Опыт№6.1. Критическое состояние эфира.

Цель работы: с помощью данного опыта наблюдать возникновение критическое состояние эфира.

Оборудование:

1. Воздушная баня.

2. Спираль для нагревания.

3. Три колбы с разным уровнем эфира.

Рис.59. Демонстрация опыта

Ход работы

1. Поместим колбы с эфиром в воздушную баню.

Рис.60. Демонстрация опыта

2. Для повышения температуры воздуха в бане, включим нагревательную спираль.

3. При 194˚С наблюдается критическое состояние эфира.

4. Испарение эфира происходит во всех трех ампулах.

5. В ампуле, где масса эфира меньше критической, весь эфир испарился.

6. В ампуле, где масса эфира равна критической, уровень остается на месте.

7. В ампуле, где масса эфира больше критической, уровень повышается.

Рис.61. Демонстрация опыта

8. В момент возникновения критического состояния граница между жидким и газообразным эфиром исчезает.

9. Если выключить нагревательную спираль и открыть дверцу воздушной бани, при охлаждении системы граница между агрегатными состояниями эфира вновь будет заметна.

Рис.62. Демонстрация опыта

Вывод: критическим состоянием вещества называют такое состояние, при котором исчезает различие (граница) между его жидкой и паровой фазами. Это состояние наступает при определенных значениях температуры и давления, называемых критическими.

6.4 Внутренняя энергия реальных газов. Явление Джоуля-Томсона

Согласно закона Джоуля, внутренняя энергия идеального газа U складывается из кинетических энергий поступательного и вращательного движений молекул и равна:

где – средняя мольная теплоёмкость.

Полная внутренняя энергия:

(58)

Рассмотрим вопрос расширения реального газа при адиабатическом процессе. Нас интересует вопрос: как меняется внутренняя энергия газа, а, следовательно, и его температура.

Для большинства газов при комнатной температуре происходит охлаждение, некоторые газы дают повышение температуры.

Разберём явление для моля газа.

По закону сохранения энергии, с учётом адиабатичности ∆Q = 0 , имеем:

U₁ + P₁V₁ = U₂ + P₂V₂,

где U₁ и U₂ – внутренняя энергия газа до и после расширения;

P₁V₁ – работа внешних сил при перемещении газа;

P₂V₂ – работа расширения газа:

∆U= U₂ – U₁= P₁V₁ – P₂V₂. (59)

Рассмотрим предельные случаи:

1. Молекулы имеют конечный объём, но нет взаимодействия:

b  0; P´ = 0,

P·(V – b) = R·T  P·V = R·T + b·P,

∆U = R·T₁ + b·P₁ – R·T₂ – b·P₂ = R·( T₁ – T₂ ) + b·( P₁ – P₂ ),

т.к. ∆Т << ∆P> 0, то ∆U> 0, следовательно, Т повышается (∆Т > 0).

2. Есть взаимодействие, а объёмом молекул пренебрегаем:

,

,

,

так как то

∆U< 0, следовательно, Т понижается (∆Т < 0).

∆Т > 0 – отрицательное явление Джоуля-Томсона– температура увеличивается.

∆Т < 0 – положительное явление Джоуля-Томсона – температура понижается.

3. Общий случай:

b 0; P´  0.

Подстановка уравнения Ван-дер-Ваальса в уравнение (48) даёт:

. (60)

Знак ∆Т определяется выражением в скобках. Рассматриваем его как уравнение:

где – гипербола.

Рис.63.

Область над кривой ΔT> 0,

область под кривой ΔT< 0.

Точки кривой соответствуют температуре, при переходе которой явление меняет знак.

– называется температурой инверсии: наибольшее значение температуры, при котором возможно изменение знака явления, например:

Величина объёма V = OA показывает критическое значение объёма, при котором возможен положительный эффект явления Джоуля-Томсона.

Положительный эффект ΔT< 0 используется при сжатии газов для получения низких температур.