Уравнение Ван-дер-Ваальса и его анализ

СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Уравнение Ван–дер–Ваальса:

где постоянные поправки а и b зависят от природы газа.

Поправка b учитывает объем, недоступный для движения молекул в силу конечности объема самих молекул и наличия взаимодействия между ними. Величина b составляет примерно учетверенный объем самих молекул.

Поправка а учитывает силы взаимного притяжения. Полагая, что внутреннее давление газа изменяется пропорционально квадрату плотности или обратно пропорционально квадрату удельного объема газа, Ван-дер-Ваальс принял его равным а/J², где а – коэффициент пропорциональности.

Раскрывая скобки в левой части:

Умножая равенство на J² и разделив на р:

Полученное уравнение имеет три корня, т.е. при заданных параметрах р и Т имеется три значения переменной J, которые превращают уравнение в тождество.

Рассмотрим в системе координат р–J изотермы, построенные по уравнению Ван-дер-Ваальса.

Первый случай имеет место при высоких температурах, когда изотермы имеют вид кривых гиперболического характера (линия 1-2). Каждому давлению соответствует определенный удельный объем (давлению р_а соответствует удельный объем J_а). Тело в этом случае при любых давлениях находится в газообразном состоянии.

Второй случай имеет место при сравнительно низких температурах, когда изотермы имеют два перегиба (линия 3-4).

В этом случае между точками e и f находится область, в которой каждому давлению соответствует три значения удельного объема (давлению р_а соответствуют удельные объемы J_b, J_с и J_d), которые и являются тремя действительными и различными корнями уравнения Ван-дер-Ваальса.

Участок 3-b соответствует изотермическому сжатию тела, находящегося в газообразном состоянии, причем в точке b оно уже начинает переходить в жидкое состояние.

Точка d соответствует такому состоянию тела, когда оно уже полностью превратилось в жидкость, в соответствии с чем участок d-4 представляет собой изотермическое сжатие жидкости.

Точка с соответствует промежуточному двухфазному состоянию тела. Участок кривой b-f соответствует неустойчивому состоянию пара, а участок d-e – неустойчивому состоянию жидкости.

Что касается участка e-f, то он вообще физического смысла не имеет, поскольку в действительности при изотермическом сжатии тело переходит из газообразного в жидкое состояния при постоянном давлении, т.е. по горизонтальной линии b-d.

Третий случай имеет место при определенной для каждого тела температуре, когда точки b и d, сближаясь с повышением температуры, сливаются в одну точку k, в которой имеет место перегиб соответствующей изотермы, причем касательная к ней в этой точке имеет горизонтальное направление.

Точка k называется критической точкой, выше которой невозможно путем изотермического сжатия добиться перехода газа в жидкое состояние, а соответствующие ей параметры р_кр, J_кр и Т_кр называются критическими параметрами.

Аналитически условия критического состояния тела выражаются уравнениями

Первое из них показывает, что критическая изотерма в точке k имеет горизонтальную касательную, второе – что изотерма имеет в точке k перегиб.

Используя эти уравнения совместно с уравнением состояния, можно определить значения критических параметров состояния газа.

Критические параметры определяются следующим образом.

Преобразуем уравнение Ван-дер-Ваальса:

Дифференцируем:

Определяем вторую производную:

Разделив первое уравнение на второе

и, следовательно ,

Далее, подставляя в уравнение Ван-дер-Ваальса, получаем:

откуда

Уравнение Ван-дер-Ваальса можно представить в безразмерном виде с подстановкой:

Подставляя в уравнение Ван-дер-Ваальса:

или

Окончательно

Уравнение Ван-дер-Ваальса в безразмерном виде показывает, что если у разных газов два приведенных параметра имеют одинаковое значение, то одинаковым будет и третий параметр.

Состояния разных газов, при которых их приведенные параметры равны, называются соответственными состояниями.

Реальные газы, находящиеся в соответственных состояниях, являются термодинамически подобными.

Если из данных эксперимента известны свойства какого-либо реального газа, то по ним без всякого эксперимента можно определить аналогичные свойства любого другого газа, находящегося с ним в соответственном состоянии.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: