Внутренняя энергия реального газа

Кроме кинетической энергии включает потенциальную энергию взаимодействия молекул газа. Работа, совершаемая при расширении газа против сил взаимного притяжения молекул друг к другу, равна приращению энергии взаимодействия. Ван-дер-Ваальса поправка к давлению. Тогда работа, отсюда потенциальная энергия.

При реальный газ стремится к идеальному и тогда :

.

Ранее для кинетической энергии хаотического теплового движения молекул было получено: .

Внутренняя энергия реального газа, учитывающая и кинетическую и потенциальную энергии:

То есть внутренняя энергия моля Ван-дер-Ваальского газа есть функция состояния газа.

Эффект Джоуля-Томсона

Эффект Джоуля — Томсона заключается в изменении температуры газа в результате адиабатического дросселирования — медленного протекания газа под действием постоянного перепада давления через дроссельное препятствие (например, пористую перегородку Др — дроссель на рис. 9.4). Термин «адиабатическое» означает без теплообмена с окружающей средой. Адиабатичность может быть осуществлена, например, с помощью теплоизолирующей оболочки вокруг канала.

Рис. 9.4.

При перемещении поршня (П) образуется постоянный перепад давлений (). Различают а) положительный эффект для Т, когда температура реального газа понижается и б) отрицательный эффект, когда (для идеального газа T=const). Практический интерес представляет положительный эффект. Положительный эффект наблюдается в области давлений, где преобладают силы притяжения между молекулами. При расширении молекулы газа совершают работу против сил притяжения и температура уменьшается. При этом кинетическая энергия теплового движения газа расходуется на работу против сил молекулярного притяжения.

Изменение температуры может быть значительным. Например, воздух, расширяясь при комнатной температуре от давления 200 атм до давления 1 атм охлаждается примерно на 40.

Процесс используется в технике для сжижения газов. На эффекте Джоуля — Томсона основана работа так называемой машины Линде.

Сжижение газов и получение низких температур Газ может быть превращён в жидкое состояние, если его температура ниже критической и ниже температуры кипения при данном давлении.

Машина Линде (немецкий учёный) (Рис. 9.5).

Атмосферный воздух сжимается компрессором (К) до давления 220 атм. Сжатый воздух проходит по трубопроводу и охлаждается проточной водой до 1015. Далее воздух поступает во внутренний канал.

Рис. 9.5.

змеевика откуда в резервуар (Р), где давление 20 атм. При этом воздух охлаждается на 50 .(Расширение происходит в области положительного эффекта Джоуля — Томсона). Охлаждённый воздух по наружному каналу змеевика отводится к компрессору, охлаждая следующие порции воздуха, идущие по внутреннему каналу и т. д. При температуре 180 и давлением 20 атм. начинается конденсация воздуха. Жидкий воздух стекает в резервуар.

Турбодетандер Капицы (русский учёный, лауреат Нобелевской премии, 1894 — 1984). Газ, сжатый компрессором (К) до давления 6−7 атм, поступает в турбину (Т), расширяется до давления 1,3 атм., совершает работу, охлаждается, далее охлаждает газ, поступающий в компрессор, циркулирует и т. д., и, наконец, конденсируется. Таким методом можно получить жидкие азот, кислород, водород, гелий. (Отметим, что температура кипения жидкого кислорода 90К, азота 78К, водорода 20К, гелия 4,2К).

Применяются жидкие газы в металлургии, медицине, авиации.

Рис. 9.6.