ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Газ(французское Gaz от греческого Chaos – хаос) – агрегатное состояние веществ, в котором частицы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и

Зависимость фактора сжимаемости

 

Газ (французское Gaz от греческого Chaos – хаос) – агрегатное состояние веществ, в котором частицы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем [1]. Вещества в газообразном состоянии образуют атмосферу Земли, в значительном количестве содержатся в твердых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества состоят из газов – нейтральных или ионизированных (плазмы). В отличие от твердых тел и жидкостей, объем газа значительно изменяется при изменении давления и температуры.

Первые закономерности о поведении газов были установлены в XVII – XIX вв. В 1662 г. английский химик и физик Роберт Бойль (1627-1691), а в 1676 г. французский физик Эдм Мариотт
(1620-1684) показали, что при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно (закон Бойля-Мариотта)

.

В 1787 г. французский ученый Жак Александр Цезар Шарль (1746-1823) установил зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме (закон Шарля)

.

В 1802 французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак
(1776-1850) установил, что если давление газа в процессе нагрева поддерживать постоянным, то объем газа при нагреве будет увеличиваться пропорционально увеличению температуры (закон Гей-Люссака)

.

В 1814 г. итальянский ученый Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Черетто (Амедео Авогадро) (1776-1856) сформулировал закон, который гласит, что "равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул…" (закон Авогадро).

В 1834 г. французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799-1864) объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Авогадро и вывел уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона)

.

В 1874 г. русский ученый-энциклопедист Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) обобщил уравнение Клапейрона и получил универсальное уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона)

,

где р – абсолютное давление газа, Па; v – удельный объем газа, м³/кг; V - объем газа, м³; T – абсолютна температура газа, К; R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг×К); m - масса газа, кг; m - молекулярная масса газа, кг/кмоль; R _m - универсальная газовая постоянная, R _m = 8314 Дж/(моль×К).

Все вышеперечисленные законы и уравнения справедливы для идеального газа – такого газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а размер молекул мал по сравнению с объемом газа (молекулы рассматриваются как материальные точки).

Исследования свойств реальных газов показали, что поведение реальных газов отклоняется от законов идеальных газов, и тем значительнее, чем выше плотность газа, т.е. при высоких давлениях и температурах. Свойства реальных газов в целом нельзя определять по вышеперечисленным уравнениям.

Молекулы реальных газов имеют конечные размеры и между ними существуют силы притяжения и отталкивания, действие которых влияет на все свойства реального газа. При малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, которые могут достигать огромных значений, при значительных расстояниях – действуют главным образом силы притяжения (рис. 1). В связи с этим произведение давления реального газа на его удельный объем при изменении давления и постоянной температуре не остается постоянным.

Неидеальность газа может быть выражена фактором сжимаемости

.

Для идеального газа, подчиняющегося уравнению Клапейрона, фактор сжимаемости равен единице при любых значениях абсолютного давления и температуры. Для реальных газов z может принимать значения как меньше, так и больше единицы.

Для описания термодинамических свойств реальных газов используются различные уравнения состояния. Простейшим из них является уравнение Ван-дер-Ваальса (Ян Дидерик ван дер Ваальс (1837-1923), голландский физик)

,

которое качественно верно описывает основные отличия реального газа от идеального (коэффициент b учитывает размер молекул, а отношение - силы взаимодействия между молекулами).

Наиболее теоретически обоснованным является уравнение состояния Боголюбова-Майера

,

где B, C, D, E и т.д. – вириальные коэффициенты, которые выражают через потенциальную энергию взаимодействия молекул газа и зависят только от температуры.

Для расчета вириальных коэффициентов используют экспериментальные данные по свойствам газов и моделируют взаимодействие между молекулами газа в виде потенциальных функций межмолекулярного взаимодействия, например, потенциала Леннарда-Джонса (12-6)

,

где e - глубина потенциальной ямы (рис. 1), Дж; r – расстояние между молекулами, м; s – значение r, при котором потенциал U равен нулю.

В основу программы, разработанной для выполнения данной лабораторной работы, положено уравнение состояние реального газа с пятью вириальными коэффициентами, значения которых для различных газов определялись по [2].