double arrow

Отклонение свойств газов от идеальности

3

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ЖИДКОСТИ

Получение вакуума

Высоким вакуумом называют вакуум при давлениях от 0,1Па до 10-5Па. Для его получения осуществляют ступенчатую откачку.

Сначала используют насос предварительного разрежения или форвакуумный насос, в котором используется принцип «выметания» молекул. С помощью форвакуумных насосов можно получить в откачиваемом объёме давления порядка10 ÷ 100 Па.

Для получения высокого вакуума используют струйный или диффузионный насос, который ведёт откачку газа в пространство, предварительно разреженное форвакуумным насосом. Диффузионные насосы не имеют движущихся частей. Откачка происходит благодаря двум эффектам: струя пара увлекает молекулы воздуха за счёт снижения статического давления вблизи струи, а также за счёт диффузии молекул воздуха в область, где находится струя пара.

Измерение низких давлений – тоже сложная задача. При очень низких давлениях от 10 Па до 10-11Па применяют для измерения давления манометры Мак-Леода, термоэлектрические, ионизационные манометры. Более подробно о получении вакуума и измерении малых давлений см. в [1,2,3].




Учитывая рассмотренные выше характеристики молекулярного движения, можно сформулировать условия идеальности газа следующим образом. Газ можно считать идеальным, если средняя длина свободного пробега молекул много больше эффективного диаметра молекулы (). В этом случае среднее время свободного пробега молекул будет много больше длительности соударений (). Это хорошо выполняется при нормальных условиях и условиях, близких к ним: Т ~273 К, . При повышении давления и понижении температуры средние расстояния между молекулами уменьшаются. Средняя кинетическая энергия молекул становится сравнимой с потенциальной энергией взаимодействия молекул, и поведение газа отличается от идеального. Отклонение свойств газа от идеальности установлено экспериментально при проверке справедливости уравнения Менделеева - Клапейрона.

Рассмотрим взаимодействие молекул в реальных газах. В реальных газах между молекулами действуют силы притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы возникают потому, что при небольшом смещении отрицательного и положительного зарядов в нейтральной молекуле, молекула превращается в диполь – совокупность разноимённых одинаковых по модулю, расположенных близко друг к другу зарядов (рис.6.1). Диполь создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое действует на соседние диполи.

Устойчивым будет расположение диполей разными полюсами друг к другу (рис.6.2). Поэтому полярные молекулы притягиваются. На малых расстояниях, сравнимых с эффективным диаметром молекулы, между молекулами действуют силы отталкивания. Потенциальная энергия взаимодействия молекул уменьшается с увеличением расстояния между ними.



Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул Епот от расстояния r между ними приведена на рис. 6.3. На расстоянии потенциальная энергия взаимодействия молекул минимальна. Это устойчивое состояние молекул. На расстояниях между молекулами преобладают силы притяжения, а потенциальная энергия взаимодействия отрицательна. На расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания, а потенциальная энергия взаимодействия положительна. Потенциальная энергия взаимодействия молекул, обусловленная силами Ван-дер-Ваальса, убывает с расстоянием в соответствии с законом . Так как сила Ван-дер-Ваальса может быть определена как первая производная от энергии, то , то есть убывает с расстоянием гораздо быстрее, чем кулоновская.

Силы Ван-дер-Ваальса слабее, чем при ковалентной и при ионной связи, так как они возникают при полном отсутствии обмена зарядом.

Отклонение свойств газов от идеальности обусловлено взаимодействием Ван-дер-Ваальса и подтверждено экспериментально. При изотермическом сжатии газа, наблюдается изотерма, изображённая на рис.6.4. При сжатии газа до объёма V1 давление повышается (участок ab) . При дальнейшем сжатии часть газа превращается в жидкость, но давление остаётся неизменным. На участке bc в сосуде находится жидкость и её насыщенный пар, разделённые границей, являющейся поверхностью жидкости.



Физически однородные части, разделённые границами, на которые распалась система, называются фазами. Таким образом, на участке bc система состоит из двух фазгазообразной (парообразной) и жидкой. Эти фазы находятся в динамическом равновесии друг с другом. При движении от b к cвозрастает доля жидкой фазы. В точке c весь сосуд заполнен жидкой фазой, произошло превращение пара в жидкость. При дальнейшем сжатии происходит воздействие на жидкость, сжимаемость которой очень мала, поэтому при небольшом уменьшении объёма давление сильно возрастает ( участок cd ).

Проведение изотермического сжатия при разных температурах позволило получить семейство изотерм, изображённое на рис. 6.5. Здесь . Точка К на изотерме, соответствующей температуре Тк, называется критической точкой. По сути, это точка перегиба на критической изотерме. В критическом состоянии нет различия между жидким и газообразном состояниями, нет границы раздела между фазами. Вещество не оказывает сопротивления изменению объёма и не стремится увеличить свой объём. В среде создаются условия для больших флуктуаций плотности, благодаря чему можно наблюдать критическую опалесценцию, заключающуюся в том, что в момент исчезновения границы раздела фаз, весь объём сосуда становится непрозрачным для света и на экране появляется темнота. При температурах выше критической образование жидкости ни при каких давлениях невозможно. Критическое состояние описывают критическими параметрами состояния Т к, Р к, V к. Разные вещества имеют разные критические параметры.



3




Сейчас читают про: