Лекція 9. Реальні гази. Рідини. Тверді тіла

9.1 Особливості молекулярної будови газів, рідин, твердих тіл

Особливості молекулярної будови газів

Г ази мають така властивосіть - гази займають весь наданий їм об’єм. Це можна пояснити молекулярною будовою газу. Молекули в газах знаходяться на великих відстанях одна від одної, рухаються хаотично і взаємодіють тільки під час зіткнень, у результаті яких напрямок руху молекул змінюється. Тому газ займає весь наданий йому об’єм. (Рисунок 9.1)

Особливості молекулярної будови рідини

Рідини мають такі властивості:

1. Рідини зберігають свій об’єм і не зберігають форму.

Наприклад, воду з пляшки можна перелити в склянки, при цьому форма води зміниться, а об’єм залишиться незмінним.

2 . Для рідин властиве ще одне явище – при короткочасній взаємодії рідина поводить себе як тверде тіло. Наприклад, водяна гармата може розбивати тверду породу. Якщо неправильно пірнути, то можна вдаритись об воду.

Ці властивості рідин можна пояснити їх молекулярною будовою. Молекули в рідині щільно прилягають одна до одної й мають певну впорядкованість у розміщенні молекул, відому під терміном «ближній порядок». Ближній порядок означає впорядковане розміщення навколо вільно вибраного атома (молекули) деякої кількості його найближчих сусідів. (Рисунок 9.2). Ця впорядкованість губиться при віддаленні від вибраного атома. Іноді між молекулами зустрічаються проміжки, у які можуть переміщатися молекули рідини.

Час між двома перескоками молекул називають часом її осілого життя.

Від часу осілого життя молекул залежить текучість рідини. Чим цей час менший, тим більш текуча рідина. Саме тим, що молекули рідини не встигають за короткий час зайняти вільні проміжки, пояснюють те, що при короткочасній взаємодії рідина поводить себе як тверде тіло.

Причину зміни форми рідини пояснюють існуванням проміжків між її молекулами.

А щільністю прилягання молекул пояснюється те, що рідину важко стиснути.

Особливості молекулярної будови твердих тіл

Для твердих тіл характерно: 1. Зберігають свою форму й об’єм. 2. Мають температуру плавлення.

У фізиці під твердими тілами розуміють кристалічні тіла. У кристалічних тілах атоми розміщені в певному порядку, і можна виділити окреме угрупування атомів, паралельним переносом якого (трансляцією) можна побудувати весь кристал.

*Угрупування атомів, паралельним переносом якого можна побудувати весь кристал, називають елементарною коміркою кристалічної решітки.

Рівняння Ван-дер-Ваальса для одного моля газу

1. Рівняння Ван-дер-Ваальса описує газ, молекули якого взаємодіють між собою.

2. , де а – поправка Ван-дер-Ваальса на врахування сил притягання між молекулами, b – поправка Ван-дер-Ваальса на власний об’єм молекул.

3. Застосовують для так званого газу Ван-дер-Ваальса – моделі реального газу, в якій молекули розглядаються як тверді кульки певного об’єму (діаметром d), між якими діють сили взаємного притягання. Наявність власного розміру кульок зумовлює те, що в даній моделі враховано і сили відштовхування між молекулами реального газу.

*Рівняння стану реального газу відрізняється від рівняння Клапейрона-Менделєєва введенням двох поправок: а – на врахування сил притягання між молекулами, b – на власний об’єм молекул.

Поправка Ван-дер-Ваальса на врахування сил притягання між молекулами а

1. Характеризує додатковий внутрішній тиск, який зумовлений притяганням молекул і залежить від хімічної природи газу.

2. …………

3. Скалярна величина.

4. Δр = а/V²

5. [a] = (Па∙м⁶)/моль² = (Н∙м⁴)/моль²,

Поправка Ван-дер-Ваальса на власний об’єм молекул b

1. Характеризує зменшення об’єму газу за рахунок розмірів молекул.

2. Поправка Ван-дер-Ваальса на власний об’єм молекул чисельно дорівнює чотирьом об’ємам усіх молекул у даному об’ємі газу.

3. Це скалярна величина

4. b=4V₀∙N

5. [b] = м³/моль

На практиці параметри а та b визначають для кожного газу експериментально.

1. Вода (Н₂О) а = 0,5464 (Н∙м⁴)/моль²; b =0,305∙10^-4 м³/моль.

2. Кисень (О₂) а = 0,1370 (Н∙м⁴)/моль²; b = 0,318∙10^-4 м³/моль.

3. Азот (N₂) a = 0,1390 (Н∙м⁴)/моль²; b = 0,391∙10^-4 м³/моль.

4. Водень (Н₂) а = 0,0244 (Н∙м⁴)/моль²; b = 0,266∙10^-4 м³/моль.

Ізотерми Ван-дер-Ваальса й ізотерми реальних газів

Визначення. Ізотерма – це графік залежності тиску газу від його об’єму при постійній температурі.

За рівнянням Ван-дер-Ваальса ізотерми повинні мати вигляд, зображений на рисунку 9.3. Ізотерми мають критичну точку (К), при досягненні якої газ стрибком перетворюється на пару. При температурі вищій Т_кр газ на рідину взагалі перетворитися не може. При температурі нижче критичної рівняння В ан-дер-Ваальса дозволяє існування переохолодженого газу й перегрітої рідини.

П роте ізотерми реальних газів відрізняються від ізотерм Ван-дер-Ваальса. Розглянемо дослід, на основі якого будується ізотерма реального газу (рисунок 9.4). Для цього візьмемо газ (наприклад СО₂) за температури нижчою критичної, розмістимо в міцному прозорому циліндрі з рухомим поршнем і повільно будемо його стискати. При повільному стисканні температура пари внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем залишається постійною. На початку досліду (крива 1-2) тиск газу змінюється у відповідності до закону Бойля - Маріотта. Але, починаючи з певного моменту, (2 точка графіка), подальше зменшення об’єму газу вже не призводить до збільшення тиску. У цей момент можна помітити появу на поверхні стінок циліндра крапелин рідини. Отже, частина газу перетворилася на рідину, і тепер у циліндрі одночасно перебувають газ і рідина. Подальше стискання газу призводить до зменшення його маси й до збільшення маси рідини. Тиск при цьому залишається постійним (частина графіка 2-3). У точці 4 увесь газ перетворився на рідину. Спроба стиснути рідину призводить до того, що тиск дуже різко зростає, бо молекули в рідині зблизилися на такі малі відстані, що подальше їхнє зближення призводить до різкого зростання сил відштовхування молекул.

На рисунку 9.5 ізотерми реального газу. С – точка критичного стану речовини. Критичний стан наступає за умови, коли температура й тиск газу стають критичними.

Визначення. Стан речовини, при якому зникає різниця між фізичними властивостями її рідини й пари, називають критичним станом.

Криві А;В:С;D – ізотерми одного й того ж газоподібного стану речовини при різних температурах. Графіки А і В виконано для речовини, узятій при температурі, вищій за критичну. Графік С виконано для речовини, узятій при критичній температурі. Графік D виконано для речовини, взятій при температурі, яка нижча за критичну. Із графіка видно, що, чим нижча температура, тим нижчий критичний тиск газу (критичний тиск відповідає тиску на горизонтальній ділянці аb).