Қазақстан республиасының білім және ғылым министрлігі

(2.14.2.2)

деп жазамыз. Осы теңдікке ескермеген жағдайда теңдеуі шығады. Бұл теңдеу тек төменгі қысымдарда ғана дұрыс болады. Ван-Дер-Ваальс теңдеуі мен Менделеев-Клапейрон теңдеулерін салыстырайық (4-кесте).

4-кесте

Қысым (атм)	PV
1	1,0000	1,000
100	0,9941	1,000
200	1,0483	1,009
500	1,3900	1,014
1000	2,0685	0,893

теңдігі шығады.

Ван-Дер-Ваальс теңдеуі

үшінші дәрежелі алгебралық теңдеу. Осы теңдеу бойынша әрбір температураға сәйкес изотермалар салайық (2.14.3.1-сурет). Тек жоғары температураларда ғана Ван-Дер-Ваальс изотермалары Бойль-Мариотт изотермаларына ұқсас болады. Төменгі температураларда Ван-Дер-Ваальс изотермалары өркештер береді.

2.14.3.1-сурет. Ван-Дер-Ваальс изотермалары

Тәжірибенің қондырғысы (2.14.3.3) -суретте көрсетілген. Қалың қабырғалы цилиндр ішінде 1 моль көмірқышқыл газы бар (тәжірибе кезінде температура тұрақты болады). Суреттегі G – манометр, В-поршень.

2.14.3.3-сурет. Цилиндрлік қондырғы

2.14.3.4-сурет. Газ күйлерінің ауысуы

Р₀ қысым Т температурадағы қаныққан бу серпімділігі делінеді. Осы қысымда берілген зат пен арасындағы көлемдерді ала алады. Бұл аймақта газ екі агрегаттық күйде бола алады. Теориялық изотермадағы өркештер заттардың газ күйінен сұйық күйіне ауысып отыратындығын көрсетеді. Графикте пунктермен бөлінген бөлік сұйық газ, штрихтар сұйықты көрсетеді (2.14.3.2-сурет). Ван-Дер-Ваальс изотермалары ішінде өркештелген изотерма мен өркештелмеген изотермаларды бөліп тұрған изотерма бар. Мұны кризистік изотерма деп атайды да оған сәйкес температураны кризистік Т_k дейді. Бұл К нүктесінде өркештер орнына майысу ғана болады. К – кризистік нүкте, V_ок - кризистік көлем. Р_k – кризистік қысым делінеді. Сонымен:

1) Т_k - кризистік температурадан жоғарғы температурада зат тек газ күйінде болады. Кризистік температурадан жоғарғы температура газды ешқандай қысыммен сұйылтуға болмайды. Т_k – ден төменгі температурада газ сұйық күйінде де, газ күйінде де болуы мүмкін.

2) Р₀ қаныққан бу серпімділігі Р_k кризистік қысымнан артық бола алмайды.

3) Заттың сұйық күйіндегі көлемі осы заттың сондай мөлшердегі кризистік көлемінен үлкен бола алмайды. Кризистік нүктеде сұйық және бу арасында айырма болмайды.

Тозаңсыз және электр зарядтары жоқ жерде будың қысымы Р қаныққан бу серпімділігінен жоғары болуы мүмкін. Мұны аса қаныққан бу деп атайды.

Заттың сұйық күйіндегі қысымы қаныққан бу серпімділігінен төменгі қысымда бола алады. Ол чертежде bМ сызығымен көрсетілген. аb – бөлігі тұрақсыз күй болып табылады. Өйткені, көлемнің үлкеюімен қатар қысымның да артып отыруы мүмкін емес.

4. 
   Нақты газдардың ішкі энергиясы
   

Қосымша қысым болғандықтан

Нақты газдың ауасыз кеңістікке қарай ұлғаюын қарастырайық. Нақты газдарда идеал газдардағы сияқты газ ұлғайғанда істелетін жұмыс газға жылу берудің немесе ішкі энергия есебінен істеледі. Нақты газ ауасыз кеңістікке ұлғайсын, бұл уақытта сыртқы қысым жоқ деп есептеуге болады. Сондықтан газ сыртқы күштерді жеңуге жұмыс жасамайды, бірақ молекулалардың арасында ілінісу бар. Газ ұлғайғанда осы ілінісу күштерін жеңуге жұмыс жасайды. Бұған ішкі энергияны бірден жұмсауға тура келетіндіктен газдың температурасы кемитін болады..

Мынадай тәжірибе қарастырайық:

Ыдыс қалқанмен бөлінген болсын. Қалқанның бір жағы газ, екінші жағы бостық (вакуум) болсын. Қалқанды алып тастағанда газ бостыққа ұмтылады. Молекулалардың арасы қашықтап, ілінісу күштерін жеңеді. Энергияның сақталу заңы бойынша газдың толық ішкі энергиясы ұлғайғанға дейін де және ұлғайғаннан кейіннен де өзгермейді.

Сұйықтан буға айналу процесін қарастырайық. Қайнау процесінде үлкен кинетикалық энергиясы бар сұйық молекулалары сұйықтың бетіне шығып, молекулааралық тартылысты жеңіп, сұйық бетінен шығып кетуі керек. Яғни

энергиясы молекулалардың тартылыс күшіне қарсы істелетін жұмыстан көп болуы керек ( E_k>A.). Бұл жұмыс A=2r^.F теңдігі арқылы анықталады. Мұндағы r – молекулалардың әсерлесу сферасының радиусы, Ғ - әсерлесу күші.

Молекулалардың тартылыс күші өте үлкен шама. Судың молекулалық ішкі қысымы 11 мың атм. Ендеше молекуланың сұйық бетіне шығуы үшін өте үлкен энергия керек. Энергиясы жоғары молекулалар, яғни «ыстық» молекулалар ғана сұйық бетіне шыға алады. Осының нәтижесінде қалған молекулалардың энергиясы азаяды. Кебу кезінде дене суыйды. Булануға кері процесс қоса жүреді. Яғни ауадағы су буы қайтадан сұйыққа айналады. Екі процесс үздіксіз жүреді. Егер булану конденсацияға қарағанда интенсивті болатын болса, сұйық буланады, ал керісінше конденсациялану булануға қарағанда интенсивті жүрсе онда сұйық көбейеді.

Екі процесс өзара тең болса тепе-теңдік процесс делінеді, яғни қанша молекула буланса, сонша молекула конденсацияланады. Бұл уақыттығы буды қаныққан бу дейді.

Егер адиабаталық кебу болса, температура төмендейді. Изотермалық кебуде (тұрақты температурада) берілген жылу тұрақты болады. Сұйықты қайнауға дейін қыздырғанда жылудың біразы ғана булануға жұмсалады, ал көп бөлігі тек қыздыруға кетеді. Қайнау басталу үшін сұйықтың ішінде ауа көпіршіктері болуы керек, яғни қос фазалы болу керек.

Ауа көпіршіктері сұйықтың ішінде ыдыс қабырғасындағы не түбіндегі денелерге жабысып тұрады. Осы көпіршіктер булану орталығы болып табылады. Сұйық осы көпіршіктің ішінде буланады, көпіршік үлкейіп өз орнына кішкене көпіршік қалдырады да сұйық бетіне көтеріліп жарылады. Кішкене көпіршік тағы ұлғайып, тағы көтеріледі. Осылай қайталану болады. Көпіршіктер тізбек жасап көтеріліп отырады.

Қайнау кезінде сұйыққа берілген жылу түгелдей булануға жұмсалады, ендеше температура тұрақты болады. Мұның себебі - температураның көтерілуі мұң екен, сол сәтте-ақ қайнау тездей бастайды. Яғни келген жылу кебуге кеткен жылумен тең болады. Көпіршік ауадан тұруы керек, ал көпіршік тек сұйық буынан тұрса қысым көбейгенде (тепе-теңдік қалыптан жоғары болғанда) бу суға айналып көпіршік көлемі кішірейеді. Көпіршік үшін тепе-теңдік қалып мынадай

Мұнда Р – көпіршік ішіндегі қаныққан бу қысымы, – көпіршік ішіндегі ауа қысымы, р – атмосфералық қысым, – гидростатикалық қысым, – қисық беттегі Лаплас қысымы.

Ұзақ қайнаудан кейін аса қызған сұйық алуға болады. Бұл жағдай сұйықтың ішіндегі еріген ауа түгелдей буланып болған соң бу тек сұйықтың өз буы болған кезде ғана орындалады. Қайнау температурасы жоғарылайды.

Булану жылуы екі бөліктен тұрады. Біріншісі молекуланың беттік қабаттан бөлінуі үшін қажет, ал екінші бөлігі ұлғаю кезіндегі жұмысқа тең. Кебу кезінде будың көлемі алғашқы сұйық күйінен үлкен болады. (Су үшін 1650 есе).

Кебу жылуы беттік қабаттың тартуын жеңу үшін жұмсалатын және ұлғаю үшін кететін жылулардың қосындысына тең болады.

Ұлғаю үшін қажетті жылу . Беттің тартылысын жеңу үшін жұмсалатын жылу:

Будың конденсациялану процесін қарастырайық. Бұл процесс тек қос фаза болғанда орындалады. Конденсация болу үшін конденсация орталығы болу керек. Будың молекулалары осындай орталыққа жанасып, үлкен тамшы құрайды да сұйық бетіне түседі. Ауаны ерекше тазартып аса қаныққан бу алуға болады. Бұл уақытта қысым тепе-теңдік қысымнан жоғары болады. Аса қаныққан буды адиабаттық ұлғайтса температура төмендейді де конденсация болады. Конденсация кезінде булану жылуы қайта бөлінеді.
2.14.6 Екінші реттік фазалық түрлену туралы түсінік

Бірінші реттік фазалық ауысу жылуды жұту немесе бөлу арқылы орындалады. Екінші реттік фазалық ауысуда жылу шығару немесе жұту болмайды, тек жылу сыйымдылық не басқа физикалық қасиеттері өзгереді. Мысалы, Т= болғанда ферромагнетиктер парамагнетикке айналады және жылу сыйымдылығы өзгереді.

Төменгі температурада T=2,9K сұйық гелий ерекше фазалық күйге – гелий-II-ге айналады. Бұл уақытта үйкеліс көэффициенті өте аз болады да, «төтенше аққыштық» қасиетке ие болады. Ол d=0,5^.10^-3мм саңылаудан аға береді. Кәдімгі сұйық мұндай саңылаудан өтпейді. Төтенше өткізгіштік күйлерде кедергі болмайды.

2.14.7 Күй диаграммасы. Фазалардың тепе-теңдігі

Кейбір кристалды заттар атмосферада қатты күйде де тез буланады. Мысалы, нафталин, мұз (қысты күні далаға жайылған кірдің кебуі). Мұндай денелер үстіндегі бу қысымын өлшеуге болады. Ал көптеген заттар үшін өлшеуге мұмкін болмайды. Бірақ кез келген қатты дененің молекулалары ретсіз қозғалыста болады да денеден атмосфераға ұшып кетеді және керісінше процесс өтеді.

Қатты дененің булануын сублимация деп атайды (жоғары көтерілген деген сөз). Сублимация жылуы балқу жылуы мен булану жылуының қосындысына тең болады. Сублимация процесіне кері процесс будың қатты күйге айналу процесі болады. Сұйық және оның буының динамикалық тепе-теңдігі кез келген температурада болады. Осының тепе-теңдік нүктелердің геометриялық орны булану қисығын береді: РК – булану қисығы, К – кризистік нүкте (2.14.15-сурет).

Сол заттың қатты және сұйық фазасының динамикалық теңдігінің геометриялық нүктелер орны балқу қисығы делінеді (ВР).

2.14.15.1-сурет. Күй диаграммасы

Практикалық сабағы № 2 Идеал газ күйінің теңдеуі. Менделлев-Клапейрон теңдеуі.

Практикалық сабағы № 3 Дальтон заңы. Паскаль заңы. Барометрлік формула. Идеал газдың ішкі энергиясы. Энергияның еркіндік дәрежелері бойынша тең үлестіру принципі.

Практикалық сабағы № 4 Мольдік және меншіктік жылу сиымдылық

Практикалық сабағы № 5 Молекулалардың жылдамдық бойынша Максвелдік үлестірілуі.

Практикалық сабағы № 6 Газдың кинетикалық теориясының негізгі теңдеуі. Тепе-теңдік күйдегі газ молекулаларының жылулық бей-берекет қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өлшеуіші – температура. Больцман үлестірілуі. Перрен тәжірибесі. Максвелл-Больцман үлестірілуі.

Практикалық сабағы № 7 Термодинамиканың бірінші бастамасы.

Практикалық сабағы № 8 Термодинамиканың бірінші заңын және идеал газ күй теңдеуін изобаралық, изохоралық, изотермалық және адиабаталық процестерді сипаттау үшін қолдану. Әртүрлі процестердегі термодинамикалық жүйенің жылу сиымдылығы.

Практикалық сабағы № 9 Изопараметрлік процестер.

Практикалық сабағы № 10 Нақты газдар. Ван-дер-Ваальс теңдеуі. Ван-дер-Ваальс изотермолары.

Практикалық сабағы № 11 Заттың сұйық күйі. Беттік керілу. Капиллярлық құбылыстар.

Практикалық сабағы № 12 Қатты денелердің жылу сиымдылығы. Жылу сиымдылықтың классикалық теориясы. Дюлонг және Пти заңы.

Практикалық сабағы № 13 Тасымалдау процестері. Тасымалдау процестерінің түрлері: тұтқырлық, жылу өткізгіштік, диффузия. Ньютонның үйкеліс заңы, Фурье заңы, Фик заңы. Тасымалдау коэффициенттері.

Практикалық сабағы № 14 Газдағы тасымалдау процестерінің кинетикалық теориясы. Соқтығысудың орташа жиілігі. Молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы мен орташа уақыты, көлденең газкинетикалық қимасы.