Рівняння стану речовини
Параметри стану пов'язані один з одним. Співвідношення, яке визначає цей зв'язок, називається рівнянням стану цього тіла. У найпростішому випадку рівноважний стан тіла визначається значенням тих параметрів: тиску p, об'єму V та температури, масу тіла (системи) зазвичай вважають відомою. Аналітично зв'язок між цими параметрами виражають як функцію F:
Рівняння (1) називають при цьому рівнянням стану. Це закон, який описує характер зміни властивостей речовини за зміни зовнішніх умов.
Що таке ідеальний газ
Особливо простим, але інформативним є рівняння стану так званого ідеального газу.
Ідеальним називають газ, у якому взаємодією молекул між собою можна знехтувати.
До ідеальних можна віднести розріджені гази. Особливо близькі за своєю поведінкою до ідеального газу гелій та водень. Ідеальний газ являє собою спрощену математичну модель реального газу: молекули вважаються хаотично рухомими, а зіткнення між молекулами і удари молекул об стінки судини --- пружними, такими, які не призводячи до втрат енергії в системі. Така спрощена модель дуже зручна, тому що не вимагає враховувати сили взаємодії між молекулами газу. Більшість реальних газів не відрізняються у своїй поведінці від ідеального газу за умов, коли сумарний обсяг молекул зневажливо малий порівняно з обсягом судини (тобто при атмосферному тиску та кімнатній температурі), що дозволяє використовувати рівняння стану ідеального газу у складних розрахунках.
Рівняння стану ідеального газу можна записати в кількох видах (2), (3), (5):
Рівняння (2) -- рівняння Менделєєва -- Клайперона, де m - маса газу, $ \ mu $ - молярна маса газу, $ R = 8,31 \ \ frac$-універсальна газова постійна, $\nu\$ - кількість молей речовини.
де N - число молекул газу в масі m, $k=1,38\cdot 10^\frac$, постійна Больцмана, яка визначає «частку» газової постійної припадає на одну молекулу і
$ N_A = 6,02 \ cdot 10 ^ моль ^ $ - постійна Авогадро.
Якщо розділити (4) обидві частини на V, то отримаємо наступну форму запису рівняння стану ідеального газу:
де $n = \ frac $ - число частинок в одиниці об'єму або концентрація частинок.
Що таке реальний газ
Звернемося тепер до складніших систем - до неідеальних газів і рідин.
Спробуй звернутися за допомогою до викладачів
Реальним газом називають газ, між молекулами якого є помітні сили взаємодії.
У неідеальних, щільних газах взаємодія молекул велика і її треба враховувати. Виявляється, що взаємодія молекул настільки ускладнює фізичну картину, що точне рівняння стану неідеального газу не вдається записати у простій формі. У такому разі вдаються до наближених формул, знайдених напівемпіричний. Найбільш вдалою такою формулою є рівняння Ван-дер-Ваальса.
Взаємодія молекул має складний характер. На порівняно великі відстані між молекулами діють сили тяжіння. У міру зменшення відстані сили тяжіння спочатку зростають, але потім зменшуються та переходять у сили відштовхування. Притягнення та відштовхування молекул можна розглядати та враховувати окремо. Рівняння Ван-дер-Ваальса описує стан одного моля реального газу:
де d - діаметр молекули,
величина a обчислюється за такою формулою:
де $W_p \ left (r \ right) \ $ - потенційна енергія тяжіння двох молекул.
Зі збільшенням обсягу роль поправок у рівнянні (6)стає менш суттєвою. І межі рівняння (6) перетворюється на рівняння (2). Це узгоджується з тим, що при зменшенні щільності реальні гази за своїми властивостями наближаються до ідеальних.
Перевагою рівняння Ван-деp-Ваальса є та обставина, що воно при дуже великих щільностях наближено описує і властивості рідини, зокрема погану її стисливість. Тому є підстави вважати, що рівняння Ван-дер-Ваальса дозволить відобразити і перехід від рідини до газу (або газу до рідини).
На рис.1 зображено ізотерму Ван-дер-Ваальса для деякого постійного значення температури T, побудована з відповідного рівняння.
В області "звивини" (ділянка КМ) ізотерма тричі перетинає ізобару. На ділянці [$V_1$, $V_2$] тиск росте зі збільшенням обсягу.
Така залежність неможлива. Це може означати, що в цій галузі з речовиною відбувається щось незвичайне. Що саме це, неможливо побачити з рівняння Ван-дер-Ваальса. Потрібно звернутися до досвіду. Досвід показує, що в області звивини на ізотермі в стані рівноваги речовина розшаровується на дві фази: на рідку і газоподібну. Обидві фази співіснують одночасно і знаходяться у фазовій рівновазі. У фазовому рівновазі протікають процеси випаровування рідини та конденсації газу. Вони йдуть з такою інтенсивністю, що повністю компенсують один одного: кількість рідини та газу з часом залишається незмінною. Газ, що знаходиться у фазовій рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою парою. Якщо фазової рівноваги немає, немає компенсації випаровування та конденсації, то газ називається ненасиченою парою. Як же поводиться ізотерма в області двофазного стану речовини (в області "звивини" ізотерми Ван-дер-Ваальса)? Досвід показує,що у цій галузі за зміни обсягу тиск залишається постійним. Графік ізотерми йде паралельно до осі V(рис 2).
У міру підвищення температури ділянка двофазних станів на ізотермах звужується, доки не перетвориться на точку (рис. 2). Це особлива точка К, у якій зникає різницю між рідиною і парою. Вона називається критичною точкою. Параметри, що відповідають критичному стану, називаються критичними (критична температура, критичний тиск, критична густина речовини).
Задай питання спеціалістам і отримай відповідь вже через 15 хвилин!