Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 85 приведены изотермы, соответствующие различным значениям температуры Т{> Тк> Т2> Ту Изотерма, соответствующая достаточно высокой температуре Tlt мало отличается от изо-
Рис. 85. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса на р—Н-диаграмме
термы идеального газа, и одно из самых 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 р = const трижды пересекает изотерму. Существует некоторая температура Гк, 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.
Экспериментальные изотермы Эндрюса. Для того чтобы выяснить смысл этой на первый взгляд весьма странной зависимости, следует
§ 26. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА
225
обратиться к опыту. На рис. 86 показаны полученные экспериментально изотермы углекислого газа С02. При высоких температурах эти изотермы очень похожи на изотермы идеального газа. При низ-
Рис. 86. Экспериментальные изотермы углекислого газа
ких 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. 87) она ведет себя подобно идеаль-
Рис. 87. Сравнение экспериментальной изотермы с изотермой Ван-дер-Ваальса
ному газу: давление возрастает при уменьшении объема. При дальнейшем сжатии давление в сосуде 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 сопро-
8 Е.И. Бутиков и др. Книга 3
226
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
вождаются резким увеличением давления при самом незначительном уменьшении объема.
Наложим на график экспериментально полученной изотермы теоретическую кривую Ван-дер-Ваальса для той же самой температуры. Параметры а и b можно выбрать так, чтобы на участке АВ, соответствующем газообразному состоянию, обе кривые практически совпадали. Это значит, что 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 идет еще круче. Но волнообразный участок теоретической изотермы совершенно не похож на соответствующее ему плато экспериментальной кривой.
Метастабильные состояния. 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 ВВХ теоретической изотермы (см. рис. 87). 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 на заре ядерной физики для регистрации заряженных частиц.
Жидкая углекислота при постепенном изотермическом расширении может сохраниться в жидком состоянии и при давлении, меньшем давления насыщенных паров при данной температуре. Такие состояния, как уже отмечалось, называются перегретой жидкостью, и им соответствует участок С С, теоретической изотермы Ван-дер-Ваальса. Перегретая жидкость может быть получена также нагреванием жидкости при постоянном давлении, если принять меры к тому, чтобы жидкость и стенки сосуда не содержали растворенных газов, которые при нагревании могут выделяться с образованием пузырьков и становиться зародышами новой фазы. При появлении центров кипения перегретая жидкость мгновенно закипает.
Таким образом, участки и DCX теоретической изотермы соответствует состояниям вещества, которые, хотя и неустойчивы, но могут быть осуществлены экспериментально. Такие состояния называются метастабильными.
§ 26. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА
227
Абсолютно неустойчивые состояния. Состояния вещества на участке С1В1 (см. рис. 87) 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 такого неустойчивого состояния.
