[Править]Физика реального газа

Чтобы подробнее установить условия, когда газ может превратиться в жидкость и наоборот, простых наблюдений за испарением или кипением жидкости недостаточно. Надо внимательно проследить за изменением давления и объёма реального газа при разных температурах.

Медленно будем сжимать газ в сосуде с поршнем, например сернистый ангидрид (SO₂). Сжимая его, мы выполняем над ним работу, вследствие чего внутренняя энергия газа увеличится. Когда мы хотим, чтобы процесс происходил при постоянной температуре, то сжимать газ надо очень медленно, чтобы теплота успевала переходить от газа в окружающую среду.

Выполняя этот опыт, можно заметить, что сначала при большом объёме давление с уменьшением объёма увеличивается согласно закону Бойля — Мариотта. В конце концов, начиная с какого-то значения, давление не будет изменяться, несмотря на уменьшение объёма. На стенках цилиндра и поршня образуются прозрачные капли. Это означает, что газ начал конденсироваться, то есть переходить в жидкое состояние.

Продолжая сжимать содержимое цилиндра, мы будем увеличивать массу жидкости под поршнем и соответственно, будем уменьшать массу газа. Давление, которое показывает манометр, будет оставаться постоянным до тех пор, пока всё пространство под поршнем не заполнит жидкость. Жидкости мало сжимаемы. Поэтому дальше, даже при незначительном уменьшении объёма, давление быстро будет возрастать.

Поскольку весь процесс происходит при постоянной температуре T, кривую, что изображает зависимость давления р от объёма V, называют изотермой. При объёме V₁ начинается конденсация газа, а при объёме V₂ она заканчивается. Если V > V₁ то вещество будет в газообразном состоянии, а при V < V₂ — в жидком.

Опыты показывают, что такой вид имеют изотермы и всех других газов, если их температура не очень высокая.

В этом процессе, когда газ превращается в жидкость при изменении его объёма от V₁ к V₂, давление газа остаётся постоянным. Каждой точке прямолинейной части изотермы 1—2 соответствует равновесие между газообразным и жидким состояниями вещества. Это означает, что при определённых T и V количество жидкости и газа над ней остаётся неизменным. Равновесие имеет динамический характер: количество молекул, которые покидают жидкости, в среднем равняется количеству молекул, которые переходят из газа в жидкость за одно и то же время.

Также существует такое понятие как критическая температура, если газ находится при температуре выше критической (индивидуальна для каждого газа, например дляуглекислого газа примерно 304 К), то его уже невозможно превратить в жидкость, какое бы давление к нему не прилагалось. Данное явление возникает вследствие того, что при критической температуре силы поверхностного натяжения жидкости равны нулю. Если продолжать медленно сжимать газ при температуре большей критической, то после достижения им объёма, равного приблизительно четырем собственным объёмам молекул, составляющих газ, сжимаемость газа начинает резко падать.

Характером движения и взаимодействия атомов и молекул объясняется различие трёх состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. Этот вид взаимодействия мы называем молекулярным.

В твёрдых телах силы молекулярного взаимодействия проявляются на малых расстояниях между частицами. Силы взаимодействия достаточно велики, так что взаимное положение частиц остается постоянным, молекулы и атомы только колеблются вокруг некоторых устойчивых положений. В тех случаях, когда частицы образуют ячейки геометрической формы, твёрдое тело называют кристаллическим. В “современной” физике считается, что при нагревании твёрдого тела размах колебаний частиц возрастает. Они как бы расталкивают друг друга. Поэтому в процессе нагревания тела расширяются и затем расплавляются, превращаясь в жидкость [7].

Однако это не так. Почему атомы (молекулы) колеблются вокруг некоторых устойчивых положений, а при нагревании колебания увеличивают свою амплитуду? Так ли это на самом деле? Как всё это объяснить? В чём причина колебаний и как они связаны с температурой?

Предлагается другой вариант объяснения.

Вещество состоит из атомов химических элементов или из их химических соединений – молекул. И те, и другие имеют в своем составе электроны, которые обращаются вокруг ядра или вокруг нескольких ядер химического соединения (молекулы). Размер атома или молекулы определяется диаметром орбиты внешних электронов. Атомы или молекулы вещества имеют свои индивидуальные размеры и химический состав. Размеры атомов (молекул) вещества зависят от температуры. Сделаем оговорку, что при объяснении состояний вещества речь идёт о средних вероятностных значениях характеристик микрочастиц связанных с температурой.

Тепловая энергия переносится фотонами инфракрасного диапазона. При нагревании вещества внешние электроны поглощают фотоны инфракрасного диапазона и перескакивают на соответствующую его энергии более дальнюю орбиту, увеличивая тем самым размер атомов (молекул) данного вещества. При остывании вещества внешние электроны излучают фотоны инфракрасного диапазона и перескакивают, соответственно, на внутреннюю орбиту, уменьшая размер атомов (молекул) данного вещества.

Тепловая энергия поступает от нагревателя. Нагревателем может быть пламя огня, нагретый предмет, нагретый газ, инфракрасная лампа, Солнце и многое другое. Во всех этих случаях нагреватель излучает фотоны инфракрасного диапазона. Однако нагрев объекта начинается с поверхности или части поверхности. Затем с нагретой поверхности электроны переизлучают фотоны внутрь вещества объекта. Многократное переизлучение фотонов инфракрасного диапазона внутри вещества объекта является теплопроводностью.

Изменение размеров атомов (молекул) в веществе является линейным или объёмным расширением. Для каждого вещества коэффициент линейного и объёмного расширения разный и зависит от химического элемента (точнее изотопа) или, если химическое соединение, то от его химического состава.

При дальнейшем нагревании вещества размеры атомов (молекул) увеличиваются настолько, что молекулярное взаимодействие ослабевает и твёрдое вещество переходит в жидкое состояние.

Таким образом, в результате нагревания твёрдых веществ:

– увеличиваются размеры атомов (молекул), из которых состоит вещество;

– уменьшаются силы взаимодействия между атомами (молекулами) вещества;

– изменяются физические свойства вещества, в частности уменьшается прочность кристаллических веществ.

В жидкостях молекулярные силы ослаблены, по сравнению с твёрдыми веществами. Положение атомов (молекул) в жидкостях друг относительно друга изменяется. При нагревании жидкости также увеличиваются размеры атомов (молекул), ослабляя молекулярное взаимодействие (вязкость).

Наиболее простым является газообразное состояние вещества. Газ можно представить себе в виде отдельных летающих по всем направлениям молекул. Согласно закону Авогадро при давлении 1атм. и температуре , атомы и молекулы одного грамм-моля газа стараются заполнить объём 22,4 л. Это соответствует десятикратному расстоянию между молекулами, в сравнении с их размерами.

При столкновении они ведут себя как упругие шарики. Среднее расстояние между молекулами газа при нормальном атмосферном давлении более чем в 10 раз превосходит диаметр самих молекул. На таких расстояниях молекулярное взаимодействие себя не проявляет.

Диффузия в газах происходит очень интенсивно. Газ стремиться занять весь предоставленный ему объём, например, сосуда, в котором он находится. Однако газ может сохранять объём и форму, находясь и вне сосуда. В межзвёздном пространстве имеются многочисленные газовые облака. При наблюдениях в телескоп они представляются туманностями. Их плотность в тысячу раз превосходит плотность окружающей среды. В газообразном состоянии находятся Солнце и звёзды. Объём и форма большинства этих объектов на протяжении многих миллионов лет остаются постоянными. Наша Земля имеет газовую оболочку – атмосферу, объём которой тоже можно считать постоянным. Во всех этих случаях рассеянию газа препятствует лишь сила тяготения. Таким образом, газ это состояние вещества, когда молекулярное взаимодействие отсутствует.

Молекулярное взаимодействие также объясняется существованием эфира. Разнообразие состояний вещества объясняется: размерами молекул (атомов), формой “упаковки”, если это твёрдое вещество и условиями, в которых находится вещество (давление, температура и др.).

Если слабое и сильное взаимодействия осуществляются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сблизятся на расстояние 10^-18м и 10^-15м соответственно, то существование твёрдого и жидкого состояний вещества начинается при взаимодействии молекул (атомов) начиная с 10^-10м. Молекулы (атомы) сближаются на критическое расстояние и, когда давление нейтриников с внешних сторон значительно превысит давление с внутренних сторон, происходит “схлопывание” и удержание молекул (атомов) между собой, если это твёрдое или жидкое состояние вещества.

Конечно, молекулярные силы взаимодействия значительно меньше, чем слабое и сильное взаимодействия. Нарушить их действие можно, например, нагреванием.

По характеру взаимодействия между атомами (молекулами), например, расположенных в узлах кристаллической решётки, различают четыре типа связи: молекулярную, ионную, атомную и металлическую. Первый тип связей осуществляется взаимодействием нейтральных молекул. Такая связь оказывается наиболее слабой. Кристаллы с молекулярной связью легко разрушаются и имеют сравнительно низкую температуру плавления. Примером вещества с молекулярной связью является обычный водяной лёд. В этом случае под силами связи надо понимать, что молекулы сближаются на критическое расстояние и когда затенённость от нейтриников сильно увеличивается – они попадают в “ловушку” и будут непрерывно удерживаться между собой. Внешние части взаимодействующих молекул испытывают бóльшее давление от нейтриников, чем внутренние и сохраняют объём вещества в твёрдом едином состоянии. Так эфир удерживает молекулы вещества между собой как единое целое.

При нагревании вещества атомы (молекулы) увеличивают свои размеры, увеличивая расстояния между ядрами атомов и молекул, что ослабляет силы взаимодействия. Этот процесс объясняется следующим образом. Тепло переносится фотонами инфракрасного диапазона. Фотоны поглощаются внешними электронами атомов (молекул) вещества. При поглощении фотона внешний электрон перескакивает на более дальнюю орбиту, увеличивая размеры атомов (молекул) вещества. Расстояния между ядрами атомов и молекул увеличивается и силы взаимодействия ослабевают. При дальнейшем нагревании наступает момент, когда расстояния между ядрами атомов и молекул увеличатся настолько, что силы связи (взаимодействия) ослабевают и твёрдое превратится в жидкость.

Примером кристаллов с ионной связью являются кристаллы поваренной соли. В решётке поваренной соли чередуются положительные ионы натрия с отрицательными ионами хлора.

Этот тип связей, помимо давления нейтриников обеспечивается притяжением разноимённых заряженных ионов (взаимодействие потоков фотоников от разноимённых зарядов).

Атомную связь частиц в кристаллах называют также ковалентной. В этом случае атомы удерживаются в узлах кристаллической решётки, помимо давления эфира (нейтриников), путём обмена внешними электронами. Но это уже очень сомнительно. Атомная связь встречается также в кристаллах сурьмы, оксида кремния и ряда других веществ.

При наличии металлической связи некоторые электроны обобществляются не только с соседними ионами, но и всеми ионами кристаллической решётки. Отрицательный заряд электронного газа, помимо действия эфира, как бы цементирует положительно заряженные ионы в её узлах.

Пространственное расположение атомов (молекул) в кристаллах вещества может изменить их физические свойства. Примером может служить алмаз и графит, разные модификации одного элемента – углерода. Кристалл алмаза состоит из четырёх атомов, расположенных в вершинах правильного тетраэдра, в центре которого находится пятый атом. Таким образом, решётка является прочной и устойчивой. У графита решётка плоская и слоистая, причём слои атомов слабо связаны между собой и удалены друг от друга. “Упаковка” атомов в кристаллах алмаза значительно плотнее, чем в кристаллах графита.

Молекулярным взаимодействием объясняются многие явления такие как вязкость, упругость и другие. В твёрдых телах атомы располагаются строго в определённом порядке, в виде кристаллической решётки и удерживаются между собой непрерывным действием эфира. У некоторых веществ кристаллическая решётка после её деформации может восстановить своё прежнее состояние, которое характеризуется минимальными (оптимальными) размерами между атомами. Итак, эфир старается удерживать атомы кристаллической решётки в её оптимальном состоянии. Силам, деформирующим кристаллическую решётку, противодействуют силы молекулярного взаимодействия, создаваемые эфиром. После прекращения действия сил деформации силы молекулярного взаимодействия возвратят атомы кристаллической решётки в своё прежнее оптимальное состояние.

В подавляющем большинстве случаев твёрдое состояние вещества плотнее жидкого. Однако существует небольшая группа веществ (вода, чугун, висмут, галлий, сурьма и др.), плотность которых в кристаллическом состоянии меньше, чем в жидком [7]. Такое аномальное свойство объясняется своеобразным строением их кристаллической решётки. При охлаждении размеры атомов (молекул) уменьшаются, но геометрическое расположение атомов (молекул) в кристаллической решётке изменяется в сторону увеличения объёма. Например, при кристаллизации воды формируется ажурная решётка с пустотами между колечками атомов. Как показывают исследования, после плавления льда в воде ещё сохраняются элементы пространственной решётки. Они постепенно разрушаются при нагревании до +4 . Именно при такой температуре вода обладает наибольшей плотностью [7]. Чтобы ослабить молекулярное взаимодействие в твёрдом веществе до жидкого состояния (плавление) нужна энергия. Она является теплотой плавления и для различных веществ различная.

Разнообразие состояний вещества объясняется: химическим составом, размерами атомов (молекул), формой “упаковки” кристаллов, а также условиями, в которых находится вещество (давление, температура и др.).

Почему молекулы газа летают, как шарики? Почему происходит диффузия? Почему газ хочет рассеяться? На все эти и другие вопросы ответы будут даны в разделах 27, 28 этой главы.

Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса — уравнение, связывающее основные термодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.

Хотя модель идеального газа хорошо описывает поведение реальных газов при низких давлениях и высоких температурах, в других условиях её соответствие с опытом гораздо хуже. В частности, это проявляется в том, что реальные газы могут быть переведены в жидкое и даже в твёрдое состояние, а идеальные — не могут.

Для более точного описания поведения реальных газов при низких температурах была создана модель газа Ван-дер-Ваальса, учитывающая силы межмолекулярного взаимодействия. В этой модели внутренняя энергия U становится функцией не только температуры, но и объёма.