Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Ізотерми Ван-дер-Ваальса




Рівняння ізотерми можна отримати, якщо в (6) покласти . Його можна привести до виразу

.

Якщо температура велика, то останній доданок можна не враховувати. Ізотерма буде мати вигляд гіперболи із асимптотами (ізобара) і (ізохора).

Для дослідження ізотерм для кожного значення температури перетворимо рівняння (6):

. (7)

Це рівняння третьої степені відносно об’єму V і воно має три кореня. Тобто при фіксованих значеннях T і Р речовина може мати три значення об’єму, або, що те ж саме, три значення густини. В окремому випадку, при відповідних значеннях коефіцієнтів в рівнянні (7), всі три кореня будуть рівні. При цьому ліва частина виразу (7) стає точним кубом (V - V 0)3.

З’ясуємо зміст коренів рівняння Ван-дер-Ваальса. Уявні корені нас не будуть цікавити, оскільки вони не мають фізичного змісту.

На рис. 2 представлені ізотерми Ван-дер-Ваальса і для порівняння приведена ізотерма Ендрюса.

 
 
Як видно, ізотерма Ван-дер-Ваальса не співпадає з експериментальною ізотермою Ендрюса: замість прямої ділянки 2 - 4 - 6, що відповідає двофазному стану “речовина-газ”, вона має хвилеподібну ділянку 2-3-4-5-6. При цьому фіксованому значенню тиску, наприклад, P 1 відповідають три значення молярного об’єму V 1, V 2, V 3. Зрозуміло, що мінімальному з цих значень V 1 відповідає рідкий стан речовини (гілка 1 - 2 – стиснення рідини), а максимальному V 3 – газоподібний стан (гілка 6-7 – стиснення газу). А який зміст третього кореню – стану з об’ємом V 2?

Ділянка 3 - 5 відрізняється від інших тим, що на ній із збільшенням об’єму тиск не спадає, а зростає: . В природі не існує речовин, у яких при зростанні тиску збільшується об’єм, тобто зменшується густина. Можна уявити собі, що такий стан все ж таки реалізувався. Тоді локальне зростання тиску, яке обов’язково буде мати місце в статистичній системі, призведе до зростання об’єму, що в свою чергу призведе до додаткового збільшення тиску, і т.д. поки система не перейде в точку 5, від якої вже починається „нормальна” поведінка системи. З тих же причин будь-яке випадкове мале зменшення тиску призведе до самовільного переходу речовини в стан, що відповідає точці 3. Тобто такий стан абсолютно нестійкий і тому реалізуватись не може.

На ділянках 2-3 і 5-6 з підвищенням тиску об’єм зменшується, і необхідна умова термодинамічної стійкості стану виконана, що, в принципі, припускає можливість реалізації цих станів. За особливих умов ці стани і справді можуть бути реалізованими. Їх називають метастабільними. Ділянка 5-6 зображає пересичену пару, а ділянка 2-3 – перегріту рідину. Ці фази можуть існувати до моменту торкання із іншою більш стійкою за даних умов фазою. Пересичена пара переходить в насичену, якщо з’являється крапля води. Перегріта вода почне інтенсивно кипіти, при попаданні в неї бульбашки повітря.

Експериментально стан пересиченої пари можна реалізувати при швидкому охолодженні закритої посудини з повітрям, що містить водяну пару. Необхідно лише попередньо очистити повітря від слідів пилу і електричних зарядів - центрів конденсації. При цьому після різкого охолодження, а значить, після зменшення пружності насиченої пари, вона все ж таки довгий час не конденсується, залишаючись пересиченою, тобто кількість її молекул більша, ніж це потрібно для насичення.

Стан перегрітої рідини реалізується ще важче. Рідину очищають від домішок і мікроскопічних бульбашок повітря. Останнє досягається в результаті довгого кип’ятіння рідини. Якщо тепер таку рідину нагріти, то вона навіть в умовах переходу з рідкого стану в газоподібний, залишиться рідиною.

Отже, речовина не може перейти з газоподібного стану в рідкий через абсолютно нестійку проміжну область 3-4-5. Дослід показує, що перехід цей здійснюється через двофазний стан, пряма 2-4-5. Тобто кореню V 2 за даної температури лише при тиску, що дорівнює тиску насиченої пари, відповідає стабільний стан.

Рівноважне значення цього тиску безпосередньо з рівняння Ван-дер-Ваальса не можна знайти. Але його можна визначити з загальних термодинамічних міркувань. Як було показано Максвелом, робота не повинна залежати від того, чи відбувається перехід з рідкого стану до газоподібного по теоретичній ізотермі однорідної речовини 2-3-4-5-6, чи по ізотермі двохфазного стану 2-4-6,

Звідки випливає, що пряму 2-4-6 необхідно провести так, щоб були рівні площі областей під кривою 2-3-4-5-6 і прямою 2-4-6 або, що рівносильно, заштриховані площі на рис. 2.

Значення рівняння Ван-дер-Ваальса полягає, перш за все, в тому, що воно описує факт існування у речовини двох фаз – рідкої і газоподібної. Окрім того, як ми побачимо нижче, з рівняння Ван-дер-Ваальса випливає такий важливий факт, як існування критичної температури і критичного стану взагалі..

 

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 2595; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.011 сек.