Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
5. На рис. 100 схематически изображено семейство реальных изотерм. Жирная кривая ALKG, соединяющая концы горизонтальных участков изотерм, делит плоскость VP на две области. Область между кривой ALK.G и изобарой Р = 0 соответствует двухфазным состояниям вещества. Это значит, что каждая точка этой области изображает такое состояние вещества, в котором оно не является физически однородным, а состоит из жидкости и ее насыщенного пара. Ниже изобары Р = 0 двухфазное состояние невозможно, так как давление пара не может быть меньше нуля. Область над кривой
Рис. 100.
ALKG и ниже изобары Р = 0, напротив, соответствует однофазным состояниям. Каждая точка этой области изображает состояние физически однородного вещества. Впрочем, точки под граничной кривой ALKG, наряду с двухфазными состояниями вещества, могут изображать и однофазные состояния, которым соответствуют теоретические изотермы, имеющие волнообразный характер. Это, во-первых, метастабильные состояния — перегретая жидкость и пересыщенный пар. Во-вторых, это абсолютно неустойчивые состояния, которым соответствуют поднимающиеся участки теоретических
*) Наряду с термином «газ» распространен также термин «пар». Эта двойственная терминология возникла в то время, когда считалось, что пар может быть превращен в жидкость, а газ нет. После того как все газы были сконденсированы, для такой двойственности не осталось оправдания. Газ и пар—это одно и то же. Когда говорят о паре какой-либо жидкости, то этим желают подчеркнуть, что речь идет о газе, получающемся испаренном этой жидкости. Только по привычке мы говорим о водяном паре, а не о водяном газе, о насыщенном паре, а не о насыщенном газе и пр.
§ 101]
ИЗОТЕРМЫ РЕАЛЬНОГО ГАЗА
391
изотерм. Такие состояния могут играть роль только в теоретических рассуждениях, подобных тем, которые применялись при доказательстве правила Максвелла.
6. Возьмем в двухфазной области какую-либо точку М (рис. 100). Вещество, состояние которого изображается этой точкой, состоит из жидкости и газа. Определим относительное содержание этих фаз. Для простоты будем предполагать, что масса взятого вещества равна единице. Тогда удельные объемы жидкости и газа изобразятся длинами отрезков NL и NG соответственно, а объем всего вещества Vm — длиной отрезка N М. Если масса газа равна /?гг, а жидкости — тж, то
Ум=NM = mKNL + nij-NG.
Так как тж + тТ = 1, то это соотношение можно переписать в виде (тж + /пг) NM — mxNL + mrNG.
Отсюда
тж NG — NM
(101.3)
тс NM — NL '
ИЛИ
т1К __ MG
mr LM
Таким образом, точка М делит отрезок LG на части LM и MG, обратно пропорциональные массам жидкости и газа. Этот результат называется правилом рычага.
7. Рассматривая рис. 100, можно прийти к важному принципиальному заключению. Пусть начальное состояние газа изображается точкой / при температуре ниже критической. Будем изотермически сжимать газ. В точке G начнется превращение его в жидкость. Этот процесс закончится в точке L. При дальнейшем сжатии по изотерме L2 вещество будет оставаться все время жидким. Мы превратили вещество из газообразного состояния 1 в жидкое 2 и имели возможность наблюдать, где начинается и как происходит это превращение. Но можно тот же переход произвести иначе. Нагреем газ при постоянном объеме, чтобы его температура и давление стали выше критических (прямая 13). Затем, оставляя давление постоянным, охладим газ ниже критической температуры (прямая 32). Мы придем в то же состояние 2, т. е. сконденсируем газ в жидкость. Однако при этом вещество все время будет оставаться физически однородным, свойства его будут меняться непрерывно, и не имеет смысла говорить, что в какой-то момент произошла конденсация.
Начальное и конечное состояния 1 и 2 физически однородного вещества в однофазной области можно выбрать какими угодно. Переход из одного состояния в другое может быть произведен вдоль произвольной кривой, соединяющей точки 1 и 2. Если эта кривая пересекает двухфазную область, то будет нарушаться физическая
392
РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
[ГЛ. VIII
однородность вещества — вещество разделится на жидкость и газ. При выходе из двухфазной области вещество снова станет физически однородным и останется таковым в конечном состоянии 2. Если же кривая перехода обходит двухфазную область, то никаких скачкообразных превращений вещества из газа в жидкость или обратно наблюдаться не будет — вещество все время будет оставаться физически однородным. Такое поведение вещества было установлено Эндрюсом путем анализа экспериментальных изотерм углекислоты. Когда состояние вещества изображается точкой над граничной кривой ALKG, то, согласно Эндрюсу, различие между жидкостью и газом будет только количественным, но не качественным. Вещество из одного состояния можно перевести в другое непрерывно. Именно это имеют в виду, когда, следуя Ван-дер-Ваальсу, говорят о непрерывности жидкого и газообразного состояний вещества. Только в области под граничной кривой ALKG, где вещество распадается на две фазы, отделенные одна от другой границей раздела и обладающие различными физическими свойствами, физически оправдано различать жидкое и газообразное состояния вещества.
