Изотермы Ван-дер-Ваальса
Уравнение Ван-дер-Ваальса неплохо качественно описывает поведение газа при сжижении, но непригодно к процессу затвердевания.
Уравнение Ван-дер-Ваальса – кубическое уравнение относительно объёма и имеет три корня. С практической точки зрения интересны случаи, когда три корня действительны и одинаковы (соответствует критическому состоянию вещества), и когда три корня действительны и различны. В последнем случае со значениями и смыслом корней поможет разобраться изотерма Ван-дер-Ваальса.
Изотерма Ван-дер-Ваальса приведена на рис.6.6. На изотерме отмечены корни уравнения V 1, V 2, V 3, соответствующие отмеченному давлению Р 1 . Участок ab на изотерме соответствует однофазному газообразному состоянию, участок fg – однофазному жидкому состоянию. Состояния вещества, соответствующие участку cde , на практике не наблюдаются, так как невозможен одновременный рост давления и объёма, поэтому этот участок называют нестабильным [1,2]. Состояния, соответствующие участкам bc и ef на практике можно наблюдать, они называются метастабильными, поскольку очень неустойчивы и для их получения требуется специальная очистка вещества от примесей, наличие которых приводит к нарушению стабильности.
Участок bc соответствует пересыщенному или переохлаждённому пару. Его можно получить, если тщательно очистить пар от центров конденсации.
Участок ef - перегретая жидкость. Её можно получить, тщательно очистив жидкость от центров парообразования.
Работа при изотермическом сжатии по изотерме Ван-дер-Ваальса от объёма V3 до объёма V1 численно равна площади заштрихованной криволинейной трапеции на рис.6.6.
Эта площадь должна быть равна площади прямоугольника V1 fb V3 на том же рисунке, соответствующей экспериментальной изотерме.
Если газ находится при температуре выше критической, то при изотермическом сжатии его нельзя перевести в жидкое состояние. Для сжижения его нужно сначала охладить до температуры ниже критической, а затем наиболее выгодно, то есть изотермически, сжать. В критическом состоянии V1 = V2 = V3 , то есть все три корня действительны и одинаковы. Следует отметить, что для лёгких газов уравнение Ван-дер-Ваальса лучше описывает их состояние.