Реальні гази

Реальнi гази — гази, властивостi яких залежать вiд взаємодiї молекул. Сили мiжмолекулярної взаємодiї проявляються на вiдстанi 10^-9 м i швидко зменшуються при збiльшеннi вiдстанi мiж молекулами. Такi сили - короткосяжнi.

Виводячи рiвняння стану iдеального газу, нехтують розмiрами молекул i їх взаємодiєю одна з одною. Пiдвищення тиску приводить до зменшення середньої вiдстанi мiж молекулами, тому потрiбно враховувати об’єм молекул i взаємодiю мiж ними.

Мiж молекулами одночасно дiють сили притягання i сили вiдштовху-вання. На вiдстанi г = г₀ результуюча сила F = 0. Вiдстань г₀ вiдповiдає рiвноважнiй вiдстанi мiж молекулами, на якiй би вони знаходились за вiдсутностi теплового руху. Якщо r<r_0, то переважають сили вiдштовхування (F>О), якщо г>г₀,— сили притягання (F<0) (рис.2.17).

Рис.2.17

Наявність сил відштовхування зводиться до того, що фактично вільний об’єм, в якому можуть рухатись молекули реального газу, буде не V_m, а V_m -b, де b – об’єм, що “заборонений ”для руху молекул.

Рис.2.18

Двi молекули можуть наблизитися на вiдстань не меншу, нiж сума їх радiусiв (d=r+r) (рис.2.18).Тому b пропорцiйна об’єму сфери, яка описана радiусом d, i кiлькостi молекул, якi спiвударяються:

b=4N_AV_o, (2.62)

де N _A - число Авогадро, V₀ - об’єм однієї молекули.

Дія сил притягання між молекулами реального газу приводить до появи додаткового тиску, що називається внутрішнім тиском.

Рiвняння стану реальних газiв можна отримати, якщо в рiвняння Менделєєва - Клапейрона ввести поправки, якi зв’язанi з врахуванням влас-ного об’єму b молекул i сил притягання молекул.Тодi рiвняння стану набере вигляду:

(P+ )(V_m-b)=RT,

де .

Це рiвняння має назву рiвняння Ван-дер-Ваальса:

. (2.63)

Для довiльної маси m газу

, (2.64)

де а і b – постійні Ван-дер-Ваальса, що визначаються дослідно для кожного газу.

Iзотерми газу, якi описуються рiвнянням Ван-дер-Ваальса, мають вигляд, наведений на рис.2.19, де Т₁ <Т₂ <Т_к <Т₃.

Рис.2.19

Розглянемо iзотерми при Т < T_k (рис.2.20). •На дiлянках 1—3 i 5 —7 при зменшеннi об’єму V зростає тиск, що відповідає експерименту. Частина ізотерми 1-2 відповідає газоподібному стану, а частина 6-7 - рідині.Стан 2-3 називається перенасиченою парою. Це нестійкий стан: достатньо в стані А попадання пилинки в пару, щоб вся речовина розпалась на дві фази і перейшла в стан В на прямій 2-4-6.Частина ізотерми 6-5 відповідає стану рідини. Цей стан речовини називається перегрітою рідиною. Якщо в перегріту рідину кинути пісчинку, то відбувається швидкий перехід із рідкого стану в газоподібний, який супроводжується бурхливим кипінням рідини. Тиск газу зростає до тиску, що відповідає ділянці 2-4-6 (перехід С Д на (рис.2.20)).Стан 2-3 і 6-5 називається метастабільним. На ділянці 3-5 стискання речовини приводить до зменшення тиску.У природі немає таких речовин. Істинна ізотерма має вигляд ломаної лінії 1– 2 – 6 – 7. При підвищенні температури горизонтальна ділянка сімейства ізотерм зменшується. Ізотерма, що не має таких ділянок називається критичною, а температура Т_к - критичною (рис.2.19). Відповідні Т_к об’єм V_к і тиск Р_к називаються критичними. Критичні параметри Т_к,V_к, Р_к виражаються через Ван –дер –Ваальсівські поправки а і b.

, , V_k=3b. (2.65)

Рис.2.20

Якщо через крайні точки горизонтальних ділянок Ван – дер – Вааль-сівських ізотерм провести лінії, то одержуємо область двофазних станів речовини (рис.2.21). Газ, який знаходиться в стані при температурі, що вища за критичну, не може бути перетворений в рідину ні при якому тиску.

Рис.2.21