Глава 4. Химическая термодинамика

Модель 4.9.  Реальный газ

В данной модели показан процесс изотермического сжатия и расширения реального газа (водяной пар) в широком диапазоне температур. На плоскости (P, V) строятся изотермы реального газа, включающие двухфазную область.

Любое вещество может находится в различных состояниях (фазах) – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называют фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов. Все реальные газы способны при определенных условиях превращаться в жидкость. Поэтому изотермы реальных газов сильно отличаются от изотерм идеальных газов.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находится в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Давление насыщенного пара P_s (T)зависит только от его температуры и не зависит от его объема. Поэтому изотермы реального газа на плоскости (P, V) содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе.

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При некоторой температуре плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. Эту температуру принято называть критической температурой T_кр. При T ≥ T_кр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром. Критическая температура для воды равна 647,3 К, для азота – 123 К. При комнатной температуре (≈ 300 K) вода может находится в равновесии со своим паром, а азот существует только в однородном (газообразном) состоянии.

В данной модели можно выбирать температуру, при которой происходит процесс. Приведен график зависимости P (V) (на котором имеется горизонтальный участок, соответствующий двухфазной системе). Выводится энергетическая диаграмма, на которой указываются подводимое количество теплоты Q, совершаемая работа A и изменение ΔU внутренней энергии в процессе изотермического расширения (сжатия) паров воды.

Вы можете выставить температуру выше критической (при этом изотерма проходит выше двухфазной области) и увидеть, что плоский участок кривой, соответствующий появлению жидкой фазы, пропадает. Понижая температуру, вы можете определить критическую точку по касанию изотермы и кривой серого цвета, ограничивающей двухфазную область.