Уравнение Ван-дер-Ваальса в применении к реальным газам для одного моля выглядит так:
где p — давление; V — молярный объём; T — абсолютная температура; R — универсальная газовая постоянная.
Видно, что это уравнение фактически является уравнением состояния идеального газа с двумя поправками. Поправка a учитывает силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь), поправка b — силы отталкивания (из общего объёма вычитаем объём, занимаемый молекулами).
Таким образом, при известных значениях температуры, давления и величин a и b газ образует систему из жидкости и газа (пара). Условия перехода газа в жидкость определяются изотермами состояния вещества.
Изотермой называется кривая зависимости объема газа от давления при постоянной температуре.
На рис. 1 приведен график зависимости давления пара изопентана от мольного объема при нескольких температурах, приведенных на рисунке.
При всех температурах ниже 461 К на изотермах наблюдается горизонтальный участок, который показывает, что бесконечно малое увеличение давления вызывает очень сильное уменьшение объема вследствие превращения газа в жидкость. Правая часть диаграммы (цвет белый) – область существования только одной фазы – газа. Левая часть диаграммы (область темно-серая) – область существования также одной фазы – жидкости. Область сосуществования газа и жидкости отмечена светло-серым цветом.
Рис.1. Изотермы для изопентана. Двухфазная область отмечена светло-серым цветом, область жидкости – темно-серым. Область газа оставлена белой.
Вдоль горизонтальных линий существуют одновременно жидкость и газ, причем примером кривой BZCWD показано, что в области сосуществования двух фаз при постоянном давлении P соответствуют три значения объема V и представлены точками переходных зон B, C и D .
Если жидкость превращается в газ таким образом, что происходит через двухфазную область, то между жтдкой и газообразной фазами будет образовываться поверхность раздела – мениск. Однако, жидкость можно перевести в газ плавно и непрерывно, без образования мениска. Если некоторое количество жидкости, взятое в точке Х, нагреется при постоянном объеме до точки Y, то происходит непрерывный переход жидкости в газ.
При 473 K кривая имеет более сложную форму, свидетельствующую о том, что молекулы притягиваются друг к другу, в результате чего объем становится меньше, чем соответствующий объем идеального газа, в котором такое притяжение отсутствует.
Температура 573 K является критической температурой.
Критическая температура фазового перехода — такая температура, при которой плотность и давление насыщенного пара становится максимальными, а плотность жидкости, находящейся в динамическом равновесии с паром, становится минимальной.
Как было отмечено выше двухфазная область состоит из жидкости и пара. Пар отличается от газообразного состояния тем, что при изотермическом сжатии переходит в жидкое состояние. Газ же при Т>TКР не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Значения PКР, VКР, TКР называются критическими параметрами газа.
