Реальные газы, насыщенный пар; кристаллические и аморфные твёрдые тела
Почему в горах Тянь-Шаня вода кипит холоднее, почему запотевает зеркало в ванной и почему у стекла нет настоящей точки плавления
Главная идея: Модель идеального газа из прошлой темы не учитывает двух фактов о реальных молекулах: они притягиваются друг к другу и занимают объём. Когда газ сжимают или охлаждают, эти факты становятся важны, газ превращается в жидкость, а над жидкостью держится насыщенный пар в динамическом равновесии с ней. Те же межмолекулярные силы, застыв, строят упорядоченную решётку кристалла или замороженный беспорядок аморфного тела вроде стекла.
К концу этой темы вы сможете:
- объяснить, почему реальные газы отклоняются от закона идеального газа при высоком давлении и низкой температуре,
- описать испарение и конденсацию как двусторонний поток молекул,
- дать определение насыщенного пара и объяснить, почему его давление зависит только от температуры,
- связать кипение с давлением насыщенного пара и объяснить, почему в горах вода кипит ниже 100 °C,
- вычислять абсолютную и относительную влажность и находить точку росы,
- объяснить критическую температуру, выше которой газ нельзя сжижить одним давлением,
- сравнивать кристаллические и аморфные тела по порядку, поведению при плавлении и анизотропии.
1. От идеального газа к реальным газам
В прошлой теме вы пользовались уравнением состояния идеального газа pV = νRT. Эта модель опирается на два допущения: молекулы газа не имеют собственного объёма и не притягиваются друг к другу между столкновениями. Для обычного воздуха при комнатной температуре и нормальном давлении эти допущения превосходны - молекулы крошечные и далеко друг от друга, так что ошибка меньше процента.
Реальный газ - это газ, в котором этими двумя фактами уже нельзя пренебречь. Отклонения от закона идеального газа становятся большими ровно в двух случаях:
- Высокое давление. При сильном сжатии молекулы упакованы близко. Занимаемый ими объём уже не мал по сравнению с сосудом, поэтому газ сжать труднее, чем предсказывает идеальный закон.
- Низкая температура. В холодном газе молекулы движутся медленно. Теперь слабое притяжение между молекулами (та же межмолекулярная сила, что удерживает жидкости) успевает стянуть их вместе, снижая давление ниже идеального и в конце концов вызывая конденсацию в жидкость.
Картина Ван-дер-Ваальса: более точное уравнение реального газа добавляет к pV = νRT две поправки: вычитает малый объём b за место, занимаемое молекулами, и прибавляет член внутреннего давления a/V2 за притяжение молекул. Полную формулу в этом году знать не нужно, но запомните идею: у реальных молекул есть размер и "липкость", и оба важны, когда газ плотный.