Oikeaa kaasua

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 14. helmikuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Todellinen kaasu  - yleisessä tapauksessa - todella olemassa olevan aineen kaasumainen tila. Termodynamiikassa todellinen kaasu on kaasu, jota ei kuvata tarkasti Clapeyron-Mendeleev-yhtälöllä , toisin kuin sen yksinkertaistettu malli - hypoteettinen ihanteellinen kaasu , joka noudattaa tiukasti yllä olevaa yhtälöä. Yleensä todellinen kaasu ymmärretään aineen kaasumaiseksi tilaksi sen koko olemassaoloalueella. On kuitenkin olemassa toinen luokitus, jonka mukaan voimakkaasti tulistettua höyryä kutsutaan todelliseksi kaasuksi, jonka tila poikkeaa hieman ideaalisen kaasun tilasta, ja tulistettua höyryä, jonka tila eroaa huomattavasti ideaalisesta kaasusta, ja kylläiseksi. höyryä (kaksivaiheinen tasapaino neste-höyry -järjestelmä) kutsutaan höyryiksi. ), joka ei noudata lainkaan ideaalikaasulakeja. [1] Aineen rakenteen molekyyliteorian näkökulmasta todellinen kaasu on kaasu, jonka ominaisuudet riippuvat molekyylien vuorovaikutuksesta ja koosta. Sen parametrien väliset riippuvuudet osoittavat, että todellisen kaasun molekyylit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja vievät tietyn tilavuuden. Todellisen kaasun tilaa kuvataan usein käytännössä yleistetyllä Clapeyron-Mendeleevin yhtälöllä:

missä  on paine,  on tilavuus,  on lämpötila,  on kaasun kokoonpuristuvuustekijä ,  on massa,  on moolimassa ,  on yleinen kaasuvakio .

Todellinen kaasufysiikka

Jotta voitaisiin selvittää tarkemmin olosuhteet, joissa kaasu voi muuttua nesteeksi ja päinvastoin, yksinkertaiset havainnot nesteen haihtumisesta tai kiehumisesta eivät riitä. On tarpeen seurata tarkasti todellisen kaasun paineen ja tilavuuden muutosta eri lämpötiloissa.

Puristamme hitaasti männällä varustetussa astiassa kaasua, esimerkiksi rikkidioksidia (SO 2 ). Puristamalla sitä teemme työtä sen parissa, jonka seurauksena kaasun sisäinen energia kasvaa. Kun halutaan prosessin tapahtuvan vakiolämpötilassa , niin kaasua tulee puristaa hyvin hitaasti, jotta lämpö ehtii siirtyä kaasusta ympäristöön.

Tätä koetta suoritettaessa voidaan huomata, että aluksi suurella tilavuudella paine kasvaa tilavuuden pienentyessä Boyle-Mariotten lain mukaisesti . Lopulta, jostain arvosta alkaen, paine ei muutu tilavuuden vähenemisestä huolimatta. Sylinterin ja männän seinille muodostuu läpinäkyviä pisaroita. Tämä tarkoittaa, että kaasu alkoi tiivistyä, eli muuttua nestemäiseksi.

Jatkamalla sylinterin sisällön puristamista lisäämme männän alla olevan nesteen massaa ja vastaavasti vähennämme kaasun massaa. Painemittarin osoittama paine pysyy vakiona, kunnes koko männän alla oleva tila on täynnä nestettä. Nesteet ovat hieman puristuvia. Siksi edelleen, vaikka tilavuus pienenee, paine kasvaa nopeasti.

Koska koko prosessi tapahtuu vakiolämpötilassa , käyrää, joka kuvaa paineen riippuvuutta tilavuudesta, kutsutaan isotermiksi . Tilavuudella kaasun tiivistyminen alkaa ja tilavuudella se loppuu. Jos , niin aine on kaasumaisessa tilassa ja jos  - nestemäisessä tilassa.

Kokeet osoittavat, että myös kaikkien muiden kaasujen isotermeillä on tämä muoto, jos niiden lämpötila ei ole kovin korkea.

Tässä prosessissa, kun kaasu muuttuu nesteeksi, kun sen tilavuus muuttuu arvosta arvoon , kaasun paine pysyy vakiona. Jokainen isotermin 1-2 suoraviivaisen osan piste vastaa aineen kaasumaisen ja nestemäisen olomuodon välistä tasapainoa. Tämä tarkoittaa, että tietyllä ja sen yläpuolella olevan nesteen ja kaasun määrä pysyy muuttumattomana. Tasapaino on luonteeltaan dynaaminen: nesteestä poistuvien molekyylien määrä on keskimäärin yhtä suuri kuin molekyylien määrä, jotka siirtyvät kaasusta nesteeseen samassa ajassa.

On olemassa myös sellainen asia kuin kriittinen lämpötila , jos kaasu on kriittistä korkeammassa lämpötilassa (yksilöllinen jokaiselle kaasulle esim. hiilidioksidille noin 304 K ), niin sitä ei voida enää muuttaa nesteeksi, ei riippumatta siitä, mitä painetta siihen kohdistetaan. Tämä ilmiö johtuu siitä, että kriittisessä lämpötilassa nesteen pintajännitysvoimat ovat nolla. Jos jatkamme kaasun hitaasti puristamista kriittistä korkeammassa lämpötilassa, sen jälkeen kun se saavuttaa tilavuuden, joka vastaa noin neljää oikeaa tilavuutta kaasun muodostavia molekyylejä, kaasun kokoonpuristuvuus alkaa laskea jyrkästi.

Boyle-pisteet, Boyle-käyrä, Boylen lämpötila

Tarkastellaan -kaavion avulla todellisen kaasun ominaisuuksien poikkeamaa ihanteellisen kaasun ominaisuuksista . Clapeyron-Mendeleevin yhtälöstä seuraa, että ideaalisen kaasun isotermit tällaisessa kaaviossa on kuvattu vaakasuorilla suorilla viivoilla. Käytämme viriaalimuodossa olevan todellisen kaasun tilayhtälöä . Yhdelle kaasumoolille [ 2 ]

(todellisen kaasun tilan virusyhtälö)

missä ja  ovat toinen, kolmas ja neljäs viriaalikerroin, vastaavasti, riippuen vain lämpötilasta. Viriaalista tilayhtälöstä seuraa, että kaaviossa y-akseli ( ) vastaa aineen ideaalista kaasutilaa: kohdassa viriaalinen tilayhtälö muuttuu Clapeyron-Mendeleev-yhtälöksi ja siten leikkauspisteen paikat. tarkasteltavana olevan kaavion isotermien pisteet, joissa on ordinaatit, vastaavat kunkin isotermin arvoja.

Из вириального уравнения состояния находим:

(Toinen viruskerroin)

Siten tarkasteltavassa koordinaattijärjestelmässä kaasuisotermin jyrkkyys (eli tangentin kaltevuus) tämän isotermin leikkauspisteessä y-akselin kanssa antaa toisen viriaalikertoimen arvon.

-kaaviossa isotermeillä, jotka vastaavat tietyn arvon alapuolella olevia lämpötiloja (kutsutaan Boylen lämpötilaksi ), on minimit, joita kutsutaan Boyle-pisteiksi [3] [4] [5] [6] .

Jotkut kirjoittajat asettivat "Boylen pisteen" käsitteeseen toisenlaisen merkityksen, nimittäin, he lähtevät Boylen pisteen ainutlaatuisuudesta ymmärtäen sen -kaavion pisteenä, jossa on nollapaine ja Boylen lämpötilaa vastaava lämpötila [7] [8] [9] .

Matalalla pisteellä

mikä pätee aina ihanteelliseen kaasuun. Toisin sanoen Boylen pisteessä todellisten ja ideaalikaasujen kokoonpuristuvuus on sama [8] . Boylen pisteen vasemmalla puolella oleva isotermin osa vastaa olosuhteita, joissa todellinen kaasu on kokoonpuristuvampi kuin ihanteellinen; Boylen pisteen oikealla puolella oleva leikkaus vastaa olosuhteita, joissa todellisen kaasun kokoonpuristuvuus on huonompi kuin ihanteellinen [6] .

Suoraa, joka on -kaavion isotermien minimipisteiden paikka, kutsutaan Boylen käyräksi [2] [4] [5] [6] . Boylen käyrän ja y-akselin leikkauspiste vastaa isotermiä, jonka lämpötila on yhtä suuri kuin Boylen lämpötila. Tämä tarkoittaa, että Boylen lämpötilassa toinen viriaalikerroin katoaa [10] [2] ja Boylen lämpötila on yhtälön [11] [9] juuri.

Boylen lämpötilan alapuolella toinen viruskerroin on negatiivinen, sen yläpuolella positiivinen [2] [12] . Boylen lämpötila on tärkeä inversiokäyrän ominaisuus (jossa kussakin pisteessä kuristusvaikutus on nolla): Boylen lämpötilan alapuolella olevissa lämpötiloissa kaasujen osittainen nesteytyminen kuristuksen aikana on mahdollista [4] [6] (lisätietoja, katso kirja [13] ).

Kaasulle, joka noudattaa van der Waalsin yhtälöä ,

missä  on kriittinen lämpötila [4] [6] . Monille aineille Boylen lämpötilan likimääräinen arvo saadaan seuraavalla empiirisellä suhteella [7] [8] [14] [9] :

Kaaviosta voidaan nähdä, että isotermin alkuleikkaus Boylen lämpötilalla, joka vastaa suhteellisen alhaisia ​​paineita, on melko lähellä vaakasuuntaista suoraa, eli kaasun lämpötilassa, joka on yhtä suuri tai lähellä Boylen lämpötilaa, todellisen kaasun ominaisuudet ovat lähellä ideaalikaasun ominaisuuksia [7] [15] .

Todellisen kaasun tilayhtälöt

Seuraavia todellisen kaasun tilayhtälöitä käytetään useimmiten:

Muistiinpanot

  1. ↑ Belokon N.I., Termodynamiikan perusperiaatteet, 1968 , s. 78..
  2. ↑ 1 2 3 4 Kirillin V. A. et al., Technical thermodynamics, 2008 , s. 192..
  3. ↑ Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 34..
  4. ↑ 1 2 3 4 Boyle point // Physical encyclopedia, osa 1, 1988, s. 226. . Haettu 5. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 19. huhtikuuta 2016.
  5. ↑ 1 2 Termodynamiikka. Peruskonseptit. Terminologia. Määrien kirjainmerkinnät, 1984 , s. 23..
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Boyle point // Great Soviet Encyclopedia, 3. painos, osa 2, 1970. . Haettu 5. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 8. toukokuuta 2016.
  7. ↑ 1 2 3 Kirillin V. A. et al., Technical thermodynamics, 2008 , s. 193..
  8. ↑ 1 2 3 Konovalov V.I., Tekninen termodynamiikka, 2005 , s. 200..
  9. ↑ 1 2 3 B. F. Dodge, Chemical Thermodynamics, 1950 , s. 219..
  10. ↑ Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 35..
  11. ↑ G. D. Baer, ​​​​Technical thermodynamics, 1977 , s. 197..
  12. ↑ Eremin E. N., Kemiallisen termodynamiikan perusteet, 1978 , s. 21..
  13. ↑ Doctorov A. B., Burshtein A. I., Thermodynamics, 2003 , s. 50-56..
  14. ↑ Guigo E. I. et ai., Technical Thermodynamics, 1984 , s. 116..
  15. ↑ Andryushchenko A.I., Reaaliprosessien teknisen termodynamiikan perusteet, 1967 , s. 95..

Kirjallisuus