반 데르 발스의 상태 방정식. 반 데르 발스 방정식
반데르발스 방정식– 이상 기체의 상태 방정식과 달리 분자 간의 상호 작용, 즉 짧은 거리에서의 강력한 반발력을 고려한 실제 기체 상태의 모델 방정식 아르 자형분자 질량 중심 사이
() 그리고 그들의 매력은 전반적으로
(아르 자형 > 아르 자형 12) 거리. 여기 아르 자형 1과 아르 자형 2 – 분자의 기체 운동 반경. 어떤 경우에는 단순화를 위해 상호 작용하는 분자의 평균 기체 운동 직경이 사용되며, 이는 분명히 동일한 분자에 대해 사용됩니다.
상태 방정식은 물리적 시스템 상태의 네 가지 열역학적 매개변수 간의 함수 관계입니다. 단일 구성 요소(동일한 유형의 입자로 구성) 물리적 시스템을 설명하려면 4개의 매개변수로 충분합니다. 다양한 입자(예: 공기 - 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등의 혼합물)로 구성된 시스템의 경우 필요한 매개변수의 전체 목록에는 혼합물 구성 요소의 상대 농도가 포함됩니다. 단순화를 위해 단일 구성 요소 시스템만 고려됩니다. 전통적이고 가장 일반적인 상태 매개변수 세트는 시스템의 질량으로 구성됩니다. 중, 압력 피, 용량 V그리고 온도 티. 시스템의 질량을 매개변수 중 하나로 사용하면 해당 시스템을 구성하는 물질의 몰 질량이 알려져 있다고 가정합니다. 상태 매개변수 세트는 실험에 의해 "지시"됩니다. 왜냐하면 여기에 포함된 모든 수량은 매우 간단하고 직접적으로 측정되기 때문입니다. 여기에 두더지 수가 있습니다. 물론 시스템의 입자 수, 부피, 엔트로피 및 내부 에너지( 해당 없음– 아보가드로 수).
이상 기체(상호작용하지 않는 물질 점의 기체)의 상태 방정식은 E. Clapeyron(1834)이 실험적으로 확립된 세 가지 기체 법칙: 1) R. Boyle(1662) 및 E. Mariotte를 결합한 결과로 얻어졌습니다. (1676); 2) 찰스(1785); 3) 게이뤼삭(1802). 이제 이 방정식(여기 아르 자형– 보편적인 기체 상수)
Clapeyron-Mendeleev 방정식이라고 불립니다.
이 특별한 경우에 D.I. Mendeleev의 장점은 위에 쓰여진 이상 기체의 보편적인 상태 방정식을 도출했다는 것입니다. 특히 이상기체 모형에 맞지 않고 분자 상호작용에 의해 발생하는 현상(액체의 표면장력과 이에 수반되는 모세관 현상, 지속적이고 급격한 액체-기체 상전이)을 연구할 때 멘델레예프는 다음과 같은 개념을 도입했다. 나중에 Andrews가 임계 온도라고 부르는 "절대" 끓는점(물질의 임계 상태 온도)은 이미 반 데르 발스 방정식을 직접 적용할 수 있는 영역입니다.
열역학적 특성을 계산할 때 가스 분자 간의 상호 작용을 고려하는 것은 1873년 네덜란드 물리학자 J.D. Van der Waals에 의해 처음 수행되었으며, 그 이름을 따서 그가 얻은 그러한 가스의 상태 방정식이 명명되었습니다. 엄밀히 말하면, 법칙에 따라 R이 증가함에 따라 장거리에 걸쳐 분자의 인력의 위치 에너지가 감소하는 경우 가스를 반 데르 발스라고 부를 수 있습니다.
예를 들어, 쿨롱의 법칙에 따라 장거리에 걸쳐 잠재적인 상호 작용 에너지가 감소하는 하전 입자로 구성된 플라즈마에는 자리가 없습니다.
즉, 상당히 느립니다.
반 데르 발스 힘(R > d0)
분자 및 원자 가스는 본질적으로 매우 보편적입니다. 거의 모든 경우에 상호 작용하는 물체의 상호 방향에 대한 위치 에너지의 양자 기계적 평균화는 점근 법칙(1),(3)으로 이어집니다.
첫째, 이것은 극성 분자의 상호 작용입니다. 자체 전기 쌍극자 모멘트를 갖는 분자(HCl, H 2 O 등과 같은 분자). 해당 힘을 방향성이라고 합니다.
둘째, 극성 분자와 비극성 분자(자체 전기 쌍극자 모멘트가 없음)의 상호 작용: He, Ar, ... N 2, O 2 .... 이러한 상호 작용을 일반적으로 유도성이라고 합니다.
마지막으로 비극성 원자와 분자의 상호작용은 분산 상호작용이다. 분산력의 기원은 양자역학의 틀 안에서만 엄격하게 설명될 수 있습니다. 질적으로 이러한 힘의 출현은 양자 역학적 변동의 결과로 비극성 분자에서 순간 쌍극자 모멘트가 발생하고 전기장이 다른 비극성 분자를 분극시키고 유도된 순간 쌍극자 모멘트가 나타납니다. 비극성 분자의 상호작용 에너지는 그러한 순간 쌍극자의 상호작용 에너지의 양자역학적 평균이다. 분산력은 원자와 분자의 고유 쌍극자 모멘트의 유무에 의존하지 않으므로 항상 발생합니다. 비극성 원자 및 분자의 경우 분산력은 방향 및 유도력보다 수십 배, 심지어 수백 배 더 큽니다. 예를 들어 물 분자 H 2 O와 같이 고유 쌍극자 모멘트가 큰 분자의 경우 분산력은 배향력보다 3배 작습니다. 이러한 모든 힘은 점근적 거동(3)을 가지므로 일반적인 경우 평균 위치 에너지는
짧은 거리에서 분자의 강력한 반발력은 외부로 채워진 전자 껍질이 겹칠 때 발생하며 이는 파울리 배제 원리 때문입니다. 이러한 힘의 의존성은 아르 자형순수하게 고전적인 전기역학의 틀 안에서는 설명될 수 없다. 반발력은 인력보다 더 큰 정도로 상호 작용하는 분자의 전자 껍질의 특정 구조적 특징에 의존하며 이를 결정하려면 번거로운 양자 역학적 계산이 필요합니다. 다음 모델은 실험과 잘 일치합니다.
(5)에서 거리를 절반으로 줄이면 반발력 15가 8,000배 이상 증가하여 "강력한" 반발력에 대해 이야기할 수 있다는 것이 분명합니다.
실제 계산에서는 Lenard-Jones 모델 전위가 널리 사용됩니다((1)과 (5)를 고려).
그림에 표시됩니다. 1. 매개변수인 것을 알 수 있다 디퍼텐셜 우물의 깊이를 의미하며, 매개변수는
크기를 결정합니다: 최소 가로좌표.
그럼에도 불구하고 반 데르 발스 가스의 상태 방정식은 그 자체로 대략적인 것이지만 단단한 구체를 끌어당기는 모델의 틀 내에서 정확하게 얻을 수 있습니다. 이 모델에서는 매우 크지만 작은 거리에서 유한한 반발력이 무한히 큰 힘으로 대체됩니다. 이는 최소점(그림 1) 왼쪽의 수직에 가까운 곡선 전위 장벽을 수직 전위로 대체함을 의미합니다. 해당 지점의 벽: 아르 자형 = 디 0, 그림과 같이 2. 멀리서 의존하는 것 아르 자형공식 (6)에 따르면.
수직 전위벽은 정확히 그 점에 배치됩니다. 아르 자형 = 디 0 = 2아르 자형 0 왜냐하면 두 개의 단단한 볼 중심 사이의 최소 거리는 직경과 같습니다.
거리에 따른 분자의 인력은 상호 작용 에너지와 동일한 가스의 내부 에너지를 보정합니다. 유 업. 가스가 충분히 희박화된 경우 분자의 쌍방향 상호작용에 대한 가정은 매우 정확하게 유효하며 이는 다음과 같은 식으로 이어집니다. 우브즈:
분자의 유한한 부피는 용기 V의 전체 부피를 이동에 사용할 수 없다는 사실로 이어집니다. 기체 분자를 위상 공간에 배치하는 "자유"가 감소하여 결과적으로 매크로 상태의 통계적 가중치가 감소합니다. 그리고 가스의 엔트로피. 부피의 용기를 차지하는 온도를 갖는 이상(분자 - 물질 점) 단원자 기체의 엔트로피 V, 형태를 갖는다
분자 이동에 접근할 수 없는 부피(실제 가스 공)가 다음과 같다면 V 0이면 엔트로피
반경이 두 분자인 경우 아르 자형 0(최소 중심 거리 2) 아르 자형 0, 이동이 불가능한 부피는 구의 부피와 같습니다.
고려 중인 모델의 틀 내에서 매개변수는 ㅏ그리고 비((8)과 (12)의 두 번째 식)은 원자 상수(분자의 직경)입니다. 디 0은 물질의 열역학적 상태 매개변수와 관계없이 온도와 무관한 고정 값으로 간주되지만 엄밀히 말하면 그렇지 않습니다.
주요 열역학적 정체성은 다음과 같은 형태를 갖습니다.
(12) 듀 = TDS – PDV,
이것은 열역학 제1법칙으로, 준정적 과정에서 시스템이 받는 열을 표현하는 것이며 (– PDV) 시스템에서 수행된 작업에 대해 (12)의 압력 식으로부터 반 데르 발스 기체의 상태 방정식을 얻을 수 있습니다.
(13) 색인에서 에스이는 일정한 엔트로피에서 차별화가 필요함을 나타냅니다. (8)과 (11)을 (13)에 대입하면 실제 기체에 대한 반 데르 발스 상태 방정식이 도출됩니다.
가스의 분자 수에서 전환 N몰 수에 대한 치환은 다음을 사용하여 수행됩니다. 여기서 해당 없음– 아보가드로 수와 그에 따른 반 데르 발스 상수의 재정의
이러한 변수에서 반 데르 발스 방정식의 형식은 다음과 같습니다(보편 기체 상수).
반 데르 발스 방정식의 주요 의미는 첫째, 분석 구조의 단순성과 물리적 명확성에 있습니다. ㅏ장거리에 걸친 분자의 인력을 고려하여 보정합니다. 비– 짧은 거리에서의 반발력. 이상기체의 상태방정식은 (16)으로부터 극한까지 전달하여 구해진다. ㅏ → 0,비→ 0. 화살표
둘째, 반 데르 발스 방정식은 (모델의 근사치에도 불구하고) 광범위한 정성적 예측을 가지며 경우에 따라 방정식 (16) 및 유형 분석을 통해 실제 물질의 거동에 대한 반정량적 예측을 수행합니다. 이에 상응하는 등온선을 가지며 상당히 희박한 기체 상태뿐만 아니라 액체 및 2상 상태에서도 물질의 거동과 관련됩니다. 반 데르 발스 모델의 선험적 적용 범위와는 거리가 먼 상태입니다.
쌀. 삼. 반 데르 발스 등온선. 숫자는 주어진 등온선에 해당하는 온도와 물질의 임계 온도의 비율을 나타냅니다. 단위는 임계 등온선에 해당합니다. 티 = 티 cr.
방정식 (16)에는 특별한 점, 즉 변곡점이 있습니다.
이는 실제 물리적 특징, 즉 열역학적 평형 상태에 있는 액체와 증기(액체 및 기체상) 간의 차이가 사라지는 물질의 임계 상태에 해당합니다. 임계점은 다이어그램의 액체-증기 평형 곡선의 끝 중 하나입니다( 피,티), 이 곡선의 다른 쪽 끝은 가스, 액체 및 결정의 세 가지 상이 모두 열역학적 평형 상태에 있는 삼중점입니다. 임계점은 임계 온도에 해당합니다. 티 cr., 임계압력 PCR. 및 임계량 V cr. 임계점 이상의 온도에서는 임계점에서 밀도의 상승 없이 "액체-증기" 전이가 발생하고, 모세관의 메니스커스가 사라지고, 증발열이 0이 되고 등온 압축률(미분에 비례)이 발생합니다. 무한대로 갑니다.
방정식 (17)을 풀면 임계 매개변수와 반 데르 발스 상수 사이의 연결이 제공됩니다. ㅏ그리고 비:
공식 (18)을 통해 상수를 찾을 수 있습니다. ㅏ그리고 비임계 상태의 실험적으로 결정된 매개 변수에 따라. 반 데르 발스 방정식의 정량적 정확성을 나타내는 지표 중 하나는 (18)의 실험값을 따르는 임계 계수의 결과입니다.
| 물질 | 케이 cr, 실험 | 물질 | 케이 cr, 실험 |
| H 2 | 3,03 | 그래서 2 | 3,60 |
| 그 | 3,13 | C6H6 | 3,76 |
| 엔 2 | 3,42 | H2O | 4,46 |
| O2 | 3,42 | CO2 | 4,49 |
(19)의 오른쪽에 있는 적분의 0과 같음은 과정의 폐쇄성과 엔트로피 S와 내부 에너지가 다음과 같다는 사실의 결과입니다. 유– 상태 기능. 적분의 0과 동일하다는 것은 2상 섹션이 다음 영역이 되도록 배치되어야 함을 의미합니다. 에스 1과 에스 2(그림 4)는 동일했습니다(Maxwell의 규칙).
섹션 2–3 및 5–6은 물질의 실제 준안정 상태, 즉 2–3 – 과열 액체, 6–5 – 과냉각(과포화) 증기에 해당합니다. 이러한 상태에서는 기화 및 응축 중심이 없으면 액체 또는 증기가 한동안 존재할 수 있습니다. 액체에 기화 중심이 나타나면 그 자리에 증기 기포가 즉시 나타나고 성장합니다. 마찬가지로, 과냉각 증기에 응축 중심이 나타나면 그 자리에 액체 방울이 즉시 나타나고 성장하게 됩니다. 두 현상 모두 하전 입자의 흔적을 기록하는 데 사용됩니다. 첫 번째 현상은 버블 챔버에서, 두 번째 현상은 안개 챔버(안개 챔버)에서 발생합니다. 기화(응축) 중심의 역할은 액체(증기) 분자와 충돌 시 이온화되어 하전 입자가 경로에 남기는 이온에 의해 수행됩니다. 기포(방울)는 사진을 찍을 수 있을 만큼 충분한 시간 동안 존재하므로 하전 입자가 이동한 궤적을 볼 수 있습니다. 입자의 궤적을 연구하면 입자의 에너지와 운동량을 결정하고 그에 따라 질량을 계산할 수 있는데, 이는 소립자 물리학에서 가장 중요한 작업 중 하나입니다.
물의 온도가 273°C일 때 반 데르 발스 등온선의 최소값은 압력이 0에 도달합니다. 더 낮은 온도(그림 3, 곡선 0.8 및 0.7)에서는 최소값 부근의 압력이 음수가 됩니다. 이는 분자 사이의 인력 작용으로 인해 액체가 "신축에 저항"할 수 있음을 의미합니다(예: 봄). 늘어난 액체(예: 수은)는 한쪽 끝이 밀봉된 약 1m 길이의 유리관을 수은이 담긴 수평 큐벳에 담그면 실험적으로 얻을 수 있습니다. 튜브에 수은을 채운 후 튜브를 흔들리지 않고 천천히 수직 위치로 올리면 튜브에 수은 기둥이 관찰되며 그 길이는 외부 압력에 해당하는 길이, 예를 들어 760mm를 크게 초과합니다.
발레리안 게르비드
다른 가스에 대해 동일한 온도에서 플롯된 등온선은 다르게 보입니다. 그리고 및 관련 임계량 가스마다 다릅니다. 그러나 비이상적인 기체에 대한 등온 방정식을 작성하여 기체의 성질에 의존하지 않는 것이 가능합니다. 보편적일 것입니다. 이를 위해서는 가스 상태의 매개변수가 해당 임계 매개변수와 동일한 비율이면 충분하다는 것이 밝혀졌습니다. 이를 위해 임계량을 사용하여 무차원화되는 무차원 매개변수를 도입합니다.
.
옵션 주어진 매개변수라고 합니다. 반데르발스 방정식에 매개변수 값을 대입해보자 , 주어진 매개변수를 통해 퇴화됩니다. 우리는 다음을 얻습니다:
. (5.12)
(5.12)에서 우리는 값을 대체합니다 
. 그러면 우리는 다음을 얻습니다:
. (5.13)
알려진 관계를 고려하여
.
(5.14)
식 (5.14)는 축소된 상태방정식이다. 이 방정식에는 특정 물질에 특정한 상수가 포함되어 있지 않습니다. 따라서 물질이 3개 중 2개의 동일한 매개변수를 갖는 경우 세 번째 매개변수도 해당 물질에 대해 동일합니다. 이 법을 해당 국가의 법이라고합니다. 이는 물질의 상태를 특징짓는 세 가지 양 중 두 가지를 측정하는 척도를 변경함으로써 즉, 주어진 매개변수를 사용하여 모든 물질의 등온선을 결합할 수 있습니다.
가스의 액화
반데르발스 등온선 분석에서 다음과 같이 모든 기체는 온도가 임계온도보다 낮으면 압축에 의해 액체 상태로 변환될 수 있습니다. 예를 들어, 이산화탄소는 임계온도가 31.1℃이므로 상온에서 액체로 변할 수 있다. 그러나 아무리 압축해도 상온에서 액체 상태로 변할 수 없는 기체도 있다. 이러한 가스에는 예를 들어 공기, 수소, 헬륨, 산소가 포함되며 임계 온도는 실온보다 훨씬 낮습니다. 임계 온도(1822년)가 발견되기 전에는 다루기 힘든 가스로 간주되었습니다. 액화될 수 없는 가스.
이러한 가스를 액화하려면 임계 온도보다 약간 낮은 온도로 냉각해야 하며, 그 후 압력을 증가시켜 가스를 액체 상태로 전환할 수 있습니다. 이러한 방식으로 액화된 가스를 대기압 하에서 (개방형 용기에) 저장하는 것이 편리하지만, 이 경우 압력이 포화 증기에 해당하도록 온도가 훨씬 낮아야 합니다. 등온선의 수평 단면은 1atm과 같습니다. 질소의 경우 이러한 등온선은 -195.8 0 C의 온도에 해당하는 반면 질소의 임계 온도는 -147.1 0 C입니다.
따라서 가스를 액화시키기 위해서는 충분히 냉각되어야 합니다. 이러한 극한의 냉각을 달성하기 위해 두 가지 방법이 사용됩니다. 첫 번째는 소위 Joule-Thomson 효과의 사용과 관련이 있습니다.
줄-톰슨 효과
이 효과를 관찰하기 위해 충분히 높은 압력의 가스가 다공성 단열 칸막이를 통해 강제로 흐르게 됩니다. 이는 유동이 단열적으로 발생함을 의미합니다.
칸막이의 유체역학적 저항으로 인해 압력의 일부가 손실되고 가스가 더 낮은 압력에서 칸막이를 빠져나갑니다. 이는 가스가 팽창하거나 조절되고 있음을 의미합니다. 가스 흐름이 고정되도록 하려면, 즉 일정한 압력 값에서 발생하는 경우 이러한 압력을 일정하게 유지하려면 칸막이 양쪽에 일종의 펌프(압축기)가 필요합니다. 이 펌프는 스로틀 저항을 극복하는 데 사용되는 외부 가스 압축 작업을 생성합니다.
비이상 기체의 경우 줄-톰슨 과정은 온도 변화를 동반하며, 이상 기체의 동일한 팽창은 온도 변화를 일으키지 않음을 보여드리겠습니다.
일정한 압력에서 다른 압력으로 조절하여 단열 팽창 중에 가스의 온도를 변화시키는 현상을 줄-톰슨 효과라고 합니다. 줄-톰슨 과정에서 비이상 기체의 온도 변화는 기체가 팽창함에 따라 분자 사이의 거리가 증가하고 분자 사이의 상호 작용력에 반하여 내부 작업이 수행된다는 사실로 설명됩니다. 이 작업으로 인해 분자의 운동 에너지가 변하고 결과적으로 온도도 변합니다.
정량적으로 Joule-Thomson 효과는 미분 Joule-Thomson 계수를 특징으로 합니다. , 이는 가스 온도 변화와 이를 유발한 압력 변화의 비율에 의해 결정됩니다. :
이 계수를 계산하기 위해 다음 다이어그램을 사용하여 이 프로세스를 자세히 분석합니다.
1몰의 기체가 부피를 차지하게 하라
칸막이와 피스톤 사이
(그림 7), 파티션을 통과한 후 - 볼륨
칸막이와 피스톤 사이 .
가스가 압축되면 압력이 높아지기 때문에
외부 작업은 일정하게 유지됩니다. 
.
칸막이를 통과하는 가스는 팽창하여 일을 합니다. .
일반가스 팽창공사
.
줄-톰슨 과정은 단열 과정이기 때문입니다. 열역학 제1법칙에 따르면 일은 내부 에너지의 변화량과 같아야 합니다.
어디 그리고 팽창 전후의 기체 1몰의 내부 에너지이다. 이 표현식은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.
열역학적 잠재력 우리는 그것을 엔탈피라고 불렀습니다. 따라서 줄-톰슨 과정은 엔탈피가 파티션의 양쪽에서 일정하게 유지되는 방식으로 발생합니다.
이상기체의 경우 그리고 온도에만 의존하므로 엔탈피 온도에만 의존합니다. 칸막이 양쪽의 엔탈피가 동일하다는 것은 온도가 동일하다는 의미이기도 합니다. 이는 이상기체의 경우 줄-톰슨 계수가 0임을 의미합니다. 비이상 기체의 경우 내부 에너지는 온도뿐 아니라 부피에도 영향을 받습니다. , 가스가 차지합니다. 게다가, 볼륨에 따라 다릅니다. 따라서 비이상적인 기체의 경우 격벽 측면의 엔탈피가 동일하다고 해서 온도가 동일하다는 의미는 아닙니다.
실제로 경험에 따르면 질소, 산소, 이산화탄소와 같은 대부분의 가스는 실내 온도에서 조절하는 동안 냉각됩니다. 그러나 수소나 헬륨과 같은 가스는 동일한 조건에서 가열됩니다.
줄-톰슨 과정은 되돌릴 수 없으므로 엔트로피가 증가합니다. .
위에 표시된 엔탈피 미분에 대한 표현은 다음과 같은 형식을 갖습니다.
. (5.15)
엔트로피 미분에 대해 식 (1.51)을 사용해 보겠습니다. 온도 변화를 통해 그리고 압력 변화 :
.
이 식을 (5.15)에 넣으면 다음과 같은 결과를 얻습니다.
.
여기에서 Joule-Thomson 계수에 대한 표현식을 얻습니다.
, (5.16)
어디 - 가스의 부피 팽창 계수. 에 대한 표현식에 포함된 모든 수량 기체 상태 방정식을 알면 결정될 수 있습니다.
공식 (5.16)에서 계수의 부호는 다음과 같습니다. 크기에 따라 달라집니다 .
~에 , ~에 . 이상기체의 경우 . 실제 가스의 경우 긍정적일 수도 있고 부정적일 수도 있습니다. 또한, 동일한 온도 범위의 동일한 가스에 대해 다른 때에는 긍정적일 수도 있고 부정적일 수도 있습니다. 온도가 있다 , 주어진 가스의 특성으로, 줄-톰슨 계수의 부호가 변경됩니다. 이 온도를 반전온도라고 합니다.
반 데르 발스 가스에 대한 줄-톰슨 계수를 계산해 보겠습니다. 이를 위해서는 미분계산이 필요하다. . 이를 위해 반 데르 발스 방정식(5.5)의 왼쪽에 있는 괄호를 열고 다음을 얻습니다.
.
방정식의 양변을 다음과 같이 구별해 보겠습니다. ~에 :
.
대신에 반 데르 발스 방정식(5.5)에서 그 값을 대입하고 다음을 얻습니다.
.
대괄호 안의 표현을 공통 분모로 가져오면 다음과 같은 결과를 얻습니다.
대괄호를 변환하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.
.
이 식을 (5.16)에 넣으면 다음과 같은 결과를 얻습니다.
.
대괄호를 공통 분모로 줄이면 Joule-Thomson 계수에 대한 다음과 같은 표현식을 얻을 수 있습니다.
,
이는 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.
. (5.17)
가스 압력이 그다지 높지 않은 경우(약 100-200 atm.) , (5.17)에서는 무시될 수 있다. 그 다음에
.
이 공식에서 Joule-Thomson 계수는 다음과 같은 경우 양수임이 분명합니다. 또는 . ~에 톰슨 계수 , 저것들. 스로틀링을 하면 가스가 뜨거워집니다. 반전 온도 평등에 의해 결정된다 .
상온에서 진행된 줄-톰슨 실험에서 팽창하는 동안 수소는 가열되고 다른 기체는 냉각된다는 사실은 물론 수소의 특별한 성질은 아니다. 반전 온도보다 높은 온도에서 실험을 수행하면 모든 가스는 동일한 특성을 나타냅니다.
연구 자료의 자제력에 대한 질문
실제 가스
1. 실제기체와 이상기체의 차이점은 무엇인가요? 어떤 조건에서 가스 거동에 Mendeleev-Clapeyron 법칙의 편차가 발생합니까?
2. 반 데르 발스 방정식의 수정이 갖는 물리적 의미는 무엇입니까? 계산 방법은 다음과 같습니다. a) 분자 운동 이론에서; b) 임계 상태의 매개변수를 통해?
3. 다양한 온도에 대한 반 데르 발스 등온선은 PV 그래프의 어디에 위치합니까? 반 데르 발스 등온선은 어떤 형태를 갖습니까? a) 임계 이하 온도의 경우; 6) 임계 이상의 온도에 대해?
4. 동일한 가스에 대한 반 데르 발스 등온선과 실험 곡선을 비교합니다.
5.어떤 줄-톰슨 효과를 양수라고 하고, 어떤 것을 음수라고 하나요?
6. 반전 온도는 어떤 매개변수에 따라 달라지나요? 이 종속성을 작성하는 방법은 무엇입니까? 반전 온도의 물리적 의미는 무엇입니까?
7. 포화증기란 무엇입니까? 포화 증기압은 어떻게 결정됩니까?
8. 수량에는 어떤 물리적 의미가 있습니까? 비, V-b, ㅏ/V 2가 반 데르 발스 방정식에 포함됩니까?
9. 두 가지 다른 가스를 동일한 양으로 섭취하고 동일한 부피와 온도를 갖는 경우 반 데르 발스 방정식을 사용하여 압력을 계산했습니다. 결과는 동일한 매개변수를 갖는 이상기체의 압력과 비교되었습니다. 한 가스의 압력은 이상 가스의 압력보다 크고 다른 가스의 압력은 더 낮다는 것이 밝혀졌습니다. 얻은 압력의 차이를 어떻게 설명할 수 있습니까?
10. 반 데르 발스 방정식을 풀어 얻은 부피에 대한 압력의 의존성은 그림 1에 나와 있으며, 실험 곡선은 그림 2에 나와 있습니다. 그래프의 차이점을 설명하는 것은 무엇입니까?
그림 1 그림 2
12. 그래프(그림 2)의 상태가 1,2,3 지점에 의해 결정된다면 물질은 어떤 응집 상태에 있습니까?
13. 그림의 곡선의 ab, bb, dl 단면에 해당하는 물리적 상태는 무엇입니까? 1?
14.그림 1에서 음영처리된 부분의 값에 대해 무엇을 말할 수 있나요?
15. 물질의 온도가 증가함에 따라 그림 1에 표시된 그래프의 과정은 어떻게 변합니까?
16. 두 개의 상으로 구성된 물질을 담고 있는 밀폐된 용기에서는 일정한 압력이 유지됩니다. 온도는 임계보다 작은 값에서 임계보다 큰 값으로 점차 증가합니다. 다음 경우에 대해 좌표 평면 VT에 프로세스의 대략적인 그래프를 그립니다. a) 압력이 임계 압력과 같습니다. b) 압력이 임계보다 큽니다. c) 압력이 임계보다 낮습니다. 임계 이상의 온도에서 물질은 이상 기체의 특성을 갖는다는 점을 고려하십시오.
17.상온에서 조절 과정이 진행되는 동안 수소는 가열되고 산소는 냉각된다는 것을 설명하는 것은 무엇입니까?
18.줄-톰슨 실험에서 기체의 내부에너지 증가의 부호는 무엇입니까? 엔트로피? 온열기능? (엔탈피)
19.실제 기체의 압축 과정에 대한 실험적 등온선을 그리고 그래프의 진행 과정을 설명하십시오.
20.계수의 의미는 무엇입니까? V 반 데르 발스 방정식은 원자 크기로 어떻게 표현됩니까?
21.계수의 의미는 무엇인가요? ㅏ 반데르발스 방정식은 어떻게 결정되나요?
22.반 데르 발스 등온선을 그리고 어떤 상태가 등온선의 다른 부분에 해당하는지 표시합니까?
23.임계온도란 무엇인가요?
24.3a 실제 가스의 압축률은 저압에서 이상압보다 크고 고압에서는 압축률이 낮은 물리적 요인은 무엇입니까?
25.2상 상태에 해당하는 실제 가스의 수평 등온선을 그려야 하는 압력을 선택할 때 고려해야 할 사항은 무엇입니까?
26. 가스 압력에 대한 차등 줄-톰슨 효과 부호의 의존성을 명확하게 설명하는 방법은 무엇입니까?
27. 미분 줄-톰슨 효과의 역전점에 해당하는 가스의 물리적 조건은 무엇입니까?
28. 증기의 특성은 가스의 특성과 어떻게 다릅니까? 어떤 조건에서 가스 법칙이 증기에 적용될 수 있습니까?
29. 가스의 내부 에너지는 어떤 열역학적 매개변수에 의존합니까?
반 데르 발스?
30.줄-톰슨 효과란 무엇인가요? 이 현상을 설명하는 방정식은 무엇입니까?
31.가스 스로틀링 프로세스의 본질은 무엇입니까? 압축 가스가 빈 공간으로 방출되는 것은 조절 과정입니까? 이상기체가 우주로 방출되면 온도는 어떻게 변하는가?
32.줄-톰슨 현상이란 무엇인가요? 이 현상을 설명하는 방정식은 무엇입니까?
33.줄-톰슨 효과의 역전 온도는 몇도인가요?
34. 수량에는 어떤 값이 있어야 합니까? ㅏ그리고 비스로틀링 시 가스가 항상 냉각되도록 반 데르 발스 방정식에서?
35.반데르발스 곡선의 어느 부분이 불안정 상태와 준안정 상태에 해당합니까? 이러한 상태 구현의 의미와 가능성을 설명합니다.
36.과열액체란 무엇인가요? 반데르발스 등온선에 해당 지역을 표시합니다.
37.가스 스로틀링이란 무엇인가요? 이상기체에서는 조절 과정이 온도 변화를 동반하지 않지만, 비이상기체에서는 온도 변화를 동반하는 이유는 무엇입니까?
38. 보정을 하면 반데르발스 가스는 어떻게 되나요? ㅏ
39. 수정된 반데르발스 가스는 어떻게 되나요? V=0인 줄-톰슨 실험에서는 가스가 가열되거나 냉각됩니까, 아니면 가스의 온도가 변하지 않고 유지됩니까?
40. 초기 상태가 반전 곡선에 있는 점(양수, 음수 또는 변하지 않음)으로 특징지어지는 경우 줄-톰슨 실험에서 가스의 내부 에너지 증가 ΔU의 의미는 무엇입니까?
41. 실온에서 스로틀링을 하면 수소와 산소의 온도는 어떻게 변합니까?
42. 축소된 반 데르 발스 방정식을 구합니다. 장점은 무엇입니까?
43. 반데르발스 기체의 임계 온도를 결정하는 식은 무엇입니까?
44. 반데르발스 기체의 임계량을 결정하는 식은 무엇입니까?
45. 반데르발스 기체의 임계압력을 결정하는 식은 무엇입니까?
46. 임계점에서 반 데르 발스 가스 1kg의 압력, 부피 및 온도 사이의 관계에 해당하는 표현은 무엇입니까?
48. 부피 V 1 에서 부피 V 2 로 등온 팽창하는 동안 반 데르 발스 기체 1kg의 엔트로피 증가분 ΔS를 구합니다. 반데르발스 수정안을 생각해 보세요. V모두 다 아는.
6장. 액체 상태
액체의 구조
기체와 결정 사이의 중간 위치를 차지하는 액체 상태는 이 두 상태의 일부 특징을 결합합니다. 특히, 결정체와 같은 액체는 특정 부피가 존재하는 것이 특징이며, 동시에 가스와 같은 액체는 그것이 위치한 용기의 모양을 취합니다. 결정질 상태는 입자의 정렬된 배열이 특징인 반면, 가스에서는 완전한 혼돈이 지배하는 것으로 알려져 있습니다. X선 연구에서 알 수 있듯이 액체에서는 입자 배열도 중간 수준입니다. 액체 입자의 배열에는 소위 단거리 질서가 관찰됩니다. 이는 모든 입자와 관련하여 가장 가까운 이웃의 위치가 정렬되어 있음을 의미합니다. 그러나 주어진 입자에서 멀어질수록 그 입자와 관련된 다른 입자의 배열은 점점 더 질서가 없어지고 아주 빠르게 입자 배열의 순서가 완전히 사라집니다. 결정에는 장거리 질서가 있습니다. 전체 부피 내에서 입자와 관련하여 입자의 질서 있는 배열이 관찰됩니다.
장거리 질서가 없기 때문에 액체(액정 제외)는 규칙적인 입자 배열로 인해 결정의 이방성 특성을 나타내지 않습니다.
긴 분자를 가진 액체에서는 상당한 부피 내에서 동일한 분자 방향이 관찰되며, 이는 광학적 이방성 및 기타 특성을 결정합니다. 이러한 액체를 액정이라고 합니다. 그 안에서는 분자의 방향만이 정돈되어 있으며, 일반적인 액체에서처럼 분자의 상호 배열은 장거리 질서를 나타내지 않습니다. 액체에는 장거리 질서가 없고 액체 분자는 상당한 분자간 상호 작용력을 경험한다는 사실로 인해 그의 이론은 결정질, 특히 기체 상태 이론보다 훨씬 덜 발전했습니다.
액체 상태 이론의 여러 문제를 개발하는 데 중요한 장점은 과학자 Ya.I에 속합니다. Frenkel에 따르면 액체의 열운동은 다음과 같은 특성을 갖습니다. 각 분자는 일정 시간 동안 특정 평형 위치를 중심으로 진동합니다. 때때로 분자는 평형 위치를 변경하여 분자 크기 정도의 거리에서 이전 위치와 분리된 새로운 위치로 갑자기 이동합니다. 따라서 분자는 액체 내부에서 천천히 움직이며 일부 시간은 특정 장소 근처에 남아 있습니다. 이러한 장소에서 분자의 진동 시간 또는 소위 정착 시간은 액체의 온도에 따라 달라지며 온도가 증가함에 따라 급격하게 감소합니다. 이와 관련하여 온도가 증가하면 분자의 이동성이 크게 증가하여 액체의 점도가 감소합니다.
표면 장력
다른 매체(자체 증기, 다른 액체 또는 고체)와 접촉하는 액체의 표면은 나머지 액체 덩어리에 비해 특별한 조건에 있습니다. 이러한 특별한 조건은 액체 경계층의 분자가 깊이에 있는 분자와 달리 모든 면에서 동일한 액체 분자로 둘러싸여 있지 않기 때문에 발생합니다. 표면 분자의 이웃 중 일부는 액체와 접하는 두 번째 매질의 입자입니다. 이 매체는 성질과 입자 밀도 모두에서 액체와 다를 수 있습니다. 서로 다른 이웃이 있으면 표면층의 분자는 서로 다른 방식으로 상호 작용합니다. 따라서 이 층의 각 분자에 작용하는 힘은 불균형한 것으로 나타납니다. 액체의 부피 또는 액체와 접하는 매체의 부피를 향하는 특정 결과 힘이 있습니다. 결과적으로 분자가 표면층에서 액체 속으로 또는 경계가 있는 매질 속으로 깊숙이 이동하는 것은 작업 수행을 수반합니다. 액체 내부의 분자에 작용하는 모든 힘의 합력은 0이므로 분자의 움직임에는 일이 수반되지 않습니다. 표면층의 분자를 움직일 때 수행되는 작업의 크기와 부호는 이 층의 분자와 "그들의" 분자 및 두 번째 매질의 분자의 상호 작용 힘 사이의 관계에 따라 달라집니다. 액체가 자체 증기와 접해 있는 경우 표면층의 분자가 받는 힘은 액체 쪽으로 향하게 됩니다. 이는 액체의 분자 밀도가 액체 위의 포화 증기보다 훨씬 크기 때문에 액체 분자 측면의 표면층 분자에 의한 인력이 더 크기 때문입니다. 증기 분자.
액체 속으로 이동하는 표면층의 분자는 양성 작업을 수행합니다. 반대로, 액체의 대부분에서 표면으로의 분자 전이에는 음의 일이 수반됩니다. 외부 작업이 필요합니다. 액체의 표면이 증가한다는 것은 액체 부피 중 특정 수의 분자가 표면으로 이동한다는 것을 의미합니다. 이렇게하려면 외부 작업을 수행해야합니다. 따라서 액체 표면의 증가는 음의 일을 동반합니다. 반대로 표면이 수축되면 긍정적인 작업이 수행됩니다. 일정한 온도에서 액체의 표면이 극소량만큼 가역적으로 변화한다면 , 이에 필요한 작업은 다음과 같습니다.
마이너스 기호는 표면이 증가함에 따라
위치에너지의 변화를 수반하게 된다 ,
일이 수반되는 것 
.
표면이 변하는 경우
일정한 온도에서 일어나는 일은 표면의 자유에너지 변화와 같다.
. (6.2)
|
예를 살펴보겠습니다. 측면 중 하나가 움직일 수 있는 와이어 프레임(그림 1 참조)을 비눗물에 담그면 전체 프레임이 액체 필름으로 덮이게 됩니다. 표면 장력으로 인해 필름이 수축되고 이동식 크로스바가 AB영화를 따라 위쪽으로 이동합니다. 균형을 유지하려면 크로스바에 힘을 가해야 합니다. 아르 자형화물 형태로. 따라서 필름에 작용하는 표면장력은 선과 수직을 이룬다. AB, 이 경우 구분선입니다. 동일한 힘이 프레임의 다른 측면에도 작용합니다. 그러나 여기서 그들은 단단한 프레임의 물질에 대한 액체의 인력에 의해 균형을 이룹니다. 설명된 실험은 액체의 표면 장력 계수의 수치를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 실제로 표면력은 , 필름에 두 개의 표면이 있다는 점을 고려하면 평형 상태에서는 하중의 무게와 같습니다. 아르 자형, 즉.
이 힘의 영향으로 필름에 의해 운반되는 크로스바가 일정 거리만큼 이동하면
관련 정보.
1869년 J. D. 반 데르 발스(J. D. van der Waals)가 발견했습니다.
불활성 기체의 원자간 상호작용에 대한 Vander Waals의 힘은 불활성 기체(기체, 액체 및 고체)의 집합 상태가 존재할 가능성을 결정합니다.
반 데르 발스 힘에는 쌍극자(영구 및 유도) 사이의 상호 작용이 포함됩니다. 이 이름은 이러한 힘이 실제 가스에 대한 반 데르 발스 상태 방정식에서 내부 압력을 수정한다는 사실에서 유래되었습니다. 이러한 상호 작용과 수소 결합은 생물학적 거대분자의 공간 구조 형성을 결정합니다.
Vander Waals 힘은 입자(거시적 입자 또는 나노입자)와 분자 사이, 그리고 두 입자 사이에서도 발생합니다.
백과사전 유튜브
1 / 3
✪ 반 데르 발스 힘 | 분자간 상호 작용의 힘 | 화학(비디오 1)
✪ 194과. 반 데르 발스 방정식
✪ 반 데르 발스 방정식 | 가스.분자운동론 | 화학 (비디오 8)
자막
화학을 통한 여정에서 우리는 이미 분자 간의 상호 작용, 전자의 도움으로 형성되는 금속 결합을 접했고 물 분자 간의 상호 작용을 고려했습니다. 다양한 유형의 분자간 상호작용과 그것이 물질의 끓는점과 녹는점에 미치는 영향을 고려하는 것이 유용할 것이라고 생각합니다. 가장 약한 상호작용부터 시작해 보겠습니다. 헬륨을 예로 들어보겠습니다. 헬륨 원자 몇 개를 그려 보겠습니다. 멘델레예프의 주기율표를 살펴보겠습니다. 헬륨 대신 어떤 희가스라도 사용할 수 있습니다. 비활성 가스는 운이 좋다고 말할 수 있습니다. 외부 궤도가 완전히 채워져 있습니다. 네온이나 헬륨... 네온을 예로 들어보겠습니다. 네온의 궤도에는 8개의 전자가 모두 있습니다. 네온은 이렇게 쓰여 있어요. 그리고 그는 아무것도 필요하지 않습니다. 그는 삶에 완전히 만족합니다. 그리고 그는 이 상태에서 매우 기분이 좋기 때문에 무기력합니다. 그는 활동할 이유가 없습니다. 이러한 이유에 대해서는 나중에 이야기하겠습니다. 전자는 원자 주위에 고르게 분포되어 있습니다. 이것은 절대적으로 중성인 원자입니다. 다른 원자와 결합을 형성하려고 하지 않습니다. 따라서 전자는 원자 주위에 흩어져 있으며 어떤 식으로든 서로 끌어당기거나 상호 작용하지 않습니다. 그러나 저온에서는 네온이 액체 상태로 변하고 이것이 바로 어떤 힘이 발생하고 그로 인해 네온 원자가 서로 결합한다는 것을 의미합니다. 이러한 힘은 매우 약하기 때문에 매우 낮은 온도에서 발생합니다. 따라서 네온은 기본적으로 기체상태이다. 하지만 아주 많이 냉각시키면 매우 약한 힘이 생겨 네온 원자나 분자가 서로 결합하게 됩니다. 이러한 힘은 전자가 핵 주위에 일정한 경로를 가지지 않기 때문에 발생합니다. 궤도는 확률적이다. 네온을 예로 들어보겠습니다. 저는 원자가 전자를 그렇게 그리지 않고 대신에 우주에서 전자를 발견할 확률에 대한 구름을 그릴 것입니다. 이것은 네온 원자의 구성입니다. 그럼 1s2, 2s2, 2p6이 바깥층이겠죠? 이 상태에서 전자는 가장 높은 에너지를 갖습니다. 이걸 어떻게 그리죠... 그 사람 레벨이 2초거든요. 1s 준위는 내부에 위치하고 원자에도 p- 오비탈이 있습니다. p-오비탈은 다른 방향으로 향합니다. 하지만 지금은 그게 다가 아닙니다. 또 다른 네온 원자가 있습니다. 저는 확률 분포를 그렸습니다. 그렇게 밝혀졌습니다. 하지만 내 생각엔 당신이 그 생각을 이해한다고 생각합니다. 이 주제에 대해 더 자세히 알고 싶다면 전자 구성에 대한 비디오를 시청하세요. 여기서 중요한 점은 확률 분포가 전자를 찾을 수 있는 공간 영역이라는 것입니다. 어느 시점에는 여기에 전자가 하나도 없습니다. 그리고 다른 순간에는 모든 전자가 여기에 있습니다. 이 네온에서도 같은 일이 일어납니다. 이 두 네온 원자에서 가능한 모든 전자 구성을 생각해 보면 그 안에 전자가 고르게 분포되어 있을 가능성이 거의 없다는 것을 알 수 있습니다. 일부 원자에서는 전자가 고르지 않게 분포될 가능성이 훨씬 더 높습니다. 예를 들어, 이 네온 원자에서는 8개의 원자가 전자가 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8처럼 배열되어 있습니다. 무슨 뜻이에요? 이쪽에는 소액의 임시 요금이 표시됩니다. 이쪽이 저쪽보다 부정적이거나 이쪽이 저쪽보다 긍정적입니다. 마찬가지로, 동시에 또 다른 네온 원자가 있다면 그것은... 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8개의 전자를 가지고 있습니다. 조금 다르게 그려보겠습니다. 이 네온 원자가 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯, 일곱, 여덟이라고 가정해 봅시다. 이러한 약한 힘을 어두운 색으로 강조하겠습니다. 여기에는 약간의 음전하가 있습니다. 일시적으로 이 순간에만 여기에는 음전하가 있습니다. 그리고 여기는 긍정적입니다. 이쪽은 부정적이다. 이 부분은 긍정적입니다. 이때 네온원자들 사이에는 약한 인력이 있다가 전자가 움직이기 때문에 사라진다. 그러나 전자가 완전히 흩어지는 순간은 매우 드물다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 여기에는 항상 무작위 분포가 있고 항상 일부가 있습니다. 극성이라고 말하고 싶지 않습니다. 왜냐하면 그것은 너무 강한 단어이기 때문입니다. 그러나 원자의 한쪽 또는 다른 쪽에는 항상 약간의 과잉 전하가 있으므로 원자는 반대 전하를 가진 다른 분자의 쪽으로 끌립니다. 이것은 매우 매우 약한 힘입니다. 이를 런던 분산력이라고 합니다. 그런데 이 남자, 프리츠 런던은 영국인이 아닙니다. 그는 미국계 독일인입니다. 런던 분산력은 반 데르 발스 힘 중 가장 약한 힘입니다. 이 용어를 적어보겠습니다. "반 데르 발스 힘". 나는 그것을 발음한다. 반 데르 발스 힘은 분자간 힘의 한 종류이며, 우리의 경우 네온 분자는 원자입니다. 말하자면 그것은 단원자 분자입니다. 반 데르 발스 힘은 분자간 상호 작용의 힘의 한 종류이며, 염에서 볼 수 있는 공유 결합이나 이온 결합이 아닙니다. 이제 이에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 그리고 런던의 강점은 그 중 가장 약합니다. 따라서 네온 및 기타 희가스에서는 가장 약한 분자간 힘인 분산력만이 분자 사이에 작용합니다. 따라서 네온은 쉽게 기체 상태로 변합니다. 희가스는 매우 낮은 온도에서 기체로 변합니다. 이것이 바로 희가스라고 불리는 이유입니다. 이러한 물질은 분자가 거의 상호 작용하지 않기 때문에 거의 이상 기체처럼 거동합니다. 좋아요. 이제 분자가 서로 더 끌리면, 즉 극성이 약간 더 높아지면 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다. 예를 들어 염화수소를 생각해 봅시다. 수소는 전자를 끌어당길 수도 있고 잃을 수도 있습니다. 염소는 전자를 끌어당깁니다. 염소는 전기 음성도가 상당히 높습니다. 그러나 이러한 요소보다 적습니다. 가장 강한 전자 수용체는 질소, 산소 및 불소이지만 염소도 전기 음성도가 상당히 높습니다. 그래서 염화수소가 있어요. 이것은 염소 원자입니다. 전자 7개를 가지고 있고 수소로부터 전자 1개를 가져옵니다. 수소와 전자를 공유하므로 이렇게 표시하겠습니다. 염소는 수소보다 전기 음성도가 높으므로 전자는 항상 수소에 더 가깝습니다. 전자가 있는 곳에서는 부분적인 음전하가 발생하고, 여기서는 부분적인 양전하가 발생합니다. 수소결합과 매우 유사합니다. 실제로 이것은 수소 결합과 동일한 유형의 결합이며 쌍극자-쌍극자 결합 또는 쌍극자-쌍극자 상호 작용입니다. 그래서, 만약 제가 이와 같은 하나의 염소 원자와 이와 같은 두 번째 염소 원자를 가지고 있다면. 이 사진을 복사해서 여기에 붙여넣겠습니다. 결과적으로 이러한 원자는 상호 작용합니다. 염소 원자가 끌립니다... 보다 정확하게는 염화수소 분자가 끌립니다. 양극인 이 쌍극자의 양극은 전자가 염소에 더 가깝고 양극이 다른 분자의 염소 원자에 끌리기 때문에 수소 위에 있습니다. 따라서 이러한 반데르발스 힘, 즉 쌍극자-쌍극자 상호작용은 런던 분산력보다 더 강합니다. 분산력은 모든 분자간 상호작용에 존재합니다. 이는 다른 유형의 분자간 상호작용에 비해 매우 약합니다. 비활성 기체와 같은 물질의 경우 분산력만 고려해야 합니다. 여기에서도 특정 시점에 전자의 분포가 변할 때 런던 분산력이 작용합니다. 그러나 쌍극자-쌍극자 상호작용은 훨씬 더 강력합니다. 그리고 염화수소는 더 강하기 때문에 액체와 기체 상태로 변화하는 데 헬륨보다 더 많은 에너지가 필요합니다. 그리고 전기음성도가 훨씬 더 크면(가장 전기음성도가 높은 것이 질소, 산소, 불소라면) 우리는 특별한 유형의 쌍극자-쌍극자 상호작용, 즉 수소 결합을 다루게 될 것입니다. 불화수소, HF, 분자 몇 개를 살펴보겠습니다. 예를 들어 불화수소 여기 저기, 여기에도 그려보겠습니다. 불소는 전기음성도가 매우 높습니다. 주기율표에서 전기음성도가 가장 높은 3개의 원자 중 하나입니다. 그것은 전자를 매우 효율적으로 끌어당깁니다. 이것은 매우 강한 쌍극자-쌍극자 상호작용의 경우이며, 여기서 모든 전자는 불소로 이동합니다. 그래서 여기에는 부분적인 양전하, 부분적인 음전하, 부분적인 양전하, 부분적인 음전하, 양전하, 음전하 등이 있습니다. 그래서 여기에 우리가 얻은 것이 있습니다. 이것은 진정한 쌍극자 상호 작용입니다. 그러나 이것은 매우 강한 쌍극자 상호 작용입니다. 수소 결합이라고합니다. 여기서 수소와 전기 음성도가 매우 높은 원자가 상호 작용하고 전기 음성 원자가 수소 전자를 끌어 당기기 때문입니다. 수소는 양성자의 형태로 존재하며 양전하를 띠고 음전하를 띤 쌍극자 끝에 강하게 끌어당겨집니다. 이 모든 것이 반 데르 발스 힘입니다. 그리고 그 중 가장 약한 것은 분산력입니다. 그리고 전기 음성 원자를 가진 분자가 있다면 쌍극자가 있고 분자는 극성이 되어 양극과 음극이 서로 끌어당길 것입니다. 이것은 쌍극자-쌍극자 상호작용이다. 그러나 가장 강한 상호작용은 수소결합입니다. 전기음성도가 매우 높은 원자는 수소전자를 완전히 자기 자신에게 가져가기 때문입니다. 보다 정확하게는 수소 전자를 거의 완전히 자체적으로 가져옵니다. 이들 원자는 여전히 전자를 공유하지만 거의 항상 분자의 이쪽에 있습니다. 이렇게 하면 분자가 서로 더 강하게 결합되어 끓는점이 높아집니다. 따라서 런던 분산력, 쌍극자 및 극성 결합, 수소 결합이 있습니다. 이 모든 것이 반 데르 발스 힘입니다. 분자간 상호작용의 세기가 증가하고 끓는점이 높아지는데, 이는 이들 분자를 서로 분리하기 위해 점점 더 많은 에너지를 소비해야 하기 때문입니다. 시간이 부족합니다... 이것은 본질적으로 비공유 및 비이온성 등 다양한 유형의 분자간 상호 작용에 대한 좋은 개요입니다. 다음 비디오에서는 몇 가지 유형의 공유 결합 및 이온 구조와 끓는점에 미치는 영향에 대해 이야기하겠습니다. Amara.org 커뮤니티의 자막
반 데르 발스 힘의 분류
반 데르 발스 상호작용은 세 가지 유형의 약한 전자기 상호작용으로 구성됩니다.
- 오리엔테이션 힘, 쌍극자-쌍극자 인력. 이는 영구 쌍극자인 분자 사이에서 수행됩니다. 예를 들어 액체 및 고체 상태의 HCl이 있습니다. 그러한 상호작용의 에너지는 쌍극자 사이의 거리의 세제곱에 반비례합니다.
- 분산 인력(런던 힘, 분산 힘).순간 쌍극자와 유도 쌍극자의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 그러한 상호작용의 에너지는 쌍극자 사이 거리의 6제곱에 반비례합니다.
- 유도 인력(분극 인력).영구 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 상호 작용. 그러한 상호작용의 에너지는 쌍극자 사이 거리의 6제곱에 반비례합니다.
지금까지 많은 저자들은 반 데르 발스 힘이 층상 결정의 층간 상호 작용을 결정한다는 가정에서 출발했는데, 이는 실험 데이터인 Debye 온도 이방성 척도와 이에 따른 격자 반사 이방성 척도와 모순됩니다. 이러한 잘못된 가정을 바탕으로 특히 특성을 "설명"하는 많은 2차원 모델이 구축되었습니다.
반 데르 발스 방정식. 실제 가스의 상태 방정식
분자의 유한한 크기와 분자 사이의 인력을 고려하면 압력에 대한 수정과 부피에 대한 수정을 도입하여 Clapeyron-Mendeleev 방정식에서 실제 가스의 상태 방정식을 얻을 수 있습니다.
1몰의 기체에 대해 작성된 반 데르 발스 방정식.
부피에 대해 도입된 수정안 6은 실제 가스의 분자가 차지하는 부피와 사강(dead space), 즉 분자가 조밀하게 채워졌을 때 분자 사이의 간격의 부피를 고려합니다.
압력 보정에서는 실제 가스 분자 간의 상호 작용력을 고려합니다. 이 보정은 분자 사이의 상호 인력으로 인해 발생하는 내부 압력을 나타냅니다. 분자가 서로 영향을 미치는 것은 분자 작용 반경 내에서 수행됩니다. 분자 작용 반경 정도의 크기를 갖는 실제 가스의 두 기본 부피 사이의 인력은 한 부피와 다른 부피의 가스 농도에 비례합니다. 즉, 농도의 제곱에 비례합니다. 따라서 밀도의 제곱, 즉 부피의 제곱에 반비례합니다. 
[n - 농도, p - 밀도].
따라서 실제 가스의 전체 압력은 외부 압력과 내부 압력의 합입니다.
요하네스 디데릭 반 데르 발(1837-1923) - 네덜란드 물리학자.
이 연구는 분자 물리학과 저온 현상 연구에 전념하고 있습니다. 1910년에 그는 기체와 액체의 응집 상태 방정식을 포함하는 연구로 노벨상을 수상했습니다. 그는 이원 혼합물 이론과 모세관 현상의 열역학적 이론을 개발했습니다. 연구는 또한 전해 해리 및 정수압에 관한 것입니다.
상수 a와 b는 임계 매개변수를 기반으로 각 가스에 대해 실험적으로 결정될 수 있습니다.
반데르발스 방정식의 중요성을 고려하여 그 특성에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 다이어그램(그림 2.24)에서 반 데르 발스 등온선의 그래픽 표현을 고려해 보겠습니다.
다이어그램에서 볼 수 있듯이 등온선의 유형은 등온 과정이 발생하는 온도에 따라 달라집니다. 등온선에서 하나의 압력 값 p는 세 개의 부피 값에 해당합니다.
등온선은 변곡점이 존재하는 것이 특징입니다. 등온선은 이상 기체의 등온선과 일치하는 부드러운 곡선 형태를 갖습니다.
반 데르 발스 방정식은 부피 V에 대한 3차 방정식이므로 세 개의 실수 근(T에서)을 갖습니다.< Гц), или один вещественный и два комплексно-сопряженных, не имеющих физического смысла (при Т>루트의 TJ, 즉 Tk 미만의 온도에서 하나의 압력 값은 3개의 부피 값에 해당하고, Tk 이상의 온도에서 1개의 압력 값은 1개의 부피 값에 해당합니다. 따라서 Tg보다 높은 온도에서는 물질이 단상 기체 상태에 있고, Tg보다 낮은 온도에서는 물질이 동시에 2상 상태에 있습니다.
반 데르 발스 등온선과 실험적 등온선의 비교
반 데르 발스 방정식의 물리적 본질은 1868년 T. Andrews가 이산화탄소를 연구하면서 얻은 실험적 등온선을 고려함으로써 명확해집니다(그림 2.25).
실험 등온선에서 알 수 있듯이 물질이 한 상에서 다른 상으로 전이하는 경우 일정한 압력 p(그림 2.25의 직선 AB)에서 발생합니다. 연구 중인 액체에서 공기와 다양한 불순물을 먼저 제거하면 AB 등온선 부분이 실험적으로 감지될 수 있습니다(그림 2.24 참조). AB 등온선 섹션은 과열된 액체, 즉 끓는점에서 일정 시간 동안 증기로 변하지 않고 AB 곡선을 따라 팽창하는 액체를 설명합니다.
ED 등온선 섹션(그림 2.24 참조)은 과열 증기를 설명합니다. 증기에서 응축 중심이 제거되면 이 영역을 실험적으로 감지할 수 있습니다. AB 및 ED 등온선 섹션(그림 2.24 참조)은 시스템의 불안정한 상태에 해당하며 약간의 교란으로 인해 직선 AE에서 전환됩니다. BCD 등온선 부분(그림 2.24 참조)은 실험적으로 감지할 수 없습니다.
온도가 증가함에 따라 등온선(응축선 AB)(그림 2.25)의 수평 단면은 점점 짧아지고 특정 온도에서는 응축선이 사라집니다. 즉, 온도부터 시작하여 물질의 상태가 단상이 됩니다. ; 온도 Г는 임계라고 불립니다. 이는 기체가 액체로 변환될 수 있는 최고 온도입니다. 임계 온도에 해당하는 등온선에서 점 A와 B는 다음 좌표를 특징으로 하는 하나의 점 K로 병합됩니다. VK - 임계 부피, pk - 임계 압력.
임계점에서는 방정식(2.108)의 세 근이 모두 일치해야 합니다. 이 조건에서 중요한 매개변수의 값을 얻습니다.
다양한 등온선에서 끓는 과정이 시작되는 모든 지점을 점선으로 연결하면(그림 2.25), 이 선은 p, V 다이어그램을 세 영역으로 나눕니다. 이 선의 오른쪽과 왼쪽에 있는 물질은 단상 상태이고, Tk 등온선의 오른쪽과 위는 기체이고, 왼쪽은 액체이며, 윤곽선이 있는 영역 내부는 2상 상태 액체-증기입니다.
Clapeyron-Mendeleev 방정식(§ 40 참조)은 분자가 서로 상호 작용하지 않는 물질 점으로 간주될 수 있는 이상 기체의 거동을 설명합니다(§ 41 참조). 우리가 알고 있듯이 실제 가스의 분자는 비록 매우 작지만 일정한 크기를 가지며, 작지만 응집력에 의해 상호 연결됩니다. 그러나 낮은 온도나 높은 압력에서 가스 분자가 서로 가까이 있으면 더 이상 크기와 접착력을 무시할 수 없습니다. 이 경우 Clapeyron-Mendeleev 방정식, 즉 이상기체의 상태방정식은 매우 부정확한 것으로 드러납니다. 실제 기체의 상태 방정식을 얻기 위해 1873년 네덜란드 물리학자 반 데르 발스(Van der Waals)는 분자 크기와 분자 사이의 응집력 작용에 대한 Clapeyron-Mendeleev 방정식을 수정했습니다. 그것은
다음과 같이 수행되었습니다. 기체 1몰에 대한 Clapeyron-Mendeleev 방정식에서
가스의 부피는 어디에 있습니까? 또는 분자 이동을 위해 제공되는 용기의 부피는 어디입니까? 실제 가스에서는 이 부피의 일부가 분자 자체로 채워집니다. 따라서 실제 가스의 분자가 이동할 수 있는 실제 자유 부피는 더 작거나 동일할 것입니다. 이 값을 공식 (1)에 대입하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
분자 자체가 차지하는 부피는 이들 분자의 자체 부피의 합보다 큽니다. 왜냐하면 분자 사이에 가장 조밀하게 채워져 있어도 분자의 움직임에 접근할 수 없는 "쓸모없는" 간격이 남아 있기 때문입니다(그림 121). 실제로는 척력이 분자의 밀집된 패킹을 허용하지 않기 때문에 이러한 간격은 훨씬 더 커집니다. 계산에 따르면 가스 1몰의 분자 자체가 차지하는 부피는 대략 이러한 분자의 고유 부피의 4배와 같습니다.
분자의 고유 부피인 아보가드로 상수는 어디에 있습니까?
용기 벽에 의해 이상 기체에 가해지는 식 (1)의 압력은 외부입니다. 실제 가스 분자 사이의 인력 작용으로 인해 가스가 추가로 압축되어 액체의 내부 압력과 유사한 추가 내부 압력이 생성됩니다(§ 59 참조). 따라서 실제 가스의 실제 압력은 더 크고 동일합니다. 이 값을 공식 (2)에 대입하면 다음과 같습니다.
내부 압력이 가스 밀도의 제곱에 대략 비례해야 한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 실제로 가스를 가상 평면(그림 122)으로 두 부분으로 나누고 이 평면에 인접한 가스 층을 고려해 보겠습니다. 이 층의 상호 인력은 각 층의 분자 수, 즉 가스 분자 수의 제곱에 비례한다는 것이 분명합니다. 그러나 분자의 수는 가스의 밀도에 비례하므로 층의 인력, 즉 내부 압력은 밀도의 제곱에 비례합니다. 밀도는 부피에 반비례하므로 내부 압력은 다음과 같습니다. 압력은 부피의 제곱에 반비례합니다.
여기서 a는 비례 계수입니다. 식을 식 (3)에 대입하면,
이것은 실제 기체의 상태 방정식 또는 기체 1몰에 대한 반 데르 발스 방정식입니다. Clapeyron-Mendeleev 방정식(§ 40 참조)을 사용하여 수행된 것처럼 이 방정식을 변환하면 모든 가스 질량에 대한 반 데르 발스 방정식을 얻습니다.
여기서 V는 가스 질량의 부피, 가스의 몰 질량입니다.
낮은 압력과 높은 온도에서는 부피가 커집니다. 따라서, 즉 반 데르 발스 방정식의 수정은 무시할 수 있을 정도로 작아지고 Clapeyron-Mendeleev 방정식으로 변합니다.
각 가스에 대한 값은 거의 일정합니다. 예를 들어, 질소의 경우 실험적으로 결정됩니다. 경험을 통해 알려진 두 가지 기체 상태에 대한 반 데르 발스 방정식을 작성하고 미지의 기체 상태에 대한 두 방정식의 시스템을 풀어야 합니다.
반 데르 발스 방정식을 분석해 보겠습니다. 이를 위해 먼저 여러 온도 값에 대해 일정한 온도에서 가스 부피에 대한 압력 의존성 표를 작성합니다. 이러한 계산 결과는 그림 1에 그래픽으로 표시됩니다. 123. 결과 곡선인 반 데르 발스 등온선은 매우 특이한 것으로 나타났습니다. 저온에서는 물결 모양 부분(최대 및 최소)이 있고, 특정 온도에서는 등온선에 변곡점 K만 있고, 고온에서는 반 데르 Waals 등온선은 이상기체 등온선(Boyle-Mariotte 또는 Clapeyron-Mendeleev)과 유사합니다.
수학적 관점에서 등온선의 이러한 특성은 매우 간단하게 설명됩니다. 반 데르 발스 방정식을 정규형으로 가져오면 부피에 대한 삼차 방정식이 됩니다.
삼차 방정식은 세 개의 실수근 또는 하나의 실수근과 두 개의 허수근을 가질 수 있습니다. 분명히 첫 번째 경우는 저온에서의 등온선에 해당합니다(3개의 가스 부피 값은 하나의 압력 값에 해당하고 두 번째 경우는 고온의 등온선에 해당합니다(1개의 부피 값은 하나의 압력 값에 해당).
