Уравнение Клапейрона-Менделеева

Для одного моля , где V_m – объем моля газа; N_A•k=R; PV_m =RT.

В любой массе содержится m/M молей (М – молярная масса). Уравнение Менделеева-Клапейрона ; , где R=8,32 Дж/Кмоль – универсальная газовая постоянная. Это уравнение выражает объединенный закон газового состояния.

Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса

 

Молекулы реального газа взаимодействуют друг с другом и имеют конечные размеры, поэтому уравнение состояния для него иное. Это уравнение получено в 1973 году Ван-дер-Ваальсом и имеет вид

.

Сжижение газов

 

Практическое подтверждение изотерм Ван-дер-Ваальса выполнено Т. Эндрюсом в 1869г. Он экспериментировал с углекислым газом (СО₂) с помощью термостатированного цилиндра с поршнем, снабженного манометром и шкалой объемов. Критической называется такая температура, выше которой газ, нельзя превратить в жидкость ни при каком давлении, а ниже которой можно тем при меньшем давлении, чем ниже температура. Понятие критической температуры сыграло большую роль в физике низких температур и технике сжижения газов. Для сжижения газов применяется машина К. Линде, основанная на положительном эффекте Джоуля-Томсона. При расширении реального газа в пустоту (то есть без совершения внешней работы) его температура понижается при низкой начальной температуре. Имеет место (и часто применяется) отрицательный эффект Джоуля-Томсона: при высокой начальной температуре газы, расширяясь, нагреваются.

При некоторой промежуточной температуре газ, расширяясь, не охлаждается и не нагревается. Такая температура называется температурой инверсии.

 

Вопросы для самоконтроля:

1) Какими параметрами характеризуется состояние газа?

2) Какими законами описываются изохорические, изобарические и изотермические

3) процессы? Как изображаются эти процессы графически?

4) Что означает число Авогадро?

5) Каким образом связана шкала по Кельвину со шкалой по Цельсию?

6) Каков физический смысл давления и температуры?

7) Какой газ называется реальным?

8) Напишите уравнения Клапейрона-Менделеева для моля и для любой массы газа.

9) Какая температура называется критической?

10) Какой физический закон используется при сжижении газа?

 

Список литературы

Основная

1.Рогачев, Н.М. Курс физики. Учебное пособие/ Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010 г. - 448 с.

 

Дополнительная

1. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р. И. Грабовский. – СПБ.: Издательство «Лань», 2002. – 608 с

 

Лекция 7

 

СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым. В газах нет закономерности во взаимном расположении молекул (хаотическое расположение). В твердых телах наблюдается дальний порядок - молекулы образуют кристаллическую решетку. В жидкостях дальний порядок отсутствует, а имеет место ближний порядок в расположении молекул – их упорядоченное расположение повторяется на расстояниях, сравнимых с межатомными. Тепловое движение молекулы в жидкости это ее колебание около определенного положения равновесия в течение некоторого времени, после чего молекула скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстояние порядка межатомного. Радиус r молекулярного действия –расстояние (порядка 10^{-9 м), при котором можно пренебречь силами притяжения между молекулами жидкости. Сфера радиусом r называется сферой молекулярного действия. Силы, действующие на молекулу внутри объема жидкости со стороны окружающих молекул, в среднем скомпенсированы. Для молекулы, расположенной на поверхности, равнодействующая сил} R направлена внутрь жидкости. Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость молекулярное (внутреннее) давление.

 

Поверхностное натяжение

Жидкости, как и твёрдые тела, обладают большой объёмной упругостью, т.е. сопротивляются изменению своего объёма. На поверхности жидкости, действующие на поверхностные молекулы со стороны жидкости и или со стороны газа различны, но т.к. жидкость находится в равновесии, то, следовательно, возникают силы, компенсирующие разницу сил, действующих на поверхностные молекулы. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярна к контуру, ограничивающему поверхность. Установлено, чтоF=α l, где α - коэффициент поверхностного натяжения; l -длина контура.

Коэффициент поверхностного натяжения α численно равен работе, которую необходимо совершить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади. Другое определение α. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, [α] = H/м

С ростом температуры α уменьшается и при некоторой температуре, называемой критической t_к, α = 0.

α(t)= α₀(1-at). Отсюда следует, что α = 0 при t = 1/a → 1/a=t_к.

α(t)=α₀(1-t/t_к), при t = t_к жидкое и газообразное состояние неразличимы. (о силах притяжения и отталкивания). Единица поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²).