Хүн бүр амьдралынхаа туршид материйн нийлмэл гурван төлөвийн аль нэгэнд байгаа биетэй тулгардаг. Судалгаанд хамрагдах хамгийн энгийн төлөв бол хий юм. Өгүүлэлд бид идеал хийн тухай ойлголтыг авч үзэх, системийн төлөвийн тэгшитгэлийг өгөх, мөн үнэмлэхүй температурын тайлбарт анхаарлаа хандуулах болно.
Бодисын хийн төлөв
Оюутан бүр "хий" гэдэг үгийг сонсохдоо ямар төлөв байдлын тухай ярьж байгаагаа сайн ойлгодог. Энэ үгийг түүнд өгсөн ямар ч эзлэхүүнийг эзлэх чадвартай бие гэж ойлгодог. Гадны өчүүхэн нөлөөг ч эсэргүүцэж чаддаггүй тул хэлбэрээ хадгалж чаддаггүй. Мөн хий нь эзэлхүүнийг барьдаггүй бөгөөд энэ нь түүнийг зөвхөн хатуу бодисоос гадна шингэнээс ялгадаг.
Шингэнтэй адил хий нь шингэн бодис юм. Хийн дэх хатуу биетүүдийн хөдөлгөөний явцад сүүлийнх нь энэ хөдөлгөөнд саад болдог. Үүссэн хүчийг эсэргүүцэл гэж нэрлэдэг. Үүний үнэ цэнэ нь үүнээс хамаарнахий дэх биеийн хурд.
Хийн хүчтэй жишээнүүд нь агаар, байшинг халаах, хоол хийхэд ашигладаг байгалийн хий, зар сурталчилгааны гэрэлтэгч хоолойг дүүргэх эсвэл гагнуур хийх үед идэвхгүй (түрэмгий бус, хамгаалалтын) орчин бүрдүүлэхэд ашигладаг инертийн хий (Ne, Ar) юм..
Хамгийн тохиромжтой бензин
Хийн хуулиуд болон төлөвийн тэгшитгэлийг тайлбарлахаасаа өмнө идеал хий гэж юу вэ гэсэн асуултыг сайн ойлгох хэрэгтэй. Энэ ойлголтыг молекул кинетик онолд (MKT) нэвтрүүлсэн. Дараах шинж чанаруудыг хангасан аливаа хий нь хамгийн тохиромжтой хий юм:
- Үүнийг үүсгэсэн бөөмс нь шууд механик мөргөлдөөнөөс бусад тохиолдолд өөр хоорондоо харилцан үйлчилдэггүй.
- Бөөмсүүд савны ханатай эсвэл хоорондоо мөргөлдсөний үр дүнд тэдгээрийн кинетик энерги болон импульс хадгалагдана, өөрөөр хэлбэл мөргөлдөөнийг туйлын уян харимхай гэж үзнэ.
- Бөөмс нь хэмжээсгүй боловч хязгаарлагдмал масстай, өөрөөр хэлбэл материаллаг цэгүүдтэй төстэй.
Ямар ч хий хамгийн тохиромжтой биш, харин жинхэнэ байдаг нь жам юм. Гэсэн хэдий ч олон практик асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд эдгээр ойролцоо тооцоолол нь нэлээд хүчинтэй бөгөөд ашиглаж болно. Химийн шинж чанараас үл хамааран хий нь өрөөний температураас дээш температуртай, атмосферийн дарааллаар буюу түүнээс бага даралттай байвал түүнийг өндөр нарийвчлалтайгаар хамгийн тохиромжтой гэж үзэж, үүнийг тодорхойлоход ашиглаж болно гэсэн ерөнхий эмпирик дүрэм байдаг. тэр.төлөвийн идеал хийн тэгшитгэлийн томьёо.
Клапейрон-Менделеевийн хууль
Материйн өөр өөр агрегат төлөв хоорондын шилжилт ба нэг агрегат төлөв доторх процессуудыг термодинамик зохицуулдаг. Даралт, температур, эзэлхүүн нь термодинамик системийн аливаа төлөвийг өвөрмөц байдлаар тодорхойлдог гурван хэмжигдэхүүн юм. Идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлийн томьёо нь эдгээр гурван хэмжигдэхүүнийг бүгдийг нь нэгтгэж нэг тэгшитгэлд оруулдаг. Энэ томьёог бичье:
PV=nRT
Энд P, V, T - даралт, эзэлхүүн, температур тус тус байна. N-ийн утга нь моль дахь бодисын хэмжээ бөгөөд R тэмдэг нь хийн бүх нийтийн тогтмолыг илэрхийлдэг. Энэ тэгш байдал нь даралт ба эзэлхүүний бүтээгдэхүүн их байх тусам бодисын хэмжээ ба температурын үржвэр их байх ёстойг харуулж байна.
Хийн төлөвийн тэгшитгэлийн томьёог Клапейрон-Менделеевийн хууль гэнэ. 1834 онд Францын эрдэмтэн Эмиль Клапейрон өмнөх хүмүүсийн туршилтын үр дүнг нэгтгэн дүгнэж, энэ тэгшитгэлд хүрчээ. Гэсэн хэдий ч Клапейрон хэд хэдэн тогтмолыг ашигласан бөгөөд дараа нь Менделеев үүнийг нэгээр сольсон - бүх нийтийн хийн тогтмол R (8, 314 Дж / (мольК)). Тиймээс орчин үеийн физикт энэ тэгшитгэлийг Франц, Оросын эрдэмтдийн нэрээр нэрлэжээ.
Бусад тэгшитгэлийн маягт
Дээр бид Менделеев-Клапейроны идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлийг нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн батохиромжтой хэлбэр. Гэсэн хэдий ч термодинамикийн асуудлуудад бага зэрэг өөр хэлбэр шаардлагатай байж болно. Бичсэн тэгшитгэлээс шууд гарах өөр гурван томьёог доор бичсэн болно:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Эдгээр гурван тэгшитгэл нь идеал хийн хувьд бүх нийтийнх бөгөөд зөвхөн тэдгээрт масс m, молийн масс M, нягт ρ, системийг бүрдүүлдэг бөөмсийн тоо N зэрэг хэмжигдэхүүнүүд гарч ирдэг. Энд байгаа kB тэмдэг нь Больцманы тогтмолыг илэрхийлнэ (1, 3810-23J/K).
Бойл-Мариотын хууль
Клапейрон тэгшитгэлээ зохиохдоо хэдэн арван жилийн өмнө туршилтаар нээсэн хийн хуулиуд дээр үндэслэсэн. Тэдний нэг нь Бойл-Мариоттын хууль юм. Энэ нь хаалттай систем дэх изотермийн процессыг тусгадаг бөгөөд үүний үр дүнд даралт, эзэлхүүн зэрэг макроскопийн параметрүүд өөрчлөгддөг. Хэрэв бид идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлд T ба n тогтмолыг оруулбал хийн хууль дараах хэлбэртэй болно:
P1V1=P2V 2
Энэ бол дурын изотерм процессын үед даралт ба эзэлхүүний бүтээгдэхүүн хадгалагдана гэсэн Бойл-Мариотын хууль юм. Энэ тохиолдолд P ба V утгууд өөрсдөө өөрчлөгдөнө.
Хэрэв та P(V) эсвэл V(P) графикийг зурвал изотермууд нь гипербол болно.
Чарльз ба Гэй-Люссакийн хуулиуд
Эдгээр хуулиуд математикийн хувьд изобар ба изохорикийг тодорхойлдогүйл явц, өөрөөр хэлбэл даралт ба эзэлхүүнийг тус тус хадгалсан хийн системийн төлөвүүдийн хоорондох ийм шилжилтүүд. Чарльзын хуулийг математикийн хувьд дараах байдлаар бичиж болно:
V/T=n үед const, P=const.
Гэй-Люссакийн хууль дараах байдлаар бичигдсэн:
P/T=n үед const, V=const.
Хэрэв хоёр тэгшитгэлийг график хэлбэрээр үзүүлбэл х тэнхлэгт ямар нэгэн өнцгөөр налуу шулуун шугамууд гарч ирнэ. Энэ төрлийн график нь тогтмол даралт дахь эзэлхүүн ба температурын хооронд, тогтмол эзэлхүүн дэх даралт ба температурын хооронд шууд пропорциональ байгааг харуулж байна.
Гурван хийн тухай хууль нь хийн химийн найрлага, мөн бодисын хэмжээний өөрчлөлтийг харгалздаггүйг анхаарна уу.
Үнэмлэхүй температур
Өдөр тутмын амьдралдаа бид Цельсийн хэмийн хэмжүүрийг хэрэглэж заншсан, учир нь энэ нь бидний эргэн тойрон дахь үйл явцыг тайлбарлахад тохиромжтой байдаг. Тэгэхээр ус 100 oC хэмд буцалж, 0 oC хэмд хөлддөг. Физикийн хувьд энэ хэмжүүр нь тохиромжгүй болж хувирсан тул 19-р зууны дундуур Лорд Келвин нэвтрүүлсэн үнэмлэхүй температурын хэмжүүрийг ашигладаг. Энэ хуваарийн дагуу температурыг Кельвин (K)-ээр хэмждэг.
-273, 15 oC температурт атом, молекулуудын дулааны чичиргээ байхгүй, тэдний урагшлах хөдөлгөөн бүрэн зогсдог гэж үздэг. Цельсийн хэмээр илэрхийлсэн энэ температур нь Кельвин (0 К) дахь үнэмлэхүй тэгтэй тохирч байна. Энэ тодорхойлолтоосүнэмлэхүй температурын физик утга нь дараах байдалтай байна: энэ нь бодисыг бүрдүүлдэг бөөмс, тухайлбал атом, молекулуудын кинетик энергийн хэмжүүр юм.
Үнэмлэхүй температурын дээрх физик утгаас гадна энэ хэмжигдэхүүнийг ойлгох өөр аргууд байдаг. Тэдний нэг нь Чарльзын хийн тухай хууль юм. Үүнийг дараах хэлбэрээр бичье:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Сүүлийн тэгшитгэл нь систем дэх тодорхой хэмжээний бодис (жишээлбэл, 1 моль) ба тодорхой даралт (жишээлбэл, 1 Па) үед хийн эзэлхүүн нь үнэмлэхүй температурыг өвөрмөц байдлаар тодорхойлдог гэж хэлдэг. Өөрөөр хэлбэл, эдгээр нөхцөлд хийн эзэлхүүн нэмэгдэх нь зөвхөн температурын өсөлтөөс шалтгаалж болох ба эзэлхүүн буурах нь T-ийн утга буурч байгааг харуулж байна.
Цельсийн температураас ялгаатай нь үнэмлэхүй температур сөрөг байж болохгүй гэдгийг санаарай.
Avogadro зарчим ба хийн хольц
Дээрх хийн хуулиас гадна идеал хийн төлөвийн тэгшитгэл нь 19-р зууны эхээр Амедео Авогадрогийн нээсэн зарчимд хүргэдэг бөгөөд энэ нь түүний овог нэр юм. Энэ зарчим нь тогтмол даралт, температурт аливаа хийн эзэлхүүнийг систем дэх бодисын хэмжээгээр тодорхойлдог болохыг тогтоодог. Харгалзах томъёо дараах байдалтай байна:
n/V=const үед P, T=const.
Бичсэн илэрхийлэл нь идеал хийн физикт сайн мэддэг хийн хольцын тухай Далтоны хууль руу хөтөлдөг. ЭнэХолимог дахь хийн хэсэгчилсэн даралтыг атомын фракцаар нь онцгойлон тодорхойлдог гэж хуульд заасан.
Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ
Идеал хий агуулсан хатуу ханатай битүү саванд халалтын үр дүнд даралт 3 дахин нэмэгдсэн. Хэрэв анхны утга нь 25 oC байсан бол системийн эцсийн температурыг тодорхойлох шаардлагатай.
Эхлээд температурыг Цельсийн хэмээс Келвин рүү хөрвүүлье, бидэнд:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Савны хана нь хатуу байдаг тул халаах процессыг изохорик гэж үзэж болно. Энэ тохиолдолд бид Гей-Люссакийн хуулийг ашигладаг, бидэнд:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Тиймээс эцсийн температурыг даралтын харьцаа ба анхны температурын үржвэрээр тодорхойлно. Өгөгдлийг тэгш байдалд орлуулснаар бид дараах хариултыг авна: T2=894.45 K. Энэ температур 621.3 oC-тай тохирч байна.
