Газдардың ішкі энергиясы. Еркіндік дәрежелерінің саны
Біз жоғарыда, молекулалардың іргерілемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы газдың тек температурасына тура пропорционал болатынын көрдік. Газды қыздырғанда немесе суытқанда яғни оған біраз жылу бергенде немесе алғанда, оның молекулалары қозғалысының энергиясы өзгереді.
Идеал газда оның барлық молекулаларының ретсіз қозғалысының кинетикалық энрегиясы газдың ішкі энергиясын анықтайды. Нақты газдарда молекулалардың қозғалыс энергиясымен қатар, олардың өз ара потенциялық энергиясын да еске алу керек екендігін ілгеріде көреміз.
Молекулалар қозғалысының кинетикалық энергиясы, жалпы алғанда олардың тек ілгерілемелі қозғалысының ғана энергиясы болып табылмайды; бұл энергия молекулалардың айналмалы қозғалысы мен тербелмелі қозғалысының кинетикалық энергияларынан да құралуы мүмкін.
Молекулалар қозғалысының әр түріне тиісті энергияны есептеу үшін еркіндік дәрежелер саны жөнінде ұғым енгізу қажет болады.
Денелердің еркіндік дәрежелер саны деп оның кеңістіктегі орнын анықтау үшін қажет болатын координаталар санын айтады. Мысалы, материялық нүктенің үш еркіндік дәрежесі бар, өйткені оның кеңістіктегі орны үш координатамен, мысалы, тік бұрышты түзу сызықты координаталр жүйесінің координаталарымен анықталады.
Газдардың әрбір молекуласының саны белгілі еркіндік дәрежелері болады; бұлардың үшеуі молекуланың кеңістіктегі ілгерілемелі қозғалысына жатады.
Газдардың молекулалық-кинетикалық теориясының сүйенетін негізгі болжауы молекулалардың қозғалысын толығынан ретсіз деп ұйғару болып табылады. Бұл ретсіздік молекулалардың ілгерілемелі қозғалысына ғана емес, қалған басқа қозғалыстарына (айналмалы, тербелмелі) да тән. Қозғалыстың бұл түрлерінің еш қайсысының да басқаларынан ешбір артықшылығы болмайды, сондықтан молекуланың еркіндік дәрежелерінің әрқайсысына келетін энергия мөлшері бірдей болады деп есептеу табиғи нәрсе. Бұл қағида энергияның еркіндік дәрежелері бойынша тең бөліну қағидасы деп аталады.
Газ бірдей молекулалардан құралып, олардың әрқайсысының еркіндік дәрежесі болсын, сонда әрбір молекулаға (оның қозғалыстарының барлық түріне) орта есеппен мынадай энергиядан келеді:
(2.28)
Орташа энергияның осы мәнін газды құрайтын молекулалар санына көбейтсек, газдың ішкі энергиясының қоры шығады. Егер ішкі энергияны газдың бір моліне қатысты алатын болсақ, онда оның мәнін табу үшін орташа энергияны Авогадро санына көбейтеміз:
(2.29)
Кез-келген газ мөлшері үшін ішкі энергия былай анықталады:
(2.29а)
Бұл формуладан газдың ішкі энергиясы молекулалардың еркіндік дәрежесінің санымен газдың абсолют температурасы арқылы өрнектелетінін көреміз. Сонымен, идеал газдың берілген мөлшерінің ішкі энергиясы тек оның температурасына байланысты болады, ол оның көлеміне немесе қысымына байланысты болмайды. Нақты газдар жағдайында жоғарыда айтқанымыздай, молекулалар қозғалысының кинетикалық энергиясы мен олардың потенциалдық энергиясынан құралатын толық ішкі энергия газдың алып тұрған көлеміне байланысты болады.
