Проведем эксперимент по исследованию конденсации. Легко сжижающийся газ (например, аммиак) поместим в цилиндр с прочными прозрачными стенками и начнем сдавливать поршнем. Изменение объема газа будем отслеживать по шкале на стенке цилиндра, а изменение давления — по манометру. По этим данным построим график. Вы видите, что на этапе AB объем газа уменьшался, а его давление увеличивалось. Однако при этом газ оставался газом. На участке BC объем продолжал уменьшаться, однако давление оставалось постоянным. При этом на стенках цилиндра образовывались капельки сжиженного газа, постепенно стекавшие вниз. Чтобы нагревающийся от сжатия газ успевал охлаждаться окружающей средой, поршень нужно вдвигать медленно. Таким образом, процесс сжатия изотермический.

Рис. 1. Изотерма реального газа

Превращение газа в жидкость с точки зрения МКТ объясняется тем, что при сближении молекул между ними возникают силы притяжения, и молекулы как бы слипаются, образуя капельки жидкости.

Итак, на участке BC в цилиндре одновременно сосуществуют газ и жидкость. Их температура и давление, разумеется, одинаковы. Кроме того, это давление не зависит от количества жидкости и газа. Вдвигая поршень, мы на мгновение увеличиваем давление газа около поршня, что способствует переходу части молекул в жидкость, и давление вновь становится прежним. В этом случае говорят, что в цилиндре наблюдается термодинамическое равновесие. В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии термодинамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы.

Рис. 2. Равновесное сжатие

Газ, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Слово «насыщенный» подчеркивает, что при данной температуре этот пар не может содержать большее число молекул, то есть иметь бóльшую плотность. Это означает, что давление насыщенного пара является максимальным, которое может иметь данный газ при данной температуре.

Итак, на участке BC в цилиндре находятся жидкость и ее насыщенный пар. К моменту достижения точки С конденсация пара заканчивается, и в цилиндре можно наблюдать только образовавшуюся жидкость. Поэтому при попытке дальнейшего сжатия давление будет резко возрастать (участок CD), препятствуя продвижению поршня. Жидкость «не позволит» заметно себя сжать.