Нақты газдар және фазалық өзгерістер

1. Нақты газдар мен фазалық өзгерістер жайлы жалпы біледі;

2. Ван-дер-Ваальс теңдеуінің физикалық мағынасын түсінеді;

3. Бірінші және екінші текті ауысулардың мәнін түсінеді;

4. Ван-дер-Ваальс теңдеуін есеп шығару барысында қолданады;

5. Сұйық және қатты газ күйлерінің ерекшеліктерін талдайды.

1. Ван-дер-Ваальс теңдеуі

2. Нақты газдың ішкі энергиясы

3. Бірінші және екінші текті ауысулар

4. Сұйық және қатты газ күйлерінің ерекшеліктері
1. Идеал газдардың қасиеттерін қарастырғанда газдардың молекула-кинетикалық теориясына сүйене отырып, газдар молекуласын шар тәрізді нүкте ретінде қарастырып және молекулалар арасында ешқандай күштер болмайды деген едік . Мұндай идеал газ моделі тек Бойль-Мариот және Гей-Люссак заңдарына ғана бағынады.Олай болса, осы уақытқа дейінгі айтылған газдар заңдылықтары, сонымен қатар Клапейрон –Менделеев теңдеуі де көптеген тәжірбиелердің қорытындысына қарағанда тек жуық мәнді ғана сипаттайды.Себебі газдың қысымы артқан сайын идеал газдар заңдылықтарынан ауытқи бастайды.Сонымен қатар,қысым артқан сайын молекулалардың орташа ара қашықтығы кеми бастайды да, молекулалардың орташа ара қашықтығын ескеру қажет болады.Идеал газ моделі жоғары қысымда және төменгі темперетурада жарамайтыны өзінен-өзі түсінікті, сөйтіп нақты газдар қасиеттерінің идеал газдың қасиеттерінен өзгеше болуы мынандай екі себепке байланысты, біріншіден, молекулалардың арасында өзара әсерлесу күштері болады.Молекулалар арасындағы өзара әсерлесу күштері ара қашықтығы шамасында біліне бастайды да, осы ара қашықтық алыстаған сайын, күштердің азаятындығы байқалады. Сондықтан мұндай күштер қысқа әрекетті деп аталады.

Кез-келген дене температураға байланысты газ,сұйық және қатты күйлерде бола алады. Берілген дене үшін, оның бір күйден екінші күйге өту температурасы потенциалдық энергияның мәніне тәуелді болады.

Егер газ идеалдық шарттарға бағынбаса оны нақты газ деп атайды. Жоғары қысымдағы немесе төмен температурадағы газды идеал деуге болмайды, себебі газ молекулалары бір-біріне өте жақын орналасады да олардың өлшемдерін және өзара әсерлесуін ескеруге тура келеді. Бұл жағдайда газдың күйін Менделеев-Клапейрон теңдеуі көмегімен сипаттауға болмайды.Олай болса, нақты газдарға Клапейрон – Менделеев теңдеуін қолдану үщін оған кейбір түзетулер енгізу қажет. Осы мәселені бірнеше рет өте ыңғайлы түрде голланд физигі Ван-Дер-Ваальс (1873) шешіп, Клапейрон – Менделеев теңдеуін басқа түрге келтірді. Енді жоғарғы айтылған екі себептердің табиғатын қарастырайық.

Молекуланың көлемін есептеу. Молекулалар өздерінің көлемі болуының салдарынан газ тұрған ыдыстың ішінде еркін қозғала алмайды. Молекуланың еркін қозғалуына берілген көлем ыдыстың геометриялық көлемінен бір шамадай кіші болады. Молекулалардың өз көлеміне байланысты бұл шаманы тұрақты деп есептеуге болады. Сондықтан газ күйінің теңдеуіндегі көлемінің орнына шамасын алу керек, сонда

Ван-дер-Ваальстің молекулалардың көлемін еске алғандағы түзетуі шамамен молекулалардың 4 еселенген өз көлеміне тең. Егер болса, онда газ өз молекулаларының арасындағы бос кеңістік есебінен сығылады, сонда өте үлкен қысымда молекулалар біріне-бірі тығыз орналасады да, бұдан кейін газ болымсыз ғана сығылады. (1) формуладан қысым шексіз артқанда газдың көлемі шамаға жуықтайтыны көрінеді.

мұндағы - молекулалардың табиғатына байланысты болатын тұрақты шама.

2. Нақты газдарда молекулалардың арасындағы өзара әсерлесу күштерінің үлкен роль атқаратыны белгілі. Нақты газдың ішкі энергиясы оны құрайтын молекулалар қозғалысының кинетикалық энергиясымен олардың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясының қосындысы болып табылады:

Молекулалардың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясы олардың арақашықтығына тәуелді, сондықтан көлемге тәуелді болуға тиісті. Егер молекулалар бір-біріне өте жақын орналасса, онда тебіліс оң күштерінің әсері басым болып, осы күштерге сәйкес оң потенциалдық энергия пайда болады және осы күштердің әсерінен газдарға ішкі қысым әсер етеді: .

Мұндағы минус таңбасы молекулалар арасындағы ішкі қысымды туғызатын теріс таңбалы тартылыс күштері екендігін білдіреді. Тұрақты көлемдегі нақты газдың меншікті жылу сыйымдылығы оның молекулалары қозғалысының кинетикалық энергиясымен анықталады, яғни . Сонда 1 моль нақты газдың ішкі энергиясы:

Нақты газдың ішкі энергиясы оның температурасының жоғарылауы мен көлемінің артуына сәйкес өседі.

3. Өзінің физикалық қасиеттері жағынан басқа тепе-тең күйлердеболатын заттардан мүлдем өзгеше, термодинамикалық тепе-тең күйдегі затты фаза деп атаймыз. Мысалы, егер жабық ыдыстың ішінде су болса, онда ол жүйе екі фазадағы зат деп есептеледі: сұйық фаза- су және газ тәрізді фаза-ауаның су буымен араласқан қоспасы. Егер суға бір мұз бөлшегін тастасақ, онда бұл жүйе үш фазалы болады, себебі мұз қатты фаза деп есептеледі. Әдетте фаза деген ұғымды, заттардың агрегатты күйін сипаттайды деп атайды, бірақ оның физикалық мәні тереңірек. Мысалы, бір зат бір агрегатты күйде өзінің қасиеттерінің өзгешелігі, құрамы және құрылысы жөнінен әр түрлі фазада бола алады. Сонымен, заттың бір фазадан екінші түріне фазалық ауысуы, сол заттың қасиетінің сапалық өзгеруімен байланысты.

Фазалық ауысудың екі түрі бар. Бірінші текті фазалық ауысу (мысалы, балқу, кристалдану, т.б) жылудың фазалық ауысуы деп аталатын белгілі бірмөлшердегі жылудың жұтылуымен немесе бөлінуімен жүреді. Бірінші текті фазалық ауысу температураның тұрақтылығымен және энтропия мен көлемнің өзгерістерімен сипатталады. Мысалы, тордың кристалдануы үшін, оның балқуы кезінде белгілі бір мөлщерде жылу мөлщерін беру керек болады. Ал бұл жылу мөлшері денені қыздыру үшін емес, атомаралық байланысты үзу үшін берілетіндіктен, балқу процесі тұрақты температурада жүреді. Олай болса, термодинамиканың екінші бастамасына сәйкес заттың реттелген кристалдық күйінің ретсіз сұйық күйіне осылайша ауысуының өсу дәрежесі жүйе энтропиясының артуымен байланысты. Егер ауысу кері бағытта өтетін болса, онда жүйе жылуды бөледі.