Қазақстан Республикасы Білім және Ғылым Министрлігі

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университеті

Салиходжа Жүсіпбек

Молекулалық физика

Оқу құралы

Астана, 2012 жыл

Кіріспе

Бұл оқу құралы молекулалық физика мен термодинамиканың негізгі сұрақтары қарастырылған жалпы физика курсының бөліміне арналған. Молекулалық физика мен термодинамика көптеген атомдар мен молекулалардан тұратын денелердегі макроскопиялық процестерді зерттейтін физиканың салалары болып табылады. Бұл салалардың зерттеу нысаны бір болғанымен құбылыстарды зерттеу жолдары әр түрлі жәнебір бірін толықтырады.

Термодинамика 19 ғасырдың бірінші жартысында жылулық техниканың теориялық негізі ретінде пайда болды. Оның алғашқы мәселесі жылу двигательдеріндегі жылуды механикалық жұмысқа айналдырудың тиімді шарттарын зерттеп анықтау болды. Термодинамика негізінен аксиомалық ғылым саласы болып табылады. Термодинамика заттың құрылымы және жылудың физикалық табиғаты туралы ешқандай гипотезалар мен нақты ұғымдар енгізбейді. Термодинамиканың тұжырымдамалары тәжірибелік фактілерді қорытындылайтын жалпы принциптер мен бастамаларға негізделген. Термодинамика жылуды қандай да бір ішкі қозғалыстың тегі ретінде қарастырады, бірақ қандай қозғалыс екендігін айқындамайды.Қазіргі заманғы термодинамиканың негізгі мәселесі материяның жылу түрінде қозғалысының заңдылықтарын және соған байланысты физикалық құбылыстарды зерттеу болып табылады.

Молекулалық физика заттың атомдық-молекулалық құрылымына негізделген және жылуды сол атомдар мен молекулалардың ретсіз қозғалыстарының нәтижесі ретінде қарастырады. Сондықтан молекулалық физиканы зат құрылымының молекула-кинетикалық теориясы деп те атайды. 20 ғасырдың бірінші ширегінде атомдар мен молекулалардың заттарды құрайтын нақты бөлшектер екендігі дәлелденген соң молекулалық физика бұрынғы гипотезалық негізінен толық арылды. Алайда молекулалық физиканың көптеген сұрақтарында гипотеза элементтері сақталған. Мысалы, молекула-кинетикалық теорияда газды идеал деп қарастыру көптеген құбылыстардың теориялық сипатталуын оңайлатады.

Термодинамика негізінен денелердің тепе-тең күйлерін және бір-біріне жалғасатын үздіксіз өте баяу процестерді зерттейді. Сондай-ақ, термодинамика жүйелердің термодинамикалық тепе-теңдік күйіне өтуінің жалпы заңдылықтарымен шарттарын қарастырады. Ал, молекула-кинетикалық теория тек қана заттардың термодинамикалық тепе-тең күйлерін ғана емес, сонымен қатар заттардағы шекті жылдамдықпен өтетін процестерді де зерттейді. Заттарды термодинамикалық тепе-теңдік күйінде зерттейтін молекула-кинетикалық теорияның бөлімі статистикалық физика деп,ал шекті жылдамдықпен өтетін процестерді зерттейтін молекула-кинетикалық теорияның бөлімі физикалық кинетика деп аталады.

1. Температура

§1. Температура және термодинамикалық тепе-теңдік

1.Температура ұғымы денелердің әр түрлі қызу (суық) дәрежесін сипаттау үшін енгізіледі. Температура туралы түсінік ғылымға күш ұғымы сияқты біздің сезімдік қасиеттеріміз арқылы енген. Біздің сезіміміз қызуды сапалы деңгейде ажыратуға мүмкіндік береді. Мысалы, ыстық, жылы, салқын, суық – деген сияқты. Алайда, ғылымда қолданылатын қызу деңгейінің сандық мөлшері біздің сезімталдығымызбен анықталмайды. Себебі, сезім барлық уақытта субъективті. Адамның қолының күйіне қарай бір дене кейде жылы, ал кейде суық болып сезілуі мүмкін. Мысалы, екі қолымызды жылы және салқын суы бар екі ыдысқа біраз уақыт салып, одан кейін екі қолымызды да бөлме температурасындағы суға салатын болсақ, онда бір қолымызға су салқын болып сезілсе, ал екінші қолымызға ыстық болып сезіледі. Температураны сезім арқылы анықтау дененің жылуөткізгіштігіне аса тәуелді. Температураны сезім арқылы бағалау температураның тек өте қысқа интервалында (адам ағзасы температурасы аймағында) мүмкін болады. Аса ыстық және аса суық денелердің температурасын сезім арқылы бағалау мүмкін емес.

Физикалық шамалардың арасында температура ерекше орын алады. Температура аддитивтілік қасиетіне ие емес физикалық шама. Мысалы, қандай да бір денені ойша бірнеше бөліктерге бөлетін болсақ, онда дененің толық температурасы бөліктердің температураларының қосындысына тең болмайды. Сондай-ақ, температураны масса мен ұзындықты өлшеген сияқты эталонмен салыстыру әдісімен өлшеу мүмкін емес.

2.Термодинамикалық тепе-теңдік. Температураның сандық мәнін анықтау және дәл температуралық шкаланы жасау негізінде сезімдік субъективизмнен ажыратылған объективті физикалық құбылыстар мен фактілер болуы қажет. Жылудың феноменологиялық ілімінде температура жылулық немесе термиялық тепе-теңдік ұғымы негізінде енгізілген. Термодинамикалық тепе-теңдік ұғымы оларға қарағанда жалпы ұғым болып табылады.

Егер температуралары әр түрлі екі денені бір-біріне жанастыратын болсақ, онда жүйедегі барлық макроскопиялық өзгерістер тоқтағанша бір дене қызып екіншісі салқындайды. Бұл жерде біз жүйедегі денелер арасында химиялық реакция жүрмейді деп ескереміз. Осылай жүйедегі денелердің температуралары теңесіп термодинамикалық тепе-теңдік орнайды. Жүйеде тек қана екі дене болғанда ғана емес, жүйе құрамында одан да көп денелер болса да термодинамикалық тепе-теңдік орын алады. Егер жүйедегі денелер арасында химиялық реакциялар жүретін болса, онда жүйе толық тепе-теңдік күйіне жеткенше осы реакциялар нәтижесінде қосымша қызу немесе салқындау процестері өтеді. Алайда, реакциялар тоқтаған соң жүйе термодинамикалық тепе-тең күйге келеді.

3.Термодинамиканың жалпы бастамасы. Қоршаған ортамен энергия алмаспайтын денелер жүйесін оқшауланған немесе тұйықталған жүйе деп атаймыз. Мұндай жүйе ұғымы абстракциялау болып табылады және шындығында ешқашан орындалмайды. Егер бір бірімен жанасып тұрған денелер жүйесінің айналасында басқа денелер болмаса да мұндай жүйені оқшауланған жүйе деп айта алмаймыз. Себебі, бұл жүйедегі денелер барлық уақытта сәулелік энергия шығаруы және алшақ орналасқан денелердің сәулелік энергиясын жұтуы мүмкін. Алайда, жасанды түрде жуықтап оқшауланған жүйе жасауға, демек денелер арасындағы алмасу энергиясы өте аз болатындай шартты орындауға болады. Бұл шартты жүйені жылу өткізбейтін қатты қоршауға алу арқылы жүзеге асыруға болады. Мұндай қоршауды адиабаталық қоршау деп атаймыз. Мұндай қоршаудағы жүйенің күйі қоршаған орта күйінен тәуелсіз болады. Адиабаталық қоршау ұғымы физикалық абстракциялау болып табылады. Шын мәнінде мұндай қоршаулар жоқ, бірақ, қасиеттері адиабаталық қоршауға өте жақын қоршау жасауға болады. Қазіргі заманғы физика мен техникада өте жақсы адиабаталық қоршау ретінде Дьюар ыдыстары немесе термостар қолданылады. Дьюар ыдысы – арасында жоғары вакуум болатын металдан немесе шыныдан жасалған қос қабырғалы баллон болып табылады. Дьюар ыдысы ішінде орналасқан денелерді сыртқы ортаның жылулық әсерінен жақсы қорғайды. Осы құрылғыны идеал деп ескерсек, онда идеал адиабаталық қоршау аламыз. Қатты қабырғалары қозғалмайтын осындай адиабаталық қоршау ішіндегі денелер жүйесі сыртқы жылулық әсерлерден толық қорғалған, демек оқшауланған жүйе болып табылады.

Оқшауланған жүйедегі денелердің бастапқы күйлері қандай болса да, соңында барлық макропроцесстер тоқтайтын термодинамикалық тепе-теңдік күй орнайды. Бұл тұжырым термодинамикада өте маңызды және постулат ретінде қабылданған. Бұл тұжырымды термодинамиканың жалпы бастамасы деп те атауға болады.

4.Релаксация. Жүйенің термодинамикалық тепе-тең күйге өздігінен өту процесін релаксация деп атаймыз, ал осы процеске жұмсалған уақытты релаксация уақыты деп атайды. Релаксация уақытын тәжірибеде анықтағанда ешқашан термодинамикалық тепе-теңдіктің толық орнауын күтпейді. Сондықтан релаксация уақыты дәл анықталмайды, тек белгілі дәлдікпен бағаланады.

5.Жылулық тепе-теңдік. Бір-бірімен жанастырылған денелер термодинамикалық тепе-теңдікке келуі үшін олар бір-бірімен механикалық және химиялық тепе-теңдікте болуы керек. Демек, денелердің қысымдары бірдей және жанасқанда химиялық реакцияға түспейді. Егер олай болмаса, онда денелерді бір-бірінен жылуды жақсы өткізетін, бірақ химиялық нейтрал металл фольгамен қоршап қою керек. Бұл денелер бір-бірімен металл фольга арқылы жанасқаннан кейін тепе-теңдікке келеді. Мұндай тепе-теңдікті жылулық немесе термиялық тепе-теңдік деп атайды. Кейде температуралары бірдей денелер деп айтылады.

6. Температура дененің ішкі күйінің макроскопиялық сипаттамасы болып табылады. Бұл ұғымның бір немесе аздаған атомдардан, молекулалардан тұратын жүйе үшін мағынасы болмайды. Бұл ұғым негізінен термодинамикалық тепе-теңдіктегі көптеген атомдардан немесе молекулалардан тұратын жүйелер үшін, демек макроскопиялық жүйелер үшін қолданылғаны дұрыс. Бірақ, температура ұғымы термодинамикалық тепе-теңдік күйіне жетпеген жүйелерді сипаттау үшін де қолданылып жүр.Сонымен, температура дене немесе денелер жылулық тепе-теңдікке келгенде теңесетін физикалық шама.

Бақылау сұрақтары:

1. Температура ұғымы туралы не білесіз?

2. Термодинамикалық және жылулық тепе-теңдік ұғымдарын түсіндіріңіз.

3. Термодинамикада қандай жүйелер оқшауланған деп аталады?

4. Термидинамиканың жалпы бастамасын тұжырымдаңыз.