Разница температур в сосудах

Выполнила: Ковалкова А.А.

Цель: Узнать, разобраться и понять суть критического состояния вещества и критической температуры.
Задачи:
-объяснить значение и раскрыть понятия критического состояния вещества и критической температуры;
-показать их зависимость от веществ на графиках;
-рассказать про изменение плотности жидкости и ее насыщенного пара при критической температуре;
-дать информацию об экспериментальном исследовании критического состояния, выполненного русским ученым.

Критическое состояние вещества

Сходство свойств ненасыщенных паров и газов натолкнуло М. Фарадея на предположение: не являются ли газы ненасыщенными парами соответствующих жидкостей? Если предположение верно, то можно попытаться сделать их насыщенными и сконденсировать. Действительно, сжатием удалось сделать насыщенными многие газы, кроме шести, которые М. Фарадей назвал “постоянными”: это азот, водород, воздух, гелий, кислород, оксид углерода CO.
Чтобы понять, в чем здесь дело, изучим подробнее изотермический процесс сжатия (расширения) пара. Мы видели, что изотерма реального газа отличается от изотермы идеального газа наличием горизонтального участка, соответствующего области существования двухфазной системы: насыщенного пара и жидкости.
Если проводить опыты при более высоких температурах (T1<T2<T3<Tk<T4), то можно обнаружить закономерность, общую для всех веществ

Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа:V1>V’1>V’’1, еслиT1<T2<T3.
Во-вторых, чем выше температура, тем больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь пар конденсируется:
V2<V’2<V’’2.
Следовательно, длина прямолинейного участка изотермы с ростом температуры уменьшается.
Это легко объяснить: с ростом Τ давление насыщенного пара быстро нарастает, и для того, чтобы давление ненасыщенного пара сравнялось с давлением насыщенного, необходимо уменьшение объема. Причина увеличения объема V2 — в тепловом расширении жидкости при нагревании. Так как объем V1 уменьшается, то плотность паров при увеличении температуры увеличивается; увеличение объема V2 свидетельствует об уменьшении плотности жидкости. Это значит, что различие между жидкостью и ее насыщенным паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.[1]
Состояние, соответствующее точке К, в которую обращается горизонтальный участок изотермы при температуре Т = Тк, называют критическим состоянием (критическая точка). Давление и объем в этом состоянии называют критическими. Критическое давление для углекислого газа равно 7,4 · 106 Па (73 атм), а для воды 2,2 · 107 Па (218 атм).
При приближении к критическому состоянию физические свойства вещества резко изменяются: теоретически неограниченно возрастает теплоёмкость и восприимчивость системы к внешним воздействиям (например, изотермическая сжимаемость в случае чистых жидкостей, магнитная восприимчивость у ферромагнетиков и т. д.); наблюдается целый ряд др. особенностей в поведении вещества. Эти особенности, характерные для критического состояния объектов самой различной природы, объясняются тем, что свойства вещества в критическом состоянии определяются не столько конкретными законами взаимодействия его частиц, сколько резким возрастанием в веществе флуктуаций и радиуса их корреляции. Знание особых свойств веществ в критическом состоянии необходимо во многих областях науки и техники: при создании энергетических установок на сверхкритических параметрах, сверхпроводящих систем, установок для сжижения газов, разделения смесей и т. д.
В критическом состоянии жидкость имеет максимальный объем, а насыщенный пар— максимальное давление.[2]
Д. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, которая экспериментально впервые была установлена для многих веществ Т. Эндрюсом и носит название критической температуры.

Критическая температура

Критическая температура Tкр— это такая
температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара
становятся одинаковыми, т.е. находятся в динамическом равновесии. Каждое вещество имеет свою критическую
температуру. Например, критическая температура для углекислоты СО2 равна tк = 31
°С, а для воды —tк= 374 °С.

На изотермах при Т = Tкр горизонтальный участок превращается в точку
перегиба К.

Давление насыщенного пара
какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлением pкр.
Оно является наибольшим возможным давлением насыщенных паров вещества.

Плотность
жидкости и ее насыщенного пара при критической температуре

При увеличении температуры возрастает плотность
насыщенного пара. Плотность жидкости, находящейся в равновесии со своим паром,
наоборот, уменьшается вследствие ее расширения при нагревании.

Если на одном рисунке начертить кривые
зависимости плотности жидкости и ее насыщенного пара от температуры, то для
жидкости кривая пойдет вниз, а для пара — вверх. При критической температуре
обе кривые сливаются, т. е. плотность жидкости становится равной плотности
пара. Различие между жидкостью и паром исчезает.

Существование критической
температуры вещества объясняет, почему при обычных температурах одни вещества
могут быть как жидкими, так и газообразными, а другие остаются газами.

Выше критической температуры
жидкость не образуется даже при очень высоких давлениях.

Причина заключается в том, что
здесь интенсивность теплового движения молекул оказывается настолько большой, что
даже при относительно плотной их упаковке, вызванной большим давлением, молекулярные силы не могут
обеспечить создание даже ближнего, а тем более дальнего порядка.

Таким образом, видно, что
принципиальной разницы между газом и паром нет. Обычно газом называют вещество
в газообразном состоянии, когда его температура выше критической. Паром
называют также вещество в газообразном состоянии, но когда его температура ниже
критической. Пар можно перевести в жидкость одним только увеличением давления,
а газ нельзя.

В настоящее время все газы
переведены в жидкое состояние при очень низких температурах. Последним в 1908
г. переведен гелий (tкр= -269 °С).

 Экспериментальное
исследование критического состояния

Эксперименты по изучению критического состояния
выполнил в 1863 г. русский ученый М. П. Авенариус. Прибор, с помощью которого
можно наблюдать критическое состояние (прибор Авенариуса), состоит из воздушной
ванны и находящейся внутри ванны запаянной стеклянной трубочки (ампулы) с
жидким эфиром. Объем ампулы (ее вместимость) равен критическому объему эфира,
налитого в трубочку. Пространство над эфиром в ампуле заполнено насыщенным
паром эфира.

При комнатной температуре можно отчетливо видеть
границу между жидкостью и паром (рис. а). По мере приближения к критической
температуре объем жидкого эфира увеличивается, а граница раздела жидкость — пар
становится слабовыраженной, неустойчивой (рис. б).При подходе к
критическому состоянию граница между ними исчезает совсем (рис. в).При
охлаждении появляется плотный туман, заполняющий всю трубочку (рис. г). Это образуются капельки жидкости.
Далее они сливаются вместе, и опять возникает граница раздела между жидкостью и
паром (рис.д).

Для опыта выбран эфир, так как он имеет
сравнительно низкое критическое давление (около 36 атм). Критическая
температура его тоже невелика: 194 °С.

Если сжимать газ, поддерживая его температуру
выше критической, причем, как и
раньше, начать с очень больших объемов, то уменьшение объема приведет к
возрастанию давления в
соответствии с уравнением состояния идеального газа. Однако если при
температуре ниже критической при определенном давлении происходила конденсация
пара, то теперь образования жидкости в сосуде наблюдаться не будет. При
температуре выше критической газ нельзя обратить в жидкость ни при каких
давлениях. В этом и состоит основное значение понятия критической температуры.

Заключение

Состояние вещества, характеризуемое критическими параметрами ркр (давление), Vкр (удельный объем), Ткр(температура),
называется критическим состоянием.

Критическая
температура – температура, при которой исчезают различия в физических свойствах
между жидкостью и ее насыщенным паром.

При
критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся
максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром –
минимальной.

Удельная
теплота парообразования, коэффициент поверхностного натяжения при Т=Ткр обращается в нуль.

При
температурах Т>Ткр даже
при очень больших давлениях невозможно превращение пара в жидкость.

При
сверхкритических температурах возможно только парообразное состояние вещества.

Сжижение
газов – превращение их в жидкое состояние.

Оно
возможно лишь при температурах ниже критической. В основе одного из методов,
осуществляемых в холодильных машинах – детандерах, лежит охлаждение газов при
совершении ими полезной работы.

Список литературы и источников:

1.Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория.
Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ.
сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С.
Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 176-178.

2.https://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/4b5079cb-5e22-d635-79ed-f6672176497a/00149789880013251.htm

3. https://rudocs.exdat.com/docs/index-357516.html?page=34