Экспериментальные изотермы реального газа

Для практической проверки уравнения состояния реального газа и выяснения физического смысла своеобразного характера изотерм Ван-дер-Ваальса удобно воспользоваться результатами опыта, по-ставленного в 1869 г. незадолго до теоретических исследований Ван-дер-Ваальса английским химиком Эндрюсом.

Эндрюс экспериментировал с углекислым

газом (СО₂). Схема опыта изображена на рис.

13.2.1. Под поршнем цилиндра помещался моль

углекислого газа. Давление и объем газа при

любом положении поршня определялись по ма-

CO₂

нометру М и шкале объемов V. Через гермети-

чески застекленное окошко О можно было ви-

деть пространство, занятое газом. Весь цилиндр

Термостат

помещался в термостат, позволявший устанав-

Рис. 13.2.1

ливать и поддерживать необходимую темпера-

туру газа. С помощью этой установки Эндрюс

провел с углекислым газом ряд изотермических процессов при раз-личных температурах. Полученные им результаты представлены на рис. 13.2.2.

В опыте Эндрюса надо	p
отметить следующее весьма
важное	обстоятельство. До	p к	К
тех пор пока газ сжимался	T ₃

при высоких	температурах			T _К= 340К
(> 304 К), в пространстве	А	В	T ₂
под поршнем не происходи-			T
ло никаких видимых про-		V	T ₁
цессов,	когда	же	сжатие	V
производилось	при	низких		к
	Рис. 13.2.2
температурах (< 304 К), Эн-

дрюс увидел, что на некоторой стадии сжатия под поршнем появля-лись капельки жидкости (туман), оседающие на стенки и стекающие на дно цилиндра. В конце концов весь цилиндр заполнился жидкой углекислотой. Давление на всей этой стадии, которой соответствуют горизонтальные участки изотерм, оставалось неизменным. Таким об-разом, горизонтальные участки («плато») экспериментальных изотерм соответствуют стадии сжижения газа, совершающегося при постоян-ном давлении. Иначе говоря, плато соответствует существованию жидкой и газообразной фаз.

Давление, при котором начинается сжижение газа, зависит от тем-пературы (уменьшается с уменьшением температуры). Это давление на-зывается давлением насыщенного пара. По мере уменьшения объема все большее и большее количество газа (точнее, насыщенного пара) перехо-дит в жидкость. Жидкость трудно сжимаема. Поэтому левая ветвь изо-термы, соответствующая жидкой фазе, круто поднимается вверх.

Из сравнения эксперименталь-	p
ных и теоретических изотерм следу-
ет (рис. 13.2.3), что они имеют оди-
наковый вид с той лишь разницей,
что превращению газа в жидкость			E
соответствуют: на изотермах Эндрю-		D
са − участки плато,	а на изотермах	А		B
Ван-дер-Ваальса −	волнообразные
С
участки.

Это различие объясняется сле-				V
дующим образом.	Участок EB на
	Рис. 13.2.3

изотерме Ван-дер-Ваальса соответ-ствует пересыщенному пару, давление которого больше давления на-

сыщенного пара при данной температуре. Участок AC соответствует так называемой перегретой жидкости, давление над которой меньше давление насыщенного пара при данной температуре. Оба эти состоя-ния неустойчивы. Однако при тщательном проведении опыта (газ очищен от посторонних частиц − пылинок, установка не подвергается сотрясениям и колебаниям температуры, жидкость свободна от пу-зырьков газа и т. д.) удалось получить участки EB пересыщенного па-ра и AC перегретой жидкости. При несоблюдении упомянутых пре-досторожностей пересыщенный пар и перегретая жидкость переходят в насыщенный пар и жидкость, а волна изотермы превращается в пла-то. Участки CB и DE соответствуют столь неустойчивому состоянию

вещества, что их не удается получить на опыте. Таким образом, опыт Эндрюса показывает, что уравнение Ван-дер-Ваальса хорошо отража-ет действительность и что его можно рассматривать как уравнение со-стояния реального газа, описывающее также состояние жидкости и процесс перехода газа в жидкость.

Из опыта Эндрюса и аналогичных опытов с другими газами выяс-нилось, что газ может быть переведен в жидкое состояние только при температурах, меньших некоторой определенной для данного газа тем-

пературы Т _к;при температурах,больших Т _к,газ нельзя перевести вжидкое состояние никаким давлением. Температура Т _к называется кри-тической. Для углекислого газа Т _к= 304К.Итак, критической называет-ся такая температура, выше которой газ нельзя превратить в жидкость никаким давлением, а ниже которой газ можно превратить в жидкость при некотором давлении, тем меньшем, чем ниже температура.

Следовательно, газ, находящийся при температуре, большей критической, отличается от газа, находящегося при температуре, меньшей критической. В этой связи газ, находящийся при температу-ре, меньшей критической, называется паром.

Изучая поверхностное натяжение на границе жидкости и ее пара Д. И. Менделеев в 1860 г., т. е. еще до исследований Энд-рюса и Ван-дер-Ваальса, пришел к выводу о существовании крити-ческой температуры (названной им температурой абсолютного кипения),при которой различие в свойствах между жидкостью и га-зом исчезает, и коэффициент поверхностного натяжения обращает-ся в нуль.