Эндрюс тәжірибесі

Будың сұйыққа және керісінше айналуын ағылшын ғалымы Эндрюс тәжірибе жолымен зерттеді. Ол әрбір сұйық үшін осындай температураның болатынын көрсетті және жаңа кризистік температура деген термин енгізді.

Заттың кризистік температурасы деп сұйық тығыздығы мен оның қаныққан буының тығыздығы бірдей болатын кездегі температураны айтады.

Әдетте газ деп заттың газ күйін, яғни температурасы кризистік температурадан жоғары кездегі, ал бу деп температурасы кризистік температурадан төмен кездегі заттың күйін айтады.

Берілген температурада ауадағы су буы қысымының, сол температурадағы қаныққан су буы қысымына қатынасын, ауаның салыстырмалы ылғалдылығы деп атайды.:

=(р*100) / р_қ

Берілген қысымдағы бу қанығатын немесе салыстырмалы ылғалдылық 100%-ке тең болатын температураны шық нүктесі деп атайды. Ауаның температурасын біле отырып және шық нүктесін анықтап, ауаның ылғалдылығын есептеп табуға болады.

Өз сұйығымен динамикалық тепе-теңдікте болатын бу қаныққан бу д. а.

Қаныққан бу қысымы көлемге тәуелсіз. Қаныққан бу қысымының температураға тәуелділігі төмендегі суретте көрсетілген.

Ауадағы су буының мөлшері ауаның ылғалдылығы д. а.

3 Билет.

Молекулалық физиканың мәселесі. Статистикалық және термодинамикалық әдістер. Материялық денелердің молекула-кинетикалық үлгісі. Атомдар мен молекулалардың массасы.

Молекулалық физика заттың құрылуы мен күйін,қасиеттерін зерттейтін физиканың бөлімі. Сонымен қатар молекулалық физика орасан көп молекулалардың ретсіз қозғалысын,яғни материяның жылулық қозғалысының негізгі заңдарын зерттейді.

Молекулалық физика 2 күрделі бөліктен тұрады:

1)молекула -кинетикалақ теориядан;

2)термодинамика ТД

Молекула -кинетикалық теорияның мақсаты денелердің қасиеттерін молекулаладың өзара әсерлесуінің нәтижесі деп статистикалық әдістерді қолданып түсіндіреді.

Термодинамика энергия алмасуының шарттарын,сандық қатынастарын,заттың әртүрлі қасиеттерін ж/е өзгеру күйлерін микроскопиялық суреттеулерді ескермей зерттейді.

Жуйенің күйін термодинамикалық және статистикалық амалдарды қолданып зерттейді. Термодинамикалық амалдар жүйенің ішкі құрылымын ескермей қарастырады. Осы кезде түсініктер мен шамалар тұтас жүйеге қатысты қолданылады. Статистикалық амал орасан көп бөлшектерден тұратын жүйені динамикалық жолмен сипаттау мүмкін емес. Макрожүйелерді зерттегенде жеке бөлшектерге емес, көптеген бөлшектер жиынтығына қатысты түсініктер мен шамаларды қолданатын статистикалық әдістер пайдаланылады.Процесс деп бір тепетең күйден басқасына көшуді айтады. Релаксация жүйенің тепетең күйіне қайтып оралуы.

Молекула – заттың қасиетін сақтайтын , ең кіші бөлшек. Атом – хим.элементтің хим.қасиеттеріне ие болатын ең кіші бөлшек. Әртүрлi денелер молекуласының масса бiрлiгi ретiнде ¹²С көмiртегi изотобы атомының m_ocмассасының 1/12 бөлiгi алынады. Ол атомдық масса бiрлiгi (а.м.б.) д.а және мынаған тең:

1 а.м.б.=1,66·10^-27кг. (1.1)

Заттың салыстырмалы молекулалық массасы М_R деп заттың бiр молекула m₀ массасының көмiртегi атомы m_oc массасының 1/12 бөлiгiне қатынасын айтады:

(1.2)

Зат мөлшерi деп берiлген жүйенiң бөлшектерiнiң, құрылымдық элементерiнiң, санына пропорционал ν шаманы айтады. Оны моль арқылы жазу қабылданған. Массасы 0,012 кг ¹²С көмiртегiнде қанша атом болса, сонша молекуладан (атомнан) тұратын зат мөлшерi бiр моль деп аталады. Бұл сан Авогадро тұрақтысы деп аталады және N_A арқылы белгiленедi:

N_A ≈ 6·10²³ моль^-1. (1.3)

Сәйкесiнше, кез келген заттың 1 молiнде атомдар саны мен молекулалар саны бiрдей болады. Егер денедегi зат мөлшерi ν мольден тұрса, онда денедегi молекулалар N саны мынаған тең:

N = ν ·N_A. (1.4)

Заттың молярлық массасы М деп бiр моль мөлшерiнде алынған зат массасын айтады. Ол бiр молекула массасының m₀ Авогадро санына N_A көбейтiндiсiне тең:

М = m₀· N_A кг/моль. (1.5)

Молярлық және молекулалық массалар арасында мынадай қарапайым байланыс бар:

М = 10^-3 ·М_r кг/моль. (1.6)

Кез келген зат мөлшерiнiң m массасы бiр молекуланың массасын денедегi молекулалар санына көбейткенге тең:

m = m₀· N кг. (1.7)

(1.5) және (1.7) формулаларын пайдаланып (1.4) өрнегiнен мынаны алу қиын емес:

ν = m / М және N = ν·N_A = N_AA ·m / M . (1.8)

Бөлшектердiң массасымен өлшемдерiн қосымша тәжiрибелiк деректердi пайдалана отырып есептеуге болады. Жеке жағдайда, молекулалардың сызықты өлшемдерiн бағалауға болады.

Молекуланың өлшемiн былайша анықтауға болады. Бiр молекуланың алатын V₀ көлемi зат V көлемiнiң, ондағы молекулалар N санына қатынасына тең: , мұнда ρ=m/V – заттың тығыздығы. Молекуланың формасы радиусы r шар тәрiздес болсын. Сондықтан . Осыдан:

(1.9)

Мысалы, су молекуласының радиусы мына шамаға тең:

.

4билет

Қатты денелер. Заттың кристалдық және аморфтық күйі. Кристалдарды жіктеу. Қатты денелердің жылусыйымдылығы. Жылусыйымдылықтың классикалық теориясы. Дюлонг және Пти заңы.

Қатты денелер сұйықтар сияқты өзінің көлемін ғана сақтап қоймады, сонымен бірге пішінін де сақтай алады. Бірақ олар өздеріне түсірілген күштердің әсерінен пішіндерін өзгертеді, яғни деформацияланады.Дене пішінін немесе көлемінің өзгеруі деформация д.а,Сыртқы күштер әсері тоқталғанан кейін толық жойылатын деформациялар серпінді деформациялар д.а.Пластикалық су балшықта пластилинде немесе қорғасында серпінді деформациялар аймағы аз шағын жүктің өзі пластикалық деформациялар тудыратын материялдарды пластикалық материялдар деп атайды.Егер материал болмашы деформацияларда қирап бөлінетін болса ол материал морт д.а(шыны,фарфордан жасалғын бұйымдар). Олар негізінен кристал күйде болады екен.

Кристалдар-атомдары немесе молекулалары кеністікте белгілі орындалып, реттеліп орналасқан қатты денелер. Кристалдың сыртқы пішіні дұрыс яғни бірқалыпты болуында(кәдімгі ас тұзы түйіршігі).

Кристалдық күйлердің айрықша белгілері.

.Физикалық қасиеттердің кристал ішіндегі бағыттарға тәуелділігі анизатропия д.а. Кристал денелер монокристалдар және поликристалдар болып бөлінеді.

Егер дене бір кристалдан тұрса,оны монокристал д.а. Кейбір менералдардың монокристалдары табиғатта табиғи күйінде кездеседі.

Ұсақ кристалдарды бір-біріне жабысып орналасуын поликристал д.а.Поликристалл денелердің түзілу себебі – көптеген кристалдардың өсуі. Олар бір-біріне жақындап, тиіскен кезіне дейін жалғаса береді де, осының нәтижесінде біртұтас дене түзіледі (кесек қантның құрылымы)

Кристалдың өзі құрылымдық элементтің үш әр түрлі бағыт бойынша, көп ретті қайталануынан алынады. Ол құрылымдық элементті элементтар кристалдық ұя деп атайды.

Аморф денелер.

Аморф денелер – кристалл қатты денелер мен сұйықтардың арасында аралық орын алады. Олардың атомдары мен молекулалары салыстырмалы ретте орналасқан.Қатты денелердің барлығын кристалл денелерге жатқызуға болмайды.Аморф денелерде атомдардың дәлме-дәл ретті орналасуы жоқ. Тек жақын көрші атомдар реті белгілі бір ретпен орналасады.Бірақ кристалдарға тән құрылымның қандай да бір элементінің барлық бағытта дәлме-дәл қайталануы аморф денелерде болмайды..

Аморф денелердің қасиеті.

Барлық аморф денелер изотропты, олардың физикалық қасиеттері барлық бағыты бірдей. Аморф денелерге шыны, көптеген пластмассалар, смола, қант мұздығы (мөлдір кәмпит) т.б жатады. Сырттан әсер еткенде аморф денелерде қатты денелердегі сияқты серпінділік қасиеті және сұйықтағы сияқты аққыштық қасиеті де бір мезгілде байқалады. Қысқа мерзімді әсерлер де (соққанда) олар қатты денелерге ұқсайды, ол қатты соққанда кесектерге жарылады. Бірақ өте ұзақ әсер еткенде аморф денелер ағады. Төменгі температураларда аморф денелер қасиеттері жағынан қатты денелерге ұқсайды. Олардың аққыштығы жоқтың қасы.Бірақ температура жоғарлаған сайын біртіндеп жұмсара бастайды да, олардың қасиеттері бірте-бірте сұйықтардың қасиеттеріне көбірек жақындай түседі. Бұлай болу себебі температураның артуына қарай атомдардың бір тепе-теңдік қалыптан екіншіге секіру жиелене түседі. Кристалл денелерден аморф денелердің ерекшелігі – оларда белгілі балқу температурасы жоқ.

Қатты денелердiң жылу сыйымдылығы

Энергияның еркiндiк дəрежелерi бойынша бiрқалыпты үлестiруi теоремасын қатты

денелерге де қолдануға болады. Қатты дене əр бiрiнiң үш еркiндiк дəрежесi бар, тербелмелi қозғалыста болатын N атомнан тұрсын. Қатты дененiң барлық атомдарының еркiндiк дəрежесi 3N.

Əр бiр атом қарапайым тербелiстердiң қосындысы болатын күрделi тербелмелi қозғалыс жасайды.

Əр бiр еркiндiк дəрежесiне бiр қарапайым гармоникалық тербелiс сəйкес келедi деп қабылдайық.

Сонда қатты дененi 3N гармоникалық осцилляторлар жүйесi деп қарастырып, 3N теңдеу жазамыз

Qk + wk2 Qk =0 , k = 1,2, … , 3N (15)

мұнда Q – қалыпты координаталар. Мұндай жүйенiң Гамильтон функциясы

Əр бiр тербелiстiң еркiндiк дəрежесiне сəйкес келетiн энергия кТ – деп, жылулық

қозғалыстағы барлық атомдардың тербелмелi қозғалысының энергиясын анықтайық. Ол үшiн кТ –ны тербелмелi еркiндiк дəрежелер саны 3N –ге көбейтемiз

U = 3NkT (17)

Бұдан қатты дененiң бiр молiнiң жылу сиымдылығы

Cv = 3N0k = 3R = 6 кал/моль·град (18)

Соңғы өрнек Дюлонг-Пти заңы деп аталады.

Дюлонгтің ең басты ғылыми жетістігі 1819 жылы Пти екеуінің бірігіп анықтаған қатты дененің жылу сыйымдылық заңдылығы болып табылады. Осы заңдылыққа сәйкес қатты жай заттардың меншікті жылу сыйымдылығының туындысы түзілетін элементтердің атомдық массаларының сай келіп (жаңа өлшем бойынша орта есеппен 26 Дж·г−1·К−1) тең. Қазіргі уақытта бұл заңдылық Дюлонг – Пти заңдылығы атпен белгілі болып ауыр элементтердің атомдық массаларының мәніне жақын болды.

Металдардың жылу сыйымдылықтарын зерттеу мақсатында Дюлонг және Пти төмендегідей ереже тұжырымдады:

Қатты күйіндегі жай заттардың меншікті жылу сыйымдылықтарының атомдық массаға (молярлы масса) көбейтіндісі тұрақты 26,0 кДж/ (моль*К) шамасына тең.

Бiрақ графиктен Дюлонг – Пти заңының тəжiрибелiк

деректерге қайшы келетiндiгiн көремiз.

Жоғары температурадағы жылу сиымдылықтың

өсуi, классикалық теория тұрғысынан, температура артқан

сайын тербелiс ангармоникалық болады, потенциялық

энергия мынадай өрнектен сипатталады

Uпот =

Бұл жағдайда потенциялық энергия kT/2 ден көп, жылусиымдылық артады.

Төменгi температурада жылу сиымдылықтың азаюын классикалық теориядан түсiндiру

мүмкiн емес.

Қатты элементар бөлшектердің атомдық массасының туындысының меншікті жылу сыйымдылыққа қатынасы тұрақты өлшем болып табылады. Бұл заңдылық 13 қатты элементар денелер үшін расталды. Бірақ ол барлық химиктердің назарын аударды. Я.Берцелиус теориялық химияның жетістігі деп санап, осы заңдылық негізінде өзінің атомдық массалар кестесіне түзетулер енгізді. Сондықтан Дюлонг пен Пти ережесі химиялық атомистикада ең маңызды заңдылық болып қалды.