Айланабыздагы жаратылыш кубулуштары жана процесстери өтө татаал. Алардын так физикалык сүрөттөлүшү үчүн оор математикалык аппаратты колдонуу жана көп сандагы олуттуу факторлорду эске алуу керек. Бул көйгөйдү болтурбоо үчүн физикада кээ бир жөнөкөйлөштүрүлгөн моделдер колдонулат, алар процесстин математикалык анализин бир топ жеңилдетет, бирок иш жүзүндө анын сүрөттөлүшүнүн тактыгына таасир этпейт. Алардын бири идеалдуу газ модели болуп саналат. Аны макалада кененирээк карап чыгалы.
Идеалдуу газ түшүнүгү
Идеал газ - бул бири-бири менен өз ара аракеттенбеген материалдык чекиттерден турган заттын агрегация абалы. Келгиле, бул аныктаманы кененирээк түшүндүрүп берели.
Биринчиден, идеалдуу газды түзгөн объекттер катары материалдык чекиттер жөнүндө сөз болуп жатат. Бул анын молекулалары менен атомдору чоңдукка ээ эмес, белгилүү бир массага ээ дегенди билдирет. Бул кайраттуутөмөнкү басымдагы жана жогорку температурадагы бардык реалдуу газдарда молекулалардын ортосундагы аралык алардын сызыктуу өлчөмдөрүнөн алда канча чоң экенин эске алуу менен болжолдуу эсептөөгө болот.
Экинчиден, идеалдуу газдагы молекулалар бири-бири менен аракеттенбеши керек. Чындыгында, мындай өз ара байланыштар ар дайым бар. Ошентип, асыл газдардын атомдору да диполь-дипольдук тартылууга дуушар болушат. Башка сөз менен айтканда, ван дер Waals өз ара бар. Бирок, молекулалардын айлануу жана которуу кыймылынын кинетикалык энергиясы менен салыштырганда, бул өз ара аракеттешүүлөр ушунчалык кичинекей болгондуктан, алар газдардын касиеттерине таасир этпейт. Ошондуктан практикалык маселелерди чечүүдө аларды кароого болбойт.
Белгилей кетүүчү нерсе, тыгыздыгы төмөн жана температурасы жогору болгон бардык газдарды идеалдуу деп эсептөөгө болбойт. Ван дер Ваальстин өз ара аракеттешүүсүнөн тышкары, байланыштардын күчтүүрөөк түрлөрү бар, мисалы, газ идеалдуу шарттарынын одоно бузулушуна алып келген H2O молекулаларынын ортосундагы суутек байланыштары. Ушул себептен улам, суу буусу идеалдуу газ эмес, аба идеалдуу.
Идеалдуу газдын физикалык модели
Бул моделди төмөнкүчө чагылдырууга болот: газ тутумунда N бөлүкчө бар дейли. Булар түрдүү химиялык заттардын жана элементтердин атомдору жана молекулалары болушу мүмкүн. N бөлүкчөлөрдүн саны көп, ошондуктан аны сүрөттөө үчүн адатта "моль" бирдиги колдонулат (1 моль Авогадронун санына туура келет). Алардын баары кандайдыр бир көлөмдө кыймылдашат V. Бөлүкчөлөрдүн кыймылдарыбаш аламан жана бири-бирине көз каранды эмес. Алардын ар биринин белгилүү бир v ылдамдыгы бар жана түз жолдо жүрөт.
Теориялык жактан алганда, бөлүкчөлөрдүн ортосундагы кагылышуу ыктымалдыгы дээрлик нөлгө барабар, анткени алардын өлчөмү бөлүкчөлөр аралык аралыктарга салыштырмалуу кичинекей. Бирок, мындай кагылышуу пайда болсо, анда ал абсолюттук ийкемдүү болот. Акыркы учурда бөлүкчөлөрдүн жалпы импульсу жана алардын кинетикалык энергиясы сакталат.
Идеал газдардын каралып жаткан модели элементтердин көп сандагы классикалык системасы болуп саналат. Демек, андагы бөлүкчөлөрдүн ылдамдыгы жана энергиясы Максвелл-Больцмандын статистикалык бөлүштүрүлүшүнө баш ийет. Кээ бир бөлүкчөлөрдүн ылдамдыгы аз, башкаларынын ылдамдыгы жогору. Бул учурда, белгилүү бир тар ылдамдык чеги бар, анда бул сандын эң ыктымалдуу маанилери жатат. Азот молекулаларынын ылдамдыгынын бөлүштүрүлүшү төмөндө схемалык түрдө көрсөтүлгөн.
Газдардын кинетикалык теориясы
Жогоруда сүрөттөлгөн идеалдуу газдардын модели газдардын касиеттерин уникалдуу түрдө аныктайт. Бул модель биринчи жолу 1738-жылы Даниел Бернулли тарабынан сунушталган.
Кийинчерээк аны Август Кроениг, Рудольф Клаузиус, Михаил Ломоносов, Джеймс Максвелл, Людвиг Больцман, Мариан Смолуховский жана башка илимпоздор иштеп чыгышкан.
Суюктук заттардын кинетикалык теориясы, анын негизинде идеалдуу газ модели түзүлөт, системанын микроскопиялык жүрүм-турумуна негизделген эки маанилүү макроскопиялык касиеттерин түшүндүрөт:
- Газдардагы басым бөлүкчөлөрдүн идиштин дубалдары менен кагылышынын натыйжасы.
- Системадагы температура молекулалардын жана атомдордун тынымсыз кыймылынын көрүнүшүнүн натыйжасы.
Кинетикалык теориянын эки корутундусун тең кеңейтели.
Газ басымы
Идеалдуу газ модели системадагы бөлүкчөлөрдүн тынымсыз башаламан кыймылын жана алардын идиштин дубалдары менен тынымсыз кагылышуусун болжолдойт. Ар бир мындай кагылышуу абсолюттук ийкемдүү деп эсептелет. Бөлүкчөлөрдүн массасы кичинекей (≈10-27-10-25 кг). Ошондуктан, кагылышууда көп басым жасай албайт. Ошого карабастан, бөлүкчөлөрдүн саны, демек, кагылышуулардын саны абдан чоң (≈1023). Мындан тышкары, элементтердин орточо квадраттык ылдамдыгы бөлмө температурасында секундасына бир нече жүз метрди түзөт. Мунун баары идиш дубалдарына олуттуу басым түзүүгө алып келет. Аны төмөнкү формула менен эсептесе болот:
P=Nmvcp2 / (3V), мында vcp - тамырдын орточо квадраттык ылдамдыгы, m - бөлүкчөлөрдүн массасы.
Абсолюттук температура
Идеалдуу газ моделине ылайык, температура изилденип жаткан системадагы молекуланын же атомдун орточо кинетикалык энергиясы менен өзгөчө аныкталат. Сиз идеалдуу газ үчүн кинетикалык энергия менен абсолюттук температураны байланыштырган төмөнкү туюнтманы жазсаңыз болот:
mvcp2 / 2=3 / 2kB Т.
Бул жерде kB - Больцман константасы. Бул теңчиликтен биз алабыз:
T=м vcp2 / (3kB).
Абалдын универсалдуу теңдемеси
Эгер биз абсолюттук басым P жана абсолюттук температура T үчүн жогорудагы туюнтмаларды бириктирсек, төмөнкү теңчиликти жаза алабыз:
PV=nRT.
Бул жерде n - мольдеги заттын саны, R - Д. И. Менделеев киргизген газ константасы. Бул туюнтма идеалдуу газдардын теориясындагы эң маанилүү теңдеме болуп саналат, анткени ал үч термодинамикалык параметрди (V, P, T) бириктирет жана газ системасынын химиялык мүнөздөмөлөрүнөн көз каранды эмес.
Универсалдык теңдеме биринчи жолу 19-кылымда француз физиги Эмиль Клапейрон тарабынан эксперименталдык жол менен алынган, андан кийин орус химиги Менделеев тарабынан заманбап формасына келтирилген, ошондуктан ал учурда бул илимпоздордун ысымдарын алып жүрөт.
