Реальный газ. Фазовые переходы. Молекулярная физика и термодинамика

1.

ГЛАВА II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ
ФИЗИКА И
ТЕРМОДИНАМИКА
§8. Реальный газ. Фазовые
переходы
О. И. Лубенченко
НИУ МЭИ
Кафедра физики им. В. А. Фабриканта
2020

2.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
I. Модель реального газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса
Модель реального газа (в отличие от идеального газа):
1. Молекулы имеют конечный объём.
Модель
Wп
2. Молекулы притягиваются на
реального газа
небольших расстояниях друг от друга (r < r1).
r1 — радиус молекулярного действия
Модель
Сфера радиуса r1 — сфера молекулярного
идеального газа
действия
r1
Уравнение состояния идеального газа:
0
r0
r
pVμ RT
Vµ — молярный объём
1.
Vμ Vμ b
b — объём, занимаемый молекулами 1 моля газа
м3
b моль
Экспериментальная
зависимость
2

3.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
2. F ~ N 2 ~ n2 ~
1
Vμ2
F
n — концентрация молекул
a
p p 2
Vμ
3
Па м6
a моль2
r1
Уравнение Ван-дер-Ваальса
(уравнение состояния реального газа):
a
p 2 Vμ b RT
Vμ
a и b — постоянные Ван-дер-Ваальса — характеристики газа
Уравнение Ван-дер-Ваальса для ν молей газа:
aν 2 V
p
b
RT
2
V ν
Внутренняя энергия реального газа U
i
aν
νRT
2
V
r1

4.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
4
II. Изотермы реального газа
Фаза в термодинамике — совокупность однородных, одинаковых по всем
своим свойствам частей термодинамической системы.
p
RT
a
2
Vμ b Vμ
p
Tкр
pкр
4
1
3
5
2
0
Vкр
Vµ

5.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
Критическая изотерма имеет горизонтальный перегиб.
dp
dV 0
μ
2
d p 0
dVμ2
Vкр 3b
Tкр
8a
27Rb
pкр
a
27b2
1-5 — насыщенный пар — газ, находящийся в термодинамическом
равновесии со своей жидкостью, и жидкость
1-2 — перегретая жидкость
4-5 — пересыщенный пар
Критическая температура — это температура, при которой стирается
различие между жидкостью и газом.
Для воды: tкр = 374°С.
5

6.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
p
6
К
Г
Ж
Ж+П
П
0
V
III. Диаграммы состояния вещества
Совокупность равновесных состояний двух и более фаз изображается на
диаграммах (p, T) — диаграммах состояния вещества.
Тройная точка — единственная точка на фазовой диаграмме, в которой три
фазы вещества находятся в термодинамическом равновесии.
Для воды: pтр = 6,4·102 Па = 5 мм рт. ст.; Tтр = 273,15 К

7.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
p
К
Ж
ТТ
Тр
0
Г
T
7

8.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
IV. Фазовые переходы
Фазовой переход — ФЯ — переход вещества от одной фазы к другой.
Фазовые переходы
I рода
скачкообразно
изменяются ρ, n
Q
ПРИМЕРЫ:
сублимация, кипение,
переход вещества из
одной кристаллической
модификации в другую,
переход вещества из
сверхпроводящего
состояния в нормальное
II рода
скачкообразно
изменяется C
ПРИМЕРЫ:
переход вещества из
ферромагнитного
состояния в
парамагнитное, из
нормального состояния
в сверхпроводящее
8

9.

§8. Реальный газ. Фазовые переходы
9
Теплота фазового перехода Q (характеризует переходы I рода) — ФВ —
количество теплоты, выделяемое (поглощаемое) веществом при фазовом
переходе.
Удельная теплота фазового перехода — ФВ — теплота фазового
перехода, приходящаяся на вещество единичной массы:
λ
Q
m
λ
Дж
кг