Қатты денелердің жылу сыйымдылығы


Кіріспе

1. Қатты денелердің жылу сыйымдылығы.

1.1. Кристалдың жылу сыйымдылығы (классикалық теория)

1.2 Қатты денелердің молекула. кинетикалық теориясының негізгі
ұғымдары мен түсініктері.

1.3 Қатты денелердің жылу сыйыдылығының кванттық ұғымдары.

1.4. Жаңа керамикалық материалдардың құрлымы және қасиеттері.

2. Тәжірибелік тәсілдер және зерттеу нәтижелерін талдау .

2.1 Зерттеу объектісі, тәжірибелік қондырғы және зерттеу жұмыстарының
әдістері.

2.2 SiO , Al O тотықтарының жылу сыйымдылығының температураға
тәуелділігі.

3. Жаңа керамикалық материалдардың жылу сыйымдылығын зерттеу
нәтижелері.

Қорытынды.

Қолданылған әдебиеттер.
Жалпы жұмысымның мақсаты- қатты денелердің жылу сыйымдылық процесін зерттеп, температураға тәуелділігін анықтау. Сондықтан зерттеу нысаны ретінде жаңа керамикалық материалдарды алдым. Оған мысал ретінде алюминий мен кремний тотықтарын қолдандым. Соңғы жылдары біздің планетамызда адамзаттың жан -жақты жүргізіп жатқан белсенді қызметтерінің нәтижесінде үлкенді- кішілі экологиялық апаттар орыналуда... Бүгінгі таңда жедел дамып отырған ғылыми- техникалық прогрестің нәтижесінде пайда болған осындай үлкен экологиялық проблемалар кездейсоқ пайда болған жоқ.
Экология, технология және өндіріс ... бұл түсініктердің арасында тығыз байланыс жатыр. Жыл сайын елімізде көмір ,химия,энергетика,металлургия және тағы басқа өнеркәсіптермен миллиондаған тонна қалдықтар бөлінуде. Бүгінгі экологиялық проблемалардың бір тамыры міне осындай өнеркәсіп қалдықтарының зиянды әсерлерінен арылу мәселесіне келіп тіреледі.Сонымен экологиялық проблемаларды шешудің белгілі бір бағыты өнеркәсіп қалдықтарын халық шаруашылығының қажетіне жаратудың жан-жақты әдістерін таба отырып , «қалдықсыз» , «қалдығы аз » сияқты озықты үнемді технологияларды ойлап табу жұмыстарымен тікелей байланысты. Халық шаруашылығының сан алуан салаларының ішінде әсіресе көмір өнеркәсібінен жыл сайын бөлінетін «қалдықтардың» қоры өте мол. Мысалы: көмірді жерден қазып алу ,сонан соң оны арнайы фабрикаларда байыту,дайын болған көмірді жерден қазып алу үшін жағу жолдарының әрқайсысында белгілі бір қалдықтар бөлініп отырады.Осындай қалдықтардың бірі жылу электр станцияларында майда көмір тозаңын жағудан қалатын күл болып табылады. Жағу барысында әр тонна көмірден 30-50 процент шамасында күл бөлініп шығатынын ескерсек, қорының орасан зор екендігі өзінен-өзі түсінікті.Міне, сондықтанда осы жүздеген миллион тонна күлді зиянды қалдықтан кәделі материалдарға айналдыру ,яғни тиімді шикізат есебінде пайдалану мәселелері бұл күндері үлкен әлеуметтік проблемаға айналды.
Бұл проблеманың шешілуі әсіресе Екібастұз,Қарағанды сияқты үлкен көмір бассейндері бар.Қазақстан үшін өте маңызды. Қазіргі таңда күл қалдықтарын халық шаруашылығында пайдалану мәселелерін қарастыру жолында біздің еліміздің ,сондай-ақ шет елдердің бір қатар ғылыми орталықтарында нәтижелі жұмыстар жүргізілуде. Бұл жұмыстардың барысы күл қалдықтарын сан алуан құрылыс материалдарын жасауда қосымша шикізат есебінде пайдалануға мүмкіндіктер мол екендігін көрсетті.
1. Экономия сырья и топлива в производстве стеновой керамики :
Теплотехнологические процессы
Сулейменов С.Т., Сайбулатов С.Ж.,Кулбеков М.К., Нурбатуров К.А.
- Алма- Ата: Наука,1986- 176с.
2. Сайбулатов С.Ж., Сулейменов С.Т.,Ралко А.В.
Золокерамические стеновые материалы.-Алма -Ата : Наука,1982- 292с.
3. Сулейменов С.Т.,Кулбеков М.Қ., Қалдықсыз
технолгия –экология қызметіне .- Алматы: Ғылым.1991-128б.
4. Сулейменов С.Т., Сайбулатов С.Ж.,Кулбеков М.К.
Золо ТЭС в производстве строительной керамике.Алма-Ата:
Қазақстан 1986-144б.
5. АбдулаевЖ. Жалпы физика курсы : -Алматы :Ана тілі ,1991-308б.
6. Кржижановский Р.Е.,Штерн З.Ю. Теплофизический свойства
неметаллических материалов “Энергия” 1973 -336с.
7. Құлбеков М.Қ. “Күлден жасалған керамика”Зерде ,1989ж
8. Фриш С.Т,Тимофеева А.В. Жалпы физика ,Алматы 1971ж
9. Сайболатов С.Ж., Құлбеков М.Қ. Кәдеге асқан қалдықтар .
Алматы :Қазақ ССР «Білім» қоғамы, 1987-32б.
10. Савельев И.В .Жалпы физика курсы І-ІІІ –том Алма –Ата ,1979ж
11. Құлбеков М.Қ. Өнер тапқыш болу оңай ма? -Алматы: Ғылым,1995-160б.
12. П.ИФилиппов ,А.М. Тимофеев
Методы определения теплофизических свойств твердых тел.
Изд. «Наука» Сибирское отделение Новосибирск,1976г.
13. Осипова В.А
Экспериментальное исследование процессов теплообмена .
Изд. 2-е переработ.и дополн.М., «Энергия»;1969г.

Пән: Химия
Жұмыс түрі:  Дипломдық жұмыс
Тегін:  Антиплагиат
Көлемі: 43 бет
Таңдаулыға:   
Бұл жұмыстың бағасы: 1900 теңге
Кепілдік барма?

бот арқылы тегін алу, ауыстыру

Қандай қате таптыңыз?

Рақмет!






Мазмұны:

Кіріспе

1. Қатты денелердің жылу сыйымдылығы.

1.1. Кристалдың жылу сыйымдылығы (классикалық теория)

1.2 Қатты денелердің молекула- кинетикалық теориясының негізгі

ұғымдары мен түсініктері.

1.3 Қатты денелердің жылу сыйыдылығының кванттық ұғымдары.

1.4. Жаңа керамикалық материалдардың құрлымы және қасиеттері.

2. Тәжірибелік тәсілдер және зерттеу нәтижелерін талдау .

2.1 Зерттеу объектісі, тәжірибелік қондырғы және зерттеу жұмыстарының

әдістері.

2.2 SiO , AlO тотықтарының жылу сыйымдылығының
температураға
тәуелділігі.

3. Жаңа керамикалық материалдардың жылу сыйымдылығын зерттеу
нәтижелері.

Қорытынды.

Қолданылған әдебиеттер.

Кіріспе

Дипломдық жұмыстың бірінші тарауында ең алдымен қатты денелердің
жылу сыйымдылығының классикалық теориясын талдап,молекула- кинетикалық
теориясының негізгі ұғымдары мен қатты денелердің жылу сыйымдылығының
кванттық ұғымдарына тоқталып кетемін.
Жалпы жұмысымның мақсаты- қатты денелердің жылу сыйымдылық процесін
зерттеп, температураға тәуелділігін анықтау. Сондықтан зерттеу нысаны
ретінде жаңа керамикалық материалдарды алдым. Оған мысал ретінде алюминий
мен кремний тотықтарын қолдандым. Соңғы жылдары біздің планетамызда
адамзаттың жан -жақты жүргізіп жатқан белсенді қызметтерінің нәтижесінде
үлкенді- кішілі экологиялық апаттар орыналуда... Бүгінгі таңда жедел дамып
отырған ғылыми- техникалық прогрестің нәтижесінде пайда болған осындай
үлкен экологиялық проблемалар кездейсоқ пайда болған жоқ.
Экология, технология және өндіріс ... бұл түсініктердің арасында
тығыз байланыс жатыр. Жыл сайын елімізде көмір
,химия,энергетика,металлургия және тағы басқа өнеркәсіптермен миллиондаған
тонна қалдықтар бөлінуде. Бүгінгі экологиялық проблемалардың бір тамыры
міне осындай өнеркәсіп қалдықтарының зиянды әсерлерінен арылу мәселесіне
келіп тіреледі.Сонымен экологиялық проблемаларды шешудің белгілі бір бағыты
өнеркәсіп қалдықтарын халық шаруашылығының қажетіне жаратудың жан-жақты
әдістерін таба отырып , қалдықсыз , қалдығы аз сияқты озықты үнемді
технологияларды ойлап табу жұмыстарымен тікелей байланысты. Халық
шаруашылығының сан алуан салаларының ішінде әсіресе көмір өнеркәсібінен
жыл сайын бөлінетін қалдықтардың қоры өте мол. Мысалы: көмірді жерден
қазып алу ,сонан соң оны арнайы фабрикаларда байыту,дайын болған көмірді
жерден қазып алу үшін жағу жолдарының әрқайсысында белгілі бір қалдықтар
бөлініп отырады.Осындай қалдықтардың бірі жылу электр станцияларында майда
көмір тозаңын жағудан қалатын күл болып табылады. Жағу барысында әр тонна
көмірден 30-50 процент шамасында күл бөлініп шығатынын ескерсек, қорының
орасан зор екендігі өзінен-өзі түсінікті.Міне, сондықтанда осы жүздеген
миллион тонна күлді зиянды қалдықтан кәделі материалдарға айналдыру ,яғни
тиімді шикізат есебінде пайдалану мәселелері бұл күндері үлкен әлеуметтік
проблемаға айналды.

Бұл проблеманың шешілуі әсіресе Екібастұз,Қарағанды сияқты үлкен
көмір бассейндері бар.Қазақстан үшін өте маңызды. Қазіргі таңда күл
қалдықтарын халық шаруашылығында пайдалану мәселелерін қарастыру жолында
біздің еліміздің ,сондай-ақ шет елдердің бір қатар ғылыми орталықтарында
нәтижелі жұмыстар жүргізілуде. Бұл жұмыстардың барысы күл қалдықтарын сан
алуан құрылыс материалдарын жасауда қосымша шикізат есебінде пайдалануға
мүмкіндіктер мол екендігін көрсетті.

1.Қатты денелердің жылу сыйымдылығы.
Қатты дененің ішкі энергиясының қоры оны құрайтын бөлшектердің
тербеліс энергиясы мен олардың өзара потенциялық энергиясының қоры болып
табылады. Кристалдық решетканы жасайтын бөлшектер ( атомдар немесе иондар
), жалпы алғанда, байланыссыз емес, өйткені олардың арасында едәуір өзара
әсер күштері болады. Сондықтан бөлшектердің тербелісін байланысты тербеліс
деп қарау керек; тұтас решеткада жиіліктері әр түрлі тербелістер болады;
олардың энергиялары ескерілу керек.Алайда тербелістің энергиясы үлкен
болатын жоғары температураларда бөлшектерді тәуелсіз деп қарастыруға
болады. Бөлшектердің әрқайсысы тепе-теңдік қалыптың маңында тербеліп
тұрады. Бөлшектің орташа тербеліс энергиясын анықтау үшін, онда кинетикалық
энергияның да, потенциялық энергияның да қоры бар екендігін ескеру керек.
Орташа есеппен алғанда бұл энергиялардың шамалары бірдей болады.
Сонымен,егер бөлшектің орташа кинетикалық энергиясын деп белгілесек,
онда бөлшектің орташа энергиясының толық мәні болады.
Кристалдың кеңістік решеткасында әрбір бөшек өзінің тепе-теңдік
қалпының маңында кез келген бағытта тербеле алады; олай болса, оның
жылдамдығы вектор ретінде қарастырылу керек. Бұдан әрбір бөлшекте үш
еркіндік дәрежесі (і) бар екендігі шығады. Сондықтан бір бөлшектің орташа
кинетикалық энергиясы , ал орташа энергияның толық мәні

болады.
Қатты дененің бір грамм атомының U толық ішкі энергиясын табу үшін
бір бөлшектің орташа энергиясын бір грамм-атомдағы тәуелсіз тербелетін
бөлшектердің санына көбейту керек. Химиялық жай қатты кристалл денелердің
грамм атомындағы тәуелсіз тербелетін бөлшектердің саны Авогадро санымен N
бірдей болады, сондықтан
U =N = 3NkT = 3RT,
(1)
мұндағы R – газ тұрақтысы.
Жылулық ұлғаю коэффициенттері аз болатын қатты денелердің тұрақты
көлемдегі және тұрақты қысымдағы жылу сыйымдылықтары іс жүзінде бірдей
болады. Сондықтан бұдан бұлай оларды бірдей деп қарастырамыз. Сонда
химиялық жай қатты кристалл дененің сан жағынан алғанда ішкі энергияның
температура 1°-қа көтерілгендегі артуына тең болатын атомдық жылу
сыйымдылығы (1) формула бойынша мынаған тең болады:
C = 3R.
ал газ тұрақтысы R2 болатындықтан,
С6 ,
(1´)

яғни химиялық жай қатты кристалл денелердің барлығының жеткілікті жоғары
температурадағы атомдық жылу сыйымдылығы 6 -ға тең болады.
Бұл Дюлонг пен Пти заңы деп аталады.
Кристалды құрастыратын өзара әсерлесетін бөлшектер тербелістерінің
сипатын мұқият тексермейінше Дюлонг пен Пти заңы орындалу үшін
қарастырылып отырған дененің қандай температурасын жеткілікті жоғары
температура деп есептеуге болатындығын алдын- ала айтуға болмайды. Дюлонг
пен Пти өздерінің заңын бірқатар денелерге бөлме температурасында жасаған
тәжірибелерінің мәліметтерінен қорытып шығарған.
1.1-ші кестеде бірнеше химиялық жай затты денелердің атомдық жылу
сыйымдылықтарының мәндері келтірілген.

Элементтердің қатты күйіндегі атомдық жылу сыйымдылығы

1.1-кесте

Атомдық жылу
Зат сыйымдылық С
Алюминий, Al 6,14
Алмаз, C
Темір, Fe 1,35
Алтын, Au 6,36
Кадмий, Cd 6,36
Кремний, Si 6,11
Мыс, Cu 4,67
Қалайы, Sn 5,91
Платина, Pt 6,63
Күміс, Ag 6,29
Цинк, Zn 6,13
Бор, B 6,10
2,51

Кестеде келтірілген заттардың көпшілігінің (Al,Fe,Au,Cd т.б.) атомдық
жылу сыйымдылығы 6 -ға жуық екендігі, яғни
олардың атомдары іс жүзінде біріне-бірі тәуелсіз тербелу үшін бөлме
температурасы олар үшін жеткілікті жоғары температура болып табылатындығы
көрінеді. Бұл заттар үшін Дюлонг пен Пти заңы орындалады. Алмаз, кремний
және бордың бөлме температурасындағы атомдық жылу сыйымдылықтары
6 -дан көп кем; бұл осы заттардың кристалдық решеткаларындағы
атомдардың бөлме температурасындағы тербелістерін тәуелсіз тербеліс деп
есептеуге болмайтындығын білдіреді. Алмаздың 985°С температурадағы атомдық
жылу сыйымдылығы 5,52 болады, яғни болуға тиіс мәні 6 мәніне жуықтайды.
Көптеген химиялық күрделі заттар кристалдарының сипаты иондық
сипат болады. Бұл заттардың кристалдарынан жеке молекулаларды бөліп алуға
болмайды, ал осы заттар газ күйінде болғанда оларды айырып алуға болады.
Кристалдық решеткада осы заттың газ күйіндегі молекулаларының құрамына
кірген атомдар ғана иондар түрінде дұрыс алмасып отырады. Бұдан кристалл
күйінде осы заттың бір грамм-атомын құрайтын бөлшектердің саны осы заттың
бір грамм атомындағы атомдардың санына тең болады. Мысалы, газ күйіндегі
хлорлы натрийдің бір грамм молекуласындағы NaCl молекулалардың саны
Авогадро санына тең болады. Ал қара тікен тұздың кристалында мен
иондар решетканың түйіндеріне орналасады, бұлардың (иондар мен
иондардың) қоса есептегенде жалпы саны 2N-ге тең. Бұрынғыша
решеткадағы әрбір ионға орташа энергия сәйкес келеді деп есептегенде
кристалдық тас тұзының молекулалық жылу сыйымдылығы мынаған тең болу керек:

,

немесе шамамен 12 . Решеткадағы атомдар нейтрал (бейтарап) болып
біріне-бірі тәуелсіз тербелгенде де осылайша ойлайтын болсақ, ол да болып
шығады. Бұдан басқа да екі атомды қосылыстардың қатты күйіндегі
молекулалық жылу сыйымдылықтары да шамамен 12 -ға тең болуға тиіс
деп айтуға болады.

Қатты қосылыстардың мольдік жылу сыйымдылықтары

1.2 кесте
мольдық
жылу
зат сыйымдылық С
11,3
12,1

18,2

18,6

24,1

Сондай-ақ үш атомды қосылыстардың молекулалық жылу сыйымдылығы
шамамен 18 ,

ал төрт атомды қосылыстардікі – 24 болуға тиіс т.с.с.
Сондай-ақ үш атомды қосылыстардың молекулалық жылусыйымдылығы шамамен 18
, ал төрт атомды қосылыстардікі – 24 болуға тиіс т.с.с.
Бұл қорытынды Джоуль мен Копптың тәжірибе жүзінде тағайындаған
заңына дәл келеді; бұл заң бойынша қатты қосылыстардың молекулалық жылу
сыйымдылығы осы қосылыстардың құрамына кіретін элементтердің атомдық жылу
сыйымдылықтарының қосындысына тең болады.
Джоуль мен Копп заңы бөлшектердің тербелістері біріне-бірі тәуелсіз
деп есептелетін жоғары температураларда ғана дұрыс болады.
2-ші кесте Джоуль мен Копп заңы бөлме температурасында бірқатар
қосылыстар үшін айтарлықтай дәл келетіндігі көрінеді.
Температура төмендегенде қатты заттардың барлығының да жылу
сыйымдылығы төмендейді.
Қатты денелердің жылу сыйымдылығының температураға байланысты
төмендеуі график түрінде 1.1-ші суретте көрсетілген. Температура абсолют
нольге қарай жуықтағанда қатты денелердің барлығының да жылу сыйымдылығы
нольге жуықтайды. Қатты денелердің жылу сыйымдылықтарының өте төмен
температуралардағы өзгерісін кванттық механиканың негізінде ғана
түсіндіруге болады.

1.1-сурет
Біз кванттық механика бойынша жеке бөлшектердің энергиясы тек үздік-үздік
өзгеретіндігін білеміз.
Кристалдық решеткадағы атомдардың (иондардың) тербеліс энергиясы да
осылайша өзгереді. Сонда решеткадағы тербеліп тұратын бөлшектің
энергиясының мөлшері шамаға өзгереді, мұндағы - Планк
тұрақтысы, ол 6,6 эрг секке тең, ал
- бөлшектің тербеліс жиілігі. Бір еркіндік дәрежесіне келетін
орташа энергия шамаға қарағанда әлдеқайда үлкен болатын
температураларда бөлшектің тербеліс энергиясы Т температураға байланысты
үздіксіз өзгереді деп есептеуге, демек, оған классикалық теорияны қолдануға
болады. орташа энергия энергияның квантымен шамалас
болатын төмен температуралардағы есеп кванттық механиканың негізінде
жүргізілу керек. Кристалдық решеткадағы бөлшектің тербеліс жиілігі
шамасында болады, сонда

теңсіздіктен есептеудің классикалық тәсілі мына шартты
қанағаттандыратын температуралар үшін дұрыс болатындығы шығады:

Т ∙°К100°К.
Сонымен, бөлме температураларында (Т300°К) жылу сыйымдылықты
есептеуге классикалық тәсілдің жарайтындығы көрінеді, ал – 200°С
шамасындағы температураларда жылусыйымдылықты есептеу үшін кванттық
теорияны қолдану керек.
Қатты денелер жылу сыйымдылығының кванттық теориясы негіздерін
Эйнштейн салған болатын. Сонан кейін Дебай решетканы жасап тұрған
бөлшектердің төмен температуралардағы өз ара әсерлерінің ролін еске алған.
Дебай жеке бөлшектердің тербелістерін емес тұтас решеткадағы орныққан
тербелістерді қарастырған. Ол кристалдық решеткадағы акустикалық
толқындарды да қамтитын жиіліктері әр түрлі тұрғын толқындардың
орнығатындығын көрсетті.
Кристалдық решетканың осы барлық тербелістерінің энергияларын
жинақтап және кванттық механика бойынша олардың температураға тәуелділігін
есепке алып, Дебай тәжірибелермен өте жақсы үйлесетін нәтижелерге жеткен.
Өте төмен температураларда қатты денелердің жылу сыйымдылығы абсолют
температураның үшінші дәрежесіне пропорционал болып өзгереді.
Дебай теориясының артықшылдығы – бұл теория кристалдардағы жылулық
тербелістерді олардың акустикалық тербелістерімен байланыстырады.
Совет физигі Л.И. Мандельштам кристалдарда серпімді жылулық
толқындардың болуы кристалдан шашырап шығатын жарықтың сипатына әсер
ететін болу керек деп көрсетті ( ІІІ томда айтылады). Л.И. Мандельштамның
алдын ала болжап айтқанын совет физигі Е.Ф. Гросс іс жүзінде анықтаған,
сонымен, қатты денелерде серпімді жылулық тербелістердің бар екендігі
эксперимент жолымен дәлелденген болып табылады.

1.1. Кристалдың жылу сыйымдылығы
(классикалық теория)
19 ғасырда Дюлонг және Пти қатты денелердің жылу сыйымдылығын зерттей
отырып, бөлме температурасына жақын температураларда 1 атомдық кристалдың
жылу сыйымдылығын анықтады.
= 25 Дж (моль∙К)
Бұл температура өскен сайын жылу сыйымдылығы өсетінің аңғартты. Кешіректе
эксперимент нәтижесі көрсеткендей температура күрт төмендегенде жылу
сыйымдылығы да төмендейді екен. Абсолют температурада диэлектрлік
кристалдарда болып, ал металдарда - пропорция заңы бойынша
өзгереді. (мұндағы заттардың қасиетіне байланысты тұрақты шамалар) .
1.2-ші суретте күміс
жылу сыйымдылығының температураға тәжірибе жүзіндегі байланыстылығы
көрсетілген. Қатты денелердің жылу сыйымдылығының температуралық қасиеті
эксперимент зерттеулер бойынша Дюлонг және Пти заңдарында классикалық
бірнеше моделін қарастырамыз. Бір атомдық кристалдық қатты дененің ішкі
құрылысының классикалық моделінің жинағын квазитығыз (квазиупругих)
күштердің әсерінің кристалдық торлардың түйіндерінде тербеледі деп
қарастырамыз. Әр бір атомның тербелісін үштік бос дәрежемен бейнелеуге
болады, онда бұл жағдайда қатты денені классикалық осциллятордың жиынтығы
ретінде қабылдауға болады. Олардың саны бір мольде Авогадро тұрақтысының
үшеуіне көбейтілген. Бұндай мәліметті біле отыра ішкі энергияны табу қиынға
соқпайды:

Ал молярлық жылу сыйымдылық

(1.1)
Классикалық көзқараста металдың жылу сыйымдылығы әлдеқандай үлкен болу
керек. Металдарда электрон өткізгіштер бар, бірақ классикалық тұрғыдан ол
үш дәрежелі болып келеді. Егер оның саны атом санына тең деп алсақ (бос
бөлшектер сияқты) = 1,5 R т.б. оны 50%-ға ұлғайтады. Шынында да бұл
жоқ, Дюлонг және Пти мұны металдарда да ескерілген. Бұл модельдің
келісілген температураның жылу сыйымдылыққа байланысы анықталмай отыр,
диэлектрик пен металдардың айырмашылығын өте кіші температурада және де
Дюлонг пен Пти заңындағы ерекше алмаз, бериллий, бор, кремний, алюминий
бөлме температурасында жылу сыйымдылығы 3R –ге жақын өсті. Жылу
сыйымдылықтың қатаң теориясын тек кванттық механикалық базада ғана құруға
болады.

1.2-сурет

Өткен ХХ ғасырдың басында В. Нернст бір топ ғалымдармен бірге
көптеген қатты денелердің жылу сыйымдылықтарын үлкен температура
аралықтарында (соның ішінде абсолют нөл температураға жақын маңайларда)
зерттеп өлшеу жұмыстарын кеңінен жүргізді (Нернст Вольтер Фридрих Герман
1864-1941ж неміс физигі және химигі). Бұл жұмыстардың нәтижесінде барлық
қатты денелердің жылу сыйымдылықтары ( және ) температура
функция екені және абсолют нөл температураға жақын аймақтарда нөлге
айналатыны анықталады:
(Т0) = (Т0) =0
(1.2)
Сондай-ақ, тәжірибе нәтижелеріне сәйкес қатты күйдегі химиялық
элементтердің мольдік жылу сыйымдылықтары температура жоғарылаған сайын
арта түсіп, Дюлонг-Пти заңымен анықталатын өзінің шектік мәніне ұмтылады
екен. Мысал ретінде 1.3-суретте қорғасын, мыс және алмас үшін
жылусыйымдылығы мен температура арасындағы байланысты сипаттайтын тәжірибе
жүзінде алынған қисықтар келтірілген. Егер қорғасынның жылу сыйымдылығы 6
калмоль∙К (25 Джмоль∙К) мәніне 100 К өзінде-ақ жетіп үлгерсе, ал мыста
бұл тек 400 К , алмаста - 1270 К (1000°С) ғана байқалады. Тәжірибе
көптеген элементтер үшін Дюлонг және Пти заңы кристалдардың балқу
температурасының аймағында орындалатынын және жылу сыйымдылығының мәнінің
тұрақтылығы көптеген заттар үшін бөлме температураларына дейінгі
аралықтарда сақталатынын көрсетіп отыр.- нің
термодинамикалық өрнегіне байланысты
= ,
(1.3)
оны қатты денелер үшін теориялық тұрғыдан анықтау олардың ішкі
энергиясының температураға байланыстылығын анықтауға келіп тіреледі.
Кристал торының буындарына орналасқан бөлшектердің жалпы потенциал
энергиясын Ф арқылы өрнектейік. Бұл шама теріс (Ф0) болады да (ол
тарту күштеріне негізделген) көлемнің функциясы болып табылады, яғни
бөлшектердің ара қашықтықтарына байланысты:
Ф=Ф(V).
(1.4)
Жоғарыда айтқанымыздай, кристалл бөлшектері торбуындарының
айналасында тербелмелі қозғалыста болады. Мұны үш координата осьтерінің
бойымен болатын тербеліс қорытындысы (қосындысы) ретінде қарастыруға
болады. Сонымен кристалдағы әр бөлшектің үш еркіндік дәрежесі бар деп
есептеуге болады. Жоғарыда қарастырған молекулалық (атомдық) және металдық
кристалдардың бөлшектер тербелісінің энергиясын тауып көрейік.

1.3-сурет

Мұндай кристалдар бөлшектерінің тербелмелі қозғалыс кезінде әрбір еркіндік
дәрежесіне орташа энергияның мәні сәйкес келеді. Сонда торлардағы
әрбір бөлшекке 3 тең орташа энергия сәйкес келеді. Бір моль заттың
тербеліс энергиясын осы бір бөлшектің орташа энергиясын көбейтіп
табамыз:

(1.5)
Сонымен, (1.4) және (1.5) өрнектерінің қосындысы металдық және атомдық
кристалдардың ішкі энергиясын сипаттайды:

(1.6)

Мұндағы Ф(V) және (Ф 0) ескеріп, U 0 екенін айту
қажет, міне, сондықтан бөлшектер кристалдық тордың буындарында ұсталып
тұрады.
Кристалдағы тербелмелі қозғалыстағы бөлшектер энергияның еркіндік
дәрежелеріне қарай бірдей таралуын сипаттайтын классикалық заңға бағыналы
делік. Сонда бір еркіндік дәрежесіне тең орташа энергия сәйкес
келеді. Осы мәнді (1´) қойып, екенін ескеріп, былай жазамыз:

(1.7)
Сонда
= = 3R.
(1.8)
Егер немесе екенін ескерсек, онда классикалық теория
негізінде Дюлонг және Пти заңына келеміз. Бірақ классикалық теория қатты
денелердің температураға байланыстылығын қарастырмайды. Мұны кванттық
теория түсіндіреді.

1.2 Қатты денелердің молекула -кинетикалық теориясының негізгі
ұғымдары мен түсініктері.
Біз қатты дене – жер шарының бетінде, қатты денелерден салынған
құрылыстарда – үйлерде өмір сүріп жатырмыз. Біздің денеміздің құрамында
шамамен 65% су болғанның өзінде (мида 80%) ол қатты денеге жатады. Еңбек
құралдары, машиналар да қатты денелерден жасалған. Қатты денелердің
қасиеттерін білу тіршілік үшін қажет.
Қатты денелер сұйықтар сияқты өзінің көлемін ғана сақтап қоймайды,
сонымен бірге пішінін де сақтайды.Олар негізінен кристалл күйде болады
екен.
Қатты денелердің атомдары немесе молекулалары, сұйықтардікіне
қарағанда, белгілі бір тепе – теңдік қалыптың маңында тербеліп тұрады. Кей
кезде молекулалар өздерінің тепе – теңдік қалпын өзгертеді, бірақ бұл өте
сирек болады.Сол себепті қатты денелер көлемін ғана емес, пішінін де
сақтайды.
Қатты денелер өздерінің физикалық қасиеттері жағынан бірінен –
бірінің өте үлкен айырмашылықтары бар екі топқа, атап айтқанда:
1) кристалл денелер және 2) аморф денелер болып бөлінеді.
Аморфтық денелердің физикалық қасиеттері барлық бағыттар бойынша
бірдей болады. Аморфтық денелерге шыны, пластмассалар және т.б.жатады.
Аморфтық денелер физикалық қасиеттерінің изотроптылығы оларды құрайтын
атомдар мен молекулалардың ретсіз орналасуымен түсіндіріледі.
Атомдары мен молекулалары реттелген, периодты қайталанылатын ішкі
құрылымды түзе орналасатын қатты денелер кристалдар деп аталады. Кристалдық
денелердің қасиеттері әртүрлі бағыттарда бірдей емес.
Кристалдардың бұл қасиетін анизатроптық деп атайды. Мысалы, кристалл
дененің жылулық ұлғаю коэффиценті әр түрлі бағытта түрліше болады;
кристалдардың механикалық, оптикалық және электрлік қасиеттері әр түрлі
бағытта бірдей болмайды. Кристалдың өзіне тән сыртқы белгісі – оның
геометриялық формасының дұрыс болатындығы. Терезе шынысының бетіне су
қатқанда байқалатын мұз кристалдарының геометриялық дұрыс формалары жалпыға
белгілі.Кристалдардың жан - жағы айнадай жазық болып келеді, ол жазық
жақтар бірімен – бірі түзу қырлар және үшкір бұрыштар жасап қиылысады.
Әдетте жақтар біріне қарағанда бірі симметриялы болып орналасады.
Кристалдың жазықтары белгілі бір бағытта орналасады, сындырғанда
олар көбінесе осы жазықтардың бойымен жарылады. Мысалы, тас тұзының
кристалдары ұрғанда өз ара перпендикуляр жазықтықтардың бойымен жарылып
сынады, сонда тас тұзының кесектері параллелипипед формалы болады. Ал аморф
денелердің сынған жерлері ойлы – қырлы болады; жарылып сынған шыны
ұсақтарының белгілі бір формасы болмайды.
Кристалл денелер монокристалдар және поликристалдар болып екіге
бөлінеді. Монокристалдың басты ерекшелігі оның бүкіл көлемінде ішкі
құрылымының периодты қайталануы болып табылады. Поликристалл бейберекет
орналасқан кіші кристалдар жиынтығынан тұрады. Табиғатта кездесетін қатты
денелердің басым көпшілігі – тас, құм, металдар, тұздар және т. б.
поликристалдар болып табылады. Поликристалл дененің әрбір кіші монокристалы
анизотропты, ал поликристал дене изотропты. Кристалдарды құрайтын
бөлшектердің кеңістікте дұрыс кристалдық тор түзетіндігі – тәжірибеде
анықталған. Кристалдық тор деп түйіндерінде кристалды құрайтын бөлшектер
орналасатын кеңістіктік торды айтады. Кристалдар табандарында тек дұрыс
үшбұрыш, квадрат, параллелограм және алтыбұрыш жататын әр түрлі призмалар
мен пирамиданың пішінінде болады.
Кристалдағы бөлшектердің периодты қайталанып орналасуын кристалл торы
белгілі симметрияға ие екен дейді. Фигураның пішінінің қандай да бір
дұрыстығын сипаттайтын қасиетін фигураның симметриясы дейді.
Кристалдардың симметриясын жалпы түрде Е.С. Федоров қарастырған.
Ол бөлшектердің кристалдарда орналасуының 230 түрі бар екенін көрсетті.
Арасындағы байланысты анықтай отырып, кристалдық – химиялық анализдің
методын тағайындады.
Кристалдың физикалық типтері.
Кристал торының түйіндерінде атомдар, иондар, молекулалар болуы
мүмкін. Түйіндерде орналасқан бөлшектердің арасында белгілі күштер әсер
етеді. Кристалдық тордың түйіндеріндегі бөлшектердің табиғатына және
олардың арасындағы өзара әрекет күштердің қасиеттеріне қарай кристалдар
төрт типке ажыратылады: атомдық, иондық, металдық және молекулалық.
Атомдық кристалдар.Атомдық кристалл түйіндерінде электрлі бейтарап
атомдар орналасады. Түйіндердегі атомдарды ұстап тұратын байланысты
коваленттік деп атайды. Бұл байланыс тек қана атомдық кристалдарда емес,
көптеген екі атомды қосындыларда кездеседі.
Иондық кристалдар. Иондық кристалдың түйіндерінде әр түрлі таңбалы
иондар орналасады. Олардың арасындағы әсер күштері негізінен электрлік
(Кулон күштері) болып келеді
Молекулалық кристалдар.Молекулалық кристалдардың түйіндерінде
молекулалар орналасады. Түйіндердегі молекулаларды өзара молекулааралық
күштер ұстап тұрады. Бұл күштер әлсіз, олар атомдардан молекула түзе
алмайды. Молекулалық кристалдан тұратын заттар берік болмайды, олар тез
буланып ұшып кетеді.
Металдық кристалдар. Металдық кристалдар торының ерекшелігі – металл
атомдарынан оңай бөлініп шыққан сыртқы электрондар болады. Олар газ
молекулалары сияқты ретсіз қозғалып, электронды газ түзеді. Сондықтан
металл кристалын барлық түйіндерінде оң иондар орналасқан электронды газдың
ішіндегі тор деп қарастыруға болады. Электронды газ арқасында металдар
мынадай қасиеттерге ие болады: электр және жылу өткізгіштігі өте зор;
жабысқақтығы, яғни пластиктігі бар; қақтауға төзімді немесе созымдылығы
үлкен.
Қатты денелердің серпінділік қасиеттері.
Қатты дененің өлшемдері мен көлемінің және пішінінің өзгеруін
деформация деп атайды. Деформациялар қатты денелерді қыздыру мен суыту
кезінде және сыртқы күштердің әсерінен пайда болады. Деформация кезінде
кристалл тордың түйіндерінде орналасқан бөлшектер өздерінің тепе – теңдік
қалыптарынан ығыстырылады. Осының әсерінен деформацияланған қатты денеде
серпінділік күші пайда болады.
Деформацияны туғызатын сыртқы күштердің әсері тоқталғаннан кейін
денелердің өз өлшемдері мен пішінін және көлемін қалпына келтіру қасиеті
серпінділік деп аталады. Дененің деформациясы кезінде пайда болатын және
бөлшектердің ығысу бағытына қарсы бағытталған күшті Ғ серпінділік күші
деп аталады.
Сыртқы күштердің әсері тоқталғаннан кейін жойылатын деформациялар
серпінді деформациялар деп аталады.
Серпінді емес деформациялар сыртқы күштердің әсері тоқталғаннан кейін
жойылмайды. Мұндай деформациялар пластикалық деформациялар деп аталады.
Деформацияның ең қарапайым түрлері – созылу мен сығылу. Созылу мен сығылу
деформациясы Е салыстырмалы созылумен сипатталады:
;
(1.10)
мұндағы - абсолют ұзару.
- мысалы, біліктің созылғанға дейінгі, ал - созылғаннан кейінгі
ұзындықтары.
Серпінділік күш модулінің дене көлденең қимасының ауданына қатынасына
тең шаманы механикалық кернеу деп атайды:
;
(1.11)
Халықаралық бірліктер жүйесінде механикалық кернеу бірлігіне паскаль
(Па) қабылданған: 1Па = 1 Нм2. Шамалы деформацияларда төмендегі
қатынаспен анықталатын Гук заңы орындалады:

мұндағы Е пропорционалдық коэффициенті серпінділік модулі немесе Юнг модулі
делінеді. Бір материалдан жасалған денелер үшін олардың өлшемдері мен
пішініне байланыссыз серпінділік модулі бірдей:

(1.12)
соңғы өрнектен

=
(1.13)
Біліктің К қаттылық коэффициенті: тең болады. Практикада қатты
денелердің морттық деп аталатын қасиетінің маңызы зор. Егер материал
болмашы деформацияларда қирап бүлінетін болса, ол материал морт деп
саналады. Мысалы: шыны, фарфор және т. б.
Қатты денелердің жылулық ұлғаюы.
Тәжірибеге сәйкес температура жоғарылаған сайын қатты денелердің көлемі
артатындығы белгілі. Қатты денеде берілген температурада молекулалар бір –
бірінен белгілі қашықтықтарда орналасады да, тепе – теңдік қалыптардың
маңында тербеліс жасап тұрады. Температураның жоғарылауымен тербеліс
энергиясы артады. Басқаша сөзбен айтқанда, температура артқан сайын
молекулалар бір – бірінен қашықтайды.
Абсолют нөлден алшақ тұрған температура ... жалғасы
Ұқсас жұмыстар
Жылу құбылыстары
Жылу мөлшерін есептеу
Физикадан дәрістер
Кристалдық торлар
Термодинамика және динамика
Қатты денелердің жылуөткізгіштігі және жылудан ұлғаюы
Қатты денелер физикасы
Жылу мөлшері
Қатты дене бөлшектерінің арасындағы күштер
8-сыныпта «жылу құбылысы» бөлімін оқытуда компьютерлік технологияны қолдану
Пәндер