- •Концепции современного естествознания
- •Оглавление
- •1. Естествознание в мировой культуре
- •1.1. Естествознание, как единая наука о природе
- •1.2. Естественнонаучная и гуманитарная культура, их взаимодействие
- •1.3. Естественнонаучная картина мира
- •2. Структурные уровни организации материи и типы материальных систем
- •3. Концепции современной физики в макромире
- •3.1. Новые технологии и прогресс цивилизации
- •3.2. Механическое движение
- •3.3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела
- •3.3.1. Классическая механика и границы ее применения
- •3.3.2. Законы динамики
- •3.3.3. Виды взаимодействия и их учет
- •3.4. Динамика вращательного движения твердого тела
- •3.5. Элементы механики жидкостей
- •3.6. Колебательные и волновые процессы
- •3.6.1. Колебания
- •3.6.2. Свободные, запухающие и вынужденные колебания
- •3.6.3. Автоколебания
- •3.6.4. Волновое движение
- •3.6.5. Звук
- •3.7. Молекулярная физика и термодинамика
- •3.7.1. Основные характеристики и законы молекулярно-кинетической теории идеального газа
- •3.7.2. Основные понятия и законы термодинамики
- •3.7.3. Реальные газы
- •3.7.4. Некоторые свойства жидкостей
- •3.7.4.1. Диффузия в жидкости
- •3.7.4.2. Осмотическое давление
- •3.7.4.3. Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение
- •3.8. Электрические и магнитные явления
- •3.8.1. Электрические заряд и поле
- •3.8.2. Постоянный электрический ток
- •3.8.3. Сопротивление однородного проводника. Сверхпроводимость
- •3.8.4. Высокотемпературная сверхпроводимость
- •3.8.5. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея
- •3.8.6. Газовые разряды. Плазма
- •3.8.7. Магнитное поле
- •3.8.8. Действие магнитного поля на проводник с током и движущийся заряд
- •3.8.9. Электромагнитная индукция
- •3.8.10. Электромагнитные волны и их свойства
- •3.9. Оптические процессы
- •3.9.1.Фотометрические понятия и единицы
- •3.9.2. Основы геометрической оптики
- •3.9.3. Волоконная оптика
- •3.9.4. Интерференция света
- •3.9.5. Дифракция и рассеивание света
- •3.9.6. Поляризация света
- •4. Микромир: концепции современной физики
- •4.1. Тепловое излучение
- •4.1.1. Некоторые примеры использования законов теплового излучения
- •4.2. Фотоэлектрический эффект
- •4.3. Давление света
- •4.4. Модели атома
- •4.5. Основы квантовой механики. Уравнение Шредингера
- •4.6. Принцип неразличимости одинаковых частиц. Принцип Паули. Распределение электронов в многоэлектронных атомах
- •4.7. Поглощение света
- •4.8. Вынужденное излучение
- •4.8.1. Лазерная технология
- •4.9. Понятие о зонной теории твердых тел
- •4.10. Основные характеристики и состав ядра атома
- •4.11. Реакции деления и синтеза атомных ядер
- •4.12. Понятие и типы взаимодействий элементарных частиц
- •5. Мегамир - современные концепции
- •5.1. Современные космологические модели Вселенной и Галактики
- •5.2. Строение и эволюция звезд. Солнечная система. Земля
- •Библиографический список
- •Алфавитно-предметный указатель
- •Часть I
- •644099, Омск, ул. Красногвардейская, 9
3.7.3. Реальные газы
Уравнение состояния реального газа получено в 1873 году голландским физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом, который ввел в уравнение Менделеева-Клапейрона поправку на размер молекул и учел силы взаимодействия между ними. Это уравнение носит его имя и имеет вид:
(3.27)
где а и b поправки на силы взаимодействия молекул и собственной объем. Уравнение Ван-дер-Ваальса хорошо описывает качественную картину явления, но не дает достаточной количественной точности. Однако изучение изотермических процессов привело к весьма интересным в практическом отношении выводам. Прежде всего было введено понятие критической температуры, при которой исчезают
силы сцепления между молекулами жидкости и жидкость превращается в пар независимо от давления и занимаемого объема. Критической называется такая температура, при которой плотность жидкости и ее насыпанного пара становится одинаковой. При температурах же выше критической вещество может существовать только в газообразном состоянии. Газ, температура которого выше критической, не может быть никаким сжатием переведен в жидкое состояние. Следовательно, газ, находящийся при температуре, большей критической, отличается от газа, находящегося при температуре меньшей критической. В этой связи газ, находящийся при температуре, меньшей критической, называется паром. Критические температуры для ряда веществ имеют значения в К: вода - 647, кислород - 154, воздух - 132, водород - 33. Отсюда следует, что вода в нормальных атмосферных условиях находится при температуре, меньшей критической, и поэтому может существовать как в жидком, так и газообразном (парообразном) состояниях. Воздух и водород в нормальных атмосферных условиях могут существовать только в газообразном состоянии.
Внутренняя энергия реального газа является функцией двух параметров: температуры Т и объема V. Для киломоля она определится формулой:
(3.28)
Из выражения (3.28) следует, что внутренняя энергия увеличивается при повышении температуры Т и увеличении объема V.
Если газ будет расширяться или сжиматься без теплообмена с внешней средой и без совершения внешней работы, то согласно первому началу термодинамики его внутренняя энергия должна оставаться постоянной. В этом случае дифференцирование выражения (3.28) даст:
откуда следует, что dT и dV имеют разные знаки. Следовательно, при расширении в таких условиях газ должен всегда охлаждаться, а при сжатии - нагреваться. Понятие критической температуры сыграло большую роль в физике низких температур и технике сжижения газов. Благодаря этому стало очевидным, что любой газ
можно превратить в жидкость путем сжатия с предварительным охлаждением до температуры, меньшей критической. В технике для сжижения газов широко применяются машина Линде и детандеры.
Жидкие газы с низкой температурой кипения хранятся в сосудах Дыоара. Получение жидких газов имеет большое практическое значение хотя бы потому, что физические свойства многих веществ при температуре сжиженных газов подвержены изменениям. Например, многие металлы становятся сверхпроводниками, а гелий при температуре меньше 2,2К становится сверхтекучим. Во многих случаях сами жидкие газы находят применение в практике. Например, жидкий воздух имеет при атмосферном давлении температуру -180°С. При его испарении в первую очередь улетучивается азот и остается жидкий кислород. Таким путем можно отделить друг от друга основные составляющие атмосферного воздуха и использовать их для различных целей. Из чистых азота и водорода при повышенных давлениях на специальных катализаторах получают аммиак. Жидкий кислород применяется в медицине, автогенной сварке, для ускорения доменного процесса. Смешанный с органическими горючими он дает взрывчатые вещества, так называемые оксиликвиты, применяемые в горнорудной промышленности и дорожном строительстве.
Свойства реальных газов широко используются для совершенствования техники и технологии производств.