Внутренняя энергия реального газа

В отличие от идеальных газов, где внутренняя энергия представляет собой лишь кинетическую энергию движения молекул, зависящую от температуры и не зависящую от занимаемого газом объема, поскольку в газе отсутствует межмолекулярное взаимодействие, в реальных газах межмолекулярные взаимодействия играют существенную роль. Поэтому внутренняя энергия реального газа определяется суммой потенциальной энергии взаимодействия молекул и кинетической энергии их движения.

Так как потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от их взаимного расположения, то она должна изменяться при изменении объема газа. Потенциальную энергию взаимодействия молекул одного моля газа можно вычислить по формуле

(12.2)

где р_вн = - а/V² — добавочное внутреннее давление, входящее в уравнение Ван-дер-Ва­альса. Подставив значение р_внв уравнение (12.2), имеем

(12.3)

Эта энергия имеет отрицательный знак, так как молекулярные силы, соз­дающие внутреннее давление, являются силами притяжения.

Используя закон Джоуля, можно вычислить внутреннюю энергию одного моля реального газа:

(12.4)

Внутренняя энергия v молей газа определяется по формуле

(12.5)

Внутренняя энергия реального газа зависит как от температуры, так и от объема.

Рассмотрим расширение реального газа в пустоту. В этом случае внешнее давление равно нулю, поэтому газ не совершает работу против внешних сил. Но в реальном газе действуют силы межмолекулярного взаимодействия, и при расширении газа совершается работа по преодо­лению этих сил за счет внутренней энергии газа. Вследствие этого темпе­ратура реального газа при расширении в пустоту должна понижаться.

Однако это не совсем так, в некоторых случаях может происходить и повышение температуры. Реальный газ при расширении охлаждается в том случае, когда преобладает действие сил притяжения между молеку­лами газа. Тогда молекулы газа совершают работу против сил притяже­ния за счет своей кинетической энергии, вследствие чего кинетическая энергия уменьшается, т. е. температура понижается. Если преобладает действие сил отталкивания между молекулами газа, то при расширении скорость молекул не уменьшается, а увеличивается, т.е. температура возрастает.

Следовательно, в зависимости от того, что преобладает — силы при­тяжения между молекулами или силы отталкивания, — может получиться при расширении газа в пустоту или нагревание газа, или охлаждение.