Молекулалық физика. Оқу құралы. Қызылорда, 2003ж., 155 бет
жүктеу/скачать 0,84 Mb.
|
жаңасы 1-2тарау мол-физ
|
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ Қорқыт Ата атындағы Қызылорда мемлекеттік университеті Б.0Ж.Әбдікәрімов МОЛЕКУЛАЛЫҚ ФИЗИКА Қызылорда-2003 Әбдікәрімов Бақытхан Жүнайтұлы Молекулалық физика. Оқу құралы. Қызылорда, 2003ж., 155 бет. Пікір жазғандар: Абдрахманов Н.М. - ф.-м.ғ.к, профессор Елеусинов Б.Т. - ф.-м.ғ.к., доцент ІSBN 9965-486-26-3 Жалпы физика курсының басқа бөлімдерінің ішіндегі молекулалық физика бөлімі ерекше орын алады. Бір жағынан молекулалық-кинетикалық теория негізінде әртүрлі агрегат күйіндегі зат қасиеттерін түсіндірсе, екінші жағынан студенттерге бірқатар құбылыстарды негізгі термодинамикалық принциптер мен статистикалық әдістерді қолдана отырып оқып үйрете алады. Автор молекулалық-кинетикалық теорияның негізгі теңдеуін қорытып, Больцман, Максвелл-Больцман таралуын нақты дәлелдеген. Сонымен қатар идеал газ бен реал газдардың, сұйықтардың, қатты денелердің қасиеттерін нақты мәлімдеген. Оқу құралы педагогикалық мамандықтардың студенттері мен физикаға қызықтылығы бар жастарға арналады. Қорқыт Ата атындағы Қызылорда мемлекеттік университетінің Ғылыми-әдістемелік Кеңесінің шешімімен ұсынылды. №2 хаттама 8.04.2002ж. ІSBN 9965-486-26-3 ©
Қорқыт Ата атындағы ҚМУ 2003 Кіріспе Молекулалық физика заттардың молекулалық құрылымына, олардың қозғалыстарының сипаты мен өзара әсер күштеріне байланысты қасиеттерін оқып үйретеді. Сондықтан да зат құрылымы теориясымен тығыз байланысты. Молекулалық физиканың негізіне тәжірибелік жолмен дәлелденген зат құрылымының молекулалық - кинетикалық теориясы жатады. Бұл теория бойынша заттар өте көп майда бөлшектер - молекулалар мен атомдардан құралып, олар бейберекет жылулық қозғалыста болады. Жеке әрбір молекуланың қозғалысы механика заңына бағынғанымен өте көп молекулалар жиынтығының қозғалысы статистикалық заңдылықтарға бағынады. Яғни, өте көп молекулалар жиынтығы үшін заңдылықтарды оқып үйренуге механика заңдары қажетті болғанымен жеткіліксіз. Сондықтан да молекулалық - кинетикалық теорияның сандық заңдылықтарын құрғанда молекулалар жиынтығын сипаттайтын шамалардың орташа мәндері ескерілетін статистикалық әдіс қолданылады. Заттардың көптеген физикалық қасиеттері термодинамикалық әдіспен зерттелінеді. Бұл әдісте энергияның бір түрінен басқа түріне алмасу шарттары қарастырылып, оның негізіне көптеген тәжірибелік нәтижелерге сүйенген бастамалары жатады. Молекулалық - кинетикалық теориядан термодинамиканың айырмашылығы заттардың микроскопиялық құрылымын қарастырмай әртүрлі жағдайдағы макроскопиялық қасиеттері арасындағы байланысты анықтайды. Молекулалық - кинетикалық теория мен термодинамика бірін - бірі толықтырып отыратын бір заттың физикалық қасиеттеріне әртүрлі көзқараспен келетін өзара байланыстағы ғылым салалары. Мысалы, термодинамика сұйықтың қайнау температурасының сыртқы қысымға байланыстылығын көрсеткенмен оның молекулалық құрылымына байланысты зат қасиеттерін тек молекулалық - кинетикалық теория түсіндіре алады. Ерте кезде бүтін заттар көзге көрінбейтін өте кішкене заттардан тұратындығы жайлы болжамдар болды. Олар одан кішкене бөлшекке бөлінбейді деп есептелінгендіктен атом деп аталынды. Грек философы Демокрит (б.э.д. 5ғ.) заттың атомдық құрылымы жөнінде көзқарасын айтқанмен ешқандай тәжірибелік дәлелдемелер болмады. Орта ғасырда бұл атомдық көзқарасты мойындамай XІX ғасырдың ортасына дейін “теплород” теориясы - көрінбейтін затқа енгенде қызатын,ал шыққанда салқындайтын орын алып келді. Р. Майер (1842жыл) мен Д. Джоулдің (1843жыл) зерттеулері бұл теорияның негізсіздігін дәлелдеді. Заттың атомдық көзқарасын ХVІІ ғасырда Р. Бойль, И. Ньютон және басқа ғалымдар дамытты. XVІІІ ғасырда орыстың ұлы ғалымы М. Ломоносов молекулалық - кинетикалық теорияның негізін жасады. Ол алғаш рет физикалық және химиялық құбылыстарды түсіндіріп, жылудың табиғатын ғылыми негіздеді. Зат температурасының жоғарыдан емес төменнен шектелетіндігі туралы және абсолют нөл температура жайында ұғым қалыптастырды. 100 жылдан кейін ғана XІX ғасырда Р.Клаузиус, Д.Максвелл, Л.Больцман жұмыстарынан кейін бұл молекулалық - кинетикалық теория қолдау тапты. 500 млн есе үлкейтетін электронды микроскоп өмірге келгеннен кейін жеке атомдарды суретке түсіріп молекулалық - кинетикалық теорияның дұрыстығына күмән келмеді. Молекула – заттың химиялық қасиетін сақтайтын кішкене бөлшегі. Ол атомдардан тұрады. Мысалы, көмірқышқыл газ (СО) - үш, екі оттегі бір көміртегі атомдарынан тұрады. Атом - химиялық қасиетін сақтайтын химиялық элементтің кішкене бөлшегі. Бір атомды молекула үшін молекула мен атом ұғымдары сәйкес келеді. Қазір 105 атом түрлері бар, олардың 88 табиғи, ал қалғандары жасанды жолмен алынған. Атом құрылысы ортасында оң зарядты ядро мен оның айналасында траекториясы орбита түзетін электронды қабаттан тұрады. Бұл қабаттағы электронның саны Д.И.Менделеевтің химиялық элементтерінің периодты системасындағы реттік нөміріне сәйкес келеді. Ядроны құрайтын элементар бөлшектер ерекше кванттық қасиеттерге ие болуына байланысты кванттық механика заңдарына бағынады. Атомдар мен молекулалар массалары өте кішкене болғандықтан, салыстырмалы молекулалық және атомдық массалар қолданылады. 1960 жылғы халықаралық келісім бойынша кез-келген атом мен молекуланың массалары С көміртегі атомының 1/12 массасымен, яғни массалық саны 12 көміртегі изотопымен салыстыру келісілген. Салыстырмалы атомдық масса дегеніміз берілген атом массасының атомының 1/12 масссасына қатынасы. Салыстырмалы молекулалық масса дегеніміз берілген молекула массасының С атомының 1/12 массасына қатынасы. Массаларының қатынасы салыстырмалы молекулалық массаларының қатынасындай мөлшерде алынған кез - келген затта молекулалар саны бірдей болады. 1971 жылы Халықаралық бірліктер жүйесінде негізгі жетінші бірлікке зат мөлшерінің бірлігі - моль қабылданды. Массасы 0,012 кг С нуклидте қанша атом болса, сонша құрылымдық элементтер құрайтын системаның зат мөлшерін 1 моль деп атайды. Құрылымдық элементтер ретінде атомдар, молекулалар, иондар, электрондар тағы басқа бөлшектер бола алады. Молдің анықтамасы бойынша кез-келген заттың 1 молінде атомдар мен молекулалар саны бірдей болғандықтан оны Авагадро тұрақтысы NA деп атайды. моль-1. Молекулалық физикада салыстырмалы молекулалық массамен қатар заттың 1 молінің массасы молярлық масса қолданылады. Ол берілген зат молекуласы массасының m Авагадро тұрақтысына N көбейткенге тең болады: =mN Бұл кез - келген зат үшін әртүрлі мәнге ие болғанмен бірдей молекулалар санын құрайды. Бір атомды молекуладан тұратын заттың молярлық массасы бірдей атомдардан тұрады да, оны атомдық масса деп атайды. Көміртегінің С молярлық массасы 0,012кг/моль болғанда, оның атомының массасы: кг І - ТАРАУ. НЕГІЗГІ ГАЗ ЗАҢДАРЫ §1. Заттың күйі. Идеал газ Бір заттың қатты, сұйық және газ күйінде бола алуын, олардың агрегат күйі деп атайды.Кез-келген заттың температурасы мен қысымын өзгерту арқылы қатты, сұйық және газ тәрізді күйін алуға болады. Мұның мысалына мұздың суға және буға айналу процесі жатады. Белгілі бір үштік нүкте деп аталатын күйде ғана әрбір белгілі бір температура мен қысымда бір мезгілде қатты, сұйық және газ күйінде бола алады. Мысалы, су үшін 4,6 мм сынап бағанасындағы қысым мен 0,0075 С температураға сәйкес үштік нүкте бола алады. Бір күйден келесі күйге өткенде заттардың химиялық құрамы бірдей болғанмен, олардың физикалық қасиеттері үлкен өзгеріске ұшырайды. Мысалы, қалыпты қысымда аса сығылған газ бен газ қасиеттері әртүрлі болады. Қарастырылып отырған қатты, сұйық және газ тәрізді заттар жиынтығы система деп аталынады. Дербес жағдайда заттың тек бір күйі де бір фазалы система бола алады. Екі фазалы системаға су мен буы немесе мұз қалқыған су жатады. Системаның күйін білдіретін физикалық қасиеттерінің жиынтығы күй параметрлері деп аталынады. Әдетте күй параметрлері ретінде көлем V, қысым Р және температура Т алынады. Күй параметрлері бір - бірімен тығыз байланыста болады да, олардың қатынасын күй теңдеуі деп атайды f (V, P, T) = 0 (1.1) Системаның бір күйден келесі күйге өтуі процесс деп аталынады. Заттың үш агрегат күйлерінің ішіндегі ең қарапайымы газ тәрізді күйі. Өйткені, молекулааралық өзара күштері өте әлсіз және белгілі бір жағдайда ескермеуге болады, ал қалған күйлері белгілі бір атомдық құрылымға сәйкес өзара әсерлесу күштеріне негізделген күрделі қасиеттерге ие болғандықтан, идеал газ моделін құрайды. Бұл модель бойынша газ молекулаларын материалдық нүкте деп алып, оларды кез - келген арақашықтықта әсерлеспейді деп есептейміз. Яғни, газ молекулаларының меншікті өлшемі газдың алып тұрған көлемімен салыстырғанда ескерілмейді. Сыртқы әсер болмағанда, системаның күйін білдіретін параметрлер ұзақ уақыт өзгеріссіз болса, онда мұндай күй системаның тепе - теңдік күйі деп аталады. Егер бұл шарт орындалмаған жағдайда система теңсіздіктегі күйде болады. Системаның белгілі бір тепе - теңдік күйінен келесі тепе - теңдік күйге өтуі жалпы системаның тепе - теңдік күйінің өзгеруіне алып келеді. Егер параметрлердің өте аз шамаға өзгеруі ұзақ уақыт аралығында болса, онда бірнеше тепе - теңдік күйлердің қосындысынан тұратын тепе - теңдік күй болып саналады. §2. Газ заңдары. Абсолют температура Газ тәрізді заттың меншікті көлемі болмағанмен толтырылған ыдыстың формасын алып оның қабырғаларына қысым түсіреді. XVІІ ғасырдың ортасында Р. Бойль мен Э. Мариотт бір - біріне байланыссыз температура тұрақты болғанда, көлем мен қысымның арасындағы байланыс заңын тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Бұл Бойль - Мариотт заңы бойынша белгілі бір массадағы газдың тұрақты температурадағы қысымы оның көлеміне кері пропорционал болады: Р= немесе PV=const . (1.2) Графикалық түрде бұл байланыстылық гипербола береді (1- сурет). Әрбір температураға сәйкес гипербола сызығын изотерма деп атайды. Ал газдың бір күйден келесі күйіне тұрақты қысымда өтуі изотермиялық процесс деп аталынады. (1.2) теңдеу (1.1) теңдеудің дербес жағдайы болып табылады. Газ көлемі мен температурасы арасындағы байланыстылық тәжірибелік жолмен алынған. Тұрақты қысымда белгілі бір массадағы көлем мен температураның сызықты байланысын алғаш рет Гей - Люссак анықтағандықтан, Гей-Люссак заңы деп атайды: V=V0(1+αvT) , ( P=const ) , (1.3) мұнда, V0 - 00С температурасындағы газ көлемі; αv - термиялық коэффициент. 1-сурет 2-сурет Тұрақты қысымдағы көлем мен температураның байланыстылығы (2 – сурет) графикалық кескінде түзу сызық беріп, әрбір қысымның мәніне изобара сызығы сәйкес келеді. Ал газ күйінің өзгерісі изобаралық процесс деп аталынады. Тұрақты көлемдегі белгілі бір масса үшін температу-раның қысымға байланысты-лығы (3-сурет) да жоғарыда-ғыдай ұқсас сызықтар беріп, мынадай формуламен өрнек-теледі: P = P0 (1+αpT) (V = const), (1.4) мұнда P0 - 00С температурадағы газ қысымы, - 3-сурет термиялық коэффициент. Графикалық алынған изохора сызықтарына сәйкес системаның күйге өтуі изохоралық процесс деп аталынады. Тәжірибелік нәтижелер бойынша изотермиялық αp және αv коэффициенттері бір - біріне өте жақын (1-кесте), ал сиретілген газ идеал газына өте жақын болғандықтан = = . 1 кесте
Барлық изобара мен изохоралар абцисса өсіндегі бір нүктеде қиылысады (t =1/α = -273.150C). Температураның бас нүктесін осы нүктеге, яғни Цельсий шкаласынан Халықаралық практикалық температуралық шкалаға ( ХПТШ ) көшейік. СИ системасында Кельвин - судың үштік нүктесіндегі термодинамикалық температураның 1/273,15 бөлігіне тең термодинамикалық шкаладағы температураның негізгі өлшем бірлігі. - абсолют нөл, ал ХПТШ бойынша есептелінген температура - абсолют температура деп аталынады. Абсолют температура Т мен t температура (Цельсий шкаласы) арасында мынадай қатынас бар: T = t + 273.15K. Мысалы 0С мәніне 273,15К абсолют температура сәйкес келсе,ал судың үштік нүктесіндегі температура 273,16К абсолют температура болады. αv=αp= α екендігін ескерсек (1.3) теңдеуі: V=V0=V =V . (1.5) Бұған ұқсас (1.4) формуласының орнына P = P0αT, (1.6) мұнда, V0 мен Р0 - 00С температурадағы газдың көлемі мен қысымы және бұлар абсолют нөл температураға Т=1/α=273.15 К сәйкес келеді. Осыларды ескере отырып (1.5), (1.6) формулаларын мына түрде жазуға болады: = , ( P = const ) . (1.7) = , ( V = const ). (1.8) Бұл теңдеулер де (1.1) формуладағы газ күйінің дербес жағдайлары болып табылады. Идеал газдың тұрақты көлемдегі абсолют температурасы мен қысымы арасындағы байланысты көрсететін (1.6) формуласы газ термометрі құрылысының негізіне жатады. Бұл термометрдің көрсеткіші термометриялық дене ретінде алынған сутегі, гелий, азот секілді газдарға байланысты болады. жүктеу/скачать 0,84 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|