Хий бол бидний эргэн тойрон дахь материйн нийлмэл дөрвөн төлөвийн нэг юм. Хүн төрөлхтөн 17-р зуунаас эхлэн материйн энэ байдлыг шинжлэх ухааны арга барилаар судалж эхэлсэн. Доорх өгүүллээр бид идеал хий гэж юу болох, ямар тэгшитгэл нь гадны янз бүрийн нөхцөлд түүний зан төлөвийг тодорхойлдог болохыг судлах болно.
Идеал хийн тухай ойлголт
Бидний амьсгалж буй агаар буюу гэр орноо халаах, хоол хийхдээ ашигладаг байгалийн метан нь материйн хийн төлөв байдлын тод жишээ гэдгийг хүн бүр мэддэг. Физикийн хувьд энэ төлөвийн шинж чанарыг судлахын тулд идеал хийн тухай ойлголтыг нэвтрүүлсэн. Энэ үзэл баримтлал нь бодисын үндсэн физик шинж чанар болох температур, эзэлхүүн, даралтыг тодорхойлоход нэн чухал биш хэд хэдэн таамаглал, хялбаршлыг ашиглахыг агуулна.
Тиймээс хамгийн тохиромжтой хий нь дараах нөхцлийг хангасан шингэн бодис юм:
- Бөөмс (молекул ба атом)янз бүрийн чиглэлд санамсаргүй байдлаар хөдөлдөг. Энэ өмчийн ачаар 1648 онд Ян Баптиста ван Хелмонт "хий" (эртний Грекээс "эмх замбараагүй байдал") гэсэн ойлголтыг бий болгосон.
- Бөөмсүүд хоорондоо харилцан үйлчилдэггүй, өөрөөр хэлбэл молекул хоорондын болон атом хоорондын харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлож болно.
- Бөөмс болон судасны хана хоорондын мөргөлдөөн нь туйлын уян хатан байдаг. Ийм мөргөлдөөний үр дүнд кинетик энерги болон импульс (импульс) хадгалагдана.
- Бөөмс бүр нь материаллаг цэг, өөрөөр хэлбэл энэ нь хязгаарлагдмал масстай боловч эзэлхүүн нь тэг байна.
Дээрх нөхцлийн багц нь идеал хийн тухай ойлголттой тохирч байна. Бүх мэдэгдэж буй бодит бодисууд нь өндөр температур (өрөө ба түүнээс дээш) ба нам даралт (агаар мандал ба түүнээс доош) үед нэвтрүүлсэн ойлголттой өндөр нарийвчлалтайгаар нийцдэг.
Бойл-Мариотын хууль
Идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлийг бичихийн өмнө туршилтын нээлт нь энэхүү тэгшитгэлийг гаргахад хүргэсэн хэд хэдэн тодорхой хууль, зарчмуудыг танилцуулъя.
Бойл-Мариотын хуулиас эхэлцгээе. 1662 онд Британийн физик химич Роберт Бойл, 1676 онд Францын физик ургамал судлаач Эдм Мариотт нар бие даан дараах хуулийг тогтоожээ: хэрэв хийн систем дэх температур тогтмол хэвээр байвал термодинамикийн аливаа процессын явцад хийн үүсгэсэн даралт нь түүний даралттай урвуу хамааралтай байна. эзлэхүүн. Математикийн хувьд энэ томъёоллыг дараах байдлаар бичиж болно:
PV=k1 нь T=const,хаана
- P, V - идеал хийн даралт ба эзэлхүүн;
- k1 - зарим тогтмол.
Химийн хувьд өөр өөр хийтэй туршилт хийх явцад эрдэмтэд k1-ийн утга нь химийн шинж чанараас хамаардаггүй, харин хийн массаас хамаардаг болохыг тогтоожээ.
Системийн температурыг хадгалахын зэрэгцээ даралт ба эзэлхүүний өөрчлөлттэй төлөв хоорондын шилжилтийг изотерм процесс гэнэ. График дээрх идеал хийн изотермууд нь эзэлхүүнээс даралтын хамаарлын гиперболууд болно.
Чарльз ба Гэй-Люссакийн хууль
1787 онд Францын эрдэмтэн Чарльз, 1803 онд өөр франц хүн Гэй-Люссак нар идеал хийн үйл ажиллагааг тодорхойлсон өөр нэг хуулийг эмпирик байдлаар тогтоожээ. Үүнийг дараах байдлаар томъёолж болно: хийн тогтмол даралттай хаалттай системд температурын өсөлт нь эзлэхүүний пропорциональ өсөлтөд хүргэдэг ба эсрэгээр температурын бууралт нь хийн пропорциональ шахалтад хүргэдэг. Чарльз, Гэй-Люссак нарын хуулийн математик томъёоллыг дараах байдлаар бичжээ:
V / T=k2 үед P=const.
Температур ба эзэлхүүний өөрчлөлт бүхий хийн төлөв хоорондын шилжилтийг систем дэх даралтыг хадгалах үед изобар процесс гэнэ. Тогтмол k2 нь систем дэх даралт болон хийн массаар тодорхойлогддог боловч химийн шинж чанараар нь биш.
График дээр V (T) функц нь налуу тангенстай шулуун шугам k2.
Хэрэв та молекул кинетик онолын (МКТ) заалтууд дээр тулгуурлан энэ хуулийг ойлгож чадна. Тиймээс температурын өсөлт нь өсөлтөд хүргэдэгхийн хэсгүүдийн кинетик энерги. Сүүлийнх нь хөлөг онгоцны ханатай мөргөлдөх эрчмийг нэмэгдүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг бөгөөд энэ нь систем дэх даралтыг нэмэгдүүлдэг. Энэ даралтыг тогтмол байлгахын тулд системийн хэмжээг нэмэгдүүлэх шаардлагатай.
Гэй-Люссакийн хууль
19-р зууны эхээр аль хэдийн дурдсан Францын эрдэмтэн идеал хийн термодинамик үйл явцтай холбоотой өөр хууль тогтоожээ. Энэ хуульд: Хэрэв хийн системд тогтмол эзэлхүүнийг хадгалж байвал температурын өсөлт нь даралтын пропорциональ өсөлтөд нөлөөлдөг ба эсрэгээр. Гэй-Луссакийн томъёо дараах байдалтай байна:
P / T=k3 нь V=const.
Дахин бид k3 тогтмол байдаг бөгөөд энэ нь хийн масс ба эзэлхүүнээс хамаарна. Тогтмол эзэлхүүнтэй термодинамик процессыг изохорик гэж нэрлэдэг. P(T) график дээрх изохорууд нь изобартай адилхан, өөрөөр хэлбэл шулуун шугамууд юм.
Авогадро зарчим
Идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлийг авч үзэхдээ эдгээр нь ихэвчлэн дээр дурдсан гурван хуулийг л тодорхойлдог бөгөөд эдгээр нь энэ тэгшитгэлийн онцгой тохиолдол юм. Гэсэн хэдий ч Амедео Авогадрогийн зарчим гэж нэрлэгддэг өөр нэг хууль байдаг. Энэ нь мөн идеал хийн тэгшитгэлийн онцгой тохиолдол юм.
1811 онд Италийн Амедео Авогадро янз бүрийн хийтэй хийсэн олон тооны туршилтуудын үр дүнд дараах дүгнэлтэд хүрсэн: хэрэв хийн систем дэх даралт, температурыг хадгалж байвал түүний V хэмжээ нь хийн хэмжээнээс шууд пропорциональ байна. хэмжээбодис n. Энэ бодис нь ямар химийн шинж чанартай байх нь хамаагүй. Авогадро дараах харьцааг тогтоосон:
n / V=k4,
байнга k4 нь систем дэх даралт ба температураар тодорхойлогддог.
Авогадрогийн зарчмыг заримдаа дараах байдлаар томъёолдог: өгөгдсөн температур, даралтад 1 моль идеал хийн эзэлдэг эзэлхүүн нь шинж чанараас үл хамааран үргэлж ижил байдаг. Бодисын 1 моль нь NA тоо бөгөөд тухайн бодисыг (NA бүрдүүлдэг энгийн нэгжийн (атом, молекул) тоог илэрхийлдэг гэдгийг санаарай.=6.021023).
Менделеев-Клапейроны хууль
Одоо нийтлэлийн гол сэдэв рүүгээ буцах цаг боллоо. Тэнцвэрт байгаа аливаа идеал хийг дараах тэгшитгэлээр тодорхойлж болно:
PV=nRT.
Энэ илэрхийллийг Менделеев-Клапейроны хууль гэж нэрлэдэг - түүнийг боловсруулахад асар их хувь нэмэр оруулсан эрдэмтдийн нэрээр. Даралтын үржвэр нь хийн эзэлхүүнийг үржүүлсэн үржвэр нь тухайн хий дэх бодисын хэмжээ ба температурын үржвэртэй шууд пропорциональ байна гэж хуульд заасан.
Клапейрон Бойл-Мариотт, Чарльз, Гэй-Люссак, Авогадро нарын судалгааны үр дүнг нэгтгэн энэ хуулийг анх гаргажээ. Менделеевийн гавьяа бол идеал хийн үндсэн тэгшитгэлийг орчин үеийн хэлбэрт оруулсан Р. Клапейрон тогтмолыг математикийн томъёололдоо ашигласан нь энэ хуулийг практик асуудлыг шийдвэрлэхэд тохиромжгүй болгосон явдал юм.
Менделеевийн оруулсан R утгабүх нийтийн хийн тогтмол гэж нэрлэдэг. Температурыг 1 келвинээр нэмэгдүүлсэн изобар тэлэлтийн үр дүнд ямар ч химийн шинж чанартай хий 1 моль хичнээн их ажил хийж байгааг харуулж байна. Avogadro тогтмол NA ба Больцманны тогтмол kB-аар энэ утгыг дараах байдлаар тооцно:
R=NA kB=8, 314 Ж/(мольК).
Тэгшитгэлийн гаралт
Термодинамик ба статистик физикийн өнөөгийн байдал нь өмнөх догол мөрөнд бичсэн идеал хийн тэгшитгэлийг хэд хэдэн өөр аргаар олж авах боломжийг бидэнд олгодог.
Эхний арга бол Бойл-Мариотт, Чарльз гэсэн хоёр л эмпирик хуулийг ерөнхийд нь гаргах явдал юм. Энэ ерөнхийлөлтөөс дараах хэлбэр гарч ирнэ:
PV / T=const.
ХХ зууны 30-аад онд Клапейрон яг ийм зүйл хийсэн.
Хоёр дахь арга нь ОУХБ-ын заалтуудыг ашиглах явдал юм. Хэрэв бид хөлөг онгоцны ханатай мөргөлдөх үед бөөмс тус бүрийн шилжүүлэх импульсийг авч үзвэл энэ импульсийн температурын хамаарлыг харгалзан үзэхээс гадна систем дэх бөөмсийн N тоог харгалзан үзвэл бид хамгийн тохиромжтой хийг бичиж болно. Дараах хэлбэрээр кинетик онолын тэгшитгэл:
PV=NkB T.
Тэгшитгэлийн баруун талыг NA тоогоор үржүүлж хувааснаар дээрх догол мөрөнд бичигдсэн хэлбэрээр тэгшитгэл гарч ирнэ.
Идеал хийн төлөвийн тэгшитгэлийг олох гурав дахь илүү төвөгтэй арга бий - Гельмгольцын чөлөөт энергийн тухай ойлголтыг ашиглан статистикийн механикаас.
Тэгшитгэлийг хийн масс ба нягтаар бичих
Дээрх зураг нь хамгийн тохиромжтой хийн тэгшитгэлийг харуулж байна. Энэ нь n бодисын хэмжээг агуулна. Гэсэн хэдий ч практикт хамгийн тохиромжтой хийн m-ийн хувьсах буюу тогтмол массыг ихэвчлэн мэддэг. Энэ тохиолдолд тэгшитгэлийг дараах хэлбэрээр бичнэ:
PV=m / MRT.
M - өгөгдсөн хийн молийн масс. Жишээлбэл, хүчилтөрөгчийн O2 хувьд 32 г/моль байна.
Эцэст нь сүүлийн илэрхийллийг хувиргаснаар бид үүнийг дараах байдлаар дахин бичиж болно:
P=ρ / MRT
Энд ρ нь бодисын нягт юм.
Хийн хольц
Идеал хийн хольцыг Далтоны хууль гэж нэрлэдэг. Энэ хууль нь хольцын бүрэлдэхүүн хэсэг бүрт хамаарах хамгийн тохиромжтой хийн тэгшитгэлээс үүсдэг. Үнэн хэрэгтээ бүрэлдэхүүн хэсэг бүр нь бүхэл бүтэн эзэлхүүнийг эзэлдэг бөгөөд хольцын бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн температуртай ижил температуртай байдаг бөгөөд энэ нь бидэнд бичих боломжийг олгодог:
P=∑iPi=RT / V∑i i.
Өөрөөр хэлбэл P хольц дахь нийт даралт нь бүх бүрэлдэхүүн хэсгийн Pi хэсэгчилсэн даралтын нийлбэртэй тэнцүү байна.
