ПАР

Наибольшее расхождение с идеальным газом обнаруживают пары (определение понятия «пар» дано ниже). Различие заключается прежде всего в том, что количество пара, которое может содержаться в данном объеме сосуда при определенной температуре, ограничено, тогда как идеального газа можно вместить любое количество. Допустим, что имеется совершенно пустой сосуд, температура стенок которого поддерживается постоянной. Будем вводить в этот сосуд воду или

какую-нибудь другую жидкость маленькими дозами. Молекулы первых порций жидкости, получив энергию от стенок сосуда, смогут преодолеть связывающие их силы и разлететься по всему объему сосуда. То же самое произойдет с последующими дозами жидкости, однако лишь до тех пор, пока в сосуд не будет введено определенное количество жидкости; последующие дозы ее уже не будут испаряться. В сосуде установится равновесное состояние, когда число молекул, испаряющихся из жидкости в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Для того чтобы вызвать дальнейшее испарение жидкости, необходимо повысить температуру.

Если в сосуде при данной температуре имеется предельно возможное количество испарившегося вещества, то говорят, что в этом сосуде находится насыщающий, или насыщенный, пар.

Рис. 11.25

Рис. 11.26

Чем выше температура, тем большее количество насыщенного пара может содержать данный объем, т. е. тем больше плотность и давление этого пара. На рис. 11.25 показана связь между давлением насыщенных паров и их температурой; существенно, что кривая заканчивается при некоторых значениях давления и температуры называемых критическими. При температуре выше критического значения насыщенный пар не получается и любое количество жидкости, введенное в сосуд, испаряется полностью. Очевидно, при этом средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул велика по сравнению с работой, необходимой для разрушения связей между молекулами. Если температура вещества намного выше критической, то кинетическая энергия его молекул значительно превосходит потенциальную энергию их взаимодействия, поэтому состояние вещества будет близко к идеальному газу.

Рассмотрим изотермическое сжатие и расширение паров. Пока пар ненасыщенный, сжатие его сопровождается увеличением давления, но не по закону Бойля — Мариотта а по более сложному закону, выражаемому на рис. 11.26 участком Как только при этом сжатии пар становится насыщенным, дальнейшее уменьшение объема больше не сопровождается увеличением давления: происходит конденсация паров в жидкость (участок эта конденсация заканчивается в точке в. Таким образом, в отличие

от газов насыщенный пар вследствие конденсации не поддается изотермическому сжатию. При таком сжатии конденсация паров постепенно уменьшает их количество в данном объеме сосуда: от 100% в точке до 0% в точке в. В точке в вещество находится в жидком состоянии.

На участке в-г показано крутое возрастание давления, необходимое для изотермического сжатия жидкости.

При изотермическом расширении процесс идет в обратном направлении. Участок г-в соответствует постепенному уменьшению внешнего давления на жидкость (при постоянной температуре), вследствие чего жидкость несколько расширяется. В точке в жидкость начинает кипеть; дальнейшее увеличение объема уже не сопровождается понижением давления, так как освобождающийся объем занимается насыщенным паром. В точке вся жидкость превращается в насыщенный пар. Расширение насыщенного пара ведет к уменьшению его давления, и пар делается все более и более ненасыщенным.

Рис. 11.27

Если провести изотермическое сжатие того же количества пара при более высокой температуре, то состояние насыщения наступает при меньшем объеме и большем давлении (точка б). Жидкое же состояние при тех же значениях температуры и давления (точка в) характеризуется большим объемом; при переходе от в к в уменьшение объема жидкости от повышения давления меньше, чем увеличение объема от повышения температуры. Таким образом, с увеличением температуры вещества точки сближаются, т. е. удельный объем насыщенного пара приближается к удельному объему жидкости. При некоторой температуре точки совпадают, т. е. удельные объемы (или плотности) насыщенного пара и кипящей жидкости становятся равными. Состояние вещества (обозначенное на рис. 11. 26 буквой при котором плотность жидкости и плотность насыщенного пара, находящегося в равновесии с ним, равны, называется критическим состоянием вещества. Критическое состояние для каждого вещества характеризуется определенными значениями давления температуры Тк и удельного объема

На рис. 11.27 изображены типичные кривые, разграничивающие различные состояния какого-нибудь вещества: кислорода, по оси абсцисс отложен удельный объем этого вещества, т.е. величина, обратная его плотности. Кривая есть изотерма, соответствующая критической температуре Тк. Точка К означает критическое состояние вещества. На кривой К С жидкость находится под

давлением, равным давлению насыщенного пара при данной температуре; чем ближе к точке тем выше температура. На кривой вещество находится в состоянии насыщенного пара. Участок критической изотермы разграничивает обе области, в которых существуют газообразные состояния вещества: 1) область и 2) область Газообразные состояния при температурах ниже критических называются паром; при температурах выше критических мы имеем реальный газ.