Идеал газ күйінің теңдеуі немесе Менделеев-Клайперон теңдеуі

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Жоспар

Кіріспе

1. Молекула - кинетикалық теорияның негіздері

2. Идеал газ күйінің теңдеуі немесе Менделеев-Клайперон теңдеуі

3. Изопроцестер

4. Қаныққан және қанықпаған булар

5. Беттік керілу

Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

Кіріспе

Молекулалық физика - физиканың әр түрлі агрегаттық күйдегі заттардың физикалық қасиеттерін олардың молекулалық құрылысы негізінде зерттейтін саласы. Молекулалық физиканың ең алғаш қалыптасқан бөлімі - газдардың молекулалық-кинетикалық теориясы.

Мұнда газдардың, сұйықтықтардың және қатты денелердің құрылысы, олардың сыртқы әсерлердің (қысым, температура, электр және магнит өрістері) нәтижесінде өзгеруі, тасымалдау құбылысы (диффузия, жылуөткізгіштік, ішкі үйкеліс), фазалық тепе-теңдік және ауысу процестері (кристалдану және балқу, булану және конденсация, т. б. ) заттардың кризистік күйі, әр түрлі фазалардың бөліну шекараларындағы беттік құбылыстар қарастырылады. 20 ғасырда молекулалық физиканың жедел қарқынмен дамуы нәтижесінде одан статистикалық физика, физ. кинетика, қатты денелер физикасы, физ. химия тәрізді ірі, өз алдына дербес салалар бөлініп шықты. Қазіргі ғылым мен техниканың жаңа заттар мен материалдарды кеңінен пайдалануының нәтижесінде заттар құрылысын зерттеудің сан алуан әдістері пайда болды. Заттардың және олардың зерттеу әдістерінің әр түрлі болуына қарамастан молекулалық физика заттар құрылысының микроскопиялық (молекулалық) сипатына негізделе отырып, олардың макроскопиялық қасиеттерін зерттейді.

1. Молекула - кинетикалық теорияның негіздері

Молекула - кинетикалық теорияның негіздері. Оны тәжірибелік анықтауБарлық денелер атомдар мен молекулалардан тұрады. Заттың атомдары мен молекулалары бейберекет қозғалыс жасайды. Молекулалардың осындай қозғалысын жылулық қозғалыс деп атаймыз. Молекула - кинетикалық теорияның (МКТ) негізгі мақсаты - макраскопиялық денелердің қасиеттерін, оларда болып жататын жылулық процестерді түсіндіреді. МКТ - нің негізгі қағидалары:

1. Барлық денелер микробөлшектерден тұрады.
2. Денедегі микробөлшектер үздіксіз және хаосты қозғалыста болады.
3. Денедегі микробөлшектер өзара әрекеттеседі.

Диффузия - бір заттың молекулаларының екінші заттың молекулааралық кеңістігіне еніп кетуі. Броундық қозғалыс дегеніміз - сұйықта немесе газда қалқып жүрген қандай да бір қатты заттың өте ұсақ бөлшектерінің сұйық немесе газ молекулаларының соққыларының әрекетінен бейберекет қозғалуы. Атом және молекулалардың өлшемі мен массасы өте аз. Заттың салыстырмалы молекулалық массасы

2. Идеал газ күйінің теңдеуі немесе Менделеев-Клайперон теңдеуі

Идеал газ дегеніміз- молекулалары шексіз аз көлем алатын серпімді шариктер болып табылатын және өзара әрекеттесуі тек олардың бір-бірімен тікелей немесе ыдыстың қабырғасымен соқтығысуы кезінде ғана білінетін газ болып табылады.

Идеал газдың ыдыс қабырғасына түсіретін қысымы:

\[{\tilde{\partial}}={\frac{1}{3}}n m_{0}v^{-1}\]

немесе

\[\delta={\frac{1}{3}}\rho v^{2}\]

- Бұл теңдеу МКТ-ның негізгі теңдеуі деп аталады.

Себебі:1) Ол макро және микродүниелерді байланыстырып тұр;

Тәжірибе арқылы алынған барлық газ заңдарын теориялық жолмен алуға мүмкіндік береді;

Ол микроәлемде өтіп жатқан процестер жайлы ақпарат береді.

Мұндағы молекуланың орташа кинетикалық энергиясы :

\[W_{k}={\frac{m_{0}v^{2}}{2}}\]

\[p={\frac{n m_{0}v^{2}}{3}}{\frac{2}{2}}={\frac{2}{3}}n\]

\[\frac{m v^{2}}{2}\]

\[{\frac{2}{3}}n W_{i}\]

. Олай болса:

\[\delta={\frac{2}{3}}n W_{i}\]

3. МКТ-ның негізгі теңдеулерінің тағы бір түрін тәжірибе арқылы қарастыру керек.

Молекулалар шоғыры: n=

\[\frac{N}{V}\]

, осыдан:

\[p V={\frac{2}{3}}N W_{k}~{\oplus}~{\frac{p V}{N}}={\frac{2}{3}}W_{k}\]

Мұндағы молекулалар саны мен көлемінің өзгеруіне қарай

\[\frac{p V}{N}\]

барлық газдар үшін тұрақты температурада бірдей болатынынан тәжірибе көрсетеді.

0 ⁰ С-да

\[{\frac{p_{0}V_{0}}{N}}=\theta_{0}=3.76^{\star}10^{-21}{\frac{\dot{A}\alpha}{\dot{E}}}\]

, ал 100 ⁰ С-та

\[{\frac{p~V}{N}}=\theta_{\mathrm{lo0}}=5,14*10^{-21}{\frac{\tilde{A}\alpha}{\tilde{E}}}\]

\[q\,=\,{\dot{\mathbf{x}}}\]

, θ-энергетикалық температура; өлшем бірлігі Джоуль.

θ $₁ₒₒ$ −θₒ=k(Т₂−Т₁)

k= $\frac{\theta ₁ₒ - \theta ₀}{Т₂ - Т₁} = \frac{5, 14 - 3, 76}{100} \cdot 10^{- 21}Дж\ \not{}К = 1, 38 \cdot 10^{- 23}Дж\ \not{}К$

k= $1, 38 \cdot 10^{- 23}Дж\ \not{}К$ коэффициенті Больцман тұрақтысы деп аталады.

Больцман тұрақтысы энергетикалық температураны Кельвинмен өлшенетін абсолют температурамен байланыстырады.

\[{\frac{p V}{N}}=\kappa\Gamma\]

\[{\frac{p V}{N}}={\frac{2}{3}}W_{k}\]

, болса

\[W_{k}={\frac{3}{2}}K\Gamma\]

- газ молекулаларының хаосты қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы абсолют температураға пропорционал

\[\delta={\frac{2}{3}}n W_{i}\]

\frac{2}{3}

\frac{3}{2}kТ

=nkТ

р=n $kТ$ =

\[\frac{N}{V}\]

kТ -бірдей температура мен қысым кезінде газдың тең көлемдеріндегі молекулалар саны бірдей болады . Бұл Авогадро заңы .

\[\delta={\frac{2}{3}}n W_{i}\]

Ол классикалық идеал газ және кванттық идеал газ болып ажыратылады. Классикалық идеал газдың қасиеттері классикалық физика заңдарымен - Клапейрон теңдеуімен, сондай-ақ оның дербес түрлері Бойль-Мариотт заңы және Гей-Люссак заңымен сипатталады. Классикалық идеал газ бөлшектерінің энергиясы Больцман үлестірілуіне сәйкес болып үлестіріледі. Жеткілікті дәрежеде сиретілген реал газдар классикалық идеал газдың моделімен жақсы түсіндіріледі.

Менделеев-Клайперон теңдеуі

Газдың қандай күйде тұрғанын білу үшін оның термодинамикалық параметрлерін, яғни қысымды, температураны, көлемді білу қажет. Термопараметрлердің біреуінің өзгерісі оның басқа параметрлерінің өзгеруіне әкеп соғады. Бұл параметрлерді байланыстыратын теңдеу газ күйінің теңдеуі деп аталады. Осы теңдеуді молекулалы-кинетикалық теорияның негізгі теңдеуін пайдалана отырып, шығарып көрейік. Бізге p = nkТ екені белгілі. Газ молекулаларының концентрациясын n = N/V ескеріп, p = NkT/ V аламыз. Осыдан pV = NkT шығады. Универсал газ тұрақтысы дегеніміз - заттың 1 молінің температурасын 1К-ге арттыру үшін оған қанша жылу мөлшерін беру қажет екенін көрсететін физикалық шама. Бұл универсал газ тұрақтысының физикалық мағынасы. Осы айтылғандарды ескерсек, онда идеал газ үшін мына теңдеу орындалады:Бұл идеал газ күйінің теңдеуі деп аталады. Осы түрде бұл теңдеуді тұңғыш рет ұлы орыс ғалымы Д. И. Менделеев алған, сондықтын ол Менделеев-Клайперон теңдеуі деп аталады. 10 жылдай Ресейде қызмет еткен, атақты француз физигі, Б. П. Клайперон идеал газ күйінің теңдеуін Менделеевтен бұрын ( 1834 ж. ) алды. Идеал газ күйінің теңдеуі физикадағы алғашқы тамаша жалпылау теңдеуі. Ол тәжірибеде тағайындалған бірқатар газ заңдарын жалпылайды. Қандай затты алғанымызға тәуелсіз болатын жалпыланған заңдарды ашу - физика ғылымының мақсаты.

3. Изопроцестер

Изохоралық процесс кезiнде газдың көлемі тұрақты және iшкi энергиясының өзгерiсi оған берiлген жылу мөлшерiне тең. Газдың белгiлi бiр тұрақты көлемінде, жылу алған кездегi және жылу берген кездегi газдың жасаған жұмысы қандай болатындығын бақылаңыздар

Изохоралық процесс. Бұл процесте газ көлемi өзгермейдi: V = const . Газдың iшкi энергиясының өзгерiсi оған берiлген жылу мөлшерiне тең: ΔU = Q . Егер газ қыздырылса, онда Q > 0 және ΔU > 0 - iшкi энергия ұлғаяды. Газды суытқан кезде: Q < 0 және ΔU < 0, оның ішкі энергиясы азаяды. Изохоралық процессті көлемі өзгермейтін герметикалық (тұмшаланған) ыдыстағы газдар мен сұйықтықтарда жүзеге асыруға болады. Дене көлемінің өзгеруіне ішкі энергиясының өзгеруі жылудың жұтылуы не шығуы есебінен атқарылады. Температураның өзгеруіне байланысты газдың (сұйықтықтың) қысымы да өзгереді. Изохоралық процесс кезінде идеал газдың қысымы температураға пропорционал (Шарль заңы) болады. Нақты (идеал емес) газда Шарль заңы орындалмайды. Өйткені газға берілген жылудың белгілі бір бөлігі бөлшектердің өзара әсерлесу энергиясын арттыруға жұмсалады. Ал қатты денедегі изохоралық процессті атқару техникалық жағынан едәуір күрделі болып келеді. Сығылғыштығы өте аз қатты денедегі кез келген изотермалық процесті, бірнеше ондаған килобар қысымға дейін, изохоралық процесс деп есептеуге болады

$C:\Users\KalaKEN\Desktop\P-v_diagram_of_a_simple_cycle.svg (1).png$

Изотермалық процесс кезiнде газдың температурасы тұрақты және iшкi энергиясы өзгермейдi. Газға берiлген барлық жылу мөлшерi пайдалы жұмыс жасауға жұмсалады. Газдың белгiлi бiр тұрақты температурасында, жылу алған кездегi және жылу берген кездегi газдың жасаған жұмысы қандай болатындығын бақылаңыздар.

Изотермалық процесс. Изотермалық процесс кезiнде газдың температурасы тұрақты болады ( Т = const ) және оның iшкi энергиясы өзгермейдi. Газға берiлген барлық жылу мөлшерi пайдалы жұмыс атқаруға жұмсалады: Q = А′ . Газ белгiлi жылу мөлшерiн ( Q > 0) алған кезде, ол оң жұмыс атқарады ( А′ > 0) . Керiсiнше, егер газ қоршаған ортаға жылу берсе, онда оның атқарған жұмысы теріс болып саналады. Изотермалық процессті жүзеге асыру үшін жүйе, әдетте, термостатқа орналастырылады. Бұл жағдайда термостаттың жылу өткізгіштігі өте үлкен болып келеді де, жүйе температурасының іс жүзінде термостат темп-расынан айырмашылығы болмайды. Изотермалық процесстің мысалына тұрақты температурадағы сұйықтықтың қайнауы не қатты дененің балқуы жатады. Изотермалық процесс кезіндегі идеал газда қысым мен көлемнің көбейтіндісі тұрақты болады. .

Изобаралық процесс кезiнде газға берiлетiн жылу мөлшерi, онымен бiрге оның iшкi энергиясының өзгеруiне және қысым тұрақты болған кезде жасалынатын жұмысқа шығындалады. Белгiлi бiр тұрақты қысымды алып, газды қыздыра және суыта отырып, газдың iшкi энергиясы мен олардың жасаған жұмыстары қалай өзгеретiндiгiн бақылаңыздар. Изобаралық процесс. Изобаралық процесс кезiндегi газға берiлген жылу мөлшерi оның iшкi энергиясының бiрге өзгеруiне және қысым тұрақты болған кездей P = const жұмысты атқаруға шығындалады.

Изобаралық процесс - сыртқы тұрақты қысымда физикалық жүйеде өтетін процесс. Ол термодинамикалық диаграммада изобарамен кескінделеді. Изобаралық процесстің қарапайым мысалына ашық ыдыстағы суды қыздыру, еркін қозғалатын поршені бар цилиндрдегі газдың ұлғаюы жатады. Бұл екі жағдайда да қысым атмосфералық қысымға тең. Изобаралық процесс кезінде идеал газдың көлемі температураға пропорционал болады (қ. Гей - Люссак заңы) . Изобаралық процессте, жүйенің жылу сыйымдылығы изохоралық процеске (тұрақты көлемде) қарағанда көбірек болады.

4. Қаныққан және қанықпаған булар

Жылулық қозғалыс әсерiнен пайда болатын кинетикалық энергияның артықтығынан қашанда молекуланың жеке бөлшектерiнiң сұйық бетiнен бөлiнiп шыға алады. Заттың сұйық күйден газ күйiне өту процесiн буға айналу деп атайды. Неғұрлым сұйықтың температурасы жоғары болса, соғұрлым сұйық тезiрек буға айналады.

Буға айналудың екi түрi бар: булану және қайнау. Кез келген температурада және тек сұйық бетiнен шығып бу күйiне айналуды - булану деп атайды. Бу - буланудың әсерiнен пайда болатын газ. Булану барысында сұйық салқындайды. Буланған молекулалардың белгiлi бiр бөлiгi хаостық (ретсiз) қозғалыс жасай отырып қайтадан сұйық бетiне түсуi және оның молекулаларына айналуы керек. Соныменен, булану процессiмен қатар бiрмезгiлде конденсация деп аталатын керi процесс те жүредi.

Конденсация - бұл заттың салқындау немесе сығылуының салдарынан газ тектес күйден сұйық күйге айналу процессi. Сұйық бетiндегi будың қысымы неғұрлым жоғары болса, сол температурада конденсацияға ұшырайтын молекулалар саны да соғұрлым көп болады. Бетi ашық ыдыстағы сұйықтың булану процесi конденсация процесiнен басым болып келедi. Ал бетi жабық ыдыста сұйық пен будың арасында, булану процесi мен конденсация процесстерiбiрiн-бiрi толықтыратындай, динамикалық тепе-теңдiк орнайды. Өз сұйығымен динамикалық тепе-теңдiкте болатын буды қаныққан бу деп атайды.

Температура тұрақты болған жағдайда қаныққан будың қысымы оның алатын көлемiне байланысты болмайды. Егер сұйықтың булануы конденсациядан басым болса немесе сұйық толық буланып кетсе, онда оның устiндегi буды қанықпаған бу деп атайды. Буларға, тек бу қанықпай тұрған жағдайда ғана, идеалды газдар үшiн орныққан заңдарды қолдануға болады.

5. Беттік керілу

Беттік керілу - екі фазаның (дененің) бөліну бетінің термодинамикалық сипаттамасы. Өлшем бірліктері Дж/м2 немесе Н/м. Беттік керілуді бөліну беті сұйықтық болған жағдайда, бет контурының ұзындық бірлігіне әсер ететін және фазалардың берілген көлемдерінде бетті ең кіші шамаға (минимумға) дейін жиыруға ұмтылатын күш ретінде де қарастыруға болады. Екі қоюланған (конденсацияланған) фазаның шекарасындағы беттік керілу, әдетте, фазааралық керілу деп аталады. Жаңа бетті түзетін жұмыс, зат молекулаларын дене көлемінен беттік қабатқа ауыстыру кезіндегі молекулааралық ілініс күшін жеңуге жұмсалады. Беттік қабаттағы молекулааралық күштердің тең әсерлі күшінің шамасы дене көлеміндегідей нөлге тең болмайды әрі ол ілініс күштері көбірек болатын фаза ішіне қарай бағытталады. Сонымен беттік керілу беттік (фазааралық) қабаттағы молекулааралық күштердің теңгерілмеуінің өлшемі болады.

Жылжымалы сұйықтық үшін беттік керілу - еркін беттік энергияға тепе-тең шама. Сыртқы әсер болмаған жағдайда сұйықтық беттік керілудің салдарынан шар (бет мейлінше кіші және еркін беттік энергияның мәні барынша аз болатын жағдай) пішіндес болады. Егер фазалардың көлемдері молекулалардың өлшемдерімен салыстырғанда жеткілікті үлкен болса, онда беттік керілу беттің шамасы мен пішініне тәуелді болмайды. Беттік керілу температураның жоғарылауынан, сондай-ақ, беттік белсенді заттардың әсерінен азаяды. Сұйықтық пен газдың (будың) немесе сұйықтық пен сұйықтықтың оңай жылжымалы шекарасындағы беттік керілуді әр түрлі жолмен өлшеуге болады. Молекулалары (атомдары) еркін орын ауыстыра алмайтындықтан қатты дененің беттік керілуін тәжірибе арқылы анықтау қиын. Анизотропиясалдарынан кристалдың әр қырындағы беттік керілу әр түрлі болып келеді. Қатты дене үшін беттік керілу және беттік энергия ұғымдарының мәні бірдей емес. Өйткені кристалдық тор ақаулары (дислокация, т. б. ) еркін беттік энергияға әсерін тигізеді. Қатты дененің беттік керілуін, әдетте, молекулааралық және атомаралық өзара әсерлерді негізге ала отырып, жанама жолмен есептейді. Беттік керілудің шамасы мен өзгерісіне көптеген беттік құбылыстар байланысты болып келеді.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.