53 Вопрос

Реальные газы отличаются от идеальных тем, что молекулы этих газов имеют конечные собственные объемы и связаны между собой сложными силами взаимодействия. При высоких давлениях и достаточно низких температурах реальные газы конденсируются, т. е. переходят в жидкое состояние, чего принципиально не может быть с идеальными газами.

На участке ВС не только давление, но и температура постоянны. Крайним точкам отрезка ВС соответствуют однофазные состояния вещества: точке С (объем ) – жидкое, а точке В (объем) – газообразное. В промежуточном двухфазном состоянии с объемом V часть вещества с количеством молейнаходится в жидком, а часть с количеством молей– в газообразном состоянии. Определим отношение количества молей жидкой и газообразной фаз в объеме V .

Объем одного моля жидкой и газообразной фаз вещества соответственно равны:

(5.1.1)

Объем V содержит молей жидкой фазы имолей газообразной фазы, поэтому этот объем можно представить в виде суммы объемов жидкой и газообразной фаз следующим образом:

(5.1.2)

После простых преобразований из выражения (5.1.2) находим искомое отношение

(5.1.3)

Умножая числитель и знаменатель левой части выражения (5.1.3) на молярную массу вещества, получим аналогичное отношение для масс жидкой и газообразной фаз:

(5.1.4)

На рис. 1 представлены изотермы газа при различных температурах Из рисунка видно, что с ростом температуры горизонтальный участок, соответствующий двухфазному состоянию вещества, уменьшается и при некоторой температуре, называемой критической, стягивается в точку K . Изотерма, соответствующая температуре, называется критической изотермой, точка K которой является точкой перегиба.

Изотермыреального газа(схематично) Синие — изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них —метастабильные состояния. Участок левее точки F — нормальная жидкость. Точка F —точка кипения. Прямая FG — равновесие жидкой и газообразной фазы. Участок FA —перегретая жидкость. Участок F′A —растянутая жидкость(p<0). Участок AC —аналитическое продолжениеизотермы, физически невозможен. Участок CG —переохлаждённый пар. Точка G —точка росы. Участок правее точки G — нормальный газ. Площади фигуры FAB и GCB равны. Красная —критическая изотерма. K —критическая точка. Голубые — сверхкритические изотермы

Критическое состояние вещества

Сходство свойств ненасыщенных паров и газов натолкнуло М. Фарадея на предположение: не являются ли газы ненасыщенными парами соответствующих жидкостей? Если предположение верно, то можно попытаться сделать их насыщенными и сконденсировать. Действительно, сжатием удалось сделать насыщенными многие газы, кроме шести, которые М. Фарадей назвал "постоянными": это азот, водород, воздух, гелий, кислород, оксид углерода CO.

Чтобы понять, в чем здесь дело, изучим подробнее изотермический процесс сжатия (расширения) пара. Мы видели, что изотерма реального газа отличается от изотермы идеального газа наличием горизонтального участка, соответствующего области существования двухфазной системы: насыщенного пара и жидкости.

Если проводить опыты при более высоких температурах (T₁<T₂<T₃<T_k<T₄), то можно обнаружить закономерность, общую для всех веществ (рис. 1).

Рис. 1

Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа: V₁>V’₁>V’’₁, еслиT₁<T₂<T₃.

Во-вторых, чем выше температура, тем больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь пар конденсируется:

V₂<V’₂<V’’₂.

Следовательно, длина прямолинейного участка изотермы с ростом температуры уменьшается.

Это легко объяснить: с ростом Τдавление насыщенного пара быстро нарастает, и для того, чтобы давление ненасыщенного пара сравнялось с давлением насыщенного, необходимо уменьшение объема. Причина увеличения объемаV₂— в тепловом расширении жидкости при нагревании. Так как объемV₁уменьшается, то плотность паров при увеличении температуры увеличивается; увеличение объемаV₂свидетельствует об уменьшении плотности жидкости. Это значит, что различие между жидкостью и ее насыщенным паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.

Д. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, которая экспериментально впервые была установлена для многих веществ Т. Эндрюсом и носит название критической температуры.

Критическая температураT_кр— это такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми (рис. 2).

Рис. 2

На изотермах при Т=T_кргоризонтальный участок превращается в точку перегибаК.

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлениемp_кр. Оно является наибольшим возможным давлением насыщенных паров вещества.

Объем, который занимает вещество при p_криt_кр, называетсякритическим объемомV_кр. Это наибольший объем, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии.

При критической температуре различие между газом и жидкостью исчезает, и поэтому удельная теплота парообразования становится равной нулю.

Совокупность точек, соответствующих краям горизонтального участка изотерм (см. рис. 1), выделяет в плоскости p-Vобласти существования двухфазной системы и отделяет ее от областей однофазных состояний вещества. Пограничная кривая области двухфазных состояний со стороны больших значений объема описывает состояние насыщенного пара и одновременно представляет собойкривую конденсации(начинается конденсация пара при изотермическом сжатии). Пограничная кривая со стороны меньших объемов представляет собой кривую, на которой заканчивается конденсация при сжатии насыщенного пара и начинается испарение жидкости при изотермическом расширении. Ее называюткривой испарения.

Существование критической температуры вещества объясняет, почему при обычных температурах одни вещества могут быть как жидкими, так и газообразными, а другие остаются газами.

Выше критической температуры жидкость не образуется даже при очень высоких давлениях.

Причина заключается в том, что здесь интенсивность теплового движения молекул оказывается настолько большой, что даже при относительно плотной их упаковке, вызванной большим давлением, молекулярные силы не могут обеспечить создание даже ближнего, а тем более дальнего порядка.

Таким образом, видно, что принципиальной разницы между газом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической. Паром называют также вещество в газообразном состоянии, но когда его температура ниже критической. Пар можно перевести в жидкость одним только увеличением давления, а газ нельзя.

В настоящее время все газы переведены в жидкое состояние при очень низких температурах. Последним в 1908 г. переведен гелий (t_кр= -269 °С).