ВЕЩЕСТВО

Любое вещество состоит на микроскопическом уровне из одних и тех же частиц — нейтронов, протонов и электронов, которые образуют атомы и молекулы. Но количество частиц в атомах и молекулах, их взаимное расположение и связи определяют различное макроскопическое (т.е. в больших объемах или масштабах) состояние вещества — в виде газа, жидкости, твердого тела или плазмы.

Газ

Газ — состояние вещества, при котором его частицы (молекулы или атомы) не связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем. Данное определение соответствует модели идеального газа.

Молекулы в газе при давлении 1,01 • 105 Па (1 ат) и температуре 273,16 К (0°С) расположены в среднем на расстоянии 1 • 10-8 м друг от друга, а силы межмолекулярного взаимодействия несущественны уже на расстояниях (0,5—1) * 10-9 м. Это позволяет предполагать, что молекулы движутся хаотично и независимо друг от друга, соударяясь и разлетаясь как механические шары. При более низких давлениях расстояния между молекулами газа еще больше возрастают и его свойства с высокой точностью можно описать моделью идеального газа.

При сделанных предположениях кинетическая теория газов дает уравнение связи между средней кинетической энергией одной молекулы и температурой газа в виде

где т — масса одной молекулы; (у2) — средний квадрат скорости молекул; к = 1,38 • 10-23 Дж/К — константа, называемая постоянной Больцмана; Т — абсолютная температура.

Молекулы газа в своем хаотическом движении соударяются со стенками сосуда или мембраной датчика давления, передавая им часть своего импульса. В единицу времени на единицу площади стенки или мембраны передается импульс р, равный

где п — количество молекул в единице объема.

Выражая в (4.2) произведение массы молекулы на среднюю скорость из (4.1), получим значение импульса, макроскопически воспринимаемого как сила, действующая на единицу площади (т.е. давление):

Удобно рассматривать количество газа, равное массе одного моля, поскольку в этом случае количество молекул постоянно для любого газа и равно числу Авогадро N= 6,022 • 1023 моль-1. Для этого случая последнее выражение переходит в уравнение Клапейрона

в котором R = Nk = 8,314 ДжДмоль • К) — универсальная газовая постоянная; V — объем газа, приходящийся на 1 моль при давлении Р.

Для произвольной массы газа т уравнение (4.3) записывается в виде уравнения Менделеева — Клапейрона:

где р — масса одного моля газа.

Часто в расчетах используется плотность газа р, равная массе газа в единице объема:

С ростом давления молекулы газа сближаются, их взаимодействие становится значительным и уравнение связи параметров газа (при давлениях выше 1 МПа) существенно усложняется по сравнению с (4.3).

Если газ охлаждать, то его плотность растет и при определенной температуре происходит конденсация газа, т.е. его переход в жидкое состояние.

Можно поступить по-другому: при постоянной температуре повышать давление до получения жидкой фазы. Однако для каждого газа есть критическая температура Т , выше которой газ не переходит в жидкое состояние ни при каких давлениях. Минимальное давление, при котором газ еще переходит в жидкое состояние при критической температуре Т , называется критическим давлением Лс-Газе температурой ниже Ткр называется паром.

В табл. 4.1 приведены параметры критической точки и объем Укр 1 кг газа в этой точке для ряда распространенных газов.

Таблица 4.1

Параметры критической точки некоторых газов

Вещество

Химическая

формула

Ркр, МПа

«V *

Водяной пар

Н20

22,115

647,3

0,003147

Азот

м2

3,400

126,20

0,003194

Кислород

02

5,076

154,75

0,00244

Водород

н2

1,294

32,98

0,032

Аргон

Аг

4,8979

150,86

0,001867

Метан

сн4

4,641

190,65

0,617

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >