ჩვენს ირგვლივ არსებული ბუნებრივი მოვლენები და პროცესები საკმაოდ რთულია. მათი ზუსტი ფიზიკური აღწერისთვის გამოყენებული უნდა იყოს რთული მათემატიკური აპარატურა და მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული მნიშვნელოვანი ფაქტორების დიდი რაოდენობა. ამ პრობლემის თავიდან ასაცილებლად, ფიზიკაში გამოიყენება რამდენიმე გამარტივებული მოდელი, რომელიც მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს პროცესის მათემატიკურ ანალიზს, მაგრამ პრაქტიკულად არ მოქმედებს მისი აღწერის სიზუსტეზე. ერთ-ერთი მათგანი გაზის იდეალური მოდელია. უფრო დეტალურად განვიხილოთ სტატიაში.
იდეალური აირის კონცეფცია
იდეალური აირი არის ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელიც შედგება მატერიალური წერტილებისგან, რომლებიც არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. მოდით ავხსნათ ეს განმარტება უფრო დეტალურად.
პირველ რიგში, ჩვენ ვსაუბრობთ მატერიალურ წერტილებზე, როგორც ობიექტებზე, რომლებიც ქმნიან იდეალურ გაზს. ეს ნიშნავს, რომ მის მოლეკულებს და ატომებს არ აქვთ ზომა, მაგრამ აქვთ გარკვეული მასა. თამამიამიახლოება შეიძლება გაკეთდეს იმის გათვალისწინებით, რომ ყველა რეალურ აირში დაბალ წნევასა და მაღალ ტემპერატურაზე მოლეკულებს შორის მანძილი ბევრად აღემატება მათ ხაზოვან ზომებს.
მეორე, იდეალურ აირში მოლეკულები არ უნდა იმოქმედონ ერთმანეთთან. სინამდვილეში, ასეთი ურთიერთქმედება ყოველთვის არსებობს. ასე რომ, კეთილშობილი აირების ატომებიც კი განიცდიან დიპოლ-დიპოლურ მიზიდულობას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ვან დერ ვაალსის ურთიერთქმედება არსებობს. თუმცა, მოლეკულების ბრუნვისა და მთარგმნელობითი მოძრაობის კინეტიკურ ენერგიასთან შედარებით, ეს ურთიერთქმედება იმდენად მცირეა, რომ გავლენას არ ახდენს გაზების თვისებებზე. ამიტომ, მათი გათვალისწინება პრაქტიკული პრობლემების გადაჭრისას არ შეიძლება.
მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ყველა აირი, რომელშიც სიმკვრივე დაბალია და ტემპერატურა მაღალია, არ შეიძლება ჩაითვალოს იდეალურად. ვან დერ ვაალის ურთიერთქმედების გარდა, არსებობს სხვა, უფრო ძლიერი ტიპის ბმები, მაგალითად, წყალბადის ბმები H2O მოლეკულებს შორის, რაც იწვევს აირის იდეალურობის პირობების უხეშ დარღვევას. ამ მიზეზით, წყლის ორთქლი არ არის იდეალური გაზი, მაგრამ ჰაერი არის.
იდეალური აირის ფიზიკური მოდელი
ეს მოდელი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად: დავუშვათ, რომ გაზის სისტემა შეიცავს N ნაწილაკებს. ეს შეიძლება იყოს სხვადასხვა ქიმიკატების და ელემენტების ატომები და მოლეკულები. N ნაწილაკების რაოდენობა დიდია, ამიტომ მის აღსაწერად ჩვეულებრივ გამოიყენება ერთეული „მოლი“(1 მოლი შეესაბამება ავოგადროს რიცხვს). ისინი ყველა მოძრაობენ რაღაც მოცულობით V. ნაწილაკების მოძრაობაარიან ქაოსური და ერთმანეთისგან დამოუკიდებლები. თითოეულ მათგანს აქვს გარკვეული სიჩქარე v და მოძრაობს სწორ გზაზე.
თეორიულად, ნაწილაკებს შორის შეჯახების ალბათობა თითქმის ნულის ტოლია, რადგან მათი ზომა მცირეა ნაწილაკთაშორის მანძილებთან შედარებით. თუმცა, თუ ასეთი შეჯახება მოხდა, მაშინ ის აბსოლუტურად ელასტიურია. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, ნაწილაკების მთლიანი იმპულსი და მათი კინეტიკური ენერგია შენარჩუნებულია.
იდეალური აირების განხილული მოდელი არის კლასიკური სისტემა, დიდი რაოდენობით ელემენტებით. მაშასადამე, მასში ნაწილაკების სიჩქარე და ენერგია ემორჩილება მაქსველ-ბოლცმანის სტატისტიკურ განაწილებას. ზოგიერთ ნაწილაკს აქვს დაბალი სიჩქარე, ზოგს კი მაღალი სიჩქარე. ამ შემთხვევაში, არსებობს გარკვეული ვიწრო სიჩქარის ზღვარი, რომელშიც დევს ამ რაოდენობის ყველაზე სავარაუდო მნიშვნელობები. აზოტის მოლეკულების სიჩქარის განაწილება სქემატურად არის ნაჩვენები ქვემოთ.
გაზების კინეტიკური თეორია
ზემოთ აღწერილი იდეალური აირების მოდელი ცალსახად განსაზღვრავს აირების თვისებებს. ეს მოდელი პირველად შემოგვთავაზა დანიელ ბერნულმა 1738 წელს.
შემდეგ, იგი განავითარეს დღევანდელ მდგომარეობამდე ავგუსტ კროენიგის, რუდოლფ კლაუზიუსის, მიხაილ ლომონოსოვის, ჯეიმს მაქსველის, ლუდვიგ ბოლცმანის, მარიან სმოლუჩოვსკის და სხვა მეცნიერების მიერ.
თხევადი ნივთიერებების კინეტიკური თეორია, რომლის საფუძველზეც აგებულია იდეალური აირის მოდელი, ხსნის სისტემის ორ მნიშვნელოვან მაკროსკოპულ თვისებას მისი მიკროსკოპული ქცევის საფუძველზე:
- აირებში წნევა არის ნაწილაკების ჭურჭლის კედლებთან შეჯახების შედეგი.
- ტემპერატურა სისტემაში არის მოლეკულების და ატომების მუდმივი მოძრაობის გამოვლინების შედეგი.
მოდით გავაფართოვოთ კინეტიკური თეორიის ორივე დასკვნა.
გაზის წნევა
იდეალური აირის მოდელი ითვალისწინებს სისტემაში ნაწილაკების მუდმივ ქაოტურ მოძრაობას და მათ მუდმივ შეჯახებას ჭურჭლის კედლებთან. ყოველი ასეთი შეჯახება ითვლება აბსოლუტურად ელასტიურად. ნაწილაკების მასა მცირეა (≈10-27-10-25 კგ). ამიტომ, შეჯახებისას მას არ შეუძლია შექმნას დიდი წნევა. მიუხედავად ამისა, ნაწილაკების რაოდენობა და, შესაბამისად, შეჯახების რაოდენობა უზარმაზარია (≈1023). გარდა ამისა, ელემენტების ფესვის საშუალო კვადრატული სიჩქარე არის რამდენიმე ასეული მეტრი წამში ოთახის ტემპერატურაზე. ეს ყველაფერი იწვევს ჭურჭლის კედლებზე შესამჩნევი წნევის შექმნას. მისი გამოთვლა შესაძლებელია შემდეგი ფორმულით:
P=Nmvcp2 / (3V), სადაც vcp არის ფესვის საშუალო კვადრატული სიჩქარე, m არის ნაწილაკების მასა.
აბსოლუტური ტემპერატურა
იდეალური აირის მოდელის მიხედვით, ტემპერატურა ცალსახად განისაზღვრება შესწავლილ სისტემაში მოლეკულის ან ატომის საშუალო კინეტიკური ენერგიით. თქვენ შეგიძლიათ დაწეროთ შემდეგი გამონათქვამი, რომელიც აკავშირებს კინეტიკურ ენერგიასა და აბსოლუტურ ტემპერატურას იდეალური გაზისთვის:
მvcp2 / 2=3 / 2kB T.
აქ kB არის ბოლცმანის მუდმივი. ამ თანასწორობიდან ვიღებთ:
T=მ vcp2 / (3kB).
მდგომარეობის უნივერსალური განტოლება
თუ ზემოხსენებულ გამონათქვამებს გავაერთიანებთ აბსოლუტური წნევის P და აბსოლუტური ტემპერატურის T, შეგვიძლია დავწეროთ შემდეგი ტოლობა:
PV=nRT.
აქ n არის ნივთიერების რაოდენობა მოლებში, R არის გაზის მუდმივი შემოღებული D. I. მენდელეევის მიერ. ეს გამოთქმა არის ყველაზე მნიშვნელოვანი განტოლება იდეალური აირების თეორიაში, რადგან ის აერთიანებს სამ თერმოდინამიკურ პარამეტრს (V, P, T) და არ არის დამოკიდებული გაზის სისტემის ქიმიურ მახასიათებლებზე.
უნივერსალური განტოლება პირველად ექსპერიმენტულად გამოიტანა ფრანგმა ფიზიკოსმა ემილ კლაპეირონმა მე-19 საუკუნეში, შემდეგ კი მის თანამედროვე ფორმაში მოიყვანა რუსმა ქიმიკოსმა მენდელეევმა, რის გამოც ის ამჟამად ამ მეცნიერთა სახელებს ატარებს.
