МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Егорьевский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ЕТИ ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Факультет технологии и управления производствами

Кафедра естественнонаучных дисциплин

Исследование состояния газа Ван-дер-Ваальса

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.10.

г. Егорьевск 2014

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях рассмотрено понятия идеального, физического газов и газа Ван-дер-Ваальса, агрегатных состояний, фазовых переходов и тройной точки, рассмотрены кривые давления насыщенного пара жидкостей и твердых веществ, а так же рассмотрены компьютерная модель, описывающей вещество в газообразном состоянии и его переход в жидкое состояние, и экспериментальное подтверждение закономерностей поведения «реального газа» (газа Ван-дер-Ваальса) с использованием компьютерной программы ООО «Физикон» «Открытая физика 1.1» версия «Виртуальный практикум по физике для ВУЗов». В основе данных методических указаний лежит учебное пособие «Тихомиров Ю.В. Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Молекулярная физика и термодинамика). Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений дневной, вечерней и заочной (дистанционной) форм обучения. -М.:2003.-22 с.»

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Исследование состояния газа Ван-дер-Ваальса

1. Цель работы:

0. Знакомство с компьютерной моделью, описывающей вещество в газообразном состоянии и его переход в жидкое состояние.

1. Экспериментальное подтверждение закономерностей поведения «реального газа» (газа Ван-дер-Ваальса).

2. Оборудование и материалы: компьютерный класс, пакеты прикладных программ для поддержки лабораторного практикума компании ООО «ФИЗИКОН»: «Виртуальный практикум для ВУЗов» или «Открытая Физика» версия 2.5 часть 1.

3. Содержание работы.

3.1 Изучить теоретический материал.

3.2 Определить графически критическую изотерму и значения критических параметров Т_КР, V_КР, p_КР .

3.3 Провести испытания по изучению изотерм газа Ван-дер-Ваальса для заданной температуры Т₁ и заполнить таблицу аналогичную таблице 2 методических указаний.

3.4 Установив новое значение температуры Т из таблицы 1, задавая V_нач = 0.1 дм³, повторите измерения, записывая результаты в таблицы 3,4,5.

3.5 По измеренным значениям критических параметров вычислите константу А = .

3.6 Построить графики по данным таблиц.

3.7 Для каждой изотермы определить значение количества вещества, вычислить среднее значение  и величину константы А’

3.8 Оформить отчет.

4. Теоретические предпосылки работы

4.1 Понятие газа Ван-дер-Ваальса

Физическим газом называется вещество, находящееся в газообразном состоянии.

«Идеальный газ» это название модели, описывающей физический газ, находящийся в сильно разреженном состоянии (при не слишком больших давлениях и достаточно высоких температурах). Уравнением, связывающим параметры состояния идеального газа, является уравнение Менделеева-Клапейрона. Поэтому оно имеет второе название: уравнение состояния идеального газа. Его вид известен:

pV = RT, (1)

где p - давление газа, V - объем газа,  - количество киломолей, R - универсальная газовая постоянная, T - температура газа.

Более точная модель физического (реального) газа была предложена Ван-дер-Ваальсом. Она также является приближенной, но лучше описывает процессы, нежели модель «идеальный газ». Иногда эту модель называют «реальный газ». Газом Ван-дер-Ваальса (ВдВ) называется воображаемый газ (модель), параметры состояния которого точно подчиняются уравнению

. (2)

Оно называется УРАВНЕНИЕМ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА. Здесь a и b - константы Ван-дер-Ваальса.

Добавка к внешнему давлению (а) обусловлена взаимным притяжением молекул друг к другу.

Поправка к объему (b) характеризует ту часть объема, которая недоступна для движения молекул. Она равна нескольким суммарным объемам молекул, содержащихся в газе.

Изотермой называется зависимость давления от объема данного (фиксированного) количества вещества при постоянной температуре.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

На рисунке 1 приведены изотермы некоторого физического (реального) газа, а на рисунке 2 и рисунке 3 - изотермы ВдВ газа (взяты из учебника [1] ).

Изотерма ВдВ газа, имеющая только точку перегиба и не имеющая экстремумов, называется критической. Температура критической изотермы называется критической температурой. Объем и давление в критической точке также называются критическими.

УРАВНЕНИЯ ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ:

V_КР = 3bν, p_КР = , T_КР = ,,.

Отсюда А =  = 0,375. (3)

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии. При температуре ниже критической вещество может находиться как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Жидкое состояние описывается левыми (по отношению к точке перегиба на графике) частями графиков на рисунках и характерно тем, что небольшое уменьшение объема вещества может произойти только при резком увеличении давления (жидкость практически несжимаема).

Изотермы ВдВ примерно совпадают с изотермами реального газа на участках, соответствующих однофазным состояниям вещества.

Рисунок 3 разъясняет поведение вещества при разных внешних условиях. В области, где присутствуют 2 фазы (1-2-3-4) S-образный завиток изотермы ВдВ заменяется горизонтальным участком (1-4) реальной изотермы (см.учебник).

НЕРЕАЛИЗУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ соответствует участку 2-3, на котором сжимаемость вещества была бы отрицательна, что невозможно.

ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫЙ ПАР на участке 3-4 реализуется при определенных условиях (при практическом отсутствии центров конденсации и внешних воздействий).

ПЕРЕГРЕТАЯ ЖИДКОСТЬ на участке 1-2 реализуется при отсутствии примесей, способных быть центрами кипения.