Идеал хийн шинж чанар, зан төлөвийг судлах нь энэ бүсийн физикийг бүхэлд нь ойлгох түлхүүр юм. Энэ өгүүлэлд бид хамгийн тохиромжтой нэг атомын хий гэсэн ойлголтод юу багтдаг, түүний төлөв байдал, дотоод энергийг ямар тэгшитгэлээр тодорхойлдог болохыг авч үзэх болно. Бид мөн энэ сэдвээр хэд хэдэн асуудлыг шийдэх болно.
Ерөнхий ойлголт
Хий нь хатуу ба шингэнээс ялгаатай нь эзлэхүүнээ барьдаггүй материйн нийлмэл гурван төлөвийн нэг гэдгийг оюутан бүр мэддэг. Нэмж дурдахад энэ нь хэлбэрээ хадгалдаггүй бөгөөд түүнд өгсөн эзэлхүүнийг үргэлж дүүргэдэг. Үнэн хэрэгтээ хамгийн сүүлийн шинж чанар нь идеал гэж нэрлэгддэг хийд хамаарна.
Идеал хийн тухай ойлголт нь молекул кинетик онол (MKT)-тай нягт холбоотой. Үүний дагуу хийн системийн хэсгүүд бүх чиглэлд санамсаргүй хөдөлдөг. Тэдний хурд нь Максвелл хуваарилалтад захирагддаг. Бөөмүүд хоорондоо харилцан үйлчлэлцдэггүй, мөн зайтэдгээрийн хооронд хэмжээ нь хол давсан байна. Дээрх бүх нөхцөлийг тодорхой нарийвчлалтайгаар хангасан бол хийг хамгийн тохиромжтой гэж үзэж болно.
Ямар ч бодит хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэл нь нягтрал багатай, үнэмлэхүй өндөр температуртай бол хамгийн тохиромжтой байдалд ойрхон байдаг. Үүнээс гадна тэдгээр нь химийн идэвхгүй молекулууд эсвэл атомуудаас бүрдэх ёстой. Тиймээс, H2 молекулуудын хооронд хүчтэй устөрөгчийн харилцан үйлчлэл байдаг тул устөрөгчийн хүчтэй харилцан үйлчлэл нь хамгийн тохиромжтой хий гэж тооцогддоггүй, харин туйлшгүй молекулуудаас бүрдэх агаар нь тийм юм.
Клапейрон-Менделеевийн хууль
Шинжилгээний явцад тэнцвэрт байдалд байгаа хийн төлөв байдлыг MKT-ийн үүднээс авч үзвэл системийн үндсэн термодинамик параметрүүдийг холбосон дараах тэгшитгэлийг гаргаж болно:
PV=nRT.
Энд даралт, эзэлхүүн, температурыг P, V, T гэсэн латин үсгээр тус тус тэмдэглэв. N-ийн утга нь систем дэх бөөмсийн тоог тодорхойлох боломжийг олгодог бодисын хэмжээ, R нь хийн химийн шинж чанараас үл хамааран хийн тогтмол юм. Энэ нь 8, 314 Ж / (Кмоль) -тэй тэнцүү байна, өөрөөр хэлбэл 1 моль хэмжээтэй аливаа идеал хий нь 1 К-ээр халаахад тэлэхэд 8, 314 Ж-ийн ажлыг гүйцэтгэдэг.
Бүртгэгдсэн тэгш байдлыг Клапейрон-Менделеевийн төлөвийн бүх нийтийн тэгшитгэл гэж нэрлэдэг. Яагаад? Үүнийг 19-р зууны 30-аад оны үед өмнө нь тогтоосон хийн туршилтын хуулиудыг судалж, ерөнхий хэлбэрээр бичиж үлдээсэн Францын физикч Эмиль Клапейроны нэрэмжит болгон нэрлэжээ. Дараа нь Дмитрий Менделеев түүнийг орчин үеийн байдалд хөтөлсөнR тогтмолыг оруулж маягт.
Монатом орчны дотоод энерги
Монатомын идеал хий нь бөөмс нь ердөө гуравхан градусын эрх чөлөө (сансрын гурван тэнхлэгийн дагуух хөрвүүлэх хөдөлгөөн) байдгаараа олон атомт хийгээс ялгаатай. Энэ баримт нь нэг атомын дундаж кинетик энергийн дараах томьёог гаргахад хүргэдэг:
mv2 / 2=3 / 2kB T.
V хурдыг язгуур дундаж квадрат гэж нэрлэдэг. Атомын масс болон Больцманы тогтмолыг m ба kB гэж тэмдэглэв.
Дотоод энергийн тодорхойлолтоор бол кинетик ба боломжит бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нийлбэр юм. Илүү дэлгэрэнгүй авч үзье. Идеал хий нь боломжит энергигүй тул түүний дотоод энерги нь кинетик энерги юм. Түүний томъёо юу вэ? Систем дэх бүх бөөмс N-ийн энергийг тооцоолохдоо бид нэг атомт хийн дотоод энерги U-ийн дараах илэрхийлэлийг олж авна:
U=3 / 2nRT.
Холбогдох жишээнүүд
Даалгавар №1. Тохиромжтой нэг атомын хий 1-р төлөвөөс 2-т шилждэг. Хийн масс тогтмол хэвээр байна (хаалттай систем). Хэрэв шилжилт нь нэг атмосфертэй тэнцүү даралттай изобар байвал орчны дотоод энергийн өөрчлөлтийг тодорхойлох шаардлагатай. Хийн савны эзэлхүүний дельта гурван литр байв.
Дотоод энерги U-г өөрчлөх томьёог бичье:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Клапейрон-Менделеевийн тэгшитгэлийг ашиглан,Энэ илэрхийллийг дараах байдлаар дахин бичиж болно:
ΔU=3/2PΔV.
Бид асуудлын нөхцөлөөс даралт, эзлэхүүний өөрчлөлтийг мэдэж байгаа тул тэдгээрийн утгыг SI-д хөрвүүлж, томъёонд орлуулах хэрэгтэй:
ΔU=3 / 21013250.003 ≈ 456 Ж.
Тиймээс нэг атомын идеал хий 1-р төлөвөөс 2-р төлөвт шилжихэд түүний дотоод энерги 456 Ж-ээр нэмэгддэг.
Даалгавар №2. 2 моль хэмжээтэй хамгийн тохиромжтой нэг атомын хий нь саванд байсан. Изохорик халаасны дараа түүний энерги 500 Ж-ээр нэмэгдсэн. Системийн температур хэрхэн өөрчлөгдсөн бэ?
U-ийн утгыг дахин өөрчлөх томьёог бичье:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Үүнээс ΔT үнэмлэхүй температурын өөрчлөлтийн хэмжээг илэрхийлэхэд хялбар бөгөөд бидэнд:
ΔT=2ΔU / (3nR).
Нөхцөлөөс ΔU ба n-ийн өгөгдлийг орлуулснаар бид дараах хариултыг авна: ΔT=+20 K.
Дээрх бүх тооцоолол нь зөвхөн нэг атомын идеал хийн хувьд хүчинтэй гэдгийг ойлгох нь чухал. Хэрэв систем нь олон атомт молекулуудаас бүрддэг бол U-ийн томъёо зөв байхаа болино. Клапейрон-Менделеевийн хууль аливаа идеал хийн хувьд хүчинтэй.
