13.2. Реальные газы и жидкости

При описании свойств газов мы считали их идеальными только потому, что выполнялись одновременно два условия:

• Среднее расстояние между молекулами в десятки тысяч раз больше чем их собственный размер : .

• Потенциальная энергия взаимодействия частиц пренебрежимо мала по сравнению с их кинетической энергией.

Если эти условия не выполняются, например, при высоких давлениях и низких температурах, то отклонение от идеальности может быть установлено экспериментально, путем проверки справедливости уравнения Клапейрона-Менделеева для некоторого газа при различных давлениях. Измерения позволяют установить область, где отклонения от этого закона становятся значительными.

Чувствительным индикатором неидеальности газов является термодинамический коэффициент сжатия. Для идеального газа согласно его определению.

Экспериментальные измерения этого свойства показывают, что при высоких давлениях

существенны силы отталкивания, а при низких давлениях

- существенны силы притяжения.

У жидкостей сжимаемость в тысячи раз меньше, чем у газов, поскольку молекулы упакованы очень плотно. Требуются достаточно большое давление, чтобы совсем незначительно уменьшить объем жидкости. Числовое значение для большинства жидкостей порядка 10^-10 ÷ 10^-12 .

Потенциал межмолекулярного взаимодействия

Для описания взаимодействий молекул в жидкостях и газах широко используется потенциал Леннарда-Джонса

где и – константы, индивидуальные для каждого вещества. Первое слагаемое в (13.6) соответствует энергии короткодействующего отталкивания, а второе слагаемое дает энергию дальнодействующего притяжения между двумя молекулами в зависимости от расстояния между ними.

Характер изменения показан на рис. 13.2.

Рис. 13.2.

Природа межмолекулярного взаимодействия

Теперь в общих чертах обсудим природу притяжения и отталкивания молекул в жидкостях и газах. Силы притяжения, действующие на больших расстояниях между молекулами, называются силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы возникают благодаря наличию у молекулы постоянных или индуцированных электрических дипольных моментов. Полярные молекулы, обращенные друг к другу разноименными зарядами, притягиваются друг к другу. При таком взаимодействии отсутствует какой либо обмен зарядами в отличие от ковалентной и ионной связи. Кстати, в молекулярных кристаллах также действуют только силы Ван-дер-Ваальса.

Короткодействующие силы отталкивания в веществе возникают вследствие перекрывания электронных оболочек молекул. Одноименные заряды отталкиваются. Чтобы рассчитать энергию их взаимодействия необходимо знать распределение электронной плотности в пространстве. Такую информацию можно получить только в рамках квантово-механического подхода. Мы не имеем возможности углубляться в понимание этого вопроса. Однако, следует обратить внимание на то, что механизм соударения молекул реальных газов не включает в себя прямого упругого удара как это предполагается в модели идеального газа.