27. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ РЕАЛЬНОГО ГАЗА

Внутренняя энергия идеального газа, поскольку в нем отсутствуют молекулярные взаимодействия, представляет собой кинетическую энергию движения молекул, которая зависит от температуры газа, но не зависит от занимаемого газом объема.

В реальных газах нельзя пренебрегать взаимодействием молекул, и потому внутренняя энергия реального газа находится суммированием кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия

реатьн. газа

Потенциальная энергия молекулярного взаимодействия зависит от взаимного расположения молекул и потому должна изменяться при изменении объема газа.

Если исключить обмен энергией между газом и внешней средой, то сумма присущей молекулам газа кинетической и потенциальной энергий должна оставаться постоянной и, следовательно, изменение одного из видов энергии должно компенсироваться противоположным изменением второго вида энергии:

Если учитывать только притяжение молекул, то их потенциальная энергия должна возрастать при удалении молекул друг от друга, т. е. расширение реального газа при этих условиях должно сопровождаться уменьшением кинетической энергии его молекул. Поскольку же мерой средней кинетической энергии молекул газа служит его абсолютная температура, то при расширении газа, молекулы которого притягиваются друг к другу, температура его должна понижаться. Впервые подобный опыт удалось осуществить совместно Д. Джоулю (1818—1889) и В. Томсону (1824— 1907). В опыте Джоуля — Томсона для обнаружения изменения внутренней энергии реального газа при изменении объема газ заставляют расширяться через пористую перегородку (рис. 40), установленную в трубке, соединяющей сосуды Специальные

Рис. 40. Схемы опыта Джоуля — Томсона.

насосы поддерживают в этих сосудах постоянные давления: в сосуде А — давление а в сосуде В— меньшее давление По обе стороны от пористой перегородки помещают термометры.

Как показали опыты, большинство газов, расширяясь при комнатной температуре и не очень больших давлениях, охлаждается. Исключение составляет водород, который при этих условиях нагревается.

Изменение температуры, сопровождающее расширение реального газа, получило название эффекта Джоуля — Томсон а. Охлаждение газа при расширении называют положительным эффектом Джоуля — Томсона, нагревание — отрицательным.

Для того чтобы понять существование эффекта Джоуля-Томсона разного знака, обратимся к графику, поясняющему отклонение поведения реального газа от газа идеального (рис. 41). Сплошными линиями на графике изображено изменение отношения произведения давления газа на занимаемый им объем к абсолютной температуре при изменении давления для трех различных температур удовлетворяющих условию

В случае идеального газа (пунктирная прямая) отношение остается постоянным.

Если в опыте Джоуля — Томсона предоставить газу расширяться от давления до некоторого меньшего давления то в зависимости от температуры, при которой производится этот опыт, отклонение в поведении реального газа от газа идеального будет различно. При более низкой температуре отношение меньше, чем для идеального газа, и, следовательно, преобладает влияние сил притяжения. При расширении газа в этом случае молекулы будут совершать работу против сил притяжения за счет присущей им кинетической энергии. В результате при расширении газ будет

Рис. 41.

охлаждаться, т. е. будет наблюдаться положительный эффект Джоуля-Томсона.

При более высокой температуре как это явствует из чертежа, преобладающее значение имеют силы отталкивания, учитываемые в уравнении Ван-дер-Ваальса поправочным членом Эти силы будут совершать работу при расширении реального газа и тем увеличивать кинетическую энергию молекул. В этом случае при расширении реального газа будет наблюдаться нагревание, т. е. отрицательный эффект Джоуля-Томсона.

При некоторой промежуточной температуре влияние сил притяжения в точности компенсируется влиянием сил отталкивания и реальный газ ведет себя как газ идеальный, т. е. его расширение не сопровождается изменением температуры.

Таким образом, при плавном изменении температуры от значения до значения Та знак эффекта Джоуля-Томсона изменяется с положительного на отрицательный. Это происходит при температуре, называемой температурой инверсии.

Для кислорода температура инверсии для углекислоты однако для водорода температура инверсии Водород будет охлаждаться при расширении только в том случае, если его температура ниже в противном же случае при расширении он нагревается.

Эффект Джоуля-Томсона находит себе важное применение в технике при сжижении газов.