Свойства реальных газов не только в количественном, но и в качественном отношении отличаются от свойств реальных газов. Теория идеальных газов не может объяснить фазовые превращения газа и жидкости, она не может установить границы области фазовых переходов, параметры критического состояния.
В 1869 г. английский физик Эндрюс впервые на основании проведенных им экспериментов по изотермическому сжатию СО2 построил pv -диаграмму для реального газа и показал на ней характерные граничные линии и области состояний.
| Рис.2. pv -диаграмма реальных газов | |
Ранее было известно, что одни газы путем сжатия при комнатной температуре удается перевести в жидкое состояние, другие - нет. Не было объяснения этому явлению.
Проследить за поведением газа в процессе изотермического (
) сжатия можно по
pv -диаграмме, рис. 2. Участок 1-2 кривой сжатия соответствует изменению параметров
p и
v газообразного состояния вещества. В точке 2 давление газа достигает величины
рн – давления насыщения при данной температуре
t и газ начинает конденсироваться при
и
, процесс 2-3.
В точке 3 процесс конденсации завершается.
Кривая 3-4 соответствует процессу сжатия жидкой фазы при . Поскольку жидкость плохо сжимается, объем здесь меняется мало, а давление резко возрастает.
Исследуя зависимость v от р на разных изотермах t, t’, t” и т.д., Эндрюс установил, что чем выше температура, тем меньше разница между удельными объемами сухого насыщенного пара 
и насыщенной жидкости 
. С повышением температуры 
точки 2, 
, 
…, образующие верхнюю пограничную кривую АК (линия сухого насыщенного пара, x = 1), сближаются соответственно с точками 3, 
, 
…, образующими нижнюю пограничную кривую БК (линия кипящей жидкости, х = 0). Здесь х – степень сухости,
х = 
,
где 
- масса сухого насыщенного пара,
- масса влажного насыщенного пара – смеси кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.
Разность удельных объемов 
уменьшается до тех пор, пока при некоторой температуре tкр не станет равной нулю, т.е. 
. Состояние в точке К с параметрами ркр, vкр и tкр назвали критическим. В этой точке исчезают различия между жидкой и газовой фазами.
Таким образом, для реального газа в pv -диаграмме можно выделить три характерные области:
· область жидкого состояния – расположена левее кривой х = 0 (БК), 
;
· область двухфазных состояний – влажного насыщенного пара, расположенную между линиями х = 0 и х = 1 (между БК и АК), 
;
· область перегретого пара, расположенную правее кривой х = 1 (АК), 
.
Нетрудно видеть, что при 
путем простого изотермического сжатия попасть в область фазовых переходов нельзя. Этим объясняется то, что газы, у которых 
, без понижения температуры не переходят в жидкое состояние.
В таблице 1 приведены критические параметры некоторых реальных газов.
Таблица 1
| Параметры | Н2 | N2 | CO2 | O2 | H2O | Hg |
| tкр ., °С | -239,9 | -147,0 | 31,05 | 118,4 | 374,15 | |
| ркр ., МПа | 1,293 | 3,39 | 7,837 | 5,07 | 22,13 | 147,0 |
| vкр ., м3/кг | 0,0323 | 0,00322 | 0,002137 | 0,00233 | 0,00326 | - |
Вещество в критическом состоянии имеет ряд особенностей. Критическая изотерма tкр . в критической точке К имеет горизонтальную касательную и перегиб, т.е.
и 
. (7)
Вблизи этой точки наблюдается скачек теплоемкости 
. В точке К теплота парообразования 
, становятся равными нулю силы поверхностного натяжения 
, которые являются наиболее ярким проявлением межмолекулярного взаимодействия. Поэтому в этой точке отсутствует межфазная поверхность, здесь наблюдается высокая растворяющая способность вещества.
Особые свойства веществ в критической и околокритической областях состояния в настоящее время уже находят применение в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, химической, нефте- и углеперерабатывающей отраслях промышленности, в решении экологических проблем. В частности, «предложено использование суб- и сверхкритических флюидов в роли экстрагентов и растворителей в процессах выделения, разделения, очистки и фракционирования» /3/. При этом решаются проблемы создания перспективных энергосберегающих и малоотходных технологий.
2015-02-24
3116
