Критическое состояние вещества.

Сходство свойств ненасыщенных паров и газов натолкнуло М. Фарадея на предположение: не являются ли газы ненасыщенными парами соответствующих жидкостей? Если предположение верно, то можно попытаться сделать их насыщенными и сконденсировать. Действительно, сжатием удалось сделать насыщенными многие газы, кроме шести, которые М. Фарадей назвал "постоянными": это азот, водород, воздух, гелий, кислород, оксид углерода CO.

Чтобы понять, в чем здесь дело, изучим подробнее изотермический процесс сжатия (расширения) пара. Мы видели, что изотерма реального газа отличается от изотермы идеального газа наличием горизонтального участка, соответствующего области существования двухфазной системы: насыщенного пара и жидкости.

Если проводить опыты при более высоких температурах , то можно обнаружить закономерность, общую для всех веществ (рис. 1).

Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа: , если .

Во-вторых, чем выше температура, тем больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь пар конденсируется:

Следовательно, длина прямолинейного участка изотермы с ростом температуры уменьшается.

Это легко объяснить: с ростом Т давление насыщенного пара быстро нарастает, и для того, чтобы давление ненасыщенного пара сравнялось с давлением насыщенного, необходимо уменьшение объема. Причина увеличения объема - в тепловом расширении жидкости при нагревании. Так как объем уменьшается, то плотность паров при увеличении температуры увеличивается; увеличение объема свидетельствует об уменьшении плотности жидкости. Это значит, что различие между жидкостью и ее насыщенным паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.

Д. Менделеев установил, что для каждой жидкости должна существовать такая температура, которая экспериментально впервые была установлена для многих веществ Т. Эндрюсом и носит название критической температуры.

Это такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми (рис. 2).

На изотермах при Т = горизонтальный участок превращается в точку перегиба К.

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлением . Оно является наибольшим возможным давлением насыщенных паров вещества.

Объем, который занимает вещество при и , называется критическим объемом . Это наибольший объем, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии.

При критической температуре различие между газом и жидкостью исчезает, и поэтому удельная теплота парообразования становится равной нулю.

Совокупность точек, соответствующих краям горизонтального участка изотерм (см. рис. 1), выделяет в плоскости p-V области существования двухфазной системы и отделяет ее от областей однофазных состояний вещества. Пограничная кривая области двухфазных состояний со стороны больших значений объема описывает состояние насыщенного пара и одновременно представляет собой кривую конденсации (начинается конденсация пара при изотермическом сжатии). Пограничная кривая со стороны меньших объемов представляет собой кривую, на которой заканчивается конденсация при сжатии насыщенного пара и начинается испарение жидкости при изотермическом расширении. Ее называют кривой испарения .

Существование критической температуры вещества объясняет, почему при обычных температурах одни вещества могут быть как жидкими, так и газообразными, а другие остаются газами.

Выше критической температуры жидкость не образуется даже при очень высоких давлениях.

Причина заключается в том, что здесь интенсивность теплового движения молекул оказывается настолько большой, что даже при относительно плотной их упаковке, вызванной большим давлением, молекулярные силы не могут обеспечить создание даже ближнего, а тем более дальнего порядка.

Таким образом, видно, что принципиальной разницы между газом и паром нет. Обычно газом называют вещество в газообразном состоянии, когда его температура выше критической. Паром называют также вещество в газообразном состоянии, но когда его температура ниже критической. Пар можно перевести в жидкость одним только увеличением давления, а газ нельзя.

В настоящее время все газы переведены в жидкое состояние при очень низких температурах. Последним в 1908 г. переведен гелий ( = -269 °С).

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

ОБОРУДОВАНИЕ : ампула с эфиром, прибор Авенариуса, автотрансформатор, термопара, гальванометр, градуировочный график.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТ

И
деальным газом называется совокупность невзаимодействующих материальных точек. Состояние такой идеализированной системы описывается уравнением Менделеева-Клапейрона. В реальных газах, однако, действуют межмолекулярные силы электрического характера. При малом расстоянии между двумя молекулами между ними действуют силы отталкивания. Эти силы определяют "размер" молекул газа, то есть расстояние, ближе которого молекулы сильно отталкиваются друг от друга. По мере увеличения расстояния между двумя молекулами отталкивание уменьшается и затем меняет свой знак, превращаясь в силу притяжения. При дальнейшем удалении молекул друг от друга силы притяжения стремятся к нулю.Взаимодействие между молекулами приводит к тому, что реальные газы при соответствующих температурах и давлениях переходят в жидкое состояние.

На рис. 1 приведены опытные изотермы, полученные сжатием реального газа при постоянной температуре Т=const (T 1 ев на изотерме Т 1 , то давление газа не возрастает. В точке в газ становится насыщенным паром , его дальнейшее сжатие (участок ва ) приводит не к повышению давления, а к превращению насыщенного пара в жидкость. Таким образом, точки изотермы, лежащие на участке между точками a и в , соответствуют двухфазной системе, состоящей из жидкости и ее насыщенного пара, находящихся в равновесии. В точке а весь пар сжижается, система становится однофазной. Дальнейшее сжатие сжиженного газа, участок аf изотермы, сопровождается резким ростом давления.

При определенных условиях (газ без примесей, медленное сжатие) удается получить состояние в-d , называемые перенасыщенным паром . При аналогичных условиях расширения разжиженного газа удается получить состояние а-с , называемые перегретой жидкостью . Состояния перенасыщенного пара и перегретой жидкости недолговечны (метастабильны). Из них система быстро возвращается на участок а-в .

По мере увеличения температуры горизонтальный участок изотерм, соответствующий конденсации насыщенного пара, уменьшается и при некоторой температуре Т кр (Т 3 на рис.1) область перехода сжимается в одну точку К . Состояние газа в точке К называется критическим состоянием вещества , а соответствующие значения температуры, давления и объема называются критическими. При приближении к критической точке исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если T>T кр, то никакое сжатие газа не переводит его в жидкое состояние.

Описание прибора для наблюдения критического состояния вещества и измерение критической температуры.

В настоящей работе критическая температура вещества (этилового эфира) определяется по исчезновению и появлению видимой границы жидкость-пар. Запаянная ампула с эфиром 2 помещена внутри нагревателя 1 , ток для нагревателя подается от сети через автотрансформатор. Температура внутри нагревателя измеряется термопарой 3 . В передней и задней стенках нагревателя имеются застекленные окна: переднее для наблюдения заднее - для освещения. Нагреватель находится внутри толстостенного кожуха с асбестовой изоляцией. Термо ЭДС фиксируется милливольтметром 4 . Градуировочная таблица 5 служит для перевода термо ЭДС в температуру.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Проверить наличие всех частей установки. Ампулу из нагревателя не вынимать ! Включить подсвет. Подключить термопару к гальванометру, подать ток в нагреватель.

ПОСЛЕ НАЧАЛА ОПЫТА НЕ РАЗРЕШАЕТСЯ РАСКРЫВАТЬ КОЖУХ И ПРОИЗВОДИТЬ ВНУТРИ ЕГО КАКИЕ-ЛИБО ИСПРАВЛЕНИЯ.

По мере нагревания наблюдать за показаниями гальванометра, включенного в цепь термопары, и по градуировочному графику судить о температуре внутри нагревателя. Начиная с 160˚С следить за видом мениска в ампуле.

Определить температуру исчезновения мениска Т 1 . Выключить автотрансформатор. Наблюдать за явлениями, происходящими в ампуле. Определить температуру Т 2 появления мениска. Вычислить среднее значение:

(1)

Опыт произвести три раза. Вычислить погрешность определения критической температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Описать характер межмолекулярных сил в реальном газе.

Изобразить на PV – диаграмме изотермы реального газа и интерпретировать их характер.

Изобразить на PV –диаграмме и интерпретировать ход изотерм газа Ван-дер-Ваальса.

Как устроен прибор для наблюдения критического состояния вещества и измерения критической температуры?

Задача. Одной из моделей реального газа, предложенной Бертло, соответствует следующее уравнение состояния:

где a, b- постоянные. Найти Т кр, Р кр и V кр для газа Бертло, выразив эти величины через константы a и b.

ЛИТЕРАТУРА:

Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика.

(Общий курс физики).

Температура тела - один из важнейших факторов, которые необходимы для обмена веществ. Она является показателем состояния организма и меняется в зависимости от влияния внешних и внутренних факторов. При плохом самочувствии и появлении критической температуры необходимо в срочном порядке обратиться в специализированное учреждение. Ведь это может быть предвестником множества заболеваний.

Факторы, влияющие на температуру тела

Меняется из-за влияния различных факторов, как окружающей среды, так и внутренних особенностей организма, например:

Время суток. Температура очень часто меняется из-за изменения времени суток. В связи с этим утром температура тела может быть слегка пониженной (на 0,4-0,7 градусов), но не ниже, чем +35,9°С. А к вечеру температура наоборот может немного повышаться (на 0,2-0,6 градусов), но не выше, чем +37,2°С.

Возраст. У детей температура чаще всего выше, чем 36,6 градусов, а у взрослых людей, которые старше 60-65 лет, обычная температура понижается.

Состояние здоровья. Если в организме человека инфекция, то температура (для борьбы с ней) повышается.

Беременность. У беременных на ранних сроках температура не должна опускаться ниже 36 градусов и подниматься выше 37,5 градусов.

Индивидуальные особенности организма.

Влияние окружающей среды.

Классификация температуры тела

Если проанализировать разные показания термометра, температуру можно подразделить на несколько видов и классификаций.

Виды температуры по одной из классификаций (по уровню гипертермии):

Низкая и пониженная. Значение на термометре ниже 35°С.

Нормальная. Значение на термометре в пределах 35-37°С.

Субфебрильная. Значение на термометре в пределах 37-38°С.

Фебрильная. Значение на термометре в пределах 38-39°С.

Пиретическая. Значение на термометре в пределах 39-41°С.

Гиперпиретическая. Значение на термометре выше 41°С.

Деление температуры в зависимости от длительности:

Подострая.

Хроническая.

Еще одна классификация видов температуры:

Гипотермия - низкая температура тела (менее 35°С).

Нормальная температура. Этот вид температуры тела колеблется между отметкой в 35-37°С и изменяется от многих факторов, о которых шла речь выше.

Гипертермия - повышенная температура тела (выше 37°С).

Температура тела в пределах нормы

Средний показатель температуры тела, как уже было сказано выше, может изменяться под действием разных факторов. Ее можно измерять не только в подмышечных впадинах, но и во рту, в полости уха, прямой кишке. В зависимости от этого данные на термометре могут различаться, значения критических температур будут гораздо выше или ниже норм, представленных здесь.

Во рту показания термометра будут выше на 0,3-0,6°С, чем при измерении в подмышечных впадинах, то есть здесь нормой будет считаться показатель 36,9-37,2°С. В прямой кишке показания термометра будут выше на 0,6-1,2°С, то есть норма - 37,2-37,8°С. В полости уха показания термометра будут такими же, как в прямой кишке, то есть 37,2-37,8°С.

Эти данные нельзя считать точными для каждого человека. По данным многих исследований, такие показатели встречаются у большинства людей - это примерно 90%, но у 10% людей нормальная температура тела отличается от большинства, и показатели могут колебаться в большую или меньшую сторону.

Чтобы узнать то, какая температура является нормой, нужно измерять и записывать показания в течение дня: утром, в обед и вечером. После всех замеров нужно найти среднее арифметическое всех показателей. Для этого нужно утренние, дневные и вечерние показатели сложить и разделить на 3. Полученное число является нормальной средней температурой тела для определенного человека.

Критическая температура тела

Критической может стать как сильно пониженная, так и сильно повышенная. Высокая температура у людей проявляется намного чаще низкой. При снижении температуры до 26-28°С появляется очень большой риск того, что человек впадет в кому, появятся проблемы с дыханием и сердцем, но эти цифры индивидуальны, так как есть множество подтвержденных историй о том, как после сильнейшего переохлаждения до 16-17°С людям удалось выжить. Например, история, в которой говорится о том, что человек провел около пяти часов в огромном сугробе без шанса выбраться и выжить, его температура снизилась до 19 градусов, но его смогли спасти.

Низкая температура тела

Границей пониженной температуры считается температура ниже, чем 36 градусов, либо начиная от 0,5 до 1,5 градусов ниже индивидуальной температуры человека. А границей низкой температуры считается та температура, которая ниже более, чем на 1,5°С от нормальной.

Причин понижения температуры много, например пониженный иммунитет, длительное нахождение на морозе, а исходя из этого переохлаждение тела, болезни щитовидки, стрессы, отравления, хронические заболевания, головокружения и даже банальная усталость.

Если температура тела понизилась до 35°С, то нужно срочно вызывать скорую помощь, т.к. этот показатель в большинстве случаев является критическим и могут возникнуть необратимые последствия!

Какая критическая температура должна насторожить?

Температура, которая начинается с отметки в 37 градусов, считается субфертильной и зачастую свидетельствует о наличии в организме воспалений, инфекций и вирусов. Температуру от 37 до 38 градусов нельзя сбивать с помощью препаратов, т.к. в организме происходит борьба между здоровыми клетками и болезнетворными.

Есть множество симптомов, которые свидетельствуют о повышении температуры, например: слабость, быстрая утомляемость, озноб, боли головы и мышц, потеря аппетита и потливость. На них стоит обращать повышенное внимание, чтобы не допустить повышения температуры до 38,5 градусов.

Критической температурой тела является показатель 42°С, а в большинстве случаев отметка в 40 градусов уже приводит к летальному исходу. Высокая температура приводит к необратимым последствиям в головном мозге, нарушается обмен веществ в тканях мозга.

В таком случае при повышении температуры, выше, чем 38,5 градусов важен постельный режим, прием жаропонижающих и обязательное обращение к врачу или звонок скорой помощи! Чтобы предотвратить летальный исход при очень высокой или низкой температуре не занимайтесь самолечением, а всегда обращайтесь к врачу, который сможет правильно определить причину такой температуры, поставить диагноз и назначить верное и действенное лечение!

Если проводить опыты при более высоких температурах (T 1 < T 2 < T 3 < T k < T 4), то можно обнаружить закономерность, общую для всех веществ (рис. 1).

Во-первых, чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация газа: V 1 > V’ 1 > V’’ 1 , если T 1 < T 2 < T 3 .

V 2 < V’ 2 < V’’ 2 .

Следовательно, длина прямолинейного участка изотермы с ростом температуры уменьшается.

Это легко объяснить: с ростом Τ давление насыщенного пара быстро нарастает, и для того, чтобы давление ненасыщенного пара сравнялось с давлением насыщенного, необходимо уменьшение объема. Причина увеличения объема V 2 - в тепловом расширении жидкости при нагревании. Так как объем V 1 уменьшается, то плотность паров при увеличении температуры увеличивается; увеличение объема V 2 свидетельствует об уменьшении плотности жидкости. Это значит, что различие между жидкостью и ее насыщенным паром в процессе такого нагревания сглаживается и при достаточно высокой температуре должно исчезнуть совсем.

Критическая температура T кр - это такая температура, при которой плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара становятся одинаковыми (рис. 2).

На изотермах при Т = T кр горизонтальный участок превращается в точку перегиба К .

Давление насыщенного пара какого-либо вещества при его критической температуре называется критическим давлением p кр. Оно является наибольшим возможным давлением насыщенных паров вещества.

Объем, который занимает вещество при p кр и t кр, называется критическим объемо м V кр. Это наибольший объем, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии.

Совокупность точек, соответствующих краям горизонтального участка изотерм (см. рис. 1), выделяет в плоскости p-V области существования двухфазной системы и отделяет ее от областей однофазных состояний вещества. Пограничная кривая области двухфазных состояний со стороны больших значений объема описывает состояние насыщенного пара и одновременно представляет собой кривую конденсации (начинается конденсация пара при изотермическом сжатии). Пограничная кривая со стороны меньших объемов представляет собой кривую, на которой заканчивается конденсация при сжатии насыщенного пара и начинается испарение жидкости при изотермическом расширении. Ее называют кривой испарения .

Выше критической температуры жидкость не образуется даже при очень высоких давлениях.

В настоящее время все газы переведены в жидкое состояние при очень низких температурах. Последним в 1908 г. переведен гелий (t кр = -269 °С).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 176-178.