Определение реального газа


Реальный газ – это такой газ, который не является идеальным газом.

Описание идеального и реального газа

Идеальный газ – математическая модель газа, которая описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона — Менделеева.
1044;анное уравнение имеет вид:

Здесь

  • P – давление
  • VM — молярный объем
  • R – универсальная газовая постоянная, которая равна 8,3144598(48)
  • T – абсолютная температура

Иначе данную формулу можно записать в следующем виде:


Где m – масса, M – молярная масса, а V — объем

В отличие от идеального газа, молекулы реального газа взаимодействуют между собой, а также занимают определенный объем. По этой причине реальный газ описывается так называемым обобщенным уравнением Менделеева — Клапейрона:


Как видно – здесь возникает Zr – коэффициент сжимаемости газа, который зависит от температуры и давления. Именно данный коэффициент определяет отклонение термодинамических свойств реальных газов от свойств идеальных.


Здесь V – молярный объем. Для идеального газа коэффициент сжимаемости газа равен единице.

Свойства реального газа заметно различны со свойствами идеального в случае, когда температура газа достигает критической точки, либо имеют место высокое давление или низкие температуры.
1044;анные различия имеют большое значение в точных расчетах, например, в гиперзвуковой аэродинамике.

Источник: SpaceGid.com

Что такое реальный газ

Уравнение Менделеева-Клапейрона описывает параметры состояния разреженных газов (находящихся при не слишком больших давлениях и при достаточно высоких температурах). При обычных условиях (т.е. при комнатной температуре и атмосферном давлении) это уравнение применимо ко многим газам (например, таким как азот и кислород). Наиболее близки по своим свойствам к идеальному газу гелий и водород. При низких температурах и высоких давлениях поведение газа начинает существенно отличаться от поведения идеального газа. С повышением плотности газа процессы столкновений играют все большую роль, поэтому размерами молекул и их взаимодействием пренебрегать уже нельзя.


Взаимодействие между молекулами реального газа носит сложный характер, поэтому получить уравнение состояния, которое бы количественно правильно описывало поведение реального газа во всей области возможных изменений его температуры и плотности, не представляется возможным. Можно, однако, записать приближенное уравнение, которое учитывает основные качественные особенности взаимодействия молекул.

Уравнение Ван-дер-Ваальса

Поправка учитывает быстро возрастающие на малых расстояниях силы отталкивания: молекулы как бы занимают определенный объем, меньше которого газ не может быть сжат. Таким образом, поправка к объему характеризует ту часть объема, которая недоступна для движения молекул и равна нескольким суммарным объемам всех молекул, содержащихся в газе.

Поправку

   

называют внутренним молекулярным давлением. Эта поправка учитывает притяжение молекул, следствием которого является уменьшение давления газа. Молекулы идеального газа, сталкиваясь со стенками сосуда, оказывают на него давление. При учете притяжения на каждую подлетевшую к стенке молекулу действует сила, «отталкивающая» ее от стенки обратно в объем – сила притяжения молекул объема. Это притяжение молекул со стороны объема ослабляет силу удара молекул о стенку, при этом давление на стенку уменьшается на величину .


Значенияпостоянных Ван-дер-Ваальса a и b зависят от природы газа, но не зависят от температуры, Константа (параметр) a характеризует взаимодействие между молекулами на больших расстояниях – дальнодействие сил, параметр b характеризует взаимодействии на малых расстояниях – близкодействие сил взаимодействия.

Источник: ru.solverbook.com

Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механической работы (газовые турбины); газы являются физической средой для осуществления, газового разряда в трубках, их используют при сварке и резке металлов, при газовой химико-термической обработке металлических поверхностей, в некоторых биохимических процессах и т.д.

В технике находят применение свыше 30 различных газов. Особенно часто употребляемым является природный газ – почти чистый метан, а также воздух, представляющий смесь газов (в основном, азота и кислорода).

В физике, в физической химии и термодинамике часто употребляют термины «идеальный» и «реальный» газы. Идеальнымназывается газ, находящийся в таких условиях, при которых можно пренебречь силами взаимодействия между молекулами и собственным объемом молекул, который чрезвычайно мал по сравнению с общим объемом газа.


Существующий в природе газ называется реальным. Молекулы реальных газов обладают (хотя и очень малым) собственным объемом, который наряду с проявляющимися межмолекулярными силами сцепления и отталкивания необходимо учитывать при различного рода расчетах.

С повышением температуры газа расстояния между молекулами увеличиваются, в молекулярные силы взаимодействия ослабевают. При этом свойства реального газа приближается к свойствам идеального газа. Таким образом, идеальный газ является предельным состоянием любого вещества (твердого, жидкого и газообразного) при достаточно высокой температуре и низком давлении.

Физическое состояние газа определяется тремя параметрами: давлением(р),объемом (V) и температурой (Т). Эти величины связаны уравнением, получившим название уравнения состояния идеального газаилиуравнения Клапейрона-Менделеева. Частная форма этого уравнения была дана французским ученым Б. Клапейроном (1834), а более удобный вариант уравнения состояния идеального газа предложил Д. И. Менделеев (1874):

Определение реального газаОпределение реального газа (3.1)

где р – давление газа, Па;

V – объем газа, м3;

n – число молей газа;

R – молярная газовая постоянная, Дж/(мольК);

Т – абсолютная температура, К.

Число молей газа вычисляют, зная массу его m (г) и молярную массу:


Определение реального газа. (3.2)

Абсолютнойназывается температура, выраженная в градусах термодинамической температурной шкалы. Нуль этой шкалы находится на 273,15 0С ниже нуля Международной практической шкалы и называется абсолютным нулем. Температуры по обеим шкалам могут быть выражены, соответственно, в градусах Кельвина (Т, К) и в градусах Цельсия (t, 0С). В расчетах пользуются простым соотношением:

Т = t + 273,15 (3.3)

Численное значение молярной газовой постоянной находят из уравнения (3.1), подставляя величину параметров для 1 моля газа, находящегося при нормальных условиях (t = 0 0С, р =101325 Па, V = 22,4 м3): R = 8,314 Дж/(мольК). Молярная газовая постоянная R имеет размерность энергии (работы), отнесенной к молю идеального газа при нагревании его на 1 градус.

Заменив n в уравнении (3.1), получим развернутую формулу уравнения состояния идеального газа:

Определение реального газа. (3.4)


Уравнение состояния идеального газа широко применяется для вычисления параметров состояния газов (р, v или Т), а также при опытном определении молекулярных масс газообразных (парообразных) веществ на основе измерения m, р; V и Т газа (или пара).

Закон Бойля-Мариотта(1662):объем данной массы идеального газа при постоянной температуре изменяется обратно пропорционально давлению, под которым газ находится.

Аналитическое выражение закона имеет вид: при Т = сonst р1V1 = р2V2 или рV = const, т.е. произведение давления на объем данной массы газа есть величина постоянная при постоянной температуре. Константа в уравнении зависит от природы газа, его количества и температуры, но не зависит ни от объема, ни от давления. Графически закон Бойля-Мариотта изображается в виде изотермы (рис. 2 (а)).

Закон Гей-Люссака(1802):для данной массы идеального газа при постоянном давлении объем прямо пропорционален давлению.

Аналитическое выражение закона имеет вид: при р = сonst Т1V2 = Т2V1 или Т/V = const. Графически закон Гей-Люссака изображается в виде изобары (рис. 2 (б)).

Закон Шарля(1787):для данной массы идеального газа при постоянном объеме температура прямо пропорциональна давлению.

Аналитическое выражение закона имеет вид: при V = сonst Т1р2 = Т2р1 или Т/р = const. Графически закон Шарля изображается в виде изохоры (рис. 2 (в)).

Закон Авогадро(1811):в равных объемах различных газов при постоянной температуре находится одинаковое число частиц. Отсюда вытекают следствия: один моль любого газа содержит 6,025.1023 молекул и при нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22,4 дм3.

Законы идеальных газов не применяют для реальных газов, поскольку в реальных газах нельзя пренебречь силами взаимодействия между молекулами и объемом их молекул.

Т = сonst р = сonst V = сonst

р V р

                   
    Определение реального газа   Определение реального газа
  Определение реального газа
    Определение реального газа
 
    Определение реального газа
 
 

V Т Т

Рис. 2. Графическое изображение газовых законов:

а – изотерма, б — изобара, в – изохора идеального газа

Поведение реальных газов при средних давлениях характеризует уравнение состояния, предложенное голландским ученым Ван-дер-Ваальсом (1873). В уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа (3.1) Ван-дер-Ваальс ввел две поправки: p¢ (величина, характеризующая силы межмолекулярного притяжения или внутреннее давление газа) и b (поправка на собственный объем молекул газа).

Поскольку силы притяжения действуют в одном и том же направлении с внешним давлением и стремятся как бы дополнительно сжать газ, то поправка p¢ в уравнении имеет знак «плюс». Было установлено, что силы межмолекулярного притяжения возрастают прямо пропорционально квадрату плотности газа или обратно пропорционально квадрату его объема:

Определение реального газа(3.5)

где a – коэффициент пропорциональности, учитывающий способность молекул данного вещества к взаимному притяжению (зависит от природы газа).

Величину объема самих молекул необходимо вычесть из общего объема газа. Поправка b равна учетверенному объему молекул и представляет собой тот предельный объем, до которого можно сжимать газ. Дальнейшее сближение молекул невозможно, так как этому начинают препятствовать возникающие огромные силы электростатического отталкивания. Таким образом, b учитывает как собственный объем молекул, так и силы отталкивания между ними при малых расстояниях. Для 1 кмоля газа

Определение реального газа (3.6)

где 4/3pr3 – объем одной молекулы (для шарообразной формы); NАпостоянная Авогадро. Итак, с учетом поправок уравнение состояния реального газа имеет вид

(p + p¢)(V – b) = RT или (3.7)

(p + Определение реального газа)(V – Определение реального газаpr3NА) = RT (3.8)

Это уравнение отражает состояние реального газа наиболее точно в области средних давлений. Изотерма реального газа для низких температур изображена на рис. 3. На изотерме можно выделить три участка: AB, BC, CD.На участке ABмалым изменениям объема V соответствуют большие изменения давления p. Это качественно характеризует жидкое состояние. На участке CD между объемом и давлением существует обратно пропорциональная зависимость, что характерно для газообразного состояния. Участок BC отвечает переходу газа в жидкость или жидкости в газ (пар). На опытных изотермах этот участок выражается прямой линией, параллельной оси объемов. S-образная часть кривой рассчитана по уравнению (3.8) и характеризует состояния вещества, большей частью нереализуемые на опыте.

Определение реального газаОпределение реального газа P A

Определение реального газа

Определение реального газа B C

D

Определение реального газа V

Источник: studopedia.ru

Знакомство с явлением

туман над лугом

 

Это интересно… Слой тумана толщиной 10 м, висящий над полем площадью 5 км2, имеет объем 5×107 м3. При плотности тумана 0,1 г/м3 в нем содержится 5×103 л воды. Этого достаточно для орошения рассматриваемого поля.

 

насыщенный пар в сосуде

Если рассматривать жидкость в открытом сосуде, то с течением времени объем жидкости будет уменьшаться вследствие ее испарения.

Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением.

Если же сосуд с жидкостью плотно закрыть, то уменьшение объема жидкости вскоре прекратится. Процесс испарения жидкости будет уравновешен процессом конденсации пара.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.

В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром.

В этом случае пар, находящийся над жидкостью, становится насыщенным.

Водяной пар является примером реального газа.

 

Это интересно… Догадку об отсутствии принципиального различия между парами и газами высказал в конце XVII в. А. Лавуазье. Он считал, что при достаточно низкой температуре в жидкость превратится и атмосферный воздух.

 

Насыщенный пар и его свойства

 

испарение и конденсация

При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В этом случае внутренняя энергия жидкости уменьшается, и температура жидкости понижается.

Некоторые молекулы, приближаясь к поверхности жидкости, притягиваются молекулами поверхностного слоя и возвращаются обратно в жидкость. Таким образом, при конденсации пара внутренняя энергия жидкости увеличивается, и температура жидкости повышается.

 

В отличие от идеального газа, молекулы реальных газов имеют конечные размеры и взаимодействуют друг с другом на расстоянии.

 

При установлении динамического равновесия между паром и жидкостью количество молекул, покинувших жидкость, равно количеству молекул, вернувшихся обратно из пара в жидкость.

 

Насыщенный пар не подчиняется газовым законам. Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнениями:

 

Определение реального газа

Определение реального газа

 

Свойства насыщенного пара

 

1 – Давление насыщенного пара не зависит от объема над испаряющейся жидкостью.

Если медленно сжимать газ при постоянной температуре (T=const), то в начале опыта давление газа изменяется в соответствии с законом Бойля-Мариотта (пар ненасыщенный).

 

 

С появлением капелек жидкости дальнейшее уменьшение объема не приводит к увеличению давления, т.к.  концентрация молекул газа остается постоянной.  Газ и жидкость находятся при одинаковой температуре и давлении. При этом пар становится насыщенным.

 

Как только весь газ превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объема приводит к резкому увеличению давления.

 

Давление насыщенного пара не зависит от занимаемого паром объема. Поэтому закон Бойля-Мариотта в данном случае не работает.

 

2 – Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

 

Определение реального газа

 

В замкнутом объеме (V=const)с ростом температуры насыщенного пара растет и концентрация молекул. Поэтому давление пара растет нелинейно. Как только жидкость превратится в пар, то давление начнет расти пропорционально температуре, как давление идеального газа.

 

Давление насыщенного пара не зависит линейно от объема. Закон Шарля не выполняется

 

Процесс испарения жидкости происходит и при кипении жидкости. При этом парообразование одновременно идет с поверхности и по всему объему жидкости. Внутри жидкости при нагревании образуются  пузырьки, наполненные растворенными в жидкости газами. Пар, находящийся внутри пузырьков, является насыщенным. По мере увеличения температуры объем пузырьков растет, и под действием архимедовой силы они поднимаются к поверхности жидкости. Так как верхние слои жидкости прогреты недостаточно, то давление насыщенного пара в пузырьках уменьшается, и они схлопываются с характерным шумом.

кипение жидкости

По мере нагревания жидкости образуется большое количество пузырьков, наполненных насыщенным паром. Достигая поверхности жидкости, они лопаются, выбрасывая пар в атмосферу. Начинается интенсивное кипение жидкости. При этом давление насыщенного пара внутри пузырьков равно или больше атмосферного. Если атмосферное давление не изменяется, то температура кипения жидкости остается постоянной.

 

 

температура кипения разных жидкостей

 

Температура кипения зависит от рода жидкости, от внешнего давления и наличия в ней примеси.

 

зависимость температуры кипения от давления

 

С понижением давления уменьшается температура кипение жидкости, а с повышением – увеличивается.

 

зависимость температуры кипения от концентрации соли

 

Наличие примесей в жидкости увеличивает температуру кипения.

 

Свойства насыщенного пара учитываются при проектировании и эксплуатации автоклавов и котлов высокого давления, получении сжиженного газа, определении характеристик водяного пара в атмосфере Земли.

 

Влажность воздуха

 

Поскольку 2/3 земной поверхности занимает вода, то в воздухе всегда содержится водяной пар. За год на Земле испаряется 4,25*1014 т воды. По отношению ко всем газам, содержащимся в атмосфере Земли, водяной пар занимает всего около 1%.

 

Для описания состояния водяного пара в атмосфере Земли используют уравнение состояния идеального газа.

Физическая величина, характеризующая содержание в воздухе водяного пара, называется влажностью воздуха.

 

Относительная влажность воздуха определяется как отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара p0 при той же температуре:

формула относительная влажность воздуха

Относительная влажность воздуха показывает, насколько водяной пар в данных условиях далек от насыщения. Именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потери влаги живыми организмами. Для человека наиболее благоприятна относительная влажность, равная 40-60%.

 

В метеорологии важно знать абсолютную влажность воздуха, т.е. массу водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха (плотность водяного пара в воздухе). На практике измеряется в г/м3.

 

С уменьшением температуры воздуха водяной пар переходит в насыщенное состояние. Точка росы характеризует температуру, при которой пар становится насыщенным.

 

Измерение влажности воздуха

психрометр августа

С помощью психрометра фиксируют разницу температур двух термометров – сухого и влажного. По этой разнице и температуре сухого термометра устанавливают влажность воздуха по психрометрической таблице:

 

психрометрическая таблица

 

Действие волосного гигрометра основано на способности обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха.

 

волосной гигрометр

 

Волос соединяется со стрелкой прибора, шкала которого градуируется в процентах относительной влажности.

 

С помощью конденсационного гигрометра измеряют точку росы – температуру, до которой необходимо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар, остывая, стал насыщенным.

 

конденсационный гигрометр

 

Начиная с этой температуры, охлаждение воздуха сопровождается появлением капелек росы на зеркальном сосуде, температуру которого понижают, прокачивая грушей воздух через легкокипящую жидкость.

 

В настоящее время нашли широкое применение как стрелочные, так и электронные цифровые гигрометры с жидкокристаллическим экраном.

типы гигрометров

 

Определенную влажность воздуха нужно поддерживать в библиотеках, музеях для лучшего сохранения книг, картин и других экспонатов. Для уменьшения электризации нитей в ткацких цехах создают высокую влажность. Строгий контроль влажности ведется в кондитерских цехах.

 

Вопросы для самоконтроля по блоку «Реальные газы»

  1. Что называют испарением? Конденсацией?
  2. Укажите причины, от которых зависит скорость испарения жидкости?
  3. Как изменяется внутренняя энергия жидкости при ее испарении?
  4. Чем отличается кипение жидкости от ее испарения?
  5. Опишите процессы, протекающие в закрытом с жидкостью сосуде. Что такое динамическое равновесие?
  6. Какой пар называют насыщенным?
  7. Почему давление насыщенного пара не зависит от объема, в котором он находится?
  8. Нарисуйте и объясните изотерму реального газа.
  9. Изобразите графически и объясните зависимость давления насыщенного пара от температуры при постоянном давлении.
  10. Что понимают под влажностью воздуха?
  11. Что такое абсолютная влажность воздуха? В каких единицах ее выражают?
  12. Что называют относительной влажностью воздуха?
  13. Что такое точка росы?
  14. С помощью каких приборов определяют влажность воздуха?

 

Опорный конспект:

опорный конспект реальные газы

Источник: fizclass.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.