Устройство pv – диаграммы реального газа

Впервые подробное экспериментальное исследование зависимости p от v в разных изотермических процессах сжатия реального газа провел на углекислоте в 1857 – 1969 г.г. английский физик Эндрюс. Результаты его экспериментов показаны на рис. 1.

Как видно, при температурах, меньших , изотермическое сжатие углекислоты (СО₂) вначале сопровождается ростом давления. В точке а начинается процесс конденсации. Состояние, отвечающее этой точке, называют сухим насыщенным паром. При продолжении изотермического сжатия давление остается постоянным, а уменьшение объема сопровождается тем, что все большее количество пара превращается в жидкость.

Наконец, в точке b конденсация завершается, и рабочее тело представляет собой кипящую жидкость. На участке ab одновременно существует и жидкая и газообразная фазы. Состояния, характеризуемые точками на ab, называют влажным насыщенным паром.

Соотношение между паровой и жидкой фазой характеризуют степенью сухости пара - это массовая доля сухого насыщенного пара во влажном. Степень сухости пара определяется выражением

,

где m_n и m_ж – соответственно масса пара и жидкости во влажном насыщенном паре.

Удельный объем сухого насыщенного пара обозначают (точка а), а кипящей жидкости – (точка b).

Рис. 1. PV – диаграмма реального газа

При продолжении изотермического сжатия в области v < v' отмечается резкое возрастание давления, так как жидкость обладает малой сжимаемостью.

С ростом температуры разность (v" - v'), быстро убывает за счет интенсивного уменьшения v" и некоторого роста v', т.е. с ростом температуры уменьшается разница между плотностями жидкой и газовой фаз.

Уменьшение (v" - v') продолжается вплоть до температуры Т_кр, когда эта разность обращается в нуль (точка К), т.е. в этой точке исчезает различие между плотностями жидкости и пара. Точка К, отвечающая этому состоянию, называется критической точкой. Соответственно давление, температура и удельный объем называются критическими (р_кр, Т_кр, v_кр). Естественно, что все попытки обеспечить путем изотермического сжатия сжижение газа при Т > Т_кр, обречены на неудачу.

Критической температуре можно дать молекулярно-кинетическое толкование. Объединение свободнодвижущихся молекул в каплю, жидкости при сжижении газа происходит исключительно под действием сил взаимного притяжения. Этому препятствует кинетическая энергия движения молекул, равная с среднем kT (k – постоянная Больцмана). Очевидно, объединение молекул в каплю может произойти лишь при том условии, что кинетическая энергия движения молекул, пропорциональная Т, меньше или равна потенциальной энергии из взаимного притяжения (u_o). Если кинетическая энергия больше потенциальной энергии взаимного притяжения, то конденсация жидкости при изотермическом сжатии не сможет произойти. Сопоставление этих положений с результатом анализа диаграммы Эндрюса позволяет сделать вывод о том, что Т_кр – температура, соответствующая равенству указанных энергий

.

Если , то и конденсация при изотермическом сжатии возможна.

Если , то и конденсация при изотермическом сжатии не возможна.