Физикалық және коллоидтық химия бойынша дәрістер конспектісі

Дәріс №1 Тақырыбы: Кіріспе. Негізгі түсініктер. Газдардың заңдары. Термодинамиканың бірінші заңы. Жоспар:

1. Негізгі түсініктер 2. Газ заңдары 3. Термодинамиканың бірінші заңы

1. Термодинамика және статистикалық физика макроскопиялық жүйелерде болатын физикалық процестерді зерттейді. Макроскопиялық жүйе деп көп микробөлшектерден құралған денелерді айтады. Бұлар: атомдардан немесе молекулалардан, иондардан, немесе тек қана фотондар, немесе тек қана электрондар сияқты құрамдас бөлшектерден құралған үлкен жүйелер болуы мүмкін.

Статистикалық физика денелердің макроскопиялық қасиеттерінің олардың ішкі құрылымы және оны құраушы бөлшектердің қозғалысына қалай тәуелді екендігін көрсетеді. Оның қарастыратыны: жылулық құбылыстар, сұйық пен газдардың қасиеттері, металлдардағы электрондардың қозғалысы, іші бос қуыстағы электромагниттік толқындардың таралуы, химиялық реакциялардың жүруі, фазалық түрленулер және т.б. құбылыстардың заңдылықтарын осы ғылымның көмегімен анықтайды. Статистикалық физика әдістемелері кеңістіктегі атомдық ядро масштабындағы құбылыстардан бастап бүкіл әлемнің объектілердің қозғалысына дейінгі масштабтағы процесстерді сипаттағанда қолданылады. Олар энергиялары әртүрлі құбылыстарды: аса төменгі температуралы сұйық гелийден және асқын өткізгіштерден бастап, жоғары температуралы плазмаға шейінгі процесстерді сипаттай алады.

Статистикалық физиканың негізгі зерттеу обьектісі- көп бөлшектерден құрылған жүйелердің қозғалыс күйі: Мысалы: 1 см2ауада 3*1019 молекула бар. Осы газдың қасиеттерін анықтау керек.

Көп бөлшектерден құрылған жүйелердің қозғалысында механиканың заңдары негізінде ғана түсіндірілетін ерекшеліктер болады. Жүйенің күйі-бастапқы шарттарға тәуелді емес. Мысалы: ыдысты қалай толтыра бастасақ та, ақырғы күйі ортақ бірдей теңбе- теңдік күй болады, яғни ыдыстың ішіндегі барлық нүктеде газдың қасиеттері бірдей болатын күйі орнайды. Жүйенің теңбе-теңдік күйге келіп, оcы күйге орнығу процесі -қайтымсыз процесс. Ал механикалық процесстер қайтымды болып табылады және әрбір бөлшек қозғалысын сипаттау үшін динамика теңдеулерін шешу керек. Механикалық жүйеде қанша бөлшек бар болса, сонша Ньютон теңдеуін жазу керек. Ал газ бөлшектері үшін осыншама теңдеуді шешудің өзі мүмкін емес. Өйткені әрқайсысының бастапқы күйлері белгісіз, және жүйе де аса күрделі.

Сондықтан бұндай жүйенің күйін зерттеу үшін басқа, механикалық емес заңдарды қолдану керек. Бөлшектердің қозғалысы реттелмеген, хаосты деп қарастыру керек. Ал бөлшектің жеке күйін кездейсоқ құбылыс деп қарастыру керек. Сондықтан макроскопиялық жүйенің қасиеттерін зерттегенде ықтималдылық теориясының әдістерін қолдануға қажеттік туындайды. Ал бұл теорияны қолдану үшін дербес бөлшектердің жеке күйлері үшін және тұтас жүйе үшін ықтималдылықтың үлестірімділік заңын анықтаудың маңызы жоғары. Көп бөлшектен құралатын жүйелердің жалпы физикалық теориясы статистикалық физика деп аталады. Дененің күйін зерттеу үшін

алдымен макроскопиялық дененің құрылымы жайлы көзқарасқа сүйеніп, құраушы әлементтердің өзара әсерлерінің түрлерін талдау қажет. Егер де жүйе күйлері үшін үлестірімділік заңы анықталса, онда жүйенің кейбір макроскопиялық сипаттамаларының мәндерін және олардың арасындағы байланыстарды есептеп табуға болады. Бірақ бұл үшін сыртқы шарттары берілуі тиіс. Статистикалық физиканың әдістемесі осындай.

Сонымен физикада денелердің қозғалысының және күйлерінің сипаттамаларын зерттеуде динамикалық және статистикалық әдістері қалыптасқан. Динамикалық әдіс физиканың механика, электродинамика сияқты салаларында қолданылады. Жүйенің бастапқы шарттары беріліп, қозғалыс теңдеулерін шешу арқылы қозғалыс траекториясы анықталатын. Бұл әдіс негізінен аз санды бөлшектерден құралатын жүйелерде қолданылады. Ал көп санды бөлшектер жүйелерінде шешілуі тиіс қозғалыс теңдеулер саны күрт көбейіп, динамикалық әдістің қолданылуына көп қиындық пайда болады. Бұл жағдайда статистикалық әдістеме көп жеңілдік береді.

Макроскопиялық жүйелерді зерттеуде сонымен бірге термодинамикалық әдісі қалыптасқан. Термодинамикалық әдістің мәселесі - бақыланатын, өлшенетін шамалардың (Р, V, і, п концентрация, Е,В және т.б) арасындағы байланыстарды ғана анықтау болып табылады. Ал атомдық-молекулалық құрылымына байланысты ешқандай шамалар қарастырылмайды. Статистикалык әдіс – заттың атомдық -молекулалық құрылысы жөніндегі көзқарастарына негізделген. Заттың ең кіші бөлшектерінің қозғалыс заңдарын біле отырып, заттың макроскопиялық мөлшерінің қозғалысы не өзгерісінің заңдарын анықтау болып табылады, айталық зат: газ, сұйық, қатты денелер, плазма, электромагниттік сәулелер жүйесі осындай жүйелердің мысалы бола алады.

Сонымен, макрожүйелердің күйлерін зерттеудің 2 әдісі бар: термодинамикалық және статистикалық әдістер. Термодинамикалық әдіс заттың атомдық-молекулалық құрылымына тиісті ұғымдарға емес,- тәжірибеге сүйенеді, яғни феноменологиялық теория болып табылады. Оның негізгі мақсаты: тәжірибеде бақыланатын немесе өлшенетін шамалардың арасындағы байланыстарды анықтау болып табылады. Ал заттың атомдық- молекулалық құрылымымен байланысты шамалардың ешқайсысы бұл әдісте қарастырылмайды. Осыдан термодинамикалық және статистикалық әдістердің артықшылықтары және кемшіліктері көрініп тұр. Термодинамикалық әдістер бөлшектердің қасиеттеріне байланысты болмайтындықтан, мейлінше жалпы болып табылады. Ал статистикалық физиканың қорытындылары бөлшектердің қозғалыс заңдылықтарының қандай болатындығына байланысты. Термодинамикалық әдістемелердің қорытындылары қарапайым, олар жай математикалық түрлендірулерді қолданып, бірқатар практикалық есептер шешуге мүмкіндік береді. Осы жағынан бұл әдістеменің әсіресе техникалық сипаттағы есептерді шешуде артықшылығы көрініп тұр (Техникалық термодинамика, Жылу техникасы). Кемшілігі сол: құбылыстарды термодинамикалық әдіспен зерттегенде, бұл қалай? бұл не себепті болды?

Статистикалық физикада кез-келген есептің шешуі заттың атомдық-молекулалық құрылысына негізделген, сол себепті

құбылыстың механизмін түсінуге мүмкіндік береді. Статистикалық әдістеме термодинамикалық әдістеме шеңберінде шешілмейтін есептерді шешуге мүмкіндік береді. Оның ішінде ең маңыздылары макроскопиялық жүйелердің күй теңдеуін қорыту, жылу сыйымдылық, сәуле шығару теориясының кейбір мәселері және т.с.с.. Статистикалық әдістеме термодинамика заңдарын теориялық жағынан негіздеуге, олардың қолданылу шекарасын анықтауға, классикалық термодинамика заңдарының қандай жағдайда бұзылатындығы жөнінде болжам жасауға, оны бағалауға мүмкіндік береді.

Сонымен статистикалық физиканың және термодинамиканың зерттейтін құбылыстарының анық шекарасы болмайтындығы көрінеді. Бұлар теңбе- тең күйдегі кез-келген макроскопиялық жүйелердің зерттеу әдістемелері болып табылады. Сондықтан екеуін біріктіріп, статистикалық термодинамика деп аталатын бөлімі құрылған. Бұл әдістеменің көмегімен көп бөлшектен құрылған кез- келген жүйені зерттеуге болады. Бұл жүйелер: сұйықтар, қатты денелер, электролит, плазма, жарық сәулелерінің жиыны немесе құрамында жүздеген нуклондар бар ауыр ядролар және т.с.с..

Термодинамикалық әдістемелер термодинамикалық жүйелердің күй теңдеуін анықтауға мүмкіндік бере алмайды. Статистикалық әдістеме кез–келген термодинамикалық жүйенің күй теңдеуін анықтауға мүмкіндік береді. Екі әдістемені біріктіретін негізгі буын- статистикалық физиканың негізгі физикалық постулаты болып табылады: «Ең көп микрокүйдің арасында жүйенің орнығатын макрокүйіне сәйкес келетін микрокүйлерінің ықтималдығы бәрінен жоғары болып табылады.» Термодинамика – энергияның түрленуiне қатысты жалпы заңдарға негiзделген жылулық процесстер туралы ғылым. Бұл заңдар молекулалық құрылымдарына байланыссыз барлық денелер үшiн орындалады. Iшкi энергия туралы түсiнiк. Макроденелерд механикалық энергиямен қатар, өздерiнiң iштерiне тұйықталған энергияға ие. Ол – iшкi энергия. Ол барлық энергетикалық түрленулердiң балансына кiредi. Механикалық жұмыс жасамай-ақ денелердi қыздырғанда, олардың iшкi энергиясы ұлғаяды. Iшкi энергияның механикалық энергияға айналуының керi процесi болатыны сөзсiз. Молекулалық- кинетикалық теория көзқарасынан макроскопиялық дененiң iшкi энергиясы барлық молекулалардың ретсiз қозғалыстарының кинетикалық энергиялары мен олардың бiр-бiрiмен өзара әсерiнiң потенциалдық энерг

Жұмысты есептеу. Қозғалмалы ортаның көлемi өзгергендегi iстелген жұмыс мынаған тең болады

А′ = p·(V2-V1) = p·ΔV. (3.1)

Ұлғаю кезiнде (V2 > V1) газ оң жұмыс жасайды: А′>0. Сығылу кезiнде V2<V1, сондықтан оның жұмысы терiс болады: А′<0. Керiсiнше, газ сығылған кездегi сыртқы күштердiң жұмысы оң болады да, газ қыза бастайды. Ұлғаю кезiнде сыртқы күштердiң жұмысы терiс болады – газ суиды. Тұрақты қысым жағдайында, газдың жұмысы геометриялық тұрғыдан түсiндiргенде 3.1.–суретiнде келтiрiлген (P-V) графигiндегi V1АВV2 тiк төртбұрышының ауданына дәлме-дәл тең екендiгiн оңай көруге болады. Жалпы жағдайда газ қысымы көлемге байланысты функция болып табылады. Бiрақ, газ жұмысы бұрынғысынша сандық түрде бастапқы және соңғы күйлердегi p1 және p2 қысымдарына тең AV1 және AV2 кесiндiлерiмен және P-ның V-ға байланысты графигiмен шектелген фигураның ауданына тең болады(3.2-сурет).

4. Идеал газдың iшкi энергиясы. Термодинамиканың бiрiншi

заңы Идеал газдардың iшiнде өзiнiң физикалық қасиеттерi бойынша қарапайым болып табылатын газ - бiр атомды газ (гелий, неон, аргон және т.б.). Бiр атомды газдың iшкi энергиясы. Идеал газдың барлық iшкi энергиясы оның молекулаларының қалыптаспаған қозғалысының кинетикалық энергиясы болып табылады. Массасы m бiр атомды газ үшiн ол бiр атомның орташа кинетикалық энергиясының E = 3kT/2 жалпы атомдар санына N = mNa/M көбейткенге тең. kNa = R екенiн ескерiп, мынаны табамыз:

U = 3mRT/2M. (3.6) Бiр атомды идеал газдың iшкi энергиясы, молекулаларының өзара әсерлесуiнiң потенциалдық энергиясы нөлге тең болғандықтан, көлемге (қысымға) байланысты емес. Тек газ температурасының өзгеруiнiң есебiнен ғана газдың энергиясы өзгередi. Нақты газдар және сұйықтар үшiн молекулалардың орташа потенциалдық энергиясы нөлден өзгеше. Газдарда ол кинетикалық энергиямен салыстырғанда өте аз, ал сұйықтар мен қатты денелер үшiн кинетикалық энергиямен шамалас болып келедi. Демек, жалпы жағдайда, iшкi энергия потенциалдық энергия сияқты қозғалмалы ортаның көлемiне, температурасына тәуелдi болады. Термодинамиканың бiрiншi заңы. Көптеген деректердi жинақтаудың негiзiнде энергияның сақталуының жалпылама заңы тұжырымдалды: табиғатта энергия U жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, ол тек бiр түрден екiншi түрге ауысады. Жылу құбылыстарында таралған энергияның сақталу және айналу заңы термодинамиканың бiрiншi заңы деп аталады. Жалпы жағдайда, жүйенiң бiрiншi U1 күйден екiншi U2 күйге ауысуы кезiнде, iшкi энергия атқарылған жұмыстың есебiнен қалай өзгерсе, жүйеге сырттан берiлген жылудың әсерiнен де солай өзгере алады.

3.1-сурет 3.2-сурет

Термодинамиканың бiрiншi заңы нақ осылай тұжырымдалады: iшкi энергияның өзгерiсi жүйеге берiлген жылу мөлшерi мен сыртқы күштердiң жұмысының қосындысына тең:

ΔU = A + Q. (3.7) Егер жүйе жылу өткiзбейтiн болса (Q = 0) және ол механикалық жұмыс атқармаса (А=0), онда ΔU = 0, немесе U1=U2: тұйық жүйенiң iшкi энергиясы өзгермейдi (сақталады). Бұл дерек жылулық баланс теңдеуiн қорытқанда қолданылған болатын. Термодинамиканың бiрiншi заңынан, ешқандай энергетикалық шығынсыз шексiз мөлшерде жұмыс жасай алатын қондырғыны – мәңгiлiк двигательдi жасап шығару мүмкiндiгiнiң терiстiгi шығады. Шын мәнiнде, егер жүйеге жылу берiлмесе (Q = 0 ), онда жұмыс A iшкi энергияның азаюы есебiнен ғана жүзеге асар едi: A = ΔU. Двигатель, энергия қоры таусылғаннан кейiн, жұмысын тоқтатады. Термодинамиканың бiрiншi заңын изопроцестерге қолдану 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 iшкi энергиясы азаяды. 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

Бұл жерде цилиндрге жанармай қоспасы емес, кәдiмгi атмосфералық ауа сорылады. Сығылу тактының соңында арнайы форсунка арқылы сұйық отын - солярка шашыратылады. Осы сәтте сығылған ауа температурасының жоғарлағаны сондай, тiптен жанармай тұтанады. 3.5-сурет