Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 9.2. Экспериментальные изогермы углекислого газа.
Рис, 9,3. Сравнение экспериментальной изотермы с изотермой Ван-дер-
Ваальса.
188 ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
существенных отличий заключается в том, что значение объема V ни при каких давлениях не может быть меньше Ь. При достаточно низких температурах Т2 и Т3 изотермы содержат волнообразный участок, так что прямая p=const трижды пересекает изотерму. Существует некоторая температура Тк, такая, что соответствующая ей изотерма отделяет все монотонные изотермы, лежащие выше нее, от «горбатых», лежащих ниже. Такая температура и соответствующая ей изотерма носят название критических.
Для того чтобы выяснить смысл этой на первый взгляд весьма странной зависимости, следует обратиться к опыту. На рис. 9.2 показаны полученные экспериментально изотермы углекислого газа С02. При высоких температурах эти изотермы очень похожи на изотермы идеального газа. При низких температурах характер изотерм существенно другой: у них имеется горизонтальный участок, на котором давление остается постоянным, несмотря на изменение объема.
Рассмотрим, каким физическим процессам соответствуют различные участки изотерм. При изотермическом сжатии одного моля углекислоты на участке АВ (рис. 9.3) она ведет себя подобно идеальному газу: давление возрастает при уменьшении объема. При дальнейшем сжатии давление остается неизменным, а в сосуде появляется жидкая углекислота. Так продолжается на всем участке ВС, пока в точке С весь газ не сконденсируется в жидкость. Участок ВС соответствует равновесию между жидкой углекислотой и ее насыщенным паром. Дальнейшие попытки сжатия жидкости сопровождаются резким увеличением давления при самом незначительном уменьшении объема.
Наложим на график экспериментально полученной изотермы теоретическую кривую Ван-дер-Ваальса для той же самой температуры. На участке АВ, соответствующем газообразному состоянию, обе кривые практически совпадают: уравнение Ван-дер-Ваальса вполне удовлетворительно описывает свойства паров, далеких от насыщения. Крутой ход теоретической изотермы на участке CD качественно правильно'передает малую сжимаемость жидкости, хотя экспериментальная изотерма на этом участке вдет еще круче. Но волнообразный участок теоретической изотермы совершенно не похож на соответствующее ему плато экспериментальной кривой.
§ 9г РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА 189
Однако оказывается,. что ряд состояний, попадающих в область «горбов», может быть экспериментально осуществлен при соблюдении определенных условий. Так, в свободном от пыли и заряженных частиц пространстве удается при постепенном сжатии получить пары при давлении, большем давления насыщенных паров при данной температуре. Такие пары называются пересыщенными, и их состояния достаточно хорошо описываются участком ВВг теоретической изотермы. Эти состояния при появлении центров конденсации — ионов, пылинок, мельчайших капелек — становятся неустойчивыми, и пересыщенный пар мгновенно конденсируется в туман. Пересыщенный пар можно получить не только при изотермическом сжатии, но и при охлаждении насыщенного пара. Поэтому его иногда называют также переохлажденным. Такой способ получения пересыщенного пара используется в камере Вильсона, нашедшей широкое применение в ядерной физике для регистрации заряженных частиц.
Углекислота в жидком состоянии при постепенном изотермическом расширении может быть получена при давлении, меньшем давления насыщенных паров при данной температуре. Такие состояния называются перегретой жидкостью, и им соответствует участок ССг теоретической изотермы Ван-дер-Ваальса. Перегретая жидкость может быть получена также нагреванием жидкости при постоянном давлении, если принять меры к тому, чтобы не возникло кипения. Для этого необходимо, чтобы жидкость и стенки сосуда не содержали растворенных газов. При появлении центров кипения перегретая жидкость мгновенно закипает.
Таким образом, участки ABt и теоретической изотермы соответствуют состояниям вещества, которые могут быть осуществлены экспериментально. Состояния вещества на участке С1В1 являются абсолютно неустойчивыми и вообще не могут осуществляться в природе, так как им соответствует уменьшение давления при сжатии. Представим на минуту, что такие состояния возможны. Пусть небольшая часть вещества случайно сжалась в результате флуктуации плотности. Тогда давление в этом месте уменьшится и станет меньше давления окружающей среды. Это приведет к дальнейшему сжатию выделенного вещества и т. д.— система самопроизвольно выходит из состояния равновесия.
190 ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Если неустойчивость состояний, соответствующих участкам CCj и ВВи обуславливалась наличием центров конденсации и кипения и потому была в принципе устранимой, то неустойчивость состояний на участке CiBi связана с неизбежными тепловыми флуктуациями и принципиально неустранима. Поэтому такие состояния теоретической изотермы практически никогда н е осуществляются.
