Реальные газы ведут себя иначе, чем предсказывает теория идеальных газов. Изучение изотерм реальных газов помогает понять эти аномалии и использовать свойства реальных газов с пользой на практике.
Основные законы поведения изотерм реальных газов
Изотермой называют график зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре. Для идеальных газов изотермы представляют собой гиперболы. Однако для реальных газов наблюдается отклонение от этого правила.
В 1861 году Т. Эндрюс провел известный эксперимент по изотермическому сжатию углекислого газа. Он обнаружил, что в процессе сжатия реального газа при постоянной температуре сначала давление растет по закону Бойля-Мариотта. Но затем рост давления замедляется и наступает так называемый горизонтальный участок изотермы, соответствующий конденсации части газа в жидкость при постоянном давлении насыщенного пара.
Давление насыщенного пара p0 для данного вещества зависит только от температуры и не зависит от объема. Это объясняется динамическим равновесием между испарением молекул с поверхности жидкости и их конденсацией обратно из насыщенного пара.
При повышении температуры вид изотермы реального газа меняется: уменьшается горизонтальный участок, соответствующий конденсации, и в критической точке этот участок схлопывается. Для каждого газа существует своя критическая температура.
Для описания изотерм реальных газов используют различные уравнения состояния, например:
- Уравнение Ван-дер-Ваальса
- Уравнение Редлиха-Квонга
- Уравнение Бертло-Брунау-Плотникова
Эти уравнения учитывают отличия свойств реального газа от идеального, такие как межмолекулярное взаимодействие и собственные объемы молекул.
Физическая природа аномального поведения реальных газов
Основная причина отклонений реальных газов от законов идеальных газов кроется в межмолекулярном взаимодействии. Молекулы реальных газов притягиваются на больших расстояниях и отталкиваются на малых.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул газа зависит от расстояния между их центрами. При сближении молекул до некоторого расстояния преобладают силы притяжения, затем начинают доминировать силы отталкивания из-за перекрывания электронных орбиталей.
Из-за внутреннего давления, обусловленного силами межмолекулярного взаимодействия, реальный газ при высоком внешнем давлении сжимается хуже, чем предсказывает теория идеальных газов. Этим объясняется отклонение изотерм реальных газов в области высоких давлений.
Особенности изотерм реальных газов можно также понять из энергетической модели фазовых переходов. При понижении температуры газ отдает энергию и частично конденсируется, образуя капли жидкости. При последующем повышении температуры происходит обратный процесс испарения жидкости в насыщенный пар.
Такие циклические фазовые переходы по замкнутой изотерме реально реализуются на практике, например в паровых двигателях. Это свидетельствует об их обратимости и равновесности.
Практическое применение свойств реальных газов и паров
Насыщенный водяной пар широко используется в паровых машинах и турбинах для выработки механической работы. При этом происходит циклическая смена фазовых переходов: испарение воды, расширение пара, охлаждение и конденсация пара с выделением тепла, сжатие воды перед новым циклом.
Аналогичные процессы кипения и конденсации с участием реальных газов или паров применяются во многих тепловых двигателях и холодильных установках.
Процессы ожижения газов
Благодаря аномальному поведению реальных газов при высоком давлении и низкой температуре, многие газы можно перевести в жидкое состояние. Этот принцип используется в промышленности для получения и хранения сжиженных газов, таких как пропан, бутан, кислород, азот, аммиак.
Проблемы при инженерных расчетах
При проектировании реальных технических устройств, работающих с газами при высоком давлении, необходимо проводить детальные инженерные расчеты с учетом отклонений от идеальных газов. Иначе возможны аварийные ситуации.
Основные проблемы связаны с:
- Недоучетом внутреннего давления
- Неверным моделированием фазовых переходов
- Некорректными допущениями о свойствах рабочих тел
Рекомендации по моделированию процессов
Для правильного инженерного анализа процессов с участием реальных газов рекомендуется:
- Использовать точные уравнения состояния вроде Ван-дер-Ваальса
- Учитывать вязкость и теплопроводность реального газа
- Моделировать фазовые равновесия методами термодинамики
- Проводить многовариантные расчеты с запасом прочности
Это позволит избежать ошибок и аварий, связанных с аномалиями реальных газов.
