Критическое состояние вещества

Важное значение уравнения Ван-дер-Ваальса заключается в том, что оно предсказывает особое состояние вещества - критическое. Если рассчитать изотермы Ван-дер-Ваальса для различных температур, то получим, что с повышением температуры кривые будут смещаться вверх, а длина S-образного участка будет уменьшаться и при некоторой температуре станет равной нулю, т.е. участок стянется в точку. Эта точка называется критической точкой,а параметры состояния p_кр, V_кр, T_кр, соответствующие ей, называются критическими.

Рассмотрим семейство опытных изотерм на диаграмме p-V (рис. 11.3), для которых S-образный участок изотермы (11.4) представляет собой прямую линию. Изотерма, проходящая через критическую точку, называется критической. Концы прямолинейных участков семейства изотерм образуют колоколообразную кривую. Колоколообразная кривая и критическая изотерма делят диаграмму p-V на четыре области : жидкость, газ, пар и двухфазную область - жидкость и насыщенный пар (см.рис.11.3).

Если изотермически сжимать газ при температуре, меньшей T_кр (изотерма для T = T₁), то газ перейдет в двухфазное состояние и затем в жидкое. Газообразное состояние при T < T_кр часто называют паром. Легко видеть, что, если T > T_кр , то, сжимая газ изотермически, его нельзя превратить в жидкость (изотерма для T = T₂ ). Это обстоятельство позволило понять, что любой газ можно превратить в жидкость, лишь охладив его до температуры ниже критической и сжимая его. Это предположение впервые высказал Д.И. Менделеев, и он же впервые ввел понятие критической температуры, проводя исследования коэффициента поверхностного натяжения. Учитывая вышесказанное, ученым удалось сжижить все известные газы.

При критическом состоянии различие в плотности жидкости и насыщенного пара пропадает. Критическое состояние представляет собой смесь частичек жидкости и пара, которые непрерывно распадаются, превращаясь друг в друга. Вещество при подходе к критической точке мутнеет, так как свет сильно рассеивается на этих неоднородностях среды.

Эффект Джоуля-Томсона

В реальном газе между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Силы притяжения обусловлены дипольным взаимодействием молекул. Некоторые молекулы могут представлять собой постоянные диполи. Для неполярных молекул основой притяжения является взаимодействие мгновенных осциллирующих диполей. Силы отталкивания обусловлены взаимодействием электронных оболочек молекул. Они проявляются в основном при сближении молекул и быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. Силы же притяжения наоборот преобладают при большом расстоянии между молекулами. Результирующая сила взаимодействия двух молекул равна сумме этих сил и имеет вид, изображенный на рис. 11.4 . При расстоянии между молекулами r = r_o сила отталкивания равна силе притяжения и результирующая сила F = 0 . При расстоянии между молекулами r < r_o преобладает сила отталкивания, при расстоянии r > r_o преобладает сила притяжения.

Наличие этих сил проявляется в эффекте дросселирования газа, схема которого представлена на рис.11.5. Газ из сосуда A с высоким давлением перетекает в сосуд B с низким давлением через патрубок с пористой перегородкой 1. В патрубке помещены термометры, измеряющие температуры T₁ и T₂ газа до и после пористой перегородки. При таком расширении газ работу не совершает, тепло газу не передается и в согласии с первым началом термодинамики изменение внутренней энергии газа DU = 0. Следовательно, при дросселировании идеального газа его температура на должна изменяться: T₁ = T₂ . Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии молекул U_к и потенциальной энергииих взаимодействия U_п ,

т.е. U = U_к + U_п . При расширении газа межмолекулярные расстояния увеличиваются и взаимная потенциальная энергия молекул изменяется. Следовательно, должны изменяться их кинетическая энергия DU_к и температура газа, причем т.к. DU = 0,то DU_к = -DU_п. Если при дросселировании газа преобладают силы притяжения между молекулами (r > r_o) , то при этом будет совершаться работа против сил притяжения и потенциальная энергия молекул при увеличении объема газа увеличится, а значит, кинетическая энергия молекул и температура газа уменьшится. Такой эффект Джоуля-Томсона называют положительным. Если между молекулами газа преобладают силы отталкивания, то газ при дросселировании нагревается, и эффект называют отрицательным. Устройства, использующие положительный эффект Джоуля-Томсона, позволили впервые получить сжиженные газы.

ЛЕКЦИЯ 1 6

§1. Несколько вводных замечаний о предмете физики. 6

§2. Механика 8

2.2. Кинематика движения материальной точки. Характеристики движения. 9

2.3. Вектор скорости. Средняя и мгновенная скорость. 10

2.4. Путь при неравномерном движении. 12

ЛЕКЦИЯ 2 14

2.6. Криволинейное движение. 14

2.6.1. Ускорение при криволинейном движении (тангенциальное и нормальное ускорение). 14

2.7. Кинематика вращательного движения. 16

2.7.1. Угловая скорость. 16

2.7.2. Угловое ускорение. 17

2.7.3. Связь между линейной и угловой скоростью. 18

ЛЕКЦИЯ 3 20

§3. Динамика 20

3.2. II закон Ньютона. 22

3.3. III закон Ньютона. 24

3.4. Импульс. Закон сохранения импульса. 25

3.5. Работа и энергия. 27

ЛЕКЦИЯ 4 28

3.6. Мощность. 28

3.7. Энергия. 29

3.8. Кинетическая энергия тела. 30

3.9. Потенциальное поле сил. Силы консервативные и неконсервативные. 31

3.10. Потенциальная энергия тела в поле сил тяжести (в поле тяготения Земли). 32

3.11. Потенциальная энергия в гравитационном поле (в поле всемирного тяготения). 33

3.12. Потенциальная энергия упруго деформированного тела. 34

ЛЕКЦИЯ 5 35

3.13. Закон сохранения энергии. 35

§4. Механика твердого тела. 38

4.1. Поступательное движение твердого тела. 38

4.2. Вращательное движение твердого тела. 39

4.3. Момент импульса тела. 42

ЛЕКЦИЯ 6 45

4.4. Закон сохранения момента импульса. 45

4.5. Основное уравнение динамики вращательного движения. 45

4.6. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. 47

4.7. Работа внешних сил при вращательном движении твердого тела. 48

ЛЕКЦИЯ 7 50

§5. Гидродинамика 50

5.1. Линии и трубки тока. 50

5.2. Уравнение Бернулли. 50

5.3. Силы внутреннего трения. 51

5.4. Ламинарное и турбулентное течения. 52

5.5. Течение жидкости в круглой трубе. 53

5.6. Движение тел в жидкостях и газах. 54

ЛЕКЦИЯ 8 54

§6. Всемирное тяготение. 54

6.1. Законы Кеплера. 54

6.2. Опыт Кавендиша. 56

6.3. Напряженность гравитационного поля. Потенциал гравитационного поля. 57

ЛЕКЦИЯ 9 58

§7. Основы теории относительности. 58

7.1. Принцип относительности. 58

7.2. Постулаты специальной (частной) теории относительности. Преобразования Лоренца 59

7.3. Следствия из преобразований Лоренца. 60

7.4. Интервал между событиями. 62

ЛЕКЦИЯ 10 63

§8. Колебания. 63

8.1. Общие сведения. 63

8.2. Уравнение гармонического колебательного движения. 64

8.3. Графическое изображение гармонических колебаний. Векторная диаграмма. 66

8.4. Скорость, ускорение и энергия колеблющегося тела. 68

ЛЕКЦИЯ 11 69

8.5. Гармонический осциллятор. 69

8.6. Малые колебания системы вблизи положения равновесия. 71

8.7. Математический маятник. 71

8.8. Физический маятник. 72

ЛЕКЦИЯ 12 73

8.9. Затухающие колебания. 73

8.10. Вынужденные колебания. Резонанс. 77

ЛЕКЦИЯ 13 81

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА 81

§9. Молекулярная физика 81

9.1. Предмет и методы молекулярной физики. 81

9.2. Термодинамическая система. Параметры состояния системы. Равновесное и неравновесное состояние. 85

9.2.1. Идеальный газ. Параметры состояния идеального газа. 86

9.2.2. Газовые законы. 88

9.2.3. Закон Авогадро. 91

9.2.4. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева - Клапейрона). 91

9.2. Основное уравнение кинетической теории газов 95

9.3. Барометрическая формула. Распределение Больцмана 96

ЛЕКЦИЯ 14 98

9.4. Максвелловское распределение молекул по скоростям 98

9.5. Явления переноса. Длина свободного пробега молекул 100

9.6. Явление диффузии 101

9.7. Явление теплопроводности и вязкости 102

ЛЕКЦИЯ 15 103

§10. Термодинамика 103

10.1. Внутренняя энергия идеального газа 104

10.2. Работа и теплота. Первое начало термодинамики 105

10.3. Работа газовых изопроцессов 106

10.4. Молекулярно-кинетическая теория теплоемкостей 107

10.5. Адиабатический процесс 108

10.6. Круговые обратимые процессы. Цикл Карно 110

ЛЕКЦИЯ 16 111

10.7. Понятие об энтропии. Энтропия идеального газа 111

10.8. Второе начало термодинамики 112

10.9. Статистическое толкование второго начала термодинамики 113

ЛЕКЦИЯ 17 114

§11. Реальные газы 114

11.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса 114

11.2. Критическое состояние вещества 116

11.3. Эффект Джоуля-Томсона 117