Курс физики (стр. 35 из 157)
Рис. 92
При достаточно низких температурах изотерма пересекает ось Fm, переходя в область отрицательных давлений (нижняя кривая на рис. 92). Вещество под отрицательным давлением находится в состоянии растяжения. При некоторых условиях такие состояния также реализуются. Участок 8—9 на нижней изотерме соответствует перегретой жидкости, участок 9—10 — растянутой жидкости.
§ 63. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ РЕАЛЬНОГО ГАЗА
Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии теплового движения его молекул (определяет внутреннюю энергию идеального газа, равную CVT; см. § 53) и потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия. Потенциальная энергия реального газа обусловлена только силами притяжения между молекулами. Наличие сил притяжения приводит к возникновению внутреннего давления на газ (см. (61.1)):
Работа, которая затрачивается для преодоления сил притяжения, действующих между молекулами газа, как известно из механики, идет на увеличение потенциальной энергии системы, т. е. δA = p'dVm = δ∏, или δ∏=
a2 dV , отку-V m
да
(постоянная интегрирования принята равной нулю). Знак минус означает, что молекулярные силы, создающие внутреннее давление р', являются силами притяжения (см. § 60). Учитывая оба слагаемых, получим, что внутренняя энергия моля реального газа
(63.1)растет с повышением температуры и увеличением объема.
Если газ расширяется без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс, т. е. δQ = 0) и не совершает внешней работы (расширение газа в вакуум, т. е. δА = 0), то на основании первого начала термодинамики (δQ =
(U2 – U1) + δA) получим, что
Следовательно, при адиабатическом расширении без совершения внешней работы внутренняя энергия газа не изменяется.
Равенство (63.2) формально справедливо как для идеального, так и для реального газов, но физический смысл его для обоих случаев совершенно различен. Для идеального газа равенство Ut = U2 означает равенство температур (T1 = T2), т. е. при адиабатическом расширении идеального газа в вакуум его температура не изменяется. Для реального газа из равенства (63.2), учитывая, что для моля газа
получаем(63.3)
Так как V2 > V1 (то Т1 > Т2, т. е. реальный газ при адиабатическом расширении в вакуум охлаждается. При адиабатическом сжатии в вакуум реальный газ нагревается.
§ 64. ЭФФЕКТ ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА
Если идеальный газ адиабатически расширяется и совершает при этом работу, то он охлаждается, так как работа в данном случае совершается за счет его внутренней энергии (см. § 55). Подобный процесс, но с реальным газом — адиабатическое расширение реального газа с совершением внешними силами положительной работы— осуществили английские физики Дж. Джоуль (1818— 1889) и У. Томсон (лорд Кельвин, 1824—1907).
Рис. 93
Рассмотрим эффект Джоуля — Томсона. На рис. 93 представлена схема их опыта. В теплоизолированной трубке с пористой перегородкой находятся два поршня, которые могут перемещаться без трения. Пусть сначала слева от перегородки газ под поршнем 1 находится под давлением p1, занимает объем V1 при температуре T1, а справа газ отсутствует (поршень 2 придвинут к перегородке). После прохождения газа через пористую перегородку в правой части газ характеризуется параметрами р2, V2, Т2. Давления p1 и p2 поддерживаются постоянными (р1 > р2).
Так как расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатически), то на основании первого начала термодинамики
(64.1)Внешняя работа, совершаемая газом, состоит из положительной работы при движении поршня 2 (A2 = p2V2) и отрицательной при движении поршня 1 (A1 = p1V1), т. е. δА = А2 —А1. Подставляя выражения для работ в формулу (64.1), получаем
(64.2)Таким образом, в опыте Джоуля — Томсона сохраняется (остается неизменной) вели чина U+pV. Она является функцией состояния и называется энтальпией.
Ради простоты рассмотрим 1 моль газа. Подставляя в формулу (64.2) выражение (63.3) и рассчитанные из уравнения Ван-дер-Ваальса (61.2) значения p1V1 и p2V2 (символ «m» опять опускаем) и производя элементарные преобразования, получаем
4.3)Из выражения (64.3) следует, что знак разности (Т2 – T1) зависит от того, какая из поправок Ван-дер-Ваальса играет большую роль. Проанализируем данное выражение, сделав допущение, что p2 ≈ p1 и V2 ≈ V1
1) а ≈ 0 — не учитываем силы притяжения между молекулами, а учитываем лишь размеры самих молекул. Тогда
т. е. газ в данном случае нагревается; 2) b ≈ 0 — не учитываем размеров молекул, а учитываем лишь силы притяжения между молекулами. Тогда
т. е. газ в данном случае охлаждается;
3) учитываем обе поправки. Подставив в выражение (64.3) вычисленное из уравнения Ван-дер-Ваальса (61.2) значение р1 имеем
(64.4)т. е. знак разности температур зависит от значений начального объема V1 и начальной температуры T1.
Изменение температуры реального газа в результате его адиабатического расширения, или, как говорят, адиабатического дросселирования — медленного прохождения газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, пористую перегородку), называется эффектом Джоуля — Томсона. Эффект Джоуля — Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (∆T < 0), и отрицательным, если газ нагревается (∆T > 0).
В зависимости от условий дросселирования для одного и того же газа эффект Джоуля — Томсона может быть как положительным, так и отрицательным. Температура, при которой (для данного давления) происходит изменение знака эффекта Джоуля — Томсона, называется температурой инверсии. Ее зависимость от объема получим, приравняв выражение (64.4) нулю:
(64.5)Кривая, определяемая уравнением (64.5), — кривая инверсии — приведена на рис. 94. Область выше этой кривой соответствует отрицательному эффекту Джоуля — Томсона, ниже — положительному. Отметим, что при больших перепадах давления на дросселе температура газа изменяется значительно. Так, при дросселировании от 20 до 0,1 МПа и начальной температуре 17° С воздух охлаждается на 35° С.
Рис. 94
Эффект Джоуля — Томсона обусловлен отклонением газа от идеальности. В самом деле, для моля идеального газа pVm=RT, поэтому выражение (64.2) примет вид
откуда следует, что T1 = T2.
§ 65. СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ
Превращение любого газа в жидкость — сжижение газа — возможно лишь при температуре ниже критической (см. § 62). При ранних попытках сжижения газов оказалось, что некоторые газы (С12, СО2, NH3) легко сжижались изотермическим сжатием, а целый ряд газов (О2, N2, HZ, Не) сжижению не поддавался. Подобные неудачные попытки объяснил Д. И. Менделеев, показавший, что сжижение этих газов производилось при температуре, большей критической, и поэтому заранее было обречено на неудачу. Впоследствии удалось получить жидкий кислород, азот и водород (их критические температуры равны соответственно 154,4, 126,1 и 33 К), а в 1908 г. нидерландский физик Г. Камерлинг-Оннес (1853—1926) добился сжижения гелия, имеющего самую низкую критическую температуру (5,3 К).
Для сжижения газов чаще применяются два промышленных метода, в основе которых используется либо эффект Джоуля — Томсона, либо охлаждение газа при совершении им работы.
Схема одной из установок, в которой используется эффект Джоуля— Томсона, — машины Линде[19] — представлена на рис. 95. Воздух в компрессоре (К) сжимается до давления в десятки мегапаскаль и охлаждается в холодильнике (X) до температуры ниже температуры инверсии, в результате чего при дальнейшем расширении газа наблюдается положительный эффект Джоуля — Томсона (охлаждение газа при его расширении). Затем сжатый воздух проходит по внутренней трубе теплообменника (ТО) и пропускается через дроссель (Др), при этом он сильно расширяется и охлаждается. Расширившийся воздух вновь засасывается по внешней трубе теплообменника, охлаждая вторую порцию сжатого воздуха, текущего по внутренней трубе. Так как каждая следующая порция воздуха предварительно охлаждается, а затем пропускается через дроссель, то температура понижается все больше. В результате 6—8-часового цикла часть воздуха (» 5%), охлаждаясь до температуры ниже критической, сжижается и поступает в дьюаровский сосуд (ДС) (см. § 49), а остальная его часть возвращается в теплообменник.