Внутренняя энергия реального газа

Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия .

Кинетическая энергия теплового движения молекул представляет собой внутреннюю энергию идеального газа (3.19) и для одного моля газа равна .

Определим энергию взаимодействия молекул . Поскольку потенциальная энергия взаимодействия обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения, работа этих сил должна быть равна убыли энергии взаимодействия: . Действие сил притяжения характеризуется внутренним давлением . Элементарную работу этих сил при малом расширении газа можно найти как (знак минус обусловлен тем, что силы межмолекулярного притяжения препятствуют расширению газа). Имеем:

,

. (5.2)

Таким образом, внутренняя энергия одного моля реального газа равна

. (5.3)

В середине XIX века английские физики Джоуль и Томсон экспериментально обнаружили, что при адиабатическом (т.е. достаточно быстром) расширении газа в пустоту его температура понижается. Данный процесс получил название адиабатического дросселирования, а явление понижения температуры – эффекта Джоуля-Томсона.

Очевидно, что эффект Джоуля-Томсона невозможно объяснить в рамках модели идеального газа. Действительно, процесс адиабатный (), и расширение газа происходит в пустоту, а значит – без совершения работы против внешних сил (). Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии газа . Для идеального газа , следовательно, и . «Ответственность» за понижение температуры газа при адиабатическом дросселировании несет энергия межмолекулярного взаимодействия (5.2).

Задача 5.2. Найти изменение температуры моль азота при расширении в пустоту от объема л до объема л.