Номер 5, страница 259 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 10. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 46. Взаимные превращения жидкостей и газов. Вопросы - номер 5, страница 259.

Условие.

5. Чем отличается критическая изотерма от изотермы идеального газа (см. рис. 191)?

Решение.

4. Каким способом любой газ можно превратить в жидкость?

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией или сжижением. Чтобы превратить любой газ в жидкость, необходимо создать условия, при которых силы межмолекулярного притяжения станут преобладать над кинетической энергией теплового движения молекул. Это достигается двумя совместными действиями: охлаждением и сжатием.

1. Охлаждение газа. Необходимо понизить температуру газа до значения ниже его критической температуры ($T_{кр}$). Критическая температура — это предельная температура, выше которой газ невозможно сконденсировать в жидкость, какое бы высокое давление к нему ни прикладывалось. Охлаждение уменьшает среднюю кинетическую энергию молекул, делая их движение менее интенсивным.

2. Сжатие газа. Одновременно с охлаждением или после него газ необходимо сжать, увеличивая его давление. Сжатие уменьшает среднее расстояние между молекулами. Когда молекулы сближаются на достаточно малое расстояние, а их кинетическая энергия невелика, силы межмолекулярного притяжения становятся достаточно сильными, чтобы удержать их вместе, формируя жидкое состояние.

Таким образом, для сжижения любого газа его необходимо сначала охладить ниже критической температуры, а затем сжать.

Ответ: Любой газ можно превратить в жидкость путем его охлаждения ниже критической температуры и последующего сжатия.

5. Чем отличается критическая изотерма от изотермы идеального газа?

Критическая изотерма и изотерма идеального газа — это графики зависимости давления $\text{P}$ от объёма $\text{V}$ при постоянной температуре $\text{T}$. Несмотря на то, что они описывают один и тот же тип термодинамического процесса, между ними существуют фундаментальные различия, обусловленные отличиями в поведении реального и идеального газов.

Изотерма идеального газа:

В модели идеального газа пренебрегают силами взаимодействия между молекулами и их собственным объёмом. Изотермический процесс для идеального газа описывается законом Бойля—Мариотта: $PV = const$ при $T = const$. Графиком этой зависимости в координатах ($P, V$) является гладкая кривая — гипербола. При уменьшении объёма давление монотонно и неограниченно возрастает. Эта кривая не имеет никаких особых точек и не описывает фазовых переходов, так как идеальный газ по определению не может перейти в жидкое состояние.

Критическая изотерма реального газа:

Критическая изотерма описывает поведение реального газа при особой, так называемой критической температуре $T = T_{кр}$. Главное её отличие от изотермы идеального газа — наличие критической точки (К).

Критическая точка на графике представляет собой точку горизонтального перегиба. Это означает, что в данной точке касательная к изотерме горизонтальна, и кривая меняет направление своей выпуклости. Математически это выражается условиями: первая и вторая производные давления по объёму при постоянной температуре равны нулю: $(\frac{\partial P}{\partial V})_T = 0$ и $(\frac{\partial^2 P}{\partial V^2})_T = 0$.

Физический смысл критической точки заключается в том, что при критической температуре и критическом давлении исчезает любое различие между жидкой и газообразной фазами вещества. Плотность, показатель преломления и другие физические свойства жидкости и её насыщенного пара становятся идентичными.

Таким образом, основные отличия:

1. Форма графика: Изотерма идеального газа — гладкая гипербола. Критическая изотерма реального газа — кривая с точкой горизонтального перегиба.

2. Описываемые явления: Изотерма идеального газа описывает гипотетический процесс без фазовых переходов. Критическая изотерма описывает реальный процесс при пограничной температуре, выше которой сжижение газа невозможно, а ниже — возможно. Она фиксирует уникальное критическое состояние вещества.

Ответ: Главное отличие критической изотермы от изотермы идеального газа (являющейся гладкой гиперболой) заключается в наличии на ней точки горизонтального перегиба — критической точки. Эта точка соответствует состоянию вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газообразной фазами.