Бидний эргэн тойрон дахь байгалийн үзэгдэл, үйл явц нь нэлээд төвөгтэй. Тэдгээрийг яг физик байдлаар тодорхойлохын тулд математикийн төвөгтэй төхөөрөмжийг ашиглах ёстой бөгөөд олон тооны чухал хүчин зүйлийг харгалзан үзэх шаардлагатай. Энэ асуудлаас зайлсхийхийн тулд зарим хялбаршуулсан загваруудыг физикт ашигладаг бөгөөд энэ нь үйл явцын математик шинжилгээг ихээхэн хөнгөвчлөх боловч түүний тайлбарын нарийвчлалд бараг нөлөөлдөггүй. Тэдний нэг нь хамгийн тохиромжтой хийн загвар юм. Үүнийг нийтлэлд илүү дэлгэрэнгүй авч үзье.
Идеал хийн тухай ойлголт
Идеал хий нь бие биетэйгээ харилцан үйлчлэлцдэггүй материаллаг цэгүүдээс тогтсон бодисын нэгдэх төлөв юм. Энэ тодорхойлолтыг илүү дэлгэрэнгүй тайлбарлая.
Нэгдүгээрт, бид материаллаг цэгүүдийг идеал хийг бүрдүүлдэг биетүүдийн тухай ярьж байна. Энэ нь түүний молекул, атомууд нь хэмжээсгүй, харин тодорхой масстай гэсэн үг юм. Зоригтой байнаБага даралт, өндөр температурт байгаа бүх бодит хийд молекулуудын хоорондох зай нь шугаман хэмжээсээс хамаагүй их байдгийг харгалзан ойролцоогоор тооцоолж болно.
Хоёрдугаарт, идеал хийн молекулууд хоорондоо харилцан үйлчлэх ёсгүй. Бодит байдал дээр ийм харилцан үйлчлэл үргэлж байдаг. Тиймээс, язгуур хийн атомууд ч диполь-диполь таталцлыг мэдэрдэг. Өөрөөр хэлбэл, ван дер Ваалсын харилцан үйлчлэл байдаг. Гэсэн хэдий ч молекулуудын эргэлтийн кинетик энерги ба орчуулгын хөдөлгөөнтэй харьцуулахад эдгээр харилцан үйлчлэл нь хийн шинж чанарт нөлөөлдөггүй маш бага юм. Тиймээс практик асуудлыг шийдвэрлэхдээ тэдгээрийг авч үзэх боломжгүй.
Нягт нь бага, өндөр температуртай бүх хийг хамгийн тохиромжтой гэж үзэж болохгүй гэдгийг анхаарах нь чухал. Ван дер Ваалсын харилцан үйлчлэлийн зэрэгцээ бусад хүчтэй төрлийн холбоо байдаг, тухайлбал, H2O молекулуудын хоорондох устөрөгчийн холбоо нь хийн тохиромжтой нөхцлийг бүдүүлгээр зөрчихөд хүргэдэг. Ийм учраас усны уур нь хамгийн тохиромжтой хий биш, харин агаар юм.
Идеал хийн физик загвар
Энэ загварыг дараах байдлаар илэрхийлж болно: хийн системд N ширхэг тоосонцор байна гэж бодъё. Эдгээр нь янз бүрийн химийн бодис, элементүүдийн атом, молекулууд байж болно. N ширхэгийн тоо их байдаг тул үүнийг тодорхойлохдоо "мэнгэ" нэгжийг ихэвчлэн ашигладаг (1 моль нь Авогадрогийн тоотой тохирч байна). Тэд бүгд тодорхой хэмжээгээр хөдөлдөг V. Бөөмийн хөдөлгөөнэмх замбараагүй, бие биенээсээ хараат бус байдаг. Тэд тус бүр нь тодорхой v хурдтай бөгөөд шулуун замаар хөдөлдөг.
Онолын хувьд бөөмс хоорондын зайтай харьцуулахад хэмжээ нь бага тул тэдгээрийн хооронд мөргөлдөх магадлал бараг тэг байна. Гэсэн хэдий ч, хэрэв ийм мөргөлдөөн тохиолдвол энэ нь туйлын уян хатан болно. Сүүлчийн тохиолдолд бөөмсийн нийт импульс ба кинетик энерги хадгалагдана.
Идеал хийнүүдийн авч үзсэн загвар нь асар олон элемент бүхий сонгодог систем юм. Тиймээс түүний доторх бөөмсийн хурд, энерги нь Максвелл-Больцманы статистикийн тархалтад захирагддаг. Зарим бөөмс бага хурдтай байхад зарим нь өндөр хурдтай байдаг. Энэ тохиолдолд хурдны тодорхой хязгаар байдаг бөгөөд үүнд энэ хэмжигдэхүүний хамгийн их магадлалтай утгууд байдаг. Азотын молекулуудын хурдны тархалтыг доор схемээр үзүүлэв.
Хийн кинетик онол
Дээр тайлбарласан идеал хийн загвар нь хийн шинж чанарыг онцгойлон тодорхойлдог. Энэ загварыг анх 1738 онд Даниел Бернулли санал болгосон.
Дараа нь Август Кроениг, Рудольф Клаусиус, Михаил Ломоносов, Жеймс Максвелл, Людвиг Больцманн, Мариан Смолуховский болон бусад эрдэмтэд үүнийг өнөөгийн байдалд хүргэсэн.
Хамгийн тохиромжтой хийн загварыг бий болгосон шингэний бодисын кинетик онол нь микроскопийн шинж чанарт үндэслэн системийн хоёр чухал макроскоп шинж чанарыг тайлбарладаг:
- Хий дэх даралт нь савны ханатай бөөмс мөргөлдсөний үр дүн юм.
- Систем дэх температур нь молекул ба атомуудын байнгын хөдөлгөөний илрэлийн үр дүн юм.
Кинетик онолын хоёр дүгнэлтийг дэлгэрүүлье.
Хийн даралт
Хийн хамгийн тохиромжтой загвар нь систем дэх тоосонцоруудын тогтмол эмх замбараагүй хөдөлгөөн, савны ханатай байнга мөргөлддөг гэж үздэг. Ийм мөргөлдөөн бүрийг туйлын уян харимхай гэж үздэг. Бөөмийн масс бага (≈10-27-10-25 кг). Тиймээс мөргөлдөөнд маш их дарамт үүсгэж чадахгүй. Гэсэн хэдий ч бөөмсийн тоо, улмаар мөргөлдөөний тоо асар их байна (≈1023). Түүнчлэн, өрөөний температурт элементүүдийн дундаж квадрат хурд нь секундэд хэдэн зуун метр юм. Энэ бүхэн нь хөлөг онгоцны хананд мэдэгдэхүйц даралтыг бий болгоход хүргэдэг. Үүнийг дараах томъёогоор тооцоолж болно:
P=Nmvcp2 / (3V), энд vcp язгуур дундаж квадрат хурд, m нь бөөмийн масс.
Үнэмлэхүй температур
Идеал хийн загварын дагуу температурыг судалж буй систем дэх молекул эсвэл атомын дундаж кинетик энергиээр онцгойлон тодорхойлдог. Та хамгийн тохиромжтой хийн кинетик энерги ба үнэмлэхүй температуртай холбоотой дараах илэрхийллийг бичиж болно:
mvcp2 / 2=3 / 2kB Т.
Энд kB нь Больцманы тогтмол юм. Энэ тэгшитгэлээс бид дараахыг авна:
T=м vcp2 / (3kB).
Төлөвийн бүх нийтийн тэгшитгэл
Хэрэв бид үнэмлэхүй даралт P ба үнэмлэхүй температур T-ийн дээрх илэрхийллүүдийг нэгтгэвэл дараах тэгшитгэлийг бичиж болно:
PV=nRT.
Энд n нь моль дахь бодисын хэмжээ, R нь Д. И. Менделеевийн оруулсан хийн тогтмол юм. Энэ илэрхийлэл нь гурван термодинамик параметрийг (V, P, T) нэгтгэдэг бөгөөд хийн системийн химийн шинж чанараас хамаардаггүй тул идеал хийн онолын хамгийн чухал тэгшитгэл юм.
Бүх нийтийн тэгшитгэлийг анх 19-р зуунд Францын физикч Эмиль Клапейрон туршилтаар гаргаж, улмаар Оросын химич Менделеев орчин үеийн хэлбэрт оруулсан тул одоо эдгээр эрдэмтдийн нэрээр нэрлэгдэж байна.
