Для дослідження поведінки реального газу рассмотрімізотерми Ван -дер -Ваальса - криві залежності від при заданих, які визначаються рівнянням Ван-дер-Ваальса для благаючи газу. Ці криві (розглядаються для чотирьох різних температур; рис. 135) мають досить своєрідний характер. При високих температурах ізотерма реального газу відрізняється від ізотерми ідеального газу тільки деяким спотворенням її форми, залишаючись монотонно спадає кривої. При деякій температурі на изотерме є лише одна точка перегину.
Ця ізотерма називається критичною. відповідна їй температура -Критична температурою; точка перегину називається критичною точкою; в цій точці дотична до неї паралельна осі абсцис. Відповідні цій точці обсяг, і тиск називаються також критичними. Стан з критичними параметрами називається критичним станом. При низьких температурах ізотерми мають хвилеподібний ділянку, спочатку монотонно опускаючись вниз, потім монотонно піднімаючись вгору і знову монотонно опускаючись.
При бачу різницю між рідким і газоподібним станом речовини, відмінність в щільності рідини і пара, звертаються в нуль питома теплота пароутворення і коефіцієнт поверхневого натягу (рис. 136).
Для пояснення характеру ізотерм перетворимо рівняння Ван-дер-Ваальса до виду:.
Рівняння Ван - дер - Ваальса при заданих і Т є рівнянням третього ступеня щодо; отже, воно може мати або три речових кореня, або один речовий і два уявних, причому фізичний зміст мають лише речові позитивні коріння. Тому першому випадку відповідають ізотерми при низьких температурах (три значення обсягу газу, і відповідають (символ «» для простоти опускаємо) одному значенню тиску P1, другого випадку - ізотерми при високих температурах.
Розглядаючи різні ділянки ізотерми при (рис. 137), бачимо, що на ділянках 1 -3 і 5 -7 при зменшенні обсягу тиск зростає, що природно. На ділянці 3 -5 стиснення речовини призводить до зменшення тиску; практика ж показує, що такі стани в природі не здійснюються. Наявність ділянки 3 -5 означає, що при поступовому зміні обсягу речовина не може залишатися весь час у вигляді однорідного середовища; в певний момент має настати стрибкоподібне зміна стану і розпад речовини на дві фази. Таким чином, справжня ізотерма матиме вигляд ламаної лінії 7 -6 -2 -1. Частина 6 -7 відповідає газоподібному стану, а частина 2 -1 - рідкому. У станах, відповідних горизонтальному ділянці ізотерми 6 -2, спостерігається рівновага рідкої і газоподібної фаз речовини. Речовина в газоподібному стані при температурі нижче критичної називається парою, а пара, що знаходиться в рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченим.
Якщо через крайні точки горизонтальних ділянок сімейства ізотерм провести лінію, то вийде колоколообразная крива (рис. 138), яка обмежує область двофазних станів речовини. Ця крива і критична ізотерма ділять діаграму, під изотермой на три області: під колоколообразной кривої розташовується область двофазних станів (рідина і насичений пар), ліворуч від неї знаходиться область рідкого стану, а праворуч - область пара. Пар відрізняється від інших газоподібних станів тим, що при ізотермічному стисканні зазнає процес зрідження. Газ же при температурі вище критичної не може бути перетворений в рідину ні при якому тиску.
Порівнюючи ізотерму Ван-дер-Ваальса з ізотермою Ендрюса (верхня крива на рис. 138), бачимо, що остання має прямолінійний ділянку 2 -6, відповідний двофазним станів речовини. Правда, при деяких умовах можуть бути ре-алізовани стану, зображувані ділянками ван -дер-ваальсово ізотерми 5-6 і 2 -3. Ці нестійкі стани називаються метастабільними [51]. Ділянка 2 -3 зображує перегріту рідину, 5 -6 -пересищенний пар. Обидві фази обмежено стійкі.
При досить низьких температурах ізотерма перетинає вісь. переходячи в об-ласть негативних тисків (нижня крива на рис. 139). Речовина під отрицатель-ним тиском знаходиться в стані розтягування. При деяких умовах такі стани також реалізуються. Ділянка 8 -9 на нижній изотерме відповідає перегрівань-тій рідини. ділянка 9 -10 -растянутой рідини.
Ефект Джоуля - Томсона
Наявність потенційної енергії взаємодії молекул проявляється в ефекті Джоуля - Томсона. зміна температури реального газу при зміні його об'єму без теплообміну і без здійснення зовнішньої роботи.
Якщо температура газу знижується. то ефект вважається позитивним; якщо газ нагрівається. то ефект вважається негативним. Якщо при розширенні не нагрівається і не охолоджується, то ефект Джоуля - Томсона дорівнює нулю. Такий стан відображається точкою інверсії. Точка інверсії визначає температуру, поблизу якої ефект змінює свій знак.
Позитивний ефект Джоуля - Томсона використовується при отриманні низьких температур.
Глибокого охолодження газів досягають двома шляхами:
1). Температура газу знижується при його розширенні внаслідок вчинення роботи проти сил зчеплення молекул;
2). Температура газу знижується при адіабатні розширенні внаслідок вчинення роботи проти зовнішніх сил.
Застосування першого способу можливо при охолодженні газу нижче температури інверсії і нижче критичної температури. В даний час піддані зрідження і отвердеванию все гази, включаючи гелій, критична температура якого.