"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Сжижение газа — превращение газа в жидкость при охлаждении или сжатии. Явление используют в холодильных установках, при хранении и перевозке газов. Главное условие сжижения давлением — температура ниже критической: тогда молекулы сближаются настолько, что силы притяжения вызывают образование жидкости. При критическом состоянии различие между газом и жидкостью исчезает.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сжижение газа — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при охлаждении или сжатии. При этом молекулы сближаются, а силы притяжения между ними становятся заметными. Понятие нужно, чтобы описывать получение и хранение жидких газов.
Критическая температура — температура, выше которой газ нельзя сжижить одним лишь повышением давления. Ниже неё давление может вызвать конденсацию, то есть появление жидкости. Это главный ориентир при выборе условий сжижения.
Критическое давление — давление, соответствующее критическому состоянию вещества. Оно характеризует условия, при которых вещество достигает особой границы между газом и жидкостью. Давление само по себе недостаточно: одновременно должна быть достигнута критическая температура.
Критическое состояние — состояние вещества при критической температуре и критическом давлении, в котором различие между жидкостью и газом исчезает. Жидкость и газ становятся неразличимыми по своим свойствам. Это точка окончания границы фазового перехода.
В газе молекулы находятся далеко друг от друга и движутся почти независимо. При сжатии объём уменьшается, поэтому среднее расстояние между молекулами сокращается. Силы притяжения начинают заметнее влиять на их движение, и при достаточно низкой температуре молекулы могут удерживаться вместе, образуя жидкость.
Если температура ниже критической, медленное сжатие сначала только уменьшает объём газа и повышает давление. Затем наступает момент, когда часть молекул объединяется в жидкость: начинается конденсация. Во время этого перехода газ и жидкость существуют одновременно, а при постоянной температуре давление остаётся почти неизменным, пока весь возможный газ не превратится в жидкость.
Охлаждение уменьшает среднюю кинетическую энергию молекул, то есть делает их движение менее быстрым. Поэтому молекулам легче оставаться рядом и объединяться под действием притяжения. Чтобы сжижить газ давлением, его сначала охлаждают ниже критической температуры, а затем уменьшают объём или повышают давление.
Выше критической температуры быстрое движение молекул препятствует образованию устойчивой жидкой фазы. Даже сильное давление сближает молекулы, но не создаёт отдельную жидкость. Критическое состояние получают при одновременном достижении критической температуры и критического давления; в нём граница между газом и жидкостью исчезает.
Изотерма — график зависимости давления от объёма при постоянной температуре. Ниже критической температуры на ней есть горизонтальный участок: при уменьшении объёма газ конденсируется, а давление не меняется. При критической температуре этот участок вырождается в критическую точку, а выше неё плавной границы перехода газ—жидкость уже нет.
| Условия | Что происходит при сжатии | Результат |
|---|---|---|
| Температура ниже критической | Газ сжимается, затем начинается конденсация при постоянном давлении | Образуются жидкость и остаток газа |
| Температура равна критической | Состояние приближается к критической точке, отдельная граница фаз исчезает | Жидкость и газ неразличимы |
| Температура выше критической | Молекулы сближаются, но конденсации не происходит | Получается только сильно сжатый газ |
| Охлаждение газа перед сжатием | Газ переводят ниже критической температуры, после чего сжатие вызывает конденсацию | Газ можно превратить в жидкость |
Сначала найдите температуру газа и сравните её с критической. Затем определите, будет ли при сжатии фазовый переход или только увеличение плотности газа. Строка про предварительное охлаждение показывает практический порядок действий, если исходная температура слишком велика.
Условие: газ находится при температуре ниже критической. Нужно описать результат медленного увеличения давления. Температура в ходе опыта поддерживается постоянной.
Ответ: сначала газ сжимается, затем начинается конденсация при постоянном давлении. После завершения перехода в сосуде остаётся жидкость, а дальнейшее сжатие снова приводит к росту давления.
Условие: критическая температура вещества равна 150 K, а газ имеет температуру 180 K. Можно ли сжижить его только повышением давления?
Ответ: сжижить газ одним повышением давления нельзя. Сначала его нужно охладить ниже 150 K, а затем сжимать.
Условие: газ имеет температуру 200 K, его критическая температура равна 250 K. Требуется предложить последовательность сжижения.
Ответ: газ сначала охлаждают ниже 250 K, затем сжимают. Оба этапа работают вместе: охлаждение создаёт возможность сжижения, а давление сближает молекулы и запускает конденсацию.
Любой газ можно сжижить давлением. Так считают, потому что при сжатии молекулы действительно сближаются. Проверяйте температуру: выше критической конденсации не будет.
Критическая температура — это температура кипения. Ошибка возникает из-за того, что обе величины связаны с переходами между фазами. Температура кипения зависит от давления, а критическая температура задаёт предел сжижения газа давлением.
При сжижении давление обязательно растёт. Это верно только до начала конденсации. На горизонтальном участке изотермы ниже критической температуры давление постоянно, а уменьшается объём за счёт превращения газа в жидкость.
Критическое давление само по себе гарантирует сжижение. Одного значения давления недостаточно, поскольку результат зависит и от температуры. Сначала сравните температуру с критической, а уже затем оценивайте давление.
Для понимания сжижения нужны знания об агрегатных состояниях, давлении газа и зависимости давления от объёма при постоянной температуре. Эти идеи объясняют, почему сближение молекул может привести к конденсации.
Тема связана с насыщенным паром, кипением и конденсацией. Она также помогает понять работу холодильных установок и способы хранения сжиженных газов в баллонах и резервуарах.
Почему газ нельзя сжижить давлением при любой температуре?
При повышении температуры молекулы движутся быстрее и не удерживаются силами притяжения даже при сближении. Если температура выше критической, одним увеличением давления газ в жидкость не перейдёт.
Что означает критическая температура?
Критическая температура — наибольшая температура, при которой газ ещё можно сжижить повышением давления. Выше неё переход газа в жидкость таким способом невозможен.
Чем критическая температура отличается от температуры кипения?
Температура кипения зависит от внешнего давления и описывает переход жидкости в газ. Критическая температура является постоянной характеристикой вещества и задаёт предел сжижения газа давлением.
Почему перед сжатием газ часто охлаждают?
Охлаждение уменьшает скорость движения молекул и приближает газ к области, где силы притяжения могут создать жидкость. Поэтому газ сначала переводят ниже критической температуры, а затем сжимают.
Что происходит с давлением во время конденсации при постоянной температуре?
При температуре ниже критической во время конденсации давление остаётся постоянным. Уменьшение объёма сопровождается превращением части газа в жидкость, а не ростом давления.
§ 6.7. Сжижение газов
