна рідина.

Пряма FG — рівновага рідкої і газоподібної фази.

Ділянка FA — перегріта рідина.

Ділянка F′A — розтягнена рідина (p<0)

Ділянка AC — аналітичне продовження ізотерми, фізично неможливий стан.

Ділянка CG — пересичена (переохолоджена) пара.

Ділянка, що лежить правіше від точки G — нормальний газ (перегріта пара).

Примітка: Площі фігур FAB і GCB одинакові.

22. Фазові перетворення речовини

Ф фазовий перехід, фазове перетворення, в широкому сенсі – перехід речовини з однієї фази в іншу при зміні зовнішніх умов – температури, тиску, магнітного і електричного полів і т.д.; у вузькому сенсі – стрибкоподібна зміна фізичних властивостей при безперервній зміні зовнішніх параметрів. Відмінність двох трактувань терміну «фазовий перехід» видно з наступного прикладу. У вузькому сенсі перехід речовини з газової фази в плазмову немає фазового переходу, оскільки іонізація газу відбувається поступово, але в широкому сенсі це – фазовий перехід.

Значення температури, тиск або який-небудь іншої фізичної величини, при якому відбувається фазовий перехід, називають точкою переходу.

Розрізняють фазові переходи двох родів. При фазовому переході першого роду стрибком міняються такі термодинамічні характеристики речовини, як щільність, концентрація компонент; у одиниці маси виділяється або поглинається сповна певна кількість теплоти, що носить назву теплоти переходу. При фазовому переході другого роду деяка фізична величина, рівна нулю з одного боку від точки переходу, поступово зростає (від нуля) при видаленні від точки переходу в інший бік. При цьому щільність і концентрації змінюються безперервно, теплота не виділяється і не поглинається.

3. Реальний газ і його основні властивості.

4. Рівняння Ван-дер-Ваальса.

5. Критична точка реального газу.

6. Фазові перетворення речовини.

7. Плавлення, випаровування, сублімація і конденсація речовини.

Плавлення, випаровування, сублімація і конденсація речовини

У рідинах і твердих тілах при будь-якій температурі є певна частина молекул, кінетична енергія теплового руху яких достатня для подолання потенціальної енергії взаємодії, і вони можуть відірватися від поверхні рідини або твердого тіла і перейти в навколишній простір. Це явище для рідини називають випаровуванням (або пароутворенням), для твердих тіл –сублімацією.

Випаровування відбувається при будь-якій температурі, але його інтенсивність з підвищенням температури зростає. При випаровуваннітемпература рідини знижується, оскільки її покидають молекули з найбільшою кінетичною енергією.

Разом з процесом випаровування відбувається компенсуючий його процес конденсації пари в рідину. Якщо число молекул, що покидають рідину за одиницю часу через одиницю поверхні, дорівнює числу молекул, що переходять з пари в рідину, то наступає динамічна рівновага між

процесами випаровування і конденсації.

Для більшості твердих тіл процес сублімації при звичайних температурах незначний і тиск пари над поверхнею твердого тіла малий; він збільшується з підвищенням температури. Інтенсивно сублімують такі речовини, як нафталін, камфора, що виявляється за різким, властивим їм запахом. Особливо інтенсивно сублімація відбувається у вакуумі, що використовується для виготовлення дзеркал. Відомий приклад сублімації – перетворення льоду в пару – мокра білизна висихає на морозі.

Якщо тверде тіло нагрівати, то його внутрішня енергія (складається з енергії коливань частинок у вузлах граток і енергії взаємодії цих частинок) зростає. При підвищенні температури амплітуда коливань частинок збільшується до тих пір, поки кристалічні гратки не почнуть руйнуватися, –тверде тіло плавиться. 

  У міру надання твердому тілу теплоти його температура підвищується, а при температурі плавлення Tпл починається перехід тіла з твердого стану в рідкий. Нагрівання твердого тіла до Tпл ще не переводить його в рідкий стан, оскільки енергія частинок речовини має бути достатньою для руйнування кристалічних граток. У процесі плавлення теплота, що пе передається речовині, йде на здійснення роботи з руйнування граток, тому Tпл = const до розплавлення всього кристала.