Глава 3. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

§ 13. ОТСТУПЛЕНИЯ ОТ ЗАКОНОВ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. НАСЫЩЕННЫЕ ПАРЫ. КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

Измерения показывают, что соотношения, полученные в предыдущей главе для идеального газа, в частности уравнение равновесного состояния

могут быть применимы и к реальным газам, но только при небольших давлениях и высоких температурах. Например, у азота при температуре 0° С произведение отличается от для интервала давлений от 1 до 100 атм не более чем а для давлений, близких к 1000 атм это отличие доходит до 100%.

ДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИЛ

Такое расхождение объясняется главным образом действием молекулярных сил. Если взять реальный газ при малом давлении (малой плотности, т. е. малом числе молекул в единице объема газа), то среднее расстояние между молекулами будет велико и силы взаимодействия между ними можно не учитывать; молекулы большую часть времени пребывают на таких расстояниях друг от друга, на которых силы взаимодействия между ними практически равны нулю. Эти силы действуют только в течение коротких промежутков времени, когда происходит «столкновение» молекул и обмен энергиями между ними. Такой газ мало отличается от идеального; некоторое различие можно отметить разве только в продолжительности самих процессов столкновения молекул. Обозначим среднее время от одного столкновения до другого через а продолжительность самого процесса столкновения — через молекул идеального газа (рассматриваемых как упругие шары весьма малых размеров) время взаимодействия при столкновении исчезающе мало по сравнению с временем свободного пробега . У реального газа молекулярные силы фактически действуют в течение всего времени пробега однако при очень малой плотности газа время в течение которого эти силы оказывают заметное действие на движение молекул, будет мало по сравнению с

При больших давлениях (плотностях) газа молекулы его все время находятся под действием значительных молекулярных сил притяжения; силы отталкивания действуют только в процессе столкновений, когда молекулы газа на короткое время приближаются друг к другу на очень малые расстояния. Можно утверждать, что силы притяжения между молекулами «помогают» стенкам сосуда удерживать газ в определенном объеме, т. е. их действие эквивалентно действию некоторого внешнего давления. По мере увеличения плотности газа, т. е. уменьшения среднего расстояния между его молекулами, силы притяжения все более и более связывают между собой молекулы вещества, ограничивают их свободное перемещение в пределах объема сосуда (увеличивается время пребывания в состоянии, когда велика потенциальная энергия их взаимодействия между собой). При переходе к жидким и твердым состояниям эти силы благодаря малым расстояниям между молекулами имеют настолько большие значения, что они «цементируют» молекулы вещества в небольшом объеме и почти совершенно парализуют их тенденцию «разбежаться», столь характерную для газового состояния. Поэтому в жидком и твердом состояниях объем вещества определяется главным образом молекулярными силами и лишь в значительно меньшей степени — внешним давлением.

Кроме малой плотности реального газа, другим условием применимости уравнения (3.1) является достаточно высокая температура. При очень высокой температуре кинетическая энергия поступательного движения молекул значительно больше потенциальной, энергии их взаимодействия между собой. Поэтому свойства газа при высоких температурах близки к свойствам идеального газа, у которого потенциальная энергия взаимодействия молекул отсутствует вовсе.