Материал: Термодинамика. Методичка
Опыт Эндрюса
Свойства реальных газов не только в количественном, но и в качественном отношении отличаются от свойств идеальных газов. Теория идеальных газов не может объяснить фазовые превращения газа и жидкости, она не может установить границы области фазовых переходов, параметры критического состояния.
В 1869 г. английский физик Эндрюс впервые на основании проведенных им экспериментов по изотермическому сжатию СО2 построил pv-диаграмму для реального газа и показал на ней характерные граничные линии и области состояний.
Ранее было известно, что одни газы путем сжатия при комнатной температуре удается перевести в жидкое состояние, другие нет. Не было объяснения этому р явлению.
Проследить за поведением газа в |
4” |
|
|
|||
4’ |
|
|
||||
процессе |
изотермического (t const ) |
4 |
|
|
||
|
|
|
||||
сжатия можно по pv-диаграмме, рис. 2. |
|
|
|
|||
Участок 1-2 кривой сжатия соответству- |
|
3” |
|
|||
|
2” |
|
||||
ет изменению параметров p и v газооб- |
|
3’ |
|
|||
3 |
2’ |
|
||||
разного состояния вещества. В точке 2 |
|
|
||||
|
2 |
|
||||
газ сжимается до объема v”, давление |
|
|
||||
|
|
|
||||
газа достигает величины рн – давления |
|
|
|
|||
насыщения при данной температуре t и |
v’ |
v” |
v |
|||
газ начинает |
конденсироваться при |
|||||
Рис.2. pv-диаграмма |
||||||
tн const |
и pн |
const , процесс 2-3. В |
||||
реальных газов |
|
|||||
точке 3 процесс конденсации завершает-
ся и весь газ переходит в жидкое состояние и занимает объем v’. Кривая 3-4 соответствует процессу сжатия жидкой фазы при t const . Поскольку жидкость плохо сжимается, объем
здесь меняется мало, а давление резко возрастает.
Исследуя зависимость v от р на разных изотермах t, t’, t” и т.д., Эндрюс установил, что чем выше температура, тем меньше разница между удельными объемами сухого насыщенного пара v и насыщенной жидкости v . С повышением температуры
43
t t' t"... точки 2, 2 , 2 …, образующие верхнюю пограничную кривую АК (линия сухого насыщенного пара, x = 1), сближаются соответственно с точками 3, 3 , 3 …, образующими нижнюю пограничную кривую БК (линия кипящей жидкости, х = 0). Здесь х – степень сухости,
х= mс.н.п. mв.н.п.
mс.н.п. ,
mкип.ж. mс.н.п.
где mс.н.п. масса сухого насыщенного пара,
mв.н.п. масса влажного насыщенного пара – смеси ки-
пящей жидкости и сухого насыщенного пара.
Разность удельных объемов v v уменьшается до тех пор, пока при некоторой температуре tкр не станет равной нулю, т.е. v v vкр . Состояние в точке К с параметрами ркр, vкр и tкр назвали критическим. В этой точке исчезают различия между жидкой и газовой фазами. Поэтому, проводя изотермическое сжатие при различных температурах можно графически определить положение критической точки.
Таким образом, для реального газа в pv-диаграмме можно выделить пять характерных состояний:
область жидкого состояния – расположена левее кри-
вой х = 0 (БК), t tнас при данном давлении;
линия кипящей (насыщенной) жидкости, х = 0 (БК),
ttнас ;
область влажного насыщенного пара – двухфазное состояние, где пар и жидкость находятся в равновесии и имеют одинаковые рн и tн. Она расположена между пограничными кривыми х = 0 и х = 1, т.е. в этой области
0 < x < 1, (между БК и АК), t tнас ;
линия сухого насыщенного пара, х = 1 (АК), t tнас ;
область перегретого пара, расположенную правее кривой х = 1 (АК), t tнас при данном давлении.
44
Необходимо отметить, что при t tкр путем простого изо-
термического сжатия попасть в область фазовых переходов нельзя. Таким образом, газы, у которых t tкр , без понижения
температуры нельзя перевести в жидкое состояние.
В Таблице 1 приведены критические параметры некоторых реальных газов.
Таблица 1
Параметры |
Н2 |
N2 |
CO2 |
O2 |
H2O |
Hg |
|
|
|
|
|
|
|
tкр., С |
-239,9 |
-147,0 |
31,05 |
118,4 |
374,15 |
1480 |
ркр., МПа |
1,293 |
3,39 |
7,837 |
5,07 |
22,13 |
147,0 |
vкр., м3/кг |
0,0323 |
0,00322 |
0,002137 |
0,00233 |
0,00326 |
|
Вещество в критическом состоянии имеет ряд особенностей. Критическая изотерма tкр. в критической точке К имеет горизонтальную касательную и перегиб, т.е.
|
p |
|
|
|
|
2 |
p |
|
|
|
|
0 |
и |
|
|
|
0. |
(6) |
|||||
|
|
|
|
|
2 |
||||||
|
|
v |
|
||||||||
|
v Tкр |
|
|
|
|
T |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр |
|
Вблизи этой точки наблюдается |
|
скачек |
теплоемкости |
||||||||
скрp . В точке К теплота парообразования r h h 0, ста-
новятся равными нулю силы поверхностного натяжения , которые являются наиболее ярким проявлением межмолекулярного взаимодействия. Поэтому в этой точке отсутствует межфазная поверхность, здесь наблюдается высокая растворяющая способность вещества.
Особые свойства веществ в критической и околокритической областях состояния в настоящее время уже находят применение в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, химической, нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, в решении экологических проблем. В частности, показано использование суб- и сверхкритических «флюидов» в роли экстрагентов и растворителей в процессах выделения, разделения, очистки и фракционирования [3]. При этом решаются проблемы
45
создания перспективных малоотходных и энергосберегающих технологий.
Проведение опытов
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. Углекислый газ (СО2) находится в толстостенном капилляре 1, выдерживающем давление 7 10 МПа. Давление создается масляным прессом 4 и через ртутный затвор передается сжимаемому газу. Постоянство заданной температуры обеспечивается термостатом, подающим воду в прозрачную ячейку 2 из оргстекла, где помещается капилляр 1.
Изменение объема газа при сжатии и происходящая при этом конденсация четко фиксируется по положению границы ртути в капилляре с помощью шкалы на мерной линейке 7.
Температура в ячейке измеряется ртутным термометром 8, избыточное давление сжимаемого газа – образцовым манометром 9.
8
2 1
7
6
4 9
5
3
Рис.3. Схема экспериментальной установки.
1 |
– стеклянный капилляр, заполненный СО2; 2 – ячейка из оргстек- |
||
ла; 3 – стальной сосуд со ртутью; 4 – масляный пресс; 5 – термо- |
|||
|
2 |
8 |
1 |
стат; 6 – контактный термометр; 7 – мерная линейка; 8 – термометр; |
|||
9 |
– образцовый манометр. |
46 |
|
Перед проведением опытов измерить и записать атмосферное давление В и цену деления шкалы манометра.
Работа выполняется в следующей последовательности:
1.Включить термостат 5. Установить на контактном термометре 6 заданную температуру опыта t1 и дождаться ее стабилизации в измерительной ячейке. Значение этой температуры занести вТаблицу2.
2.Используя масляный пресс 4, сжать газ до появления мениска ртути в поле зрения капилляра 1. Занести в Таблицу 2 показания манометра ризб. (в делениях) и по шкале мерной линейки 7 высоту газа в капилляре l, мм, пропорциональную сжимаемому объему СО2.
3.Повышать давление (по 2 деления шкалы манометра с фиксацией высоты газа l) до появления мениска конденсата над ртутным столбиком (точка 2 на рис. 2). Данные занести в Таблицу 2, где отметить эту точку – как начало процесса конденсации.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|||
№№ опытных точек |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, С |
ризб. |
|
делений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
рабс. |
|
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
l |
|
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
м3/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В = |
|
, мм рт. ст. |
|
|
Шкала манометра 1 дел = |
|
, кгс/см2 |
|||||||||||
4.Довести до давления, соответствующего 50 делениям манометра и перевести вещество в жидкое состояние. Занести в Таблицу 2 высоту жидкости l и отметить в Таблице эту точку (точка 4 на рис. 2).
5.Посредством маслянного пресса понижать давление по 4 делений за опыт, записывая высоту столба жидкости в капилляре. После появления в капилляре газа над жидкостью (точка 3 (рис. 2) – начало парообразования) опыты прекратить.
6.По указанию преподавателя повторить действия п.п. 1-5 при температурах t2 и t3.
7.Показать результаты измерений преподавателю.
47