Лекция №4 Поведение реальных газов и паров

Газом называется вещество в газообразном состоянии при температуре выше критической.

Паром называется вещество в газообразном состоянии при температуре ниже критической.

Критическая температура (Т_С) данного вещества – наибольшая температура, при которой это вещество может быть переведено из газообразного состояния (из пара) в жидкость путём сжатия.

Критическое давление (Р_С) – давление необходимое для превращения пара в жидкость при критической температуре.

Поведение газов не может быть корректно описано законом Бойля–Мариотта при температуре и давлении близких к критическим, но оно может быть вполне удовлетворительно описано уравнением Ван–дер–Ваальса:

где V – объём одного моля, м³;

a/V² - добавка, учитывающая взаимодействия между молекулами;

b – слагаемое, учитывающее собственный объём молекул, м³

Диаграмма изотермического состояния вещества (на примере СО₂) показана на рис.6,

где

Тс – критическая температура.

Рис.6

Коэффициенты уравнения Ван-дер-Вальса для некоторых атмосферных газов приведены в табл.1 Табл .1

Вещество	TС , K	PС, кг/см2	а,106кг*см4/ моль2	b, см3/моль
Н2	33	12,8	0,24	26,5
Не	5,3	2,2	3,25	23,4
Н2О	647	217,5	5,47	30,5
N2	126	33,5	1,34	39,6

Поведение паров, при изменении температуры и давлении может быть проиллюстрировано диаграммой, представленной на рис.7, где стрелеками обозначены следующие процессы: а – испарение, b, d – конденсация, с – сублимация (испарение из твёрдой фазы).

Рис.7, тройная диаграмма.

Эта диаграмма представляет вид В-В общей диаграммы состояния вещества, рис. 8

В соответствии с правилом Гиббса:

P+F=C+2,

где P – количество фаз,

F – количество степеней свободы,

C – количество компонентов.

Вещество в трёх фазах одновременно (жидкая, твёрдая, газообразная – паровая) может существовать только при одном характерном значении температуры и одном значении давлении, что на тройной диаграмме состояния вещества изображается так называемой «тройной точкой».

Две фазы: твёрдая и пар, либо жидкая и пар могут сосуществовать одновременно в равновесии при условиях, описываемых уравнением:

Lg P= A – B/T +CT + D lg T

где А, В ,С , D - коэффициенты для некоторых веществ, используемых в

вакуумной технике приведены в табл.2.

Т-температура, К

Р- давление насыщающих паров, Па.

Уравнение, описывающее двухфазное состояние вещества, в соответствии с законом Гиббса, представляет линию.

В таблице представлены коэффициенты уравнения, описывающего двухфазное состояние некоторых вакуумных материалов.

Табл . 2

Вещество	A	B	C	D	P, тор	Т, ОК
Hg	1216,0	9078	0,054	-82,87	1,2*10-3	293
Масло	15,0	6000	---	---	10-8	293
Ga	0,9	13425	0,0006	2,95	<10-8	293
Жидкость	10,8	12295	0,00007	-0,082	<10-8	293
Тв.вещ-во	470,0	26891	0,003	-179,0	<10-8	293

Все основные газовые законы могут быть сведены в одну трёхмерную (P, V, T) диаграмму, как это показано на рис. 8

Рис.8

Выводы:

1. В замкнутом сосуде над поверхностью материала камеры всегда имеется насыщенный пар этого материала, давление которого может быть рассчитано с помощью диаграммы равновесного состояния вещества.

2. На практике абсолютный вакуум (т.е. давление меньшее, чем сумма давлений насыщающих паров веществ, из которых создана вакуумная камера) не достижим.

3. Чтобы обеспечить в системе высокий вакуум, поверхности вакуумной камеры обращённые в вакуум должны быть сделаны из материалов с малым давлением насыщающих паров.

4. Давление насыщающих паров жидкости в замкнутом объеме определяется температурой наиболее холодной стенки (т.к. пары конденсируются на наиболее холодной стенке) в соответствии с температурой которой устанавливается их давление.