Реальные газы, в отличие от идеальных, обладают внутренней энергией, зависящей не только от температуры, но и от объема. Давайте разберемся, откуда берется эта дополнительная энергия и как она влияет на свойства вещества.
Составляющие внутренней энергии реального газа
Внутренняя энергия реального газа складывается из двух компонентов:
- Кинетическая энергия теплового движения молекул
- Потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия Энергия сил притяжения между молекулами Энергия сил отталкивания на близких расстояниях
Соотношение между этими компонентами определяет агрегатное состояние вещества:
- Если потенциальная энергия мала по сравнению с кинетической, вещество находится в газообразном состоянии
- Если потенциальная энергия велика, вещество твердое
- При примерном равенстве энергий - жидкое состояние
Учитывая оба вида энергии, получаем формулу для внутренней энергии реального газа:
Um = CVT - a/Vm
где первое слагаемое отвечает за кинетическую энергию, а второе - за потенциальную. В отличие от идеального газа, зависимость идет не только от температуры, но и от объема.
Влияние дополнительной энергии на свойства реального газа
Наличие потенциальной энергии влияет на термодинамические процессы в реальном газе. Рассмотрим несколько примеров.
При изотермическом расширении идеального газа совершаемая им работа уравновешивается подводимой теплотой, и внутренняя энергия не меняется. Однако в реальном газе изменение объема ведет к изменению потенциальной энергии. Поэтому для поддержания постоянной температуры требуется дополнительный теплообмен.
Еще один пример - адиабатическое расширение. Рассмотрим сначала случай расширения в вакуум, без совершения работы. Для идеального газа температура при этом понижается, а для реального результат будет иным:
Так как V2>V1, то T1>T2, т.е. реальный газ при адиабатическом расширении в вакуум охлаждается. При адиабатическом сжатии реальный газ нагревается.
Это объясняется тем, что потенциальная энергия притяжения молекул уменьшается при увеличении расстояний между ними.
Далее рассмотрим эффект Джоуля-Томсона. Он заключается в том, что при адиабатическом расширении реального газа через дроссель (например, пористую перегородку) его температура может как понизиться, так и повыситься:
Изменение температуры, сопровождающее расширение реального газа, получило название эффекта Джоуля — Томсона. Охлаждение газа при расширении называют положительным эффектом Джоуля — Томсона, нагревание — отрицательным .
Зависимость эффекта Джоуля-Томсона от параметров газа
Знак эффекта (нагревание или охлаждение) зависит от начальной температуры газа T1 и его объема V1 до расширения. Существует критическая температура инверсии TI, при которой эффект обращается в ноль:
- Если T1 > TI, то газ нагревается (отрицательный эффект)
- Если T1 < TI, то газ охлаждается (положительный эффект)
Применение эффекта Джоуля-Томсона
Благодаря значительному изменению температуры в зависимости от условий, эффект Джоуля-Томсона находит важное применение в технике при сжижении газов - кислорода, азота, метана и других.
Другие отличия реального газа от идеального
Помимо описанных эффектов, существуют и другие различия в поведении реальных и идеальных газов. К примеру, для последних справедлив закон Бойля-Мариотта, тогда как реальные газы лишь приближенно ему следуют.
Модели реальных газов
Для аналитического описания реальных газов используют различные модели, учитывающие межмолекулярное взаимодействие. Наиболее известна модель Ван-дер-Ваальса.
