Законы газового состояния
ЗАКОНЫ ГАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ
1.1. Идеальные и реальные газы
Состояние газа можно определить тремя параметрами: давлением р, объемом V и абсолютной температурой Т. Связь между ними описывается газовыми законами, строго применимыми только для так называемых идеальных газов.
Идеальным принято считать воображаемый газ, между молекулами которого отсутствуют силы взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки, лишенные объема.
Установленные в физике газовые законы применимы к идеальным газам, находящимся в так называемом макроскопическом состоянии, когда их можно рассматривать как непрерывную среду. Реальные же газы подчиняются газовым законам при небольших давлениях и средних температурах. В области низких температур и высоких давлений реальные газы сильно отличаются от идеальных, и в газовые законы нужно вносить соответствующие поправки.
Разреженные газы, с которыми приходится иметь дело в физике и технике вакуума, по своим свойствам практически не отличаются от идеальных, поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться газовыми законами без поправок.
1.2. Закон Бойля — Мариотта
Закон Бойля — Мариотта описывает изменения состояния газа, происходящие при постоянной температуре,
и может быть записан в виде
т. е. при неизменных массе и температуре произведение давления газа на его объеАм есть величина постоянная. Такое изотермическое изменение состояния идеального
1.3. Закон Гей-Люссака
Закон Гей-Люссака касается изменений параметров газа, происходящих при постоянном давлении или при постоянном объеме, и описывается выражениями
Графически эти законы изображены на рис. 1.2. Учитывая, 1
что а = 0 = наград и переходя к шкале абсолютных
газа графически изображается равносторонней гиперболой (рис. 1.1).
В общем случае, когда постоянна только температура, а количество газа изменяется (например, в процессе откачки), уравнение (1.1) нужно записывать иначе
Такое написание закона Вопля — Мариотта позволяет утверждать, что при неизменной температуре произведе-’ ние давления газа на занимаемый им объем прямо пропорционально массе газа, а следовательно, количество газа можно выражать в единицах Этим удобно пользоваться при решении многих практических задач вакуумной техники.
т. е. при постоянных массе и давлении объем газа пропорционален его абсолютной температуре.
Точно так же из выражения (1.4) следует
1.4. Закон Авогадро
Закон Авогадро является одним из основных газовых законов, открытых на основании химических исследований, и справедлив только для не очень сильно сжатых газов. Согласно этому закону, при одинаковых давлениях и температурах в одинаковых объемах идеальных газов содержится одно и то же число молекул. Отсюда следует, что любой газ, масса которого численно равна молекулярному весу, занимает один и тот же объем. Так, грамм-молекула газа занимает 22 414 см3 при нормальных температуре и давлении (т. е. 0°С и 760 мм рт. ст.). Этот объем называют молекулярным, или мольным.
Если расчет ведется в системе СИ, где за единицу массы принят килограмм, то масса газа, численно равная молекулярному весу, называется килограмм-молекулой, или киломолем, а объем, занимаемый одной кило-грамм-молекулой, при нормальных условиях равен 22,414 м3.
ператур Т (Т = 273° + /), получаем из (1.3)
идеальных газов
Законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака можно объединить в одно уравнение состояния идеальных газов, называемое уравнением Менделеева — Клапейрона,
Так как произведение Ntn дает массу всего газа, выраженную в данном случае в килограммах, то отношение Мп м .
показывает, сколько взято киломолей газа. Если ко-
Nm . личество газа равно одному киломолю, т. е. = то уравнение состояния идеального газа записывается в виде
Число молекул в одном киломоле, равное Ма=м1гп называется числом Авогадро. Оно постоянно для любого газа и равно 6,02-1026 кмоль~{.
Пользуясь числом Авогадро, уравнение (1.7) можно переписать
6
1.6. Закон Дальтона
Если газ представляет собой смесь различных химически не взаимодействующих газов, то полное давление равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь,
1.7. Различие между газом и паром
В физике вакуума и вакуумной технике часто приходится иметь дело не только с разреженными газами, которые мало чем отличаются от идеальных, но и с парами металлов и других веществ.
Пар — это газообразное состояние веществ в условиях, когда газовая фаза находится в равновесии с жидкой или твердой фазой того же вещества. Однако при изменении температуры это равновесие нарушается и тогда понятие «пар» теряет прежний смысл. Поэтому критерием в таких случаях служит критическая температура Тк, т. е. температура, выше которой вещество может находиться только в газообразном состоянии и никаким сжатием (без понижения температуры) сконденсировать его невозможно.
Таким образом, газообразное вещество называют паром, если его температура ниже критической, и газом, если его температура выше критической.
Средняя комнатная температура (^20° С) намного превышает критическую температуру таких веществ, как водород (7К=—24ГС), кислород (—118° С), аргон (—122,4° С), криптон {—62,5° С). Поэтому в обычных условиях мы называем их газами; Другие газообразные вещества, например ксенон (Гк=!4,7° С), двуокись углерода (Тк=31°С), нельзя относить к «постоянным» газам, так как их критические температуры близки к комнатной.
Без всяких оговорок мы оперируем терминами «пары воды», «пары ртути», «пары различных масел», потому что критические температуры этих веществ намного превышают комнатную. То же самое относится к металлам, критическая температура которых достигает нескольких тысяч градусов, и мы говорим об их газообразной фазе как о парах металлов.
В вакуумной технике для различных целей применяются вещества, которые являются источниками паров. В первую очередь это ртуть и вакуумные масла, используемые в качестве рабочей жидкости для некоторых типов вакуумных насосов и манометров. Кроме того, источниками паров в вакуумных установках могут служить и некоторые твердые вещества, применяемые для обеспечения герметичности различных соединений, в качестве смазок, поглотителей и т. д. Все эти жидкости и твердые вещества создают в вакуумной системе определенное давление насыщенных паров, с которым необходимо считаться при откачке вакуумных приборов.
Если речь идет о применимости газовых законов к парам различных веществ, то нужно помнить, что они справедливы только для паров, не находящихся в состоянии насыщения. К насыщенным же парам применимы лишь закон Авогадро и закон Дальтона, которые не связаны с изменением параметров состояния.