Қайталауға және өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар

 

41 

 

8.

 

Тұтқырлық деп нені айтады? Ньютон теңдеуін жазыңыз. 

9.

 

Сұйықтықтың қаныққан буының қысымы, қайнау, қату температурасы 

деп нелерді айтады? 

10.

 

Қатты денелердің кристалдық және аморфтық күйлеріндегі 

қасиеттерінің қандай  айырмашылықтары болады? 

11.

 

Кристалдық торлардың қандай түрлерін білесіз? 

12.

 

Изоморфизм  және полиморфизм деп нелерді айтады? Мысал 

келтіріңіз. 

 

 

І – тарауды зерделеуді бітіргенде сіз мыналарды: 

Заттардың  агрегаттық  күйінің  сипаттамасын;  газдардың  заңдарын  – 

Гей-Люссак,  Шарль,  Боиль-Марриотт,  Авогадро  заңдарын;  идеалды  газ 

күйінің  теңдеуін;  газдардың  кинетикалық  теориясын;  реалдық  газдардың 

ерекшеліктерін;  сұйықтықтардың  жалпы  сипаттамасын;  беттік  керілуді; 

сұйықтықтың  тұтқырлығын;  Ньютон  теңдеуін;  бу  қысымын,  қайнауды, 

сұйықтықтың  қайнау  температурасын,  қатты  денелердің  (кристалдардың) 

ішкі  құрылысының  жалпы  сипаттамасын;  иондық,  коваленттік,  металдық 

және молекулалық торларды; изоморфизм және полиморфизм құбылыстарын 

білуге тиістісіз. 

 

 

 

 

 

II-тарау  

ХИМИЯЛЫҚ ТЕРМОДИНАМИКА 

 

1.  Химиялық  термодинамикаға  кіріспе.  Негізгі  түсініктер, 

анықтамалар және шамалар 

Алғашқы кезде термодинамика жылу мен жұмыстың бір-біріне 

түрленуін  қарастырды,  сондықтан  да  термодинамика  (термо 

грекше  –  жылу,  температура,  динамика  –  күш,  жұмыс,  қозғалыс) 

деп аталды. 

XIX  ғасырдың  екінші  жартысында  термодинамиканың  зерттеу 

ауқымы  кеңейе  бастады.  Қазіргі  кезде  термодинамика  заңдарына 

негізделіп  электрлік  және  тоңазытқыш  машиналарындағы,  бу 

турбиналарындағы,  іштен  жанатын  двигательдегі,  гальваникалық 

элементтегі  процестер,  әр  түрлі  химиялық  реакциялар  мен 

 

42 

 

биологиялық  құбылыстар,  жер қыртысындағы  және  атмосфералық 

құбылыстар зерттелінеді. 

Сонымен  энергияның  бір  түрден  басқа  бір  түрге  айналу 

заңдылықтарын  зерттейтін  ғылым  термодинамика  деп  аталады. 

Термодинамика  жалпы  (немесе  физикалық),  техникалық  және 

химиялық  болып  үшке  бөлінеді.  Жалпы  термодинамика 

термодинамика заңдарын зерттеп, солардың қатты, сұйық және газ 

тәрізді  заттардың  қасиеттеріне  қолданылуын  қарастырады. 

Техникалық 

термодинамикада 

термодинамиканың 

жалпы 

зандылықтары  жылу  мен  жұмыстың  өзара  түрлену  процестерін 

сипаттау  үшін  қолданылады.  Химиялық  термодинамика  мынадай 

негізгі мәселелерді қарастырады: 

а)  әр  түрлі  химиялық  заттардың  немесе  бір  заттың  әр  түрлі 

фазаларының тепе-теңдікте болу жағдайлары; 

ә)  белгілі  бір  жағдайда  химиялық  реакцияның  немесе  фазалар 

түрленуінің өздігінен жүру мүмкіндігі; 

б)  химиялық  реакция  кезіндегі  жылу  мен  энергияның  басқа 

түрлерінің қарым-қатынастары; 

в)  тепе-теңдік  және  химиялық  реакцияның  бағыты  туралы 

мәселелерді сандық түрде көрсететін қасиеттерді өлшеу тәсілдеріне 

негіз болатын принциптер. 

Термодинамика 

төрт 

постулатқа 

негізделген. 

Оларды 

термодинамиканың  бастамасы,  заңы  немесе  принциптері  деп  те 

атайды.  Бұрынғы  оқулықтарда  осылардың  тек  екеуі  - 

термодинамиканың 

бірінші 

және 

екінші 

заңдары 

ғана 

қарастырылатын. Қазіргі кезде бұларға термодинамиканың тағы екі 

заңы - нөлінші және үшінші заңдары қоса қарастырылады. 

Термодинамиканың нөлінші заңы басқаша жылу тепе-теңдігінің 

өтпелігі  туралы  заң  деп  те  аталады.  Оны  1931  ж.  Р.  Фаулер 

ұсынған. 

Термодинамиканың  бірінші  заңы  басқаша  энергияның  сақталу 

заңы ретінде де белгілі. Ол заңды жалпы түрде  ең алғаш 1748 ж. М. 

В. Ломоносов ұсынды. 

Кейінірек  Г.  И.  Гесс,  Р.  Майер,  Д.  П.  Джоуль,  Г. 

Гельмгольцтердің еңбектерінің нәтижесінде ол заң одан әрі дамып, 

қазіргі түсініктемесіне ие болды. 

Термодинамиканың екінші заңы энтропияның өсу заңы ретінде 

мәлім.  Ол  әр  түрлі  энергиялардың  жылуға  толық  айналуын,  ал 

жылудың жұмысқа толық айналмайтынын көрсетеді. 

 

43 

 

Термодинамиканың үшінші заңы Нернстің жылулық постулаты 

ретінде  белгілі.  Ол  дене  температурасының  абсолюттік  нөлге 

жетпейтіндігін көрсетеді. 

Термодинамикада  қарастырылатын  түсініктердің  ішінде 

уақыттың  жоқ  екенін  айта  кеткен  жөн.  Өйткені  термодинамика 

процестер мен жүйенің күйін зерттейді де, сол себептен процестің 

жылдамдығы мен механизмі туралы зерттеумен шұғылданбайды. 

Басқа  пәндер  сияқты  термодинамиканың  да  өз  түсініктері, 

терминдері  және  шамалары  болады.  Солардың  негізгілеріне 

тоқталып өтейік. 

Айналадағы  ортадан  ойша  бөлінген  дене  немесе  өзара 

әрекеттескен денелер тобы  термодинамикалық жүйе  деп аталады. 

Мұны бұдан былай тек жүйе деп қарастырамыз. Жүйе айналадағы 

ортадан  белгілі  бір  нақты  (фазааралық)  бет  арқылы  бөлінеді  және 

жүйедегі  молекулалар  саны  өте  көп  болуы  керек.  Өйткені 

термодинамикада молекулалар саны аз жүйелер қарастырылмайды. 

Егер  жүйенің  ішінде  бөлу  беті  болмай,  барлық  нүктелерінде 

қасиеттері бірдей болса, ондай жүйе гомогендік жүйе деп аталады, 

егер жүйеде бөлу беті болса, ол гетерогендік жүйе деп аталады. 

Жүйенің  айналадағы  ортамен  әрекеттесуі  әр  түрлі,  мәселен: 

механикалық, жылулық, энергияның басқа да түрімен, заттармен де 

алмаса  алады.  Егер  осы  байланыстардың  ешқайсысы  да  болмаса, 

ондай  жүйелер  изоляцияланган  (оқшауланган)  жүйелер  деп 

аталады.  Айналадағы  ортамен  зат  алмасудан  басқа  байланыста 

болатын  жүйелер  тұйық  жүйелер  деп  аталады.  Тұйық  жүйеге: 

ішінде  заты  бар  жабық  ыдыс,  баллондағы  газ  т.б.  мысал  бола 

алады.  Затымен  де,  энергиясымен  де  айналадағы  ортамен  алмаса 

алатын  жүйелер  ашық  жүйелер  деп  аталады  (мысалы,  тірі 

организмдер). 

Жүйені  сипаттайтын  барлық  физикалық,  химиялық  күйлердің 

жиынтығы  (мысалы,  көлем,  қысым,  температура,  химиялық құрам 

және  т.  б.)  жүйенің  күйі  деп  аталады.  Жүйе  күйінің  теңдеуі  мен 

жүйенің  күйін  байланыстыратын  басқа  теңдеулер  болатындықтан, 

жүйені сипаттауға барлық қасиеттерін емес, тек кейбір қасиеттерін 

білсе  де  жетіп  жатыр.  Кейбір  жүйе  күйлері  тәуелсіз  айнымалылар 

ретінде  алынса,  оларды  жүйе  күйінің  параметрлері  деп  атайды 

(мысалы,  газдар  үшін  жүйе  күйінің  параметрлері  ретінде  үш 

параметрдің: қысым – Р, көлем – V және температура – Т екеуі ғана 

алынады). 

 

44 

 

Жүйе  күйінің  параметрлері  экстенсивтік  (сыйымдылық)  және 

интенсивтік  (қарқындылық)  болып  екіге  бөлінеді.  Экстенсивтік 

параметрлер жүйедегі заттардың мөлшеріне пропорционал болады. 

Оларға  көлем,  масса  т.б.  жатады.  Интенсивтік  параметрлер 

жүйедегі  заттардың  мөлшеріне  байланыссыз  болады.  Оларға 

температура, қысым, тұтқырлық, концентрация және т.б. жатады. 

Жүйе  күйінің  қандай  болса  да  параметрлерінің  өзгеруін 

процесс  деп  атайды.  Термодинамикада  мынадай  процестер  жиі 

қарастырылады:  тұрақты  температурада  (Т  =  сопst)  жүретін 

процестер  изотермиялық  процестер  деп  аталады;  егер  қысым 

тұрақты  болса  (Р=сопst)  –  онда  изобарлық  процестер,  ал  көлем 

тұрақты  болса  (V=сопst),  онда  изохорлық  процестер  жүреді.  Егер 

жүйе мен айналадағы орта арасында жылу алмасуы болмаса (Q=0), 

онда  жүретін  процесс  адиабаттық  процесс  деп  аталады.  Егер  әрі 

көлем,  әрі  температура  тұрақты  болса  (V=сопst,

 

Т=сопst),  онда 

изохорлық-изотермиялық  процестер  туралы  сөз  болады,  егер 

қысым  мен  температура  тұрақты  болса  (Р=сопst),  Т=сопst),  онда 

процестер  изобарлық-изотермиялық  болып  есептеледі.  Жүйе 

күйінің  параметрлері  біраз  өзгерістерден  кейін  бастапқы  күйге 

қайта оралса, онда болған процесс айналымды процесс немесе цикл 

деп аталады. 

Бұдан  басқа  қайтымды  және  қайтымсыз  термодинамикалық 

процестер болады. Қайтымды процесте жүйе  энергия жұмсамай-ақ 

өзінің  алғашқы  күйіне  келе  алады.  Қайтымды  термодинамикалық 

процестерге  өте  баяу  жүретін  процестер  жатады.  Қайтымды 

процестердің  шартын  қанағаттандыра  алмайтын  процестер 

қайтымсыз  процесс  деп  аталынады.  “Қайтымды  химиялық 

реакция”  және  “қайтымды  термодинамикалық  процесс”  бір 

мағыналы  ұғым  емес,  олар  әр  түрлі  жолмен  түсіндіріледі.  Мұнда 

химиялық  реакциялар  процесі  белгілі  бір  жылдамдықпен  жүріп, 

алғашқы күйіне қайта оралса, сыртқы ортада өзгерістер болады. 

Тепе-теңдік  күйі  деп  жүйе  күйінің  уақытқа  байланысты 

өзгермейтін  күйі  айтылады.  Мұнда  зат  та,  энергия  да  жүйеге 

енбейді. Тепе-теңдік күйді стационарлық күйден айыра білу керек. 

Екеуінде  де  жүйе  күйі  уақытқа  байланысты  өзгермейді. 

Стационарлық күй кезінде жүйеге зат немесе энергия келіп тұрады. 

Энергия түрлерінің ішінде процестерді сипаттауда ішкі энергия 

U  мен  энтальпияның  Н  маңызы  зор.  Ішкі  энергия  жүйе 

энергиясының  жалпы  қорын  көрсетеді.  Бұған  жүйені  құратын 

 

45 

 

бөлшектердің  (атомдар,  электрондар,  ядролар,  молекулалар) 

қозғалысы  мен  әрекеттесу  энергияларының  барлық  түрі  енеді  де, 

жүйенің кинетикалық энергиясы мен сыртқы күштің потенциалдық 

энергиясы кірмейді. Ішкі энергияның абсолюттік мәнін анықтау өте 

қиын.  Химиялық  термодинамика  үшін  жүйенің  бір  күйге 

ауысқандағы ішкі энергияның өзгеруін білу керек, яғни: 

                                       ΔU = U

2

 - U

1

 

Энергияның  басқа  бір  түрі  -  энтальпия  ішкі  энергиямен 

мынадай қатынаста болады: 

                                    Н = U + РV                                                (1) 

Мұндағы Р - қысым, V - қарастырылып отырған жүйенің көлемі. 

Энтальпия мен ішкі энергияның өзгерісі газ тәрізді заттары бар 

жүйелерде  ғана  болады,  ал  конденсацияланған  күйде  (сұйық  және 

қатты  денелер)  олардың  мәні  іс  жүзінде  бірдей  болады.  Әдетте 

энтальпияның да абсолюттік мәнін емес, өзгерісін анықтайды: 

                                ΔH = H

2

 - H

1 

Дененің 

немесе 

жүйенің 

ішкі 

энсргиясы 

(U) 

мен 

энтальпиясының  (Н)  өзгерістері  кез  келген  процесс  үшін  ол 

процестің  жолына  тәуелсіз,  тек  жүйенің  бастапқы  және  соңғы 

күйіне  байланысты  болады.  Термодинамикалық  функциялар 

жүйенің  күйін  анықтайды,  сондықтан  оларды  жүйе  күйінің 

функциясы  деп  атайды.  Ендеше  қарастырылып  отырған 

энергиялардың екі түрі де  (U және Н) күйдің функциялары болып 

табылады.  ΔU  шамасы  изохорлық  процестерді,  ал  ΔН  шамасы 

изобарлық процестерді сипаттау үшін қолданылады. 

Энергияның  жүйенің  бір  бөлігінен  екінші  бөлігіне  берілуінің 

негізгі  тәсілдері:  жұмыс  А  және  жылу  -  Q.  Жүйеден  бөлінетін 

немесе  жүйеге  сіңірілетін  (жұмсалатын)  жылу  Q  және  жүйенің 

жасайтын  жұмысы  А  бір  күйден  екінші  бір  күйге  ауысу  кезіндегі 

өту жолдарына байланысты болады. Сондықтан  жұмыс пен жылу 

күйдің функциялары бола алмайды. 

Процестердің  жылу  шығара  да,  сіңіре  де  жүруі  мүмкін.  Жылу 

шығара жүретін процестер экзотермиялық процестер  деп аталады 

да,  ал  жылу  сіңіре  жүретіндері  -  эндотермиялық  процестер  деп 

аталады. 

Термодинамикалық    жүйелерге    қарағанда  термохимиялық 

жылу  реакция  нәтижесінде  шықса,  -  оң,  ал  реакция  жүру  үшін 

сіңірілсе,  теріс  болады.  Егер  термохимиялық  жүйедегі  жылуды  q, 

 

46 

 

ал  термодинамикадағы  жылуды  Q  деп  белгілесек,  онда  Q  =  -q 

болады. Реакция жүру үшін сіңірілетін немесе реакция нәтижесінде 

бөлінетін жылу реакцияның жылу эффектісі деп аталады. 

Егер жылу эффектісі тұрақты көлемде байқалса, оны изохорлық  

жылу  эффектісі  (Q

v

),  ал  егер  жылу  эффектісі  тұрақты  қысымда 

байқалса, онда оны изобарлық жылу эффектісі (Q

р

) деп атайды. 

Энергияның  берілуі  жұмыс  күйінде  де  болатынын  айттық. 

Жұмыс  екі  шамамен  анықталады:  1)  интенсивтік  (қарқындылық) 

факторы  және  2)  сыйымдылық  (экстенсивтік)  факторы.  Егер 

интенсивтік  фактор  тұрақты  болса,  онда  берілген  процесс  үшін 

сыйымдылық  факторының  өзгеруіне  көбейткенге  тең.  Мысалы, 

газдың ұлғаю жұмысы үшін: А=РΔV. Мұндағы интенсивтік фактор 

-  қысым,  ал  экстенсивтік  фактор-көлем.  Жұмыс  жүйе  арқылы 

жасалса,  онда  оның  таңбасы  оң  болады  (+А),  егер  жүйеден  тыс 

жасалып,  сыртқы  күштердің  әсерінен  істелсе,  онда  оның  таңбасы 

теріс болады (-А). 

 

2 Идеал газ ұлғаюының максимал жұмысы 

Термодинамика  үшін  жұмыстың  барлық  түрлерінің  ішіндегі 

маңыздысы  -  идеал  газдың  ұлғаюы  кезіндегі  істелетін  жұмыс.  Ол 

жұмыстың  мәні  газ  күйі  мен  процесті  жүргізу  түріне  байланысты 

О-ден  белгілі  бір  шамаға  дейін  өзгереді.  Егер  газ  бос  кеңістікте 

ұлғайса, ол ешқандай кедергіні жоя алмайды, сондықтан ешқандай 

жұмыс  атқарылмайды (А=0), ал газдың жеңетін кедергісі неғұрлым 

көп  болса,  соғұрлым  жұмыс  та  көбірек  болады.  Сыртқы  қысым 

процесс  барысында  газдың  өз  қысымынан  кем  болған  жағдайда, 

яғни қайтымды процесс болған жағдайда, жұмыстың мәні ең үлкен 

шамаға ие болады. Ол максимал жұмыс деп Атах аталады. 

Газдың  қайтымды  ұлғаюы 

2.1-суреттегідей 

цилиндрде 

жүрсін, оның көлденең қимасын S, 

Р  деп  газ  жеңетін  сыртқы 

қысымды 

белгілейік, 

ал 

Δh 

поршeнь 

деңгейінің 

өзгерісі 

болсын.  Әрине,  поршень  цилиндр 

ішінде  еркін  қозғалады  деп 

есeптeп, оны қозғайтын күштің РS 

екенін білсeк, поршеньнің қозғалу 

 

2.1-сурет. Идеал газ ұлғаюының 

 максимал жұмысын анықтауға  

арналған сұлба 

 

 

47 

 

нәтижесінде болатын жұмысты былай өрнектеуге болады: 

  

                                              А

тах

=РSΔh                                               (2) 

Теңдеудегі (2)  S∙Δh көлемнің өзгеруіне ΔV тең, ендеше: 

                                     А

тах

=Р∙ΔV                                                (3) 

Өзгерістері  аз  жүретін  процестер  үшін  теңдеудегі  (3)  көлем 

өзгерісін оның дифференциалымен алмастырсақ, онда: 

                                    dА

тах

= Р∙dV                         

              (4) 

Көлемнің  шеткі  мәндерін  біле  отырып  (ол  V

1

-ден  V

2

-ге  дейін 

өзгерсе), теңдеуді (3)  төмендегідей жазуға болады: 

                

2

1

max

V

V

dV

P

A

                                                 (5) 

Қысымы Р газдың сол тұрақты қысымдағы көлемін V

1

-ден V

2

-

ге дейін өзгерткендегі жұмысы, яғни изобарлық процестің жұмысы 

теңдеумен (5) анықталады. Бұл теңдеуді интегралдасақ: 

                                      А

тах

 = Р∙(V

2

-V

1

)                                              (6) 

Температура  тұрақты  болғанда,  яғни  изотермиялық  процестегі 

максимал жұмыс та теңдеумен (4) анықталады. Тек ол үшін Р-ның 

орнына RТ/V өрнегін қойса, мынадай теңдеу шығады: 

2

1

2

1

ln

/

max

V

V

V

V

V

d

RT

V

dV

RT

A

 

Мұны интегралдап, мынадай теңдеу алуға болады: 

                                       А

тах

=RT∙lnV

2

/V

1

                                              (7) 

Тұрақты  температурада  қысым  мен  көлемнің  бір-біріне  кері 

пропорционалдығын ескеріп: 

Р

1

/Р

2

=V

2

/V

1

 

изотермиялық процесс үшін мынадай да теңдеу аламыз:  

                                               А

тах

 =RТlпР

1

 / Р

2

                                    (8) 

Көлем  тұрақты  болғанда,  яғни  изохорлық  процесте  максимал 

жұмыс нөлге тең болады, өйткені көлем тұрақты болғандықтан, dV 

= 0 болады да теңдеудегі (4) өрнек нөлге айналады (А

тах

 = 0). 

Егер  газдың  ұлғаюы  сыртқы  ортамен  жылу  алмаспай, 

температура  мен  қысымның  қатар  өзгеруімен  жүрсе,  яғни 

адиабаттық  процесте  газдың  ұлғаю  жұмысы  жүйенің  ішкі 

энергиясының өзгеруінің нәтижесінде жүзеге асады. Сондықтан газ 

салқындайды.  Идеал  газдың  ішкі  энергиясы  тек  температураға 

байланысты.  Солай  болса,  энергияның  өзгеруі  газ  өзгерісінің 

 

48 

 

көбейтіндісіне  тең.  Сонымен,  адиабаттық  ұлғаюдағы  максимал 

жұмыс мына теңдеумен анықталады: 

                                 А

тах

 =С

v

(Т

2

-Т

1

)                                            (9) 

Мұндағы С

v

 - тұрақты көлемдегі жылусыйымдылығы. 

 

3. Термодинамиканың нөлінші заңы 

Р.  Фаулер  (1931  ж.)  жылулық  тепе-теңдіктің  өтпелілігі 

туралы  заң  ашты:  егер  А  және  В  жүйелерінің  әрқайсысы  С 

жүйесімен  жылулық  тепе-теңдікте  болатын  болса,  онда  А  мен  В 

жүйелері де өзара жылулық тепе-теңдікте болады. 

Осы  айтылған  тұжырым  табиғаттың  негізгі  заңдарының  бірі 

болып  саналады  және  ол  термодинамиканың  нөлінші  заңы  деп 

аталады. 

Бір-біріне жанаспай тұрып, А және С жүйелерінің әрқайсысына 

сәйкес тепе-теңдік қысымы мен көлемдері (Р

А

,

 

V

A

 

 

және Р

С

,V

С

)  бар 

деп  есептейік.  Егер  осы  екі  жүйені  жанастырсақ,  онда  жаңадан 

тепе-теңдік  қысым  мен  көлeмдер  қалыптасады:  Р

A

,V

A

 

және  Р

С

,V

С

. 

Енді жаңа тепе-теңдік күйінде олар мынадай байланыста f

 А

(Р

А

,V

А

)= 

f

С

 

(Р

С

,V

С

)

 

болады.  Басқа  сөзбен  айтқанда,  енді  бір-бірімен  тепе-

тендікте болатын екі жүйені мәні бірдей екеуіне ортақ бір функция 

f (Р, V) сипаттайтын болады. Ал жоғарыда қарастырылған үш жүйе 

үшін: 

                     f

 А

(Р

А

,V

А

)= f 

 B

(Р

B

,V

B

)= f

 C

(Р

C

,V

C

)= t

                          

(10) 

Сонымен f (Р,V) функциясы эмпирикалық температура (t) деп 

аталады.  Бұдан  температураны  тек  тепе-теңдіктің  күйімен  ғана 

анықтауға болады деген тұжырым жасай аламыз. 

Термодинамиканың  нөлінші  заңы  температураны  термометр 

арқылы өлшеудің негізіне жатады. 

Термодинамиканың нөлінші заңынан газ күйінің тағы бір жаңа 

тендеуін  алуға  болады,  өйткені  тендеуді  (10)  мына  теңдеумен 

баламалаймыз. 

                                       

 

F

i

 

(Р,V, t)=0

                                                    

(11) 

Теңдеу  (11)  өзара  тепе-теңдікте  жанасатын  жүйелердің 

қайсысын болса да сыйпаттай алады. 

жүктеу/скачать 3,84 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: