Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса

Реальные газы – газы, свойства которых зависят от взаимодействия молекул. Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева. Существующий в природе газ называется реальным. Молекулы реальных газов обладают (хотя и очень малым) собственным объемом, который наряду с проявляющимися межмолекулярными силами сцепления и отталкивания необходимо учитывать при различного рода расчетах. Реальным газом называется газ, между молекулами которого существуют заметные силы межмолекулярного взаимодействия.

Уравнение Ван–дер–Ваальса – одно из первых уравнений состояния реального газа. Данное уравнение учитывает конечные размеры всех молекул, что становится существенным при больших давлениях, а также притяжение молекул в результате межмолекулярного взаимодействия.

Учитывая совместное действие сил притяжения и сил отталкивания и полученные поправки для объема и давления в уравнении Менделеева – Клапейрона, получим уравнение Ван–дер–Ваальса для реального газа:

или для одного моля:

Изотермы реальных газов.

Изотермами Ван-дер-Ваальса называются кривые зависимости p от V_{m (}молярныйобъем₎ при заданных T, определяемые уравнением Ван-дер-Ваальса для моля газа.

При некоторой температуре T_k – критической температуре– на изотерме только одна точка перегиба (в этой точке касательная к ней параллельна оси абсцисс). Точка K – критическая точка, соответствующее этой точке объем V_k и давление p_k называются также критическими. Изотерма при T_k называется критической изотермой.

При высокой температуре (T >T_k) изотерма реального газа отличается от изотермы идеального газа только некоторым искажением ее формы, оставаясь монотонно спадающей кривой. При низкой температуре (T<T_k) изотермы имеют волнообразный участок, сначала монотонно опускаясь вниз, затем монотонно поднимаясь вверх и снова монотонно опускаясь.

Изотермам при низкой температуре (T <T_k) одному значению давления, например, p₁ соответствует три значения объема V ₁, V ₂ и V ₃, а при T >T_k — одно значение объема. В критической точке все три объема (три корня) совпадают и равны V_k.

Рассмотрим изотерму при T <T_k на рис. 9.12.

Рис. 9.12 Рис. 9.13

На участках 1–3 и 5–7 при уменьшении давления p объем V_m возрастает. На участке 3–5 сжатие вещества приводит к увеличению давления; практика же показывает, что такие состояния в природе не осуществляются. Наличие участка 3–5 означает, что при постепенном изменении объема вещество не может оставаться все время в виде однородной среды; в некоторый момент должно наступить скачкообразное изменение состояния и распад вещества на две фазы. Таким образом, истинная изотерма имеет вид ломаной линии 7–6–2–1. Часть 7–6 отвечает газообразному состоянию, а часть 2–1 — жидкому. В состояниях, соответствующих горизонтальному участку изотермы 6–2, наблюдается равновесие жидкой и газообразной фаз вещества.