Газы при низких температурах

Газы при низких температурах. При обычных температурах и давлениях газы с большой точностью могут считаться идеальными.

Это значит, что молекулы газа ведут себя так, как будто они совершенно не взаимодействуют между собой, и поэтому каждой молекуле приписывается только кинетическая энергия тепловых движений.

В действительности, однако, взаимодействие между частицами всегда существует и молекулы газа на самом деле обладают не только кинетической, но и потенциальной энергией, обусловленной силами взаимодействия и зависящей от их взаимных расстояний. Но при высоких температурах, когда энергией можно по сравнению с ней пренебречь и считать газ идеальным. При низкой же температуре относительная роль потенциальной энергии возрастает, что и вызывает отклонения свойств газов от идеальности.

Закон соответственных состояний, основанный на приведенном уравнении Ван-дер-Ваальса, позволяет сразу определить, является ли данная температура высокой или низкой для того или иного вещества. Низкими, очевидно, должны считаться температуры, при которых близко к единице или меньше единицы. Так, например, для паров воды Тк647,1 К комнатная температура Т290 К это очень низкая температура, потому что. Ее можно считать низкой и для ксенона Тк289,1 К . Но для кислорода Тк154,2 К комнатная температура должна уже считаться высокой, так как значительно больше единицы. Сложность сил взаимодействия между молекулами газа приводит к тому, что при низких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса оказывается недостаточно точным.

При температурах вблизи и ниже критической лучше всего согласуется опытом уравнение состояния в виде ряда для 1 моля, в котором силы взаимодействия находят свое отражение в зависящих от температуры вириальных коэффициентах В, С и т.д. Первый член ряда соответствует отсутствию сил взаимодействия если ограничиться этим членом, то, как видно из уравнения, мы получим уравнение состояния идеального газа. Второй вириальный коэффициент В отражает такие взаимодействия, в которых участвуют две сближающиеся молекулы парное взаимодействие, третий учитывает взаимодействия, связанные с одновременным сближением трех частиц, и т.д. Если давление газа не слишком велико, то играет роль только второй член ряда, т.е. второй вириальный коэффициент, так как и вероятность встречи столкновения трех частиц тем более четырех и больше может стать заметной только при больших плотностях газа. Точное вычисление второго вириального коэффициента может быть произведено только с учетом строения атомов и квантовых законов.

При определенных приближениях уравнение переходит в уравнение Ван-дер-Ваальса.

При самых низких температурах только два вещества водород и гелий могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением. все прочие газы при значительно более высоких температурах твердеют, а упругости их паров становятся ничтожно малыми.

Но в обоих низкотемпературных газах обнаруживаются заметные квантовые эффекты.2 1.2