Igazi gáz

Valódi gáz  - általános esetben - egy valóban létező anyag gáz halmazállapota. A termodinamikában a valódi gáz olyan gáz, amelyet nem ír le pontosan a Clapeyron-Mengyelejev egyenlet , ellentétben az egyszerűsített modellel - egy hipotetikus ideális gáz , amely szigorúan betartja a fenti egyenletet. Valódi gázon általában egy anyag gáz halmazállapotát értjük a létezésének teljes tartományában. Létezik azonban egy másik osztályozás is, amely szerint az erősen túlhevített gőzt valódi gáznak nevezzük, amelynek állapota kis mértékben eltér az ideális gáz állapotától, és a túlhevített gőzt, amelynek állapota jelentősen eltér az ideális gáz állapotától, és telítettnek. gőzt (kétfázisú egyensúlyi folyadék-gőz rendszer) gőznek nevezik. ), amely egyáltalán nem engedelmeskedik az ideális gáz törvényeinek. [1] Az anyag szerkezetének molekuláris elmélete szempontjából a valódi gáz olyan gáz, amelynek tulajdonságai a molekulák kölcsönhatásától és méretétől függenek. A paraméterei közötti függőségek azt mutatják, hogy a valódi gázban lévő molekulák kölcsönhatásba lépnek egymással, és bizonyos térfogatot foglalnak el. A valódi gáz állapotát a gyakorlatban gyakran az általánosított Clapeyron-Mengyelejev egyenlettel írják le:

ahol  a nyomás,  a térfogat,  a hőmérséklet,  a gáz összenyomhatósági tényezője ,  a tömeg,  a moláris tömeg ,  az univerzális gázállandó .

Valódi gázfizika

Ahhoz, hogy részletesebben meghatározzuk azokat a feltételeket, amelyek mellett a gáz folyadékká alakulhat, és fordítva, nem elegendő a folyadék párolgása vagy forrása egyszerű megfigyelése. Gondosan figyelemmel kell kísérni a valódi gáz nyomásának és térfogatának változását különböző hőmérsékleteken.

Egy dugattyús edényben lassan összenyomunk egy gázt, például kén-dioxidot (SO 2 ). Összenyomva munkát végzünk rajta, aminek következtében a gáz belső energiája megnő. Ha azt akarjuk, hogy a folyamat állandó hőmérsékleten menjen végbe , akkor a gázt nagyon lassan kell összenyomni, hogy a hőnek legyen ideje átadni a gázból a környezetbe.

Ezt a kísérletet végrehajtva észrevehető, hogy eleinte nagy térfogat esetén a nyomás a térfogat csökkenésével nő a Boyle-Mariotte törvény szerint . Végül valamilyen értéktől kezdve a nyomás a térfogatcsökkenés ellenére sem változik. A henger és a dugattyú falán átlátszó cseppek képződnek. Ez azt jelenti, hogy a gáz kondenzálódni kezdett, vagyis folyékony lesz.

Ha folytatjuk a henger tartalmának összenyomását, növeljük a dugattyú alatti folyadék tömegét, és ennek megfelelően csökkentjük a gáz tömegét. A nyomásmérő által mutatott nyomás mindaddig állandó marad, amíg a dugattyú alatti teljes tér meg nem telik folyadékkal. A folyadékok enyhén összenyomhatók. Ezért tovább, még a térfogat enyhe csökkenése esetén is, a nyomás gyorsan növekszik.

Mivel az egész folyamat állandó hőmérsékleten megy végbe, a nyomásnak a térfogattól való függését ábrázoló görbét izotermának nevezzük . A térfogattal a gázkondenzáció elkezdődik , a térfogattal pedig véget ér. Ha , akkor az anyag gáz halmazállapotú lesz, és ha  - folyékony halmazállapotú.

A kísérletek azt mutatják, hogy az összes többi gáz izotermája is ilyen formában van, ha hőmérsékletük nem túl magas.

Ebben a folyamatban, amikor egy gáz folyadékká alakul, amikor térfogata -ról -ra változik , a gáz nyomása állandó marad. Az 1-2 izoterma egyenes vonalú részének minden pontja megfelel az anyag gáz- és folyékony halmazállapota közötti egyensúlynak. Ez azt jelenti, hogy bizonyos és felette lévő folyadék és gáz mennyisége változatlan marad. Az egyensúly dinamikus természetű: a folyadékot elhagyó molekulák száma átlagosan megegyezik azon molekulák számával, amelyek egyidejűleg gázból folyadékba kerülnek.

Létezik olyan is, hogy kritikus hőmérséklet , ha a gáz hőmérséklete a kritikus felett van (gázonként egyedi pl. szén-dioxidnál kb. 304 K ), akkor már nem alakítható folyadékká, nem mindegy milyen nyomást gyakorolnak rá. Ez a jelenség abból adódik, hogy a kritikus hőmérsékleten a folyadék felületi feszültsége nullával egyenlő. Ha a gázt a kritikusnál magasabb hőmérsékleten lassan tovább sűrítjük, akkor miután eléri a gázt alkotó molekulák körülbelül négy megfelelő térfogatának megfelelő térfogatot, a gáz összenyomhatósága erősen csökkenni kezd.

Boyle pontok, Boyle görbe, Boyle hőmérséklet

Tekintsük egy valós gáz tulajdonságainak eltérését az ideális gáz tulajdonságaitól egy -diagram segítségével. A Clapeyron-Mengyelejev egyenletből az következik, hogy az ideális gáz izotermáit egy ilyen diagramban vízszintes egyenesek ábrázolják. Egy valódi gáz állapotegyenletét használjuk viriális formában . Egy mol gázra [2]

(valódi gáz állapotegyenlete)

ahol és  a második, harmadik és negyedik viriális együttható, csak a hőmérséklettől függően. A viriális állapotegyenletből következik, hogy a diagramon az y tengely ( ) megfelel az anyag ideális gázállapotának: -nél a viriális állapotegyenlet átvált Clapeyron-Mengyelejev egyenletté, és így a metszéspontok helyzetei. a vizsgált diagramon az ordinátával ellátott izotermák pontjai megfelelnek az egyes izotermák értékeinek.

A viriális állapotegyenletből a következőket kapjuk:

(Második virális együttható)

Így a vizsgált koordinátarendszerben ennek az izotermának az y tengellyel való metszéspontjában lévő gázizotermának a meredeksége (vagyis az érintő meredeksége) adja a második viriális együttható értékét.

A -diagramon egy bizonyos érték alatti hőmérsékletnek megfelelő izotermák (úgynevezett Boyle-hőmérséklet ) rendelkeznek minimumokkal, amelyeket Boyle-pontoknak [3] [4] [5] [6] neveznek .

Egyes szerzők a "Boyle-pont" fogalmának más értelmet adtak, nevezetesen a Boyle-pont egyediségéből indulnak ki, a -diagram egy pontjaként értelmezve, amelynek nyomása nulla és hőmérséklete megegyezik a Boyle hőmérséklettel [7] [8] [9] .

A mélyponton

ami mindig igaz egy ideális gázra. Más szóval, a Boyle-pontban a valós és az ideális gázok összenyomhatósága azonos [8] . Az izotermának a Boyle-ponttól balra eső szakasza megfelel azoknak a feltételeknek, amikor egy valódi gáz jobban összenyomható, mint egy ideális; a Boyle-ponttól jobbra eső szakasz egy valós gáz ideálisnál rosszabb összenyomhatósági feltételeinek felel meg [6] .

Az egyenest, amely a -diagram izotermáinak minimumpontjainak helye, Boyle-görbének [2] [4] [5] [6] nevezzük . A Boyle-görbe metszéspontja az y-tengellyel egy olyan izotermának felel meg, amelynek hőmérséklete megegyezik a Boyle-hőmérsékletgel. Ez azt jelenti, hogy a Boyle-hőmérsékletnél a második viriális együttható eltűnik [10] [2] , és a Boyle-hőmérséklet a [11] [9] egyenlet gyökere.

A Boyle-hőmérséklet alatt a második virális együttható negatív, felette pedig pozitív [2] [12] . A Boyle-hőmérséklet fontos jellemzője az inverziós görbének (amelynek minden pontjában a fojtóhatás nulla): Boyle-hőmérséklet alatti hőmérsékleten lehetséges a gázok részleges cseppfolyósodása a fojtás során [4] [6] (további részletekért lásd a könyvet [13] ).

Ha a gáz megfelel a van der Waals egyenletnek ,

hol  a kritikus hőmérséklet [4] [6] . Sok anyag esetében a Boyle-hőmérséklet hozzávetőleges értékét a következő empirikus összefüggés adja meg [7] [8] [14] [9] :

A diagramból látható, hogy az izoterma kezdeti szakasza a viszonylag alacsony nyomásoknak megfelelő Boyle-hőmérsékleten meglehetősen közel van a vízszintes egyeneshez, vagyis a Boyle-hőmérsékletnek megfelelő vagy ahhoz közeli gázhőmérsékletnél. a valódi gáz tulajdonságai közel állnak az ideális gáz tulajdonságaihoz [7] [15] .

Valós gáz állapotegyenletei

A leggyakrabban a valódi gáz alábbi állapotegyenleteit használják:

• Van der Waals egyenlet
• Dieterici egyenlet
• Berthelot egyenlet
• Clausius egyenlet
• Kamerling-Onnes egyenlet

Jegyzetek

1. ↑ Belokon N.I., A termodinamika alapelvei, 1968 , p. 78..
2. ↑ 1 2 3 4 Kirillin V. A. et al., Technical thermodynamics, 2008 , p. 192..
3. ↑ Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 34..
4. ↑ 1 2 3 4 Boyle-pont // Fizikai enciklopédia, 1. kötet, 1988, p. 226. . Letöltve: 2016. május 5. Az eredetiből archiválva : 2016. április 19. (határozatlan)
5. ↑ 1 2 Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. A mennyiségek betűjeles megjelölései, 1984 , p. 23..
6. ↑ 1 2 3 4 5 Boyle-pont // Great Soviet Encyclopedia, 3. kiadás, 2. kötet, 1970. . Letöltve: 2016. május 5. Archiválva az eredetiből: 2016. május 8. (határozatlan)
7. ↑ 1 2 3 Kirillin V. A. et al., Technical thermodynamics, 2008 , p. 193..
8. ↑ 1 2 3 Konovalov V.I., Műszaki termodinamika, 2005 , p. 200..
9. ↑ 1 2 3 B. F. Dodge, Chemical Thermodynamics, 1950 , p. 219..
10. ↑ Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 35..
11. ↑ G. D. Baer, ​​Technical thermodynamics, 1977 , p. 197..
12. ↑ Eremin E. N., A kémiai termodinamika alapjai, 1978 , p. 21..
13. ↑ Doctorov A. B., Burshtein A. I., Termodinamika, 2003 , p. 50-56..
14. ↑ Guigo E. I. et al., Technical Thermodynamics, 1984 , p. 116..
15. ↑ Andryushchenko A.I., A valós folyamatok műszaki termodinamikájának alapjai, 1967 , p. 95..

Irodalom

• Andryushchenko AI A valós folyamatok műszaki termodinamikájának alapjai. - M . : Felsőiskola, 1967. - 268 p.
• Bazarov I. P. Termodinamika. - 5. kiadás - SPb.-M.-Krasnodar: Lan, 2010. - 384 p. - (Tankönyvek egyetemek számára. Szakirodalom). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Belokon NI A termodinamika alapelvei. - Moszkva: Nedra, 1968. - 112 p.
• Baer GD Műszaki termodinamika. — M .: Mir, 1977. — 519 p.
• Guygo E. I., Danilova G. N., Filatkin V. N. et al. Technical thermodynamics / Szerk. szerk. prof. E. I. Guygo. - L . : Leningrád kiadó. un-ta, 1984. - 296 p.
• Dodge BF Kémiai termodinamika kémiai folyamatokban és kémiai technológiában. - M . : Külföldi irodalom, 1950. - 786 p.
• Doctorov A. B., Burshtein A. I. Termodinamika. - Novoszibirszk: Novoszib. állapot un-t, 2003. - 83 p.
• Eremin EN A kémiai termodinamika alapjai. — 2. kiadás, javítva. és további - M . : Felsőiskola, 1978. - 392 p.
• Kirillin V. A. , Sychev V. V., Sheindlin A. E. Műszaki termodinamika. - 5. kiadás, átdolgozva. és további - M . : Szerk. Ház MPEI, 2008. - 496 p. - ISBN 978-5-383-00263-6 .
• Konovalov V. I. Műszaki termodinamika. - Ivanovo: Iván. állapot energia un-t, 2005. - 620 p. — ISBN 5-89482-360-9 .
• Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. Mennyiségek betűjeles megjelölései / Ill. szerk. I. I. Novikov . - A Szovjetunió Tudományos Akadémia. Tudományos és Műszaki Terminológiai Bizottság. Definíciók gyűjteménye. Probléma. 103. - M. : Nauka, 1984. - 40 p.