Номер 4, страница 213 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов. Параграф 6.3. Изотермы реального газа - номер 4, страница 213.

Условие.

4. Какие закономерности обнаруживаются при построении семейства изотерм реального газа?

Решение.

При построении семейства изотерм реального газа, то есть графиков зависимости давления $\text{P}$ от объема $\text{V}$ при постоянной температуре $\text{T}$, обнаруживается ряд фундаментальных закономерностей, которые отличают поведение реального газа от идеального. Эти отличия особенно заметны в области низких температур и высоких давлений.

Во-первых, для каждого реального газа существует особая, так называемая критическая температура $T_k$. Это максимальная температура, при которой вещество еще может существовать в жидком состоянии. Если температура газа выше критической ($T > T_k$), то его невозможно перевести в жидкость, как бы сильно ни повышалось давление. Изотерма, соответствующая критической температуре, называется критической. Она имеет на графике $P(V)$ точку перегиба (критическую точку), в которой плотности жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми, и различие между жидкой и газообразной фазами исчезает.

Во-вторых, при температурах ниже критической ($T < T_k$) изотермы имеют сложный вид, включающий горизонтальный участок. Этот участок соответствует процессу фазового перехода — конденсации газа в жидкость при сжатии или кипения жидкости при расширении. В процессе этого перехода, несмотря на изменение объема системы, давление остается постоянным и равным давлению насыщенного пара при данной температуре. На этом участке в равновесии находятся обе фазы — жидкость и газ. Слева от этого участка (малые объемы) вещество находится в жидком состоянии, и изотерма идет очень круто вверх, что отражает низкую сжимаемость жидкости. Справа от горизонтального участка (большие объемы) вещество является газом, и его поведение с некоторой точностью описывается законами для газов.

В-третьих, с ростом температуры характер изотерм изменяется. Длина горизонтального участка, соответствующего двухфазной системе, сокращается по мере приближения температуры к критической. В критической точке этот участок стягивается в одну точку. При температурах выше критической ($T > T_k$) изотермы становятся гладкими, монотонно убывающими кривыми, не имеющими горизонтальных участков. Это означает, что при таких температурах переход из газообразного состояния в жидкое происходит непрерывно, минуя стадию двухфазного равновесия.

В-четвертых, при достаточно высоких температурах и низких давлениях (то есть при больших объемах) изотермы реального газа приближаются к изотермам идеального газа, которые являются гиперболами, описываемыми уравнением Бойля-Мариотта $PV = \text{const}$. В этих условиях межмолекулярное взаимодействие и собственный объем молекул, которые отличают реальный газ от идеального, играют незначительную роль.

Ответ: Основными закономерностями, обнаруживаемыми при построении семейства изотерм реального газа, являются: наличие критической температуры, выше которой газ не сжижается; наличие на изотермах при $T < T_k$ горизонтального участка, соответствующего фазовому переходу газ-жидкость; изменение формы изотерм с температурой, в частности, стягивание двухфазной области в критическую точку; асимптотическое приближение поведения реального газа к идеальному при высоких температурах и низких давлениях.