Е. Т. Акимбеков физика пәнінен дәрістер курсы нұр-Сұлтан 2020
II БӨЛІМ. МОЛЕКУЛАЛЫҚ ФИЗИКА ЖӘНЕ ТЕРМОДИНАМИКА
жүктеу/скачать 3.65 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Кілттік сөздер
| II БӨЛІМ. МОЛЕКУЛАЛЫҚ ФИЗИКА ЖӘНЕ ТЕРМОДИНАМИКА
8-дәріс. МОЛЕКУЛА-КИНЕТИКАЛЫҚ ТЕОРИЯНЫҢ НЕГІЗДЕРІ Дәрістің мақсаты: Затты молекулалық тұрғыдан түсіну; газ күйін сипаттайтын термодинамикалық параметрлерді білу және олардың арасындағы өзара байланысты білу. Кілттік сөздер: зат мөлшері, моль, температура, қысым, көлем, молекулалық масса, молекула-кинетикалық теория негіздері. Қарастырылатын сұрақтар: Физикадағы динамикалық және статистикалық заңдылықтар. МКТ. Идеал газ молекулаларының ілгерілемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы. Термодинамикалық параметрлер. Максвелл таралулары. Больцман таралулары. Денелердің қасиеті мен құрылысының, оны құрайтын бөлшектердің өзара әсерінің және олардың қозғалыс сипатының олардың агрегат күйіне тәуелділігін қарастыратын физика бөлімімолекулалық физика деп аталады. 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. Бұл теория Дж. Максвеллдің, Л. Больцман және Дж. Гиббс еңбектерінің нәтижесінде классикалық - статистикалық физика болып қалыптасты. 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. Өте көп бөлшектен тұратын макроскопиялық жүйенің физикалық қасиеті бірін-бірі толықтырып отыратын статистикалық және термодинамикалық деп аталатын екі әдіспен зерттеледі. Статистикалық әдіс ықтималдылық теориясын және зерттелетін жүйенің құрылысын белгілі бір моделіне қолдануға негізделген. Мысалы, газдарда молекулалардың температурамен байланысты жылулық қозғалысының орташа жылдамдығының мәндерін және олардың энергияларын анықтауға болады. Сондай-ақ, қатты денелерде бөлшектердің тербелмелі қозғалысының орташа энергиясының температурадан тәуелділігін анықтауға болады. Авогадро саны 6,021023 моль-1 – заттардың 1 молін құрайтын атомдар (молекулалар немесе басқа құрылымдық бірліктер) саны. Атом – химиялық элементтің қасиетін анықтайтын ең кішкентай бөлігі. Зат мөлшері – затты құрайтын құрылымдық элементтердің санымен анықталатын физикалық шама. Идеал газ моделі – газ молекулаларыныңменшікті көлемі елеусіз өте аз, яғни материалдық нүктелер; - арасында өзара әрекеттестік жоқ; - өзара және ыдыс қабырғаларымен соқтығысы абсолют серпімді. Мольдік газ тұрақтысы R= 8.31 Дж/(мольК) – қалыпты жағдайда 1моль идеал газдың температурасын 1 К-ге қыздыруға қажет энергияға тең. Молекулалар концентрациясы–заттың бірлік көлеміндегі молекулалар саны: n=N/V ; Нақты газ – негізгі қасиеттері молекулааралық өзара әсерлесуге тәуелді, сәйкесінше потенциалдық энергиясы бар газ. Температура– жүйенің термодинамикалық тепе-теңдік күйін сипаттай-тын және денелердің арасындағы жылу алмасуды анықтайтын шама. Термодинамикалық параметрлер– жүйенің қасиеттерін сипаттайтын физикалық шамалар. Күй параметрлері ретінде температура, қысым және көлем (меншікті көлем) қарастырылады. Термодинамикалық температуралық шкала (Кельвин шкаласы) судың үштік нүктесіне қатысты бір реперлік нүктемен анықталады. Температураның практикалық шкаласы (Цельсий шкаласы) екі реперлік нүктемен (1,013105 Па қысымда судың қату температурасы 00С және судың қайнау температурасы 1000С) анықталады. Үштік нүкте – мұздың, судың және қаныққан будың 609 Па қысымда термодинамикалық тепе-теңдікте болатын температурасы. Кельвин шкаласы бойынша 273,16К. Жүйенің күй параметрлері ішкі және сыртқы болып бөлінеді. Зерттелетін жүйеге қатысты сыртқы денелердің қасиеттері мен кеңістіктегі орнына тәуелді физикалық шамалар жүйенің сыртқы параметрлері деп аталады. Жүйенің құрамдас бөліктерінің координаттары мен жылдамдықтарына тәуелді шамалар жүйенің ішкі параметрлері деп аталады. Жүйенің кез келген параметрін тәуелсіз айнымалы параметрлермен байланыстыратын теңдеу күй теңдеуі деп аталады. Жүйеде p қысым, V көлем, T температура арасындағы функциялық тәуелділік термиялық күй теңдеуі болып саналады: (8.1) Жүйеде шексіз жақын термодинамикалық тепе-тең күйлер өте баяу ауысып отырса, процесті тепе-тең деп атайды.Клапейрон-Менделеев теңдеуі массасы m кез келген идеал газдың күйін сипаттайды: (8.2) Идеал газ күйінің теңдеуін молекулалар концентрациясы арқылы өрнектеуге болады: (8.3) Массасы тұрақты жүйеде қандай да бір күй параметрі өзгермей орындалатын процесс изопроцесс деп аталады. Изопроцестердің теңдеулері Клапейрон-Менделеев теңдеуінің дербес жағдайлары болып табылады:
Молекула-кинетикалық теорияда (МКТ) қолданылатын шарттар: ● Зерттелетін идеал газ – біратомды; ● Газ молекулалары еркін ретсіз қозғалады, қозғалыс кеңістіктің барлық бағытында тең ықтималды. Газдың ыдыс қабырғасына түсіретін қысымы барлық бағытта бірдей болады; ● Газ молекулаларының өзара соқтығысуы олардың ыдыс қабырғасына соғылысу санымен салыстырғанда өте аз, жалпы жағдайда ескерілмейді; ● Молекулалардың ыдыс қабырғасына соқтығысы – абсолют серпімді; Молекула-кинетикалық теорияның негізгі (МКТ) теңдеуі : (8.4) Молекулалардың орташа квадраттық жылдамдығы: (8.5) Идеал газдың бір молекуласының ілгерілемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясын МКТ негізгі теңдеуі арқылы анықтауға болады. , – берілген көлемдегі барлық молекуланың кинетикалық энергиясы. Осыдан, бір молекуланың орташа кинетикалық энергиясы: , (8.6) Термодинамикалық температура - идеал газ молекулаларының ілгерілемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өлшемі. Тұрақты температурада тепе-тең күйдегі газ молекулаларының орташа квадраттық жылдамдығы өзгермейді. Бұл молекулалардың жылдамдық бойынша стационарлық таралуының қалыптасатынын білдіреді және Дж. Максвелл шығарған нақты статистикалық заңмен сипатталады. Максвелл таралуына қолданылатын алғышарттар: - газ өлшемдері бірдей өте көп молекулалардан құралған; - газ температурасы тұрақты; - газ молекулалары үнемі жылулық қозғалыста болады; - қозғалыс кеңістіктің барлық бағытында тең ықтималды; - газ молекулаларына күштік өрістер әсер етпейді. Молекулалардың жылдамдықтар бойынша таралуы Жылдамдықтың шексіз аз интервалына жылдамдықтары және аралығындағы молекулалар сәйкес келеді, таралу функциясы олардың салыстырмалы санын анықтайды: (8.7) Яғни, молекулалар жылдамдығының және аралығында болу ықтималдығы -ға тең болады. Дж.Максвелдің идеал газ молекулаларының жылдамдықтар бойынша таралу функциясы газдың табиғатына және температурасына тәуелді: . (8.8) функциясы үшін нормалау шарты: кез келген молекуланың қандай да бір жылдамдығы бар, сондықтан жылдамдықтардың мүмкін мәндеріне ие болатын молекулалардың барлық үлесінің қосындысы бірге тең: . Молекуланың ең ықтимал жылдамдығы: , орташа жылдамдығы: , орташа квадраттық жылдамдығы: . Молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясы бойынша таралуы Шамасы шексіз аз интервалға энергиясы және аралығындағы молекулалар саны сәйкес келеді. Молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясы бойынша таралу функциясы: (8.9 ) Идеал газдың бір молекуласының орташа кинетикалық энергиясы: . (8.10) Больцман таралуына қойылатын алғышарттар: -Жердің тартылу өрісі біртекті; -газ молекулаларына күштік өрістер әсер етеді; -газ өлшемдері бірдей өте көп молекулалардан құралған: -барлық молекуланың массасы бірдей; газдың температурасы тұрақты. Жерден h биіктікте атмосфералық қысым p. ал h+dh биіктіктеp+dp. Шексіз аз dh өзгерісте газ тығыздығы тұрақты болса,қысымның өзгерісі: dp= - gdh. Идеал газ күйінің теңдеуінен: . Демек, , немесе . Биіктіктің ден ге дейінгі аралығында қысымның өзгерісі: . Осыдан: (8.11) Атмосфералық қысым қалыпты деп алынғанда: (8.12) Газ қысымының молекулалар концентрациясына тәуелділігі арқылы: , . (8.13) Осы (8.13) формула сыртқы потенциалдық өріс үшін Больцман таралуы деп аталады. жүктеу/скачать 3.65 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|