2.1 Газдың молекулалық – кинетикалық теориясының негiзгi теңдеуi

Заттардың қасиеттерін олардың атомдардан, молекулалардан тұратындығымен және молекулалардың қозғалысын олардың өзара әсерлесуімен түсіндіретін, яғни газ молекулаларының қозғалысы жөніндегі ілім газдардың кинетикалық теориясы деп аталып, физиканың даму тарихындағы алатын орны үлкен. Газ молекулаларының жылдамдығына қарағанда, олардың бір - біріне тартылу күштері әлдеқайда аз болғандықтан, кинетикалық теория ол күшті ескермейді де, газ молекулаларын еркін қозғалады деп қарастырады.

Кинетикалық теорияның болжамында – газ молекулалары абсолют серпімді, олай болса молекулалардың өзара немесе ыдыс қабырғаларымен соқтығысуын серпімді соқтығысу заңымен түсіндіруге болады. Олай болса молекулалар бірқалыпты түзу сызықты қозғалады, оның жылдамдығы газдың табиғатына және температурасына тәуелді. Молекулалар өзара немесе ыдыс қабырғасымен соқтығысқанда алғашқы қозғалыс бағытын өзгертеді де, қайтадан түзу сызық бойымен қозғалады. Ол ілім бойынша газдардың молекулалары ретсіз қозғалыста болады. Газдардың тығыздығы сұйықтардың тығыздығынан мыңдаған есе аз, яғни газ молекулалары бір-бірімен соқтыққанға дейін біраз жер жүреді және соқтығысуы абсолютті серпімді.

Кинетикалық теория газ молекулаларын нүкте деп есептеп, олардың көлемін ескермейді. Молекулаларының арасындағы әсерлесу күші ескерілмейтін, молекулаларының сызықтық мөлшері шексіз аз газды идеал деп атайды. Газдың ыдыс қабырғасына түсіретін қысымы молекулалардың үздіксіз өте тез соққылауынан болады. Газдың қысымы мен оның молекулаларының қозғалыс жылдамдығының арасындағы байланысты қарастырайық.

2.2 Максвелше молекулалардың жылдамдықтары бойынша таралып бөліну заңы

2.3 Жылдамдықтардың Максвелл – Больцманша таралу заңы

2.4 Максвеллдің таралу заңын тәжірибе жүзінде тексеру

Молекула жылдамдығын ең алғаш рет 1920 жылы Штерн тәжірибе нәтижесінде анықтады. Оның қондырғысының құрылысы төмендегідей болды. Ішінен ауа сорылған каокциялды цилиндрлердің осінен А платина сымы тартылды. Платина сымының сыртына күміс жалатылған. Ішкі цилиндр қабырғасында К жіңішке саңлау бар.

2.5 Газ молекулаларының орташа соқтығысу саны. Орташа еркін қозғалыс жолы

Молекулалардың бір бірімен соқтыққанға дейінгі жүретін еркін қозғалыс жолының ұзындығын анықтайық. Молекулалар саны өте көп және қозғалысы ретсіз болғандықтан орташа еркін қозғалыс жолының ұзындығын есептейік. Зерттеуді оңайлату үшін қарастырып отырған молекуладан басқа молекулалар қозғалмайды және осы молекуланың қозғалыс бағыты басқа молекулалармен соқтығысқаннан соң да өзгермейді деп есептейік.

2.6 Тасымалдау құбылысы

Термодинамикалық тепе-тең емес жүйелерде нәтижесінде энергияның, массаның, импульстің тасымалданулары жүзеге асатын қайтымсыз процесстер өтеді. Бұл құбылыстар тасымалдау құбылыстары делінеді. Осындай құбылыстарға диффузия, жылу өткізгіштік және ішкі үйкеліс құбылыстары жатады. Диффузия процесінде масса, жылу алмасуда энергия, ішкі үйкелісте импульс тасымалданады. Осы құбылыстың барлығын бір теңдеумен түсіндіруге болады.

2.7 Газдардың диффузиясы

Диффузия процесінде тасымалданушы шама масса болады. Ортасы кранмен жалғасқан екі ыдыс алайық. Біреуінде А газ, екіншісінде В газ болсын. (газдар химиялық әсерлесуге түспейді деп есептелсін). Бұл газдардың молекулаларының эффектілік диаметрлері, массалары, жылдамдықтары, еркін қозғалыс жол ұзындығы бірдей болсын

2.8 Термодинамика негіздері

Еркіндік дәрежесі туралы ұғым. Энергияның еркіндік дәреже бойынша бөлініп таралу заңы Молекулалардың ілгерілемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы E=3kt/2

Идеал газ молекулаларының ретсіз қозғалысының кинетикалық энергиясы оның ішкі энергиясын құрайды. Себебі идеал газдың молекулаларының әсерлері тек бір-біріне соқтыққанда ғана көрінеді. Ал нақты газдың ішкі энергиясын молекулалардың қозғалысының кинетикалық энергиясы мен олардың бір-бірімен әсерлесуінің потенциалдық энергиясы құрайды. Газ молекулаларының қозғалысының кинетикалық энергиясы олардың ілгерілемелі, айналмалы және тербелмелі қозғалыстарының кинетикалық энергияларынан тұрады. Молекулалардың қозғалысының әр түріне келетін энергияларды білу үшін еркіндік дәрежесі туралы ұғым енгізу керек. Еркіндік дәрежесі деп дененің кеңістіктегі орнын анықтайтын тәуелсіз координаталардың санын айтады. Мысал үшін, кеңістікте қозғалған материялық нүктенің үш еркіндік дәрежесі бар. Өйткені оның кеңістіктегі орнын анықтау үшін үш координата x,y,z керек. Газдың әрбір молекуласының белгілі еркіндік дәрежесі бар. Оның үшеуі ілгерлемелі қозғалысқа сәйкес келеді. Молекулалар қозғалысының ретсіздігі оның ілгерлемелі қозғалысына ғана емес, сонымен бірге айналмалы, тербелмелі қозғалысына да қатысты. Молекулалардың еркiндiк дәрежесiне энергия бiрдей мөлшерде бөлiнедi. Ендеше бiр еркiндiк дәрежеге келетiн энергияны шығарып алу оңай. (2.58) формуласы молекуланың iлгерлемелi қозғалысын анықтаса және iлгерілемелi қозғалыс үшiн еркiндiк дәреже саны үшеу болса, бiр еркiндiк дәрежеге келетін энергия Eo=1kt/2 болады.

2.9 Термодинамиканың бірінші бастамасын изопроцестерде қолдану

Газдың күйін сипаттайтын үш параметрлердің (p,V,T) процесс кезінде әйтеуір біреуі тұрақты болып отырса, онда мұндай процестерді изопроцестер деп атайды. Термодинамиканың мысалдарында: жылу қозғалтқыштарының жұмысын есептеуде, суыту машиналарының жұмысы кезінде газдардағы процестер туралы көбірек айтуға болады. Изохоралық процесс Берілген көлемі (V = const) тұрақты болғанда жүретін процесті айтамыз. Сонда ешқандай көлем өзгерісі болмайды да (dV₂ = 0), газ сыртқы күштерге қарсы жұмыс жасамайды.

2. 10 Адиабаталық процесс

Жүйе сыртқы ортамен жылу алмаспай өтетін процесті адиабаталық дейді Бұл процесте dQ = 0болғандықтан термодинамиканың бірінші заңы мына түрде жазылады dU+PdV=0

2.11 Дөңгелектік процесс. Жылу машиналары

Газ ұлғая отырып С₁ күйден С₂ күйге келсін, бұдан соң сығылу арқылы қайтадан С₁ күйіне келсін. Ұлғаю С₁С’C₂ қисығы бойымен, ал сығылу C₂C’’C₁ қисығы бойымен жүрсін. С₁С’C₂С₁ қисығы арқылы өрнектелген толық процесс дөңгелектік процесс делінеді (2.21-сурет). Ұлғаю кезіндегі жұмыс C₁C’C₂B₂B₁ фигурасының ауданы арқылы анықталады, бұл жұмыс А₁>0 болады.

2.12 Карно циклі

Карно циклі дөңгелектік қайтымды процесс болып табылады. Ол екі адиабатадан және екі изотермадан тұрады. Жұмысшы дене үшін бір моль идеал газ алайық. Бірінші күйінің параметрлері Р₁-қысым, V₁ – көлем, Т₁ – температурамен анықталсын (2.25-сурет). Газды изотермиялық ұлғайту арқылы екінші күйге әкелейік (екінші күйдің параметрлері Р₂, V₂, T₁ болады).

2.13 Термодинамиканың бірінші заңы

Термодинамиканың бірінші заңы жылу, жұмыс және ішкі энергияны байланыстырады, бірақ процестің бағытын көрсетпейді. Тәжірибелер жылудың ыстық денеден суық денеге берілетіндігін көрсетеді. Мысалы, автомобилдің тежелу уақытындағы бөлінген жылу айналаға тарап кетеді. Осы жылу қайтадан жиылып, автомобильдің кинетикалық энергиясына айналмайды. Мұндай процестер бірінші заңға қайшы емес, бірақ екінші заңға қайшы келеді. Термодинамиканың екінші заңы жылу процестерінің өту бағытын анықтайтын заң. Табиғатта жылу процесінің өту бағыты процесс өтетін жүйенің бастапқы және соңғы күйіне тәуелді. Клаузиус бойынша: «жылу өздігінен суығырақ денеден ыстығырақ денеге берілмейді». Мұндай жылу беру үшін сыртқы көздер жұмыс істеуі керек.