2.4. Газообразное состояние вещества

К основному газовому закону относится уравнение состояния газа Менделеева-Клайперона pV = nRT, где n – число молей газа, R – постоянная, равная 8,314 Дж/(Кмоль) или (лкПа)/(Кмоль). Газ, который подчиняется этому закону, называется идеальным.

Закон Авогадро гласит: в равных объемах всех газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. В одном моле содержится 6,02210²³ молекул. При стандартных условиях моль газа занимает объем 22,4 л.

Предполагается, что существование идеального газа возможно при следующих условиях: газ состоит из большого числа молекул, находящихся в непрерывном движении; молекулы газа не притягиваются друг к другу; время столкновения молекул друг с другом очень мало по сравнению со временем между столкновениями; средняя кинетическая энергия газа пропорциональна абсолютной температуре.

Вследствие непрерывного движения молекулы газа стремятся распространиться по всему объему. Такое распространение называется диффузией, скорость этого процесса обратно пропорциональна корню квадратному из плотности газа.

Поведение реальных газов отклоняется от законов, определенных для идеальных газов. Причиной таких отклонений является межмолекулярное взаимодействие, а также то, что каждая молекула имеет свой собственный объем. Ван-дер-Ваальсом было предложено уравнение состояния газа, учитывающее эти факторы: (p + an² / V²)(V – nb) = nRT.

Здесь постоянная а учитывает межмолекулярные взаимодействия, и ее значение растет с увеличением энергии ван-дер-ваальсовского взаимодействия, а постоянная в учитывает объем молекул, и ее значение увеличивается с увеличением размера молекул.

2.5. Жидкое состояние вещества

При повышении давления расстояние между частицами газа уменьшается и все больше проявляются силы притяжения молекул. При некотором давлении, зависящем от природы вещества и температуры, происходит превращение газа в жидкость – конденсация газа.

Согласно молекулярно-кинетической теории расстояния между частицами жидкости намного меньше, чем в газах, поэтому между ними возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия: дисперсионные, диполь-дипольные и индукционные. Эти взаимодействия удерживают молекулы друг около друга и приводят к их некоторому упорядочиванию или объединению частиц. Небольшие группы частиц, объединенных теми или иными силами, получили название кластеров. В случае одинаковых частиц кластеры в жидкости называются ассоциатами.

Степень упорядоченности повышается с увеличением полярности молекул, так как при этом растут ван-дер-ваальсовы силы. Особенно значительно упорядочение при образовании водородных связей между молекулами. Однако даже водородные связи, и тем более ван-дер-ваальсовы силы, относительно непрочны, поэтому молекулы в жидком состоянии находятся в непрерывном движении, получившем название броуновского движения.

Вследствие непрерывного движения отдельные молекулы могут вырываться из жидкости и переходить в газообразное состояние. Этот процесс называется испарением жидкости. Склонность жидкости к испарению называется летучестью. Вследствие испарения растет парциальное давление пара данной жидкости в газовой фазе над жидкостью, т.е. конденсация пара. При некотором парциальном давлении скорости испарения и конденсации пара становятся равными, и такое давление называется давлением насыщенных паров жидкости.

При парциальном давлении насыщенных паров жидкости, равном атмосферному давлению, образуются пузырьки газа жидкости, и начинается кипение. Температура, при которой достигается это состояние, называется температурой кипения жидкости.

Жидкости обладают текучестью. Сопротивление жидкости текучести носит название вязкости. Вязкость растет с увеличением энергии взаимодействия частиц и зависит от структуры молекул. С увеличением температуры вязкость уменьшается.

Силы молекулярного взаимодействия молекул, находящихся на поверхности, не уравновешены, поэтому результирующая сила направлена в глубь жидкости. Под действием этой силы жидкость стремится к сокращению своей поверхности. Наименьшую поверхность при одинаковом объеме имеет сфера, поэтому капля жидкости принимает форму сферы.

Для образования новой поверхности требуется дополнительная энергия, которая получила название поверхностного натяжения , Дж/м².