Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Газ Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния ван-дер-ваальсовского газа

Для реальных газов пользоваться результатами теории идеального газа следует с большой осторожностью. Во многих случаях необходимо переходить к более реалистичным моделям. Одной из большого числа таких моделей может служить газ Ван-дер-Ваальса[1]. В этой модели учитываются собственный объем молекул и взаимодействия между ними. В отличие от уравнения Менделеева — Клапейрона pV= RT, справедливого для идеального газа, уравнение газа Ван-дер-Ваальса содержит два новых параметра а и Ь, не входящих в уравнение для идеального газа и учитывающих межмолекулярные взаимодействия (параметр а) и реальный (отличный от нуля) собственный объем (параметр Ь) молекул. Предполагается, что учет взаимодействия между молекулами в уравнении состояния идеального газа сказывается на величине давления р, а учет их объема приведет к уменьшению свободного для движения молекул пространства — объема V, занимаемого газом. Согласно Ван-дер-Ваальсу уравнение состояния одного моль такого газа записывается в виде:

где Ум — молярный объем величины (а/Ум) и Ь описывают отклонения газа от идеальности.

Величина a/V^, по размерности соответствующая давлению, описывает взаимодействие молекул между собой на больших (по сравнению с размерами самих молекул) расстояниях и представляет так называемое добавочное к внешнему «внутреннее давление» газа р. Константа Ъ в выражении (4.162) учитывает суммарный объем всех молекул газа (равна учетверенному объему всех молекул газа).

К определению константы b в уравнении Ван-дер-Ваальса

Рис. 4.24. К определению константы b в уравнении Ван-дер-Ваальса

Действительно, на примере двух молекул (рис. 4.24) можно убедиться, что молекулы (как абсолютно жесткие шары) не могут сблизиться друг с другом на расстояние, меньшее, чем 2г между их центрами,

т.е. область пространства, «выключенная» из общего объема, занимаемого газом в сосуде, которая приходится на две молекулы, имеет объем

В пересчете на одну молекулу это

ее учетверенный объем.

Поэтому (VMb) есть доступный для движения молекул объем сосуда. Для произвольного объема Vи массы т газа с молярной массой М уравнение (4.162) имеет вид Фазовые состояния в изотермах Ван-дер-Ваальса

Рис. 4.25. Фазовые состояния в изотермах Ван-дер-Ваальса

где v = т/М — число моль газа, а а'= v2a и Ь'= vb — константы (поправки) Ван-дер-Ваальса.

Выражение для внутреннего давления газа в (4.162) записано в виде a/Vj, по следующей причине. Как было сказано в подразделе 1.4.4, потенциальная энергия взаимодействия между молекулами в первом приближении хорошо описывается потенциалом Леннард— Джонса (см. рис. 1.32). На сравнительно больших расстояниях этот потенциал может быть представлен в виде зависимости U ~ г~ь, где г — расстояние между молекулами. Поскольку сила F взаимодействия между молекулами связана с потенциальной энергией U как F — —grad U(r), то F ~г7. Число молекул в объеме сферы радиуса г пропорционально г3, поэтому суммарная сила взаимодействия между молекулами пропорциональна it4, а дополнительное «давление» (сила, отнесенная к площади, пропорциональной г2) пропорционально гь (или ~ 1/F2). При малых значениях г проявляется сильное отталкивание между молекулами, которое косвенно учитывается

коэффициентом Ь.

Уравнение Ван-дер-Ваальса (4.162) может быть переписано в виде полиномиального (вириального) разложения по степеням Ум (или У):

Относительно VM это уравнение кубическое, поэтому при заданной температуре Т должно иметь либо один вещественный корень, либо три (далее, полагая, что мы по-прежнему имеем дело с одним моль газа, опустим индекс Мв VM, чтобы не загромождать формулы).

На рисунке 4.25 в координатахp(V) при различных температурах Т приведены изотермы, которые получаются в качестве решений уравнения (4.163).

Как показывает анализ этого уравнения, существует такое значение параметра Т— Г* (критическая температура), которое качественно разделяет различные типы его решений. При Т > Тк кривые p(V) монотонно спадают с ростом V, что соответствует наличию одного действительного решения (одно пересечение прямой р = const с изотермой p(V)) — каждому значению давления р соответствует только одно значение объема V. Иными словами, при Т > Тк газ ведет себя примерно как идеальный (точного соответствия нет и оно получается только при Т -> оо, когда энергией взаимодействия между молекулами по сравнению с их кинетической энергией можно пренебречь). При низких температурах, когда Т < Тк, одному значению р соответствует три значения V, и форма изотерм принципиально изменяется. При Г= Тк изотерма Ван-дер-Ваальса имеет одну особую точку (одно решение). Этой точке соответствуют /^(критическое давление) и VK (критический объем). Эта точка соответствует состоянию вещества, названному критическим, и, как показывают эксперименты, в этом состоянии вещество не является ни газом, ни жидкостью (промежуточное состояние).

Экспериментальное получение реальных изотерм может быть осуществлено с помощью простого устройства, схема которого изображена на рис. 4.26. Устройство — это цилиндр с подвижным поршнем и манометром для измерения давления р. Измерение объема V производят по положению поршня. Вещество в цилиндре поддерживается при определенной температуре Т (находится в термостате).

Устройство для экспериментального получения изотерм Ван-дер-Ваальса

Рис. 4.26. Устройство для экспериментального получения изотерм Ван-дер-Ваальса

Меняя его объем (опуская или поднимая поршень) и измеряя при этом давление, получают изотермуp(V).

Оказывается, что полученные таким образом изотермы (сплошные линии на рис. 4.25) заметно отличаются от теоретических (штрихпунктирная линия). При Т = Т < Тк и большйх V уменьшение объема приводит к увеличению давления соответственно расчетной кривой до точки N (штрихпунктирная изотерма на рис. 4.25). После этого уменьшение Vне приводит к дальнейшему росту р. Иными словами, точка N соответствует началу конденсации, т.е. переходу вещества из состояния пара в состояние жидкости. При уменьшении объема от точки N к точке М давление остается постоянным, меняется только соотношение между количествами жидкого и газообразного вещества в цилиндре. Давление соответствует равновесию между паром и жидкостью и называется давлением насыщенного пара (отмечено на рис. 4.25 как р„. п). В точке М все вещество в цилиндре представляет собой жидкость. При дальнейшем уменьшении объема изотермы резко поднимаются вверх, что соответствует резкому уменьшению сжимаемости жидкости по сравнению с паром.

При увеличении температуры в системе, т.е. при переходе от одной изотермы к другой, длина отрезка MN уменьшается (А/УУ'при Т2 > Т), и при Т=ТК он стягивается в точку. Огибающая всех отрезков вида MN образует колоколообразную кривую (бинодаль) — пунктирная кривая MKN на рис. 4.25, отделяющую двухфазную область (под колоколом бинодали) от однофазной — пара или жидкости. При Т> Тк никаким увеличением давления газообразное вещество превратить в жидкость уже нельзя. Этим критерием можно воспользоваться для проведения условного различия между газом и паром: при Т < Тк вещество может существовать и в виде пара, и в виде жидкости, но при Т > Тк никаким давлением газ в жидкость перевести нельзя.

В тщательно поставленных экспериментах можно наблюдать так называемые метастабильные состояния, характеризуемые участками МО и NL на изотерме Ван-дер-Ваальса при Т= Т (штрихпунктирная кривая на рис. 4.25). Эти состояния отвечают переохлажденному пару (участок МО) и перегретой жидкости (участок NL). Переохлажденный пар — это такое состояние вещества, когда по своим параметрам оно должно находиться в жидком состоянии, но по своим свойствам продолжает следовать газообразному поведению — стремится, например, расшириться при увеличении объема. И наоборот, перегретая жидкость — такое состояние вещества, когда оно по своим параметрам должно быть паром, но по свойствам остается жидкостью. Оба эти состояния метастабильны (т.е. неустойчивы): при небольшом внешнем воздействии вещество переходят в стабильное однофазное состояние. Участок OL (определенный математически из уравнения Ван-дер- Ваальса) соответствует отрицательному коэффициенту сжатия (с увеличением объема растет и давление!), оно не реализуется в опытах ни при каких условиях.

Константы а и b считаются независящими от температуры и являются, вообще говоря, разными для разных газов. Можно, однако, модифицировать уравнение Ван-дер-Ваальса так, чтобы ему удовлетворяли любые газы, если их состояния описываются уравнением (4.162). Для этого найдем связь между константами а и b и критическими параметрами: рк, VKn Тк. Из (4.162) для моль реального газа получаем1:

Воспользуемся теперь свойствами критической точки. В этой точке величины йр/dVи tfp/dV2 равны нулю, так эта точка является точкой перегиба. Из этого следует система трех уравнений:

1 Индекс Мпри объеме моль газа опущен для упрощения записи. Здесь и далее константы а и Ь по-прежнему приведены к одному моль газа.

Эти уравнения справедливы для критической точки. Решение их относительно/>*, Ук, Гадает:

и, соответственно,

Из последнего соотношения в этой группе формул, в частности, следует, что для реальных газов постоянная R оказывается индивидуальной (для каждого газа со своим набором рк, У к, Тк она своя), и только для идеального или для реального газа вдали от критической температуры (при Т » Тк) ее можно полагать равной универсальной газовой постоянной R = kbNA. Физический смысл указанного различия кроется в процессах кластерообразования, происходящих в реальных газовых системах в докритических состояниях.

Критические параметры и константы Ван-дер-Ваальса для некоторых газов представлены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Критические параметры и константы Ван-дер-Ваальса

Газ

Рь МПа

Ук, см3/моль

Тк

а, Н ? м4/моль2

Ь, см3/моль

Гелий

0,230

57,5

5,20

0,00344

23,599

Водород

1,297

65,5

33,24

0,02484

26,635

Азот

3,399

92,1

126,25

0,13680

38,607

Кислород

5,081

78,0

154,78

0,13750

31,662

Хлор

7,710

124,0

417,10

0,65760

56,202

Водяной пар

22,120

56,3

647,30

0,55240

30,413

Если теперь подставить эти значения из (4.168) и (4.169) в уравнение (4.162) и выразить давление, объем и температуру в так называемых приведенных (безразмерных) параметрах л = р/рк, со = V/VK, т = Т/Тк, то оно (4.162) перепишется как:

Это уравнение Ван-дер-Ваальса в приведенных параметрах универсальное для всех ван-дер-ваальсовых газов (т.е. реальных газов, подчиняющихся уравнению (4.162)).

Уравнение (4.170) позволяет сформулировать закон, связывающий три приведенные параметра — закон соответственных состояний: если у каких-либо различных газов совпадают два из трех (л, со, т) приведенных параметров, то должны совпадать и значения третьего параметра. Говорят, что такие газы находятся в соответственных состояниях.

Запись уравнения Ван-дер-Ваальса в виде (4.170) позволяет также распространить связанные с ним представления на случай произвольных газов, которые уже ван-дер-ваальсовскими не являются. Уравнение (4.162), записанное в виде (4.164): p(V) = RT/(V-b)-a/V2, напоминает по форме разложение функции р(У) в ряд по степеням V (до второго члена включительно). Если считать (4.164) первым приближением, то уравнение состояния любого газа можно представить в универсальном виде:

где коэффициенты А„( Т) называются вириальными коэффициентами.

При бесконечном числе членов этого разложения оно может точно описать состояние любого газа. Коэффициенты А„(Т) являются функциями температуры. В различных процессах используются различные модели, и для их расчета теоретически оценивается, каким количеством членов этого разложения необходимо пользоваться в случаях разного рода газов для получения желаемой точности результата. Конечно, все модели реальных газов зависят от выбранного вида межмолекулярного взаимодействия, принятого при рассмотрении конкретной задачи.

  • [1] Предложена в 1873 г. голландским физиком Я.Д. Ван-дер-Ваальсом.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы