Молекулалы физика негіздері

С¹² атомның массасының ½ бөлігіне тең массаның бірлігі қысқаша «u» деп латын әрпімен (unit) немесе «е» (единица-бірлік) деген орыс әрпімен белгіленеді. Осы бірліктің киллограммен алынғашамасын m _бір деп белгілейік. Сонда атомның килограммен алынған массасы Аm , ал молекуланың массасы Mm _p болады.

m₁ және m₂ массаларының қатынасы А₁ және А₂ атомдық салмақтарының қатынасындай болатын шамаларда алынған химиялық қарапайым екі затта атомдар саныда бірдей болатындығын оңай түсінуге болады. Дәл осы тәрізді, массаларының қатынасы молекулалық салмақтарының қатынасындай болатын шамада алынған химиялық күрделі екі затың да молекулалар саны  бірдей болады. Элементтің, киллограм есебімен алынған масасының сан жағынан алғанда оның молекулалық салмағына тең болатын мөлшері киллограм-молекула немесе қысқаша киломоль деп аталады. (кмоль болып белгіленеді).

Килограм-молекуланың  µ массасы сан жағынан М молекулалық салмаққа тең болады. Осы себептен де µ-ді кейде молекулалық салмақ деп атайды. Алайда , М дегеніміз өлшеусіз шама болғанда µ киломольдің массасы (М-нің өлшемі) кг/моль болатындығы сөзсіз, бұл кезде µ және А шамаларының сан мәндері бірдей болады.

Киллограм-молкулалалардың  массаларының қатынасы сәйкес молекулалық  салмақтардың қатынасындай болатындықтан, барлық заттардың киломольдеріндегі  молекулалар саны бірдей және

N_A= µ/Mm_бір                  (1.1)

Болады, сан жағынан  бұл 1/m_бір-ге тең. N_A саны Авогадро саны деп аталады. Тәжірбиеден

N_A=6.023*10²³ моль^-1    (1.2)

Авогадро саны арқылы m_бір массаны анықтауға болады. Шынында да, m_бір массаны анықтауға болады. Шыныда да, m_бір сан жағынан 1/N_A, яғни 1/6,023*10²⁶= 1,66*10^-27 кг-ға тең. Сөйтіп, кез келген атомның массасы 1,36*10^-27 А кг, кез-келген молекуланың массасы 1,66*10^-27 М кг болады.

Енді молекулалардың өлшемдеріне баға берелік. Сұйықтардың  молекулалары бір-біріне өте жақын, тығыз орналасады деп ұйғару өзінен-өзі түсінікті. Сондықтан, бір молекула көлемінің жуықталған бағасын алу үшін, қандай да сұйықтың, мәселен судың, киломолінің көлемін бір киломольдегі молекулалар санына бөліп табуымызға болады. Су киломолі (яғни 18 кг) 0,018 м³ көлемді алады. Демек, және молекуланың үлесіне

0,018/0*10²⁶=30*10^-30 м³.

Шамасына тең көлем  келеді екен. Осыдан су молекулаларының  сызықтық мөлшерлері жуықтап алғанда  мынаған тең:

 

 

Басқа заттардың молекулаларының  да мөлшерлері сол реттегі бірнеше  ангстерм шамасында болады.

 

Системаның  күйі.Процесс.

Денелер системасы немесе жайй система деп біз қарастырып отырған денелердің жиынтығын атайтын боламыз. Сұйық және онымен тепе-тең қалыптағы бу системаның мысалы бола алады. Атап айтқанда, система бір денеден де құрылады.

Кез келген система температура, қысым, көлем және т.с.с мәндер арқылы айырылатын әр түрлі күйде бола алады. Системаның күйін сипаттайтын осындай шамалар күй параметрлері деп аталады.

Қандай да бір параметрдің  барлық уақытта анықталған мәні бола  бермейді. Мәселен, дененің ір түрлі нүктелерінде температура бірдей болмаса, онда дененің белгілі бір Т параметрі бар деп айта алмаймыз. Бұл жағдайда күй тепе-тең емес күй деп аталады. Егер осы денені басқа денелерден оңашалап және өз бетіне қалдыратын болсақ, онда температура қалыптасып, дененің барлық нүктелері үшін Т мәнін қабылдайды-дене тепе-тең күйге ауысады. Т мәні дене сыртқы әсердің нәтижесінде тепе-тең күйден ауысқанға өзгермей қалады.

Басқа параметрлер үшін де, мәселен, р қысым үшін де осылай орындалады. Егер, тығыз жүретін поршеньмен жабылған цилиндрлік ыдыстағы газды алып, поршеньді тез қозғалтып, газды сықсақ, онда поршень астында қысым газ көлемінің басқа жеріндегі қысымнан артық болатын газ қабаты пайда болады. Демек, бұл жағдайда газды р қысымының белгілі бір мәнімен сипаттауға болмайды да, газ тепе-тең емес күйде болады. Алайда, егер поршеньді тоқтатсақ, онда газ көлемінің әр түрлі нүктелеріндегі қысым қалыптасып, газ тепе- тең күйге түседі.

Сонымен, системаның тепе-тең  күйі деп системаның барлық параметрлері, сыртқы жағдайлар өзгермей қалған кезде жеткілікті уақыт бойы тұрақты болып қалатын белгілі мәндерін сақтайтын күйін атаймыз.

     

Егер координаталар  осьтеріне қандай да бір екі параметрдің  мәндерін салатын болсақ, онда системаның кез-келген теп-тең күйі осы графикте нүкте түрінде өрнектеледі. (мыслаға суреттегі 1 нүктені қараңыз). Тепе-тең емес күйді дәл осылай өрнектеуге болмайды, өйткені тепе-тең емес күй кезінде параметрлердің ең болмағанда біреуінің белгілі бір мәні болмайды.

Кез-келген процесс, яғни системаның бір күйден екінші күйге  өтуі, системаның тепе-тең күйден шығуымен байланысты болады. Демек, системада  қандай да бір процесс жүрген кезде  система тепе-тең емес күйлерінің тізбегінен өтеді. Жоғарыдаға қарастырған поршеньмен жабылған ыдыстағы газды газды сығу процесіне қайта оралып, поршеньді қозғалтқан кездегі тепе-тең күйінің бұзылуы газды неғұрлым тез сығуға тәуелді болады деген қорытынды жасауға болады. Егер де поршеньді өте баяу  қозғалататын болсақ, онда тепе-тең  күйден бұзылуы болымсыз өтеді де газдың  әр түрлі нүктелеріндегі қысымының мәні қайсібір орташа р мәніне жақын болады. Газдың сығылуы шексіз баяу өтетін  шектік жағдайда газ әр мезетте қысымның  белгілі бір мәнімен сипатталатын болады. Демек, бұл кезде газдың әр мезеттегі күйі тепе-тең күй болады және  шектеусіз баяу процесс тепе-тең күштердің тізбегінен тұрады екен.

Тепе-тең күйлердің  үздіксіз тізбегінен құрылған процесс  тепе-тең процесс деп аталады. Бұл айтылған көріп отырғанымыздай, тек шектеусіз баяу өтетін процесс тепе-тең процесі бола алады, сондықтан да тепе-тең процесі дегеніміз абстракция болып табылады.

Тепе-тең процесті графикте сәйкес қисық сызық түрінде өрнектеуге болады. Тепе-тең емес процестерді біз шартты пунктир сызықтармен кескіндеймін.

 

Тепе-тең күй және тепе-тең процесс ұғымы термодинамикада үлкен роль атқарады. Термодинамиканың барлық сандық қорытындылары тек тепе-тең процесстер үшін нақты орындалады.

 

Системаның  ішкі энергиясы.

Қандай да бір дененің  толық энергиясынан тұтастай қозғалысының кинетикалық энергиясы мен сыртқы күш өрісіндегі потенциалық энергиясын шығарып тастағанда қалған энергия оның ішкі энергиясы деп аталады. Мәселен, біршама газ массасының ішкі энергиясын анықтаған кезде , газдың ыдыспен бірге қозғалысының энергиясы мен оның жердің тартылыс күшінің өрісінде тұрғандығынан пайда болатын энергиясы ескерілмеуі тиіс.

Демек, ішкі энергия түсінігіне молекулалардың хаосты қозғалысының кинетикалық  энергиясы, молекулалардың өз ара әсерлесуінің потенциалық энергиясы және ішкі молекулалық энергия кіреді екен.

Денелер системаның ішкі энергиясы әрбір жеке денелердің ішкі энергияларымен денелер жанасатын  жұқа қабаттағы молекулалардың арасындағы өз ара әсерлесу энергиясы болып  табылатын, денелердің өз ара әсерлесу энергиясының қосындысына тең болады.

 Ішкі энергия система  күйінің функциясы болып табылады. Бұл система берілген күйде  тұрған кезде, оның ішкі энергиясы  дәл осы күйге тән келетін,  системаның бұдан бұрынғы күйіне  тәуелсіз болатын мән қабылдайды  деген сөз.

Демек, система бір күйден екінші күйге өткен кезде ішкі энергияның өзгерісі әрқашанн да ауысу өткен жолға тәуелсіз, яғни системаның бір күйінен екінші күйіне келтіретін процесіне немесе процестер жинағына тәуелсіз, осы күйлердегі ішкі энергияның мәндерінің айырмасына тең.

ИДЕАЛ ГАЗДЫҢ КИНЕТИКАЛЫҚ ТЕОРИЯСЫ

Көптеген  жағдайларда біз нақты бір  жүйелерді қарастыратын боламыз: бұл қайсы-бір дене немесе қайсы-бір денелер жүйесі болып табылады: осы жүйенің төңірегіндегІ қалған барлық денелер қоршаған орта деп аталады. Нақты жүйенің күйін (немесе жүйенің болу шартын) сипаттау үшін, мысалға ыдыстағы газ болсын , макроскопиялық немесе микроскопиялық көзқарастарды пайдаланамыз . Микроскопиялық сипаттау дегенімІз жүйені түзетін барлық молекулалар мен атомдардың қозғалыстарын жан-жақты қарастыру, бұл аса күрделі болып кетуі мүмкін. Бұл кинетикалық теорияның (жөне статистикалық механиканың) үлесІ болып табылады. Макроскопиялық сипаттау кезінде біз сипаттауды тікелей өлшеуге болатын шамалар арқылы береміз: оларға көлем, масса, қысым жөне температура жатады. Жүйенің күйін кез келген уақыт мезетінде анықтау үшін қажет болатын макроскопиялық айнымалылардың саны жүйенің түріне тәуелді болады. Мысалы, ыдыстағы газдың күйін сипаттау үшін үш айнымалы жеткілікті, оларға көлемді, қысымды жөне температураны алуға болады. Жүйенің күйін анықтау үшін қажет болатын осыған ұқсас шамалар күй параметрлері деп аталады.

Идеал газ

Кезкелген зат  қабылдай алатын үш агрегаттық күйлердің  ең қарапайымы газ күйі болып табылады, себебі бүл кезде молекулалар арасында әсер ететін күштер өте әлсІз, белгілі жағдайларда оларды ескермей кетуге болады. Сондықтан молекулалық физиканы газдардың қасиеттерін қарастырудан бастаған ыңғайлы. Бүл жерде біз, еуелі газдағы молекула аралық күштер аз ғана емес, оларды тіптен жоқ деп санаймыз. Сонымен қатар қарапайым шарт үшін молекулалардың өлшемдерін де ескермейміз, яғни оларды материалдық нүктелер деп есептейтін боламыз. Осындай кезде газ молекулаларын еркін, өзара әрекетгеспейтін мелшерсіз бөлшектер жүйесі деп қара-стыруға болады. Молекулалар енді түзу сызықты жөне бірқалыпты қозғалатын болады. Әрбір молекула өзін ыдыста өзінен басқа молекула жоқ секілдІ сезінетін болады. Кейін, реал (нақты) газдарды қарастырған кезде бүл айтылғандардан бас тартуға тура келеді.

Өзара әрекеттеспейтін материалдық нүктелердің жиынтығының қасиеттеріндей қасиеттері бар газды идеал газ деп атайды. БіздІң бастапқы мақсатымыз осы идеал газ кинетикалық теориясын қарастыру болып табылады.

 

Термодинамиканың  бірінші бастамасы.

 

Ішкі энергия негізінен  екі түрлі процестің: дененің А жұмыс істеуі мен денеге берілген Qжылу мөлшерінің есебінен өзгере алады. Жұмыс істеу системаға әсер етуші сыртқы денелердің орын ауыстыруымен қоса жүреді. Мәселен, ыдыстағы газды жауып тұрған поршень орын ауыстыра отырып қозғалған кезде газ А жұмыс істейді. Ньютонның үшінші заңы бойынша бұл кезде газ да жұмыс жасайды: А= -А^⁄   (1.3)

Денеге жылу беру сыртқы денелердің орын ауыстыруымен тәуелді  емес, демек, денеге жасалған микроскопиялық жұмысқа тәуелді де емес. Ішкі энергияның бұл жағдайдағы өзгерісі ыстығырақ дененің молекулаларына қарсы істеген жұмысының әсерінен болады. Бұл жағдайда энергия сәуле шығару арқылы да беріле алады. Бір денеден екінші денеге энергияның берілуіне әкелетін микроскопиялық  процестердің жиынтығы жылу берілу деп аталады.

Бір дененің екінші денеге беретін энергия мөлшерінің дененің бір біріне істететін А жұмысы арқылы анықталатыны тәрізді, бір денеден екінші денеге жылу берілу арқылы берілетін энергия мөлшері, дененің алатын Q жылу мөлшері арқылы анықталады. Сонымен, системаның ішкі энергиясының өсімшесі системаға істелген А^⁄жұмыс пен системаға берілген жылудың қосындысына тең болуы тиіс:

U₂ –U₁=Q+A^⁄            (1.4)

 Мұнда U₁ және U₂  системаның ішкі энергиясының бастапқы және ақырғы мәндері.

Әдетте, сыртқы денелердің системаға істелген А жұмысының орнына системаның сыртқы денелерге істеген A (-A^⁄жұмысқа тең) жұмысын алады.

А^⁄ орнына -A^⁄ ны қойып және де теңдеуді

 

Q= U₂ –U₁+A         (1.5)                 

Түрге келтіруге болады.оны  сөзбен төменегіше айтуға болады. Системаға берілген жылу мөлшері  системның ішкі энергиясының өсімшесіне және системаның сыртқы денелерде атқаратын жұмысына жұмсалады.

Бұл айтлығаннан, жылу берілген кезде әрқашан да системаның ішкі энергиясы артады екен деп түсінуге болмайды. Системаға жыл берілгенімен де оның энергиясы артпай, кемуі мүмкін (U₂<U₁) . Бұл жағдайда (1.5)  бойынша A˃Q немесе система жұмысты алынған Q жылу есебінен де, кемуі U₁– U₂ ге тең ішкі энергия ның қоры есебінен де істеуі мүмкін. Системаның істеген жұмысын немесе системаның алған жылуын есептеген кезде қарастырылып отырған процесті әдетте әрқайсысы системаның параметрлерінің азғантай ғана өзгеруіне сәйкес келетін бірнеше жай процестерге бөлуге тура келеді. (1.5) теңдеуі элементар процесс үшін

DQ^/=DU+DA^/

Түрінде жазылады, мұндағы  DQ^/ элементар жылу мөлшері, DA^/ элементар жұмыс және DU осы элементар процесс кезіндегі системаның ішкі энергиясының  өсімшесі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қолданылған әдебиеттер тізімі.

 

1.Физика  авт.  Б.Кронгарт  В.Кем  Н.Қойшыбаев

2.Жалпы физика  курсы  авт. Абдулаев 

3.Физика  авт.Б.Ғ.Ахметова  Ә.Х Әбілдаев

4.Жалпы физика  курсы 1 том авт. И.В.Савельев

5.Интернет