Реальные газы

Реальный газ — газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Менделеева—Клапейрона.

Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объем. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщенным уравнением Менделеева - Клапейрона:

$pV = Z_{r} \cdot M \cdot R \cdot T$

где p — давление; T — температура; Z_r = Z_r (p,T)  — коэффициент сжимаемости газа; М — масса; R — газовая постоянная.

Физика реального газа

Чтобы подробнее установить условия, когда газ может превратиться в жидкость и наоборот, простых наблюдений за испарением или кипением жидкости недостаточно. Надо внимательно проследить за изменением давления и объема реального газа при разных температурах.

Медленно будем сжимать газ в сосуде с поршнем, например сернистый (SO₂). Сжимая его, мы выполняем над ним работу, вследствие чего внутренняя энергия газа увеличится. Когда мы хотим, чтобы процесс происходил при постоянной температуре, то сжимать газ надо очень медленно, чтобы теплота успевала переходить от газа в окружающую среду.

Выполняя этот опыт, можно заметить, что сначала при большом объеме давление с уменьшением объема увеличивается согласно закону Бойля—Мариотта. В конце концов, начиная с какого-то значения, давление не будет изменяться, несмотря на уменьшение объема. На стенках цилиндра и поршня образуются прозрачные капли. Это означает, что газ начал конденсироваться, то есть переходить в жидкое состояние.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы будем увеличивать массу жидкости под поршнем и, соответственно, будем уменьшать массу газа. Давление, которое показывает манометр, будет оставаться постоянным до тех пор, пока все пространство под поршнем не заполнит жидкость. Жидкости мало сжимаемы. Поэтому дальше, даже при незначительном уменьшении объема, давление быстро будет возрастать.

Поскольку весь процесс происходит при постоянной температуре Т, кривую, что изображает зависимость давления р от объема V, называют изотермой. При объеме V1 начинается конденсация газа, а при объеме V2 она заканчивается. Если V > V1 то вещество будет в газообразном состоянии, а при V < V2 — в жидком.

Опыты показывают, что такой один вид имеют изотермы и всех других газов, если их температура не очень высокая.

В этом процессе, когда газ превращается в жидкость при изменении его объема от V1 к V2 давления газа остаётся постоянным. Каждой точке прямолинейной части изотермы 1—2 соответствует равновесие между газообразным и жидким состояниями вещества. Это означает, что при определенных Т и V количество жидкости и газа над ней остается неизменным. Равновесие имеет динамический характер: количество молекул, которые покидает жидкости, в среднем равняется количеству молекул, которые переходят из газа в жидкость за одно и то же время.

Так же существует такое понятие как критическая температура, если газ находится при температуре выше критической (индивидуальна для каждого газа, например для углекислого газа примерно 304 кельвина), то его уже невозможно превратить в жидкость, какое бы давление к нему не прилагалось. Если продолжать медленно сжимать газ при температуре большей критической, то минимальный объем, до которого можно будет сжать газ, будет равен приблизительно четырем собственным объемам молекул, составляющих газ. Далее сжатие производить не представляется возможным из-за все более усиляющегося межмолекулярного взаимодействия.

Уравнения состояния реального газа

Наиболее часто используются следующие уравнения состояния реального газа:

• Уравнение Ван-дер-Ваальса
• Уравнение Дитеричи
• Уравнение Бертло
• Уравнение Клаузиуса
• Уравнение Камерлинг-Оннеса