АуаныҢ меншікті жылу сиымдылыҚтары Қатынасын адиабаталыҚ ҰлҒаю Әдісімен

АНЫҚТАУ

ҚАЖЕТТІ ҚҰРАЛ -ЖАБДЫҚТАР: манометр, насос, қабырғасы қалың шыны ыдыс.

2.9.1 ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

Термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша, жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясының өзгерісіне және жүйенің сыртқы денелерге қарсы істейтін жұмысына жұмсалады.

Қандай да болса бір заттың меншікті жылу сиымдылығы деп сол заттың масса бірлігінің температурасын сан жағынан бір градусқа арттыруға кететін жылу мөлшеріне тең физикалық шаманы айтады

Заттың бір молінің жылусиымдылығы молярлық жылу сиымдылық деп аталады.

Газдар үшін жылу сиымдылық жүйеге жылу қандай жағдайларда берілгендігіне байланысты. Газды тұрақты көлемде қыздырған жағдайда оған берілген жылу газдың толығымен ішкі энергиясын арттыруға кетеді, өйткені тұрақты көлемде сыртқы күштерге қарсы жұмыс істелмейді. Бұл процестегі жылу сиымдылық тұрақты көлемдегі жылу сиымдылық деп аталады және мына қатынаспен анықталады:

Егер де, газ тұрақты қысымда қыздырылатын болса, онда жүйенің ішкі энергиясы өзгереді және сонымен бірге температура артқан кезде газ ұлғайып сыртқы қысымға қарсы жұмыс істейді. Бұл процестегі жылу сиымдылық тұрақты қысымдағы жылу сиымдылық деп аталады және мына қатынаспен анықталады:

айырымы тұрақты қысымда бір градусқа қыздырғанда газдың сыртқы қысымға қарсы істеген жұмысын өрнектейді. Газдың бір молі үшін бұл айырым универсал газ тұрақтысына -ге тең.

Идеал газ үшін және жылу сиымдылықтарды теория жүзінде есептеуге болады. Газдардың молекула-кинетикалық тұрғысынан алып қарағанда, молекулалардың толық ретсіз соқтығысуы ішкі энергияның молекулалардың барлық еркіндік дәрежесі арасында біркелкі бөлінуіне әкеп соғады. Молекуланың еркіндік дәрежесінің саны деп оның қозғалысының берілген түрінің тәуелсіз құраушылар санын айтады.

Жүйені қыздыру кезінде молекулалардың алған энергиясы да еркіндік дәрежелер арасында біркелкі таралуға тиісті. Газдардың бір молінің ілгерлемелі қозғалысының энергиясы және ілгерлемелі қозғалыстың үш еркіндік дәрежесі болғандықтан (ілгерлемелі қозғалысты үш координата өстері бойынша, үш тәуелсіз құраушыға жіктеуге болады) әрбір еркіндік дәрежеге тең энергия келеді және жылу сиымдылық мына қатынаспен анықталады

мұндағы -еркіндік дәрежелер саны.

Сонымен, екі атомды идеал газдың молекулалары (молекула симметриясы «гантель» симметриясындай болады) ілгерлемелі қозғалыстың үш еркіндік дәрежесімен қатар, айналмалы қозғалыстың екі еркіндік дәрежесіне де ие болады (атомдардың центрлерін қосатын өсті айнала қозғалу энергия шығынын қажет етпейді, өйткені осы өске қатысты инерция моменті ескермеуге боларлықтай).

Мұндай газдардың молярлық жылу сиымдылықтарының шамалары мынадай ,

Үш және одан да көп атомды газдардың алты еркіндік дәрежесі болады және олар үшін және жылу сиымдылықтары мынаған тең

Заттың бөлшектері арасында өзара әсерлесу күштері болтын жағдайда (қатты дене, реалды газдар т.с.с.) бөлшектердің кинетикалық энергиясын қарастырумен қатар, олардың өзара потенциалдық энергиясын да қарастыру керек. Мысалы, егер екі атомды молекуланың атомдары оларды қосатын түзудің бойымен гармониялық тербеліс жасайтын болса, онда мұндай қозғалыстың орташа потенциалдық энергиясы орташа кинетикалық энергияға тең болады және заттың бір молі үшін есептелген толық энергиясының орташа мәні ге тең.

Олай болса, бір тербеліске келетін еркіндік дәреже айналмалы немесе ілгерлемелі қозғалыстың екі еркіндік дәрежесіне сәйкес келеді. Екі және көп атомды нақты газдарда тербелмелі қозғалыс тек жоғары температураға қатысты ғана байқаларлықтай ұлғаяды. Сол себепті кәдімгі жағдайда көптеген газдар үшін (мысалы ауа үшін) олардың жылу сиымдылықтарын есептеу кезінде тербелмелі еркіндік дәрежелрді ескермеуге болады.

Ешқандай молекулалық симметрия сәйкес келмейтін жағдайдың табиғатта жүзеге аспайтыны белгілі.

Физиканың бірқатар практикалық және теориялық мәселелерінде үлкен маңызы бар. Атап айтқанда, идеал газдар үшін адиабаталық процесті, яғни қоршаған ортамен өтетін процесті сипаттайтын Пуассон теңдеуіне кіреді

мұндағы адиабата көрсеткіші немесе Пуассон коэффициенті делінеді.

Газдардың сығылуын немесе сиреуін практика жүзінде адиабаталық деп санауға болады.

2.9.2 ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ

қатынасын эксперименттік жолмен анықтауды 2.9.1-суретте бейнеленген құралдың көмегімен іске асыруға болады.

манометр және насоспен жалғасқан, қабырғасы қалың шыны ыдыс кранның көмегімен атмосферамен жалғасады. кран насосты ыдыстан манометрден ажыратуға мүмкіндік береді.

Егер кранды жауып, ыдыстың ішіне азырақ ауа жіберіп біраз уақыт күтсек, ыдыстағы температура бөлме температурасына тең, ал қысым атмосфералық қысымнан біраз жоғары болады. Содан соң кранды тез ашып, монометрдегі сұйықтың деңгейлері бірдей болғанда, кранды қайтадан жабады. Кранды ашқанда газ ұлғая бастайды және де бұл ұлғаюды адиабаталық деп санауға болады. Кран жабылғаннан кейін газдың біраз массасы ыдыстың барлық көлемін алады, ыдыстағы қысым атмосфералық қысымға тең болады. Ал, температурада адиабаталық ұлғаю салдарынан бөлменікінен біраз төмен болады, газдың бұл күйін екінші деп атайық.

Біраз уақыт өткен соң ыдыстағы ауаның температурасы бөлменің температурасына дейін көтеріледі. Қысым мәніне дейін көтеріледі, көлем өзгеріссіз қалады (үшінші күй).

Газдың сол массасы қысым мен температурада адиабаталық ұлғаюға дейін көлем алған болатын (бірінші күй). Газдың бірінші күйден екінші күйге өту процессі адиабаталық болады және адиабата теңдеуіне бағынады. Теңдеуді мына түрде жазған ыңғайлы болады

(2.9.1)

Одан әрі ІІ күйден ІІІ күйге өту тұрақты көлемде болады және Гей –Люссак заңына бағынады

(2.9.2)

(2.9.1) және (2.9.2) теңдеулерден температураны шығарып тастасақ мынадай болады

Бұл теңдікке атмосфералық қысым және манометрдегі сұйықтың бағаналары биіктіктің айырмасы арқылы өрнектелген және қысымдарының , мәндерін қойып, мынаны аламыз

Тәжірибенің шартында және қатынастар бірден әжептәуір кем болғандықтан, жеткілікті дәрежедегі дәлдікпен биномның тек алғашқы екі мүшесімен шектелуге болады. Ол мынаны береді

бұдан мынадай өрнек аламыз

2.9.3 ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ ТӘРТІБІ

Ауа үшін қатынасын эксперименттік жолмен анықтау үшін кранды жауып, кранды ашыңыздар. Насостың көмегімен ыдыстың ішіндегі қысымды арттырыңыздар, содан соң кранды жабыңыздар. Манометрдегі сұйық деңгейінің өзгерісі тоқтағаннан кейін, деңгейлердің айырмасы алыңыздар.

кранды тез ашып, ыдысты атмосферамен жалғастырыңыз. Манометрдегі сұйықтың деңгейлері теңескен кезде (бұл тез болады), қайтадан жабыңыздар. Манометрдегі сұйық бағандары деңгейлерінің өзгеруі тоқтаған соң -ні анықтаңыздар.

Тәжірибені кем дегенде 4-5 рет қайталаңыздар.

Өлшемдер мен есептеулердің нәтижесін кестеге түсіріңіздер.

2.9.1-кесте.

№

2.9.4 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

1. Газдың молекула-кинетикалық теориясының негізгі теңдеуін қорытып шығарыңыз.

2. Жүйеге берілген жылу мөлшері қалай анықталады?

3. Жылу сиымдылықтар анықтамасы қандай?

4. Меншікті жылу сиымдылығы мен молярлық жылу сиымдылығы арасындағы байланыс.

5. Газдардың жылу сиымдылықтары классикалық теориясының негізгі қағидаларын баяндаңыз.

6. І және ІІІ күйде жабық ыдыстағы ауа температурасының сыртқы ортаның температурасымен теңелген кезінде қалай анықтауға болады?

7. Манометрге құйылған сұйықты сынаппен алмастырудың қажеті бар ма?

8. Ауаны екі атомды идеал газ деп есептеп, алынған нәтижені есептеу нәтижесімен салыстырыңыздар.

9. Судың бір молекуласының массасы қандай?

10.Изотермалы ұлғайғанда газдың істеген жұмысы болса, оған қанша жылу мөлшері берілген?

11.Поршеньді насостың көмегімен көлемі ыдысқа ауа айдап енгізілді, ал поршень цилиндрінің көлемі . Насоспен ауаны рет айдап енгізгеннен кейін, ыдыстағы ауа қысымы қандай болады? Ыдыстағы ауаның бастапқы қысымы сыртқы қысымға тең.

12.Сиымдылығы ыдыста су бар. Турист сырттан ауа кірмейтіндей етіп, ыдыстан су ішті. Егер турист ыдыстағы ауаның қысымы -ға дейін төмендете алатын болса, ол қанша су іше алады?