Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Это уравнение справедливо для не очень сильно сжатых газов. Для сильно разреженных газов Vii 3> b, р* <SC р и уравнение Ван-дер-Ваальса не отличается от уравнения Менделеева— Клапейрона.
1°. Зависимость молярного объема газа от давления при неизменной температуре называется изотермой реального газа. На рис. II.5.3 изображены изотермы для углекислого газа. При температурах Т, меньших Tk = 340 К, все изотермы имеют горизонтальные участки, на которых постоянно давление газа, а молярные объемы изменяются. Разность Vc — Vb молярных объемов горизонтальных участков изотерм уменьшается с повышением температуры (рис. II.5.3). При T — Tk эта разность обращается в нуль. Температура T = Тк, соответствующая условию Vc-Vb= 0, называется критической температурой.
Изотерма реального газа при T = Tk называется критической изотермой. На этой изотерме точки С и В сливаются в точку К, которая называется критической точкой. Параметры состояния газа (11.1.3.2°) в критической точке (Vk, рк, Тк) называются критическими параметрами.
Критическая точка К является точкой перегиба на критической изотерме, причем касательная к изотерме в этой точке параллельна оси OVyi.
§ II.5.3. Изотермы реальных газов. Понятие о фазовых переходах
§ II.5.3. ИЗОТЕРМЫ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 187
2°. Любая докритическая изотерма (Т < Тк) является кривой непрерывного перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Она содержит три участка: TC, CB и BA, каждый из которых описывает различные состояния вещества. На участке TC вещество находится в газообразном состоянии, участок CB соответствует переходу вещества из газообразного состояния в жидкое. В области BA изотермы вещество жидкое. Участок BA кривой почти вертикален вследствие малой сжимаемости жидкости. Точки С и Б горизонтальной части изотермы соответствуют началу и концу конденсации при изотермическом сжатии реального газа. Наоборот, при изотермическом расширении жидкости точки Б и С соответствуют началу и концу кипения. Точка В соответствует состоянию кипящей жидкости, точка С — сухого насыщенного пара. Смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, которая существует в любой точке M участка ВС, называется влажным паром (рис. II.5.3).
3°. Фазой в термодинамике называют совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии. Влажный пар является двухфазной системой и состоит из двух фаз — кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.
На рис. П.5.4 приведены две пограничные кривые BK и CK, представляющие собой совокупность точек В и С (рис. II.5.3) при различных температурах. Кривые BK и CK сходятся в критической точке К. Кривая BK кипения отделяет однофаз-
Рис. II.5.3 Рис. II.5.4
188
ГЛ. II.5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ПАРЫ
ную область I жидкости от двухфазной области II влажного пара. Кривая BK является кривой начала фазового перехода I рода из жидкого состояния вещества в газообразное. Пограничная кривая CK разделяет двухфазную область II и однофазную область III газообразного состояния вещества.
4°. Двухфазная область II не может существовать при давлениях, больших критического рк (п. 1°), когда вещество может находиться в одном из двух состояний — жидком или газообразном. Газ при температуре выше критической Tk никаким давлением не может быть переведен в жидкое состояние изотермическим сжатием. Критические температуры ряда газов очень низкие: у гелия Tk — 5 К, у водорода — 33 К. Это затрудняет сжижение таких газов.
5°. В критическом состоянии вещества, помимо разности молярных объёмов кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, обращаются в нуль удельная теплота парообразования (11.6.6.4°) и коэффициент поверхностного натяжения жидкости (11.6.4.4°). В критическом состоянии вещества полностью исчезают различия между жидким и газообразным состояниями вещества.
6°. Уравнение Ван-дер-Ваальса (11.5.2.4°) является уравнением третьей степени относительно молярного объема Vyi с ко-, эффициентами, зависящими от давления, температуры и химической природы газа. Это уравнение имеет или один, или
три действительных корня в зависимости от численных значений р и Т. На рис. II.5.5 представлены изотермы реального газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса, при различных температурах (T1 < < T2 < T < T3 < Tk < T5 < T6).
Рис. II.5.5
На всех докритических изотермах имеется заштрихованная область, где каждому давлению соответствуют три различных состояния, которым сопоставляются три точки изотермы — В, E и С. Волнообразные части
§ II.5.4. ПОНЯТИЕ О СВЕРХТЕКУЧЕСТИ ГЕЛИЯ
189
BDEFC изотерм на рис. II.5.5 более точно описывают переход вещества из газообразного в жидкое состояние, чем горизонтальные участки экспериментальных изотерм (штриховые прямые ВС). Участок BD изотермы соответствует перегретой жидкости, которую можно получить, если задержать начало кипения в точке В. Участок CF изотермы описывает состояние пересыщенного пара, возникающее при медленном изотермическом сжатии в отсутствие центров конденсации. Если такие центры (пылинки, ионы) вводятся в пересыщенный пар, то происходит быстрая конденсация пара. На участке DEF изотермы одновременно с увеличением (уменьшением) давления возрастает (уменьшается) молярный объем. Такие состояния вещества невозможны. Горизонтальные отрезки BC рассекают участки изотерм BDEFC так, чтобы площади BDEB и EFCE на рис. II.5.5 были равны друг другу (правило Максвелла).
