Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық институты
СӨЖ
Тақырыбы: «Нақты газдың ішкі энергиясы. Джоуль-Томсон эффектісі, оның физикалық мағынасы»
Орындаған:Мәдіханова О.
Қабылдаған: Парманов М.
Шымкент 2018
1 Нақты газдың ішкі энергиясы. Джоуль-Томсон эффектісі, оның физикалық мағынасы.
Нақты газдың U ішкі энергиясы оның молекулалары қозғалысының кинетикалық энергиясы болып табылады. Бұл энергия газдың берілген мөлшері үшін оның көлеміне де, қысымына да байланысты болмайды, ол оның тек Т температурасымен ғана анықталады, идеал газдың бір грамм-молекуласы үшін U=Ek=CγT болады, мұндағы Cγ – тұрақты көлемдегі грамм-молеклалық жылу сыйымдылық.
Ал нақты газда бұрын көргеніміздей, молекулалардың арасындағы өзара әсер күштері үлкен роль атқарады. Сондықтан нақты газдың ішкі энергиясы оның молекулалары қозғалысының кинетикалық энергиясы мен олардың өзара потенциялық энергиясынан құралады:
(1)
Молекулалардың өзара потенуиялық энергиясы олардың бірінен-бірінің орташа арақашықтығына байланысты, сондықтан газдың көлеміне тәуелді болу керек. Газдың көлемі айналадағы денелермен энергия алмаспай өзгергенде ішкі энергияның қоры да өзгермеу керек, сонлықтан жоғарыдағы теңдіктен мынау шығады:
(2)
Яғни, нақты газдың көлемі өзгергенде потенциялық энергияның өзгеру есесіне оның молекулалары қозғалысның кинетикалық энергиясы да өзгеру керек. Тұрақты көлемдегі нақты газдың Cγ жылу сыйымдылығы оның молекулалы қозғалысының кинетикалық энергиясымен ғана анықталатындықтан Ek=CγT теңдік күшінде қалады да, 2-өрнектен мынау шығады:
( 3)
Бұдан мынандай қорытынды шығады: көлем сырттан жұмыс істелмей және айналадағы денелермен жылу алмаспай өзгергенде нақты газдың температурасы өзгереді. Бұл сияқты құбылысты алғаш рет Джоуль дәлелдемек болған.
Джоуль С краны бар түтікпен жалғасқан А мен В екі ыдысты (1-сурет) суы бар калориметрге орналастырған. В ыдыстағы ауа сорып алынған , ал А ыдыстағы ауа сыртқы жұмысты істемей ұлға отырып, В ыдысқа қарай ағады.
1-сурет.
Мұнда Джоуль калориметр температурасының өзгергенін байқамады. Бқдан Джоуль газдың көлемі өзгергенде оның ішкі энергиясы өзгермейді деген қорытынды шығарған.
Біраз кейін Джоуль бұл тәжірибені неғұрлым сезімтал екінші бір вариантта Томсонмен бірігіп жасаған. А мен В ыдыстарды жалғастыратын түтікке кеуек заттан жасалған С тығын орнатылған(2-сурет). Түтік жылу өткізбейтін затпен қоршалған. Газдың А мен В ыдыстардағы P1 және Р2 қысымдары тұрақты болып тұрған.
2-сурет.
Газ түтіктің бойымен тығын тұрған жерде бөгеліп аққан. Тығынның екі жағына сезімтал термометрлер орнатылған. Сонда термометрлердің көрсетулерінде аздаған айырмашылық байқалған. Газдардың көпшілігінде тығынның газ ұлғаятын жағындағы температура біраз төмен болған. Сутегінде температураның өзгеруі керісінше болған, ұлғайғанда сутегу қызған. Газ ұлғайғанда (жылу алмасу болмай және сыртқы жұмыс істелмей ұлғайғанда) температураның өзгеру құбылысы Джоуль-Томсон эффектісі деп аталады. Бұл эффект нақты газдар қасиеттерінің идеал газдар қасиеттерінен ауытқуының салдары болып табылады.
Джоуль-Томсон эффектісін газ ұлғайғанда оның температурасы жоғарылайтын болса оң эффект деп, ал температура төмендейтін болса сол эффект деп атауға келісілген. Кейін Джоуль-Томсон эффектісінің таңбасы Ван-депр-Ваальс теңдеуіндегі а мен b түзетулердің қайсысы үлкен роль атқаратындығына байланысты екендігі анықталады.
Джоуль-Томсон эффектісі мен Ван-дер-Ваальстың
(4)
Теңдеуіндегі а мен b түзетулердің арасындағы байланысты анықтауға болады.
Оңай болу үшін мынадай екі жағдайды жеке-жеке қарастырайық:
a)Ван-дер-Ваальс теңдеуіндегі а түзетуді елемеуге болатын газ,
b)b түзетуді елемеуге болатын газ алынған болсын.
Ван-дер-Ваальс теңдеуіндегі а түзету молекулалардың арасында тарту күштерінің болатындығына байланысты екендігін біз білеміз.
Сондықтан бірінші жағдайда молекулалардың арасындағы тарту күштері жоқтың қасында деп есептеп, тек тебу күштерін ғана ескермеуге болады. Сонда молекулалардың өзара әсер күштерінің Ep потенциялық энергиясы олардың r аралығының функциясы ретінде 3а-суретте кескінделген қисықпен өрнектеледі.
3-сурет.
Газдың үлкен P1 қысымына молекулалардың кіші орташа аралығы сәйкес келеді, аз P2 қысымға орташа аралық сәйкес келеді. Бұдан 3а суретте көрсетілгендей, қысым азайғанда ішкі потенциялық энергияның азаятындығы анықталады:
(5)
Бірақ болғанда болып шығады.
Сонымен біз мынандай қорытындыға келеміз: Ван-дер-Ваальс теңдеуіндегі а түзетуді елемеуге болатын, бірақ b түзету елеулі роль атқаратын жағдайда ұлғайғанда газ қызады.
Екінші жағдай молекулаларды нүкте деп есептеуге болатын олардың өте аз өлшемдеріне жатады. Бұл – молекулалар бірінен-бірі едәуір қашықтықта болғанда олардың араларына тебу күштері байқалмайды дегенді көрсетеді. Мұнда Ep потенциялық энергияның r аралыққа 3б-суретте көрсетілгендей тәуелділігі сәйкес келетін тарту күштерін ғана еске алуға тура келеді.
Енді потенциялық энергия теріс таңбалы болады да, r арақашықтығы артқанда оның сан мәні кемиді, сондықтан
(6)
Ван-дер-Ваальс теңдеуіндегі b түзетуді елемеуге болатын, бірақ а түзету елеулі роль атқаратын жағдайда ұлғайғанда газ суиды.
Молекулалардың өз өлшемдерін еске алудағы b түзету басты роль атқаратын нақты газда Джоуль-Томсон эффектісі теріс таңбалы болады, ал молекулалардың арасындағы тарту күштерін еске алудағы а түзету басты роль атқаратын нақты газда Джоуль-Томсон эффектісі оң таңбалы болады.
Бір газдың өзінде оның температуасы мен қысымның қандай болатындығына қарай не b түзету, не а түзету басты роль атқарады. Сондықтан нақты бір газдың өзінде Джоуль-Томсон эффектісі сыртқы жағдайлардың қандай болуына байланысты не оң таңбалы, не теріс таңбалы болуы мүмкін. Өте жоғары қысымдағы газдардың барлығында да көбінесе молекулалардың өз мөлшерлері, яғни b түзету, басты роль атқарады, бұдан өте жоғары қысымдардағы газдардың барлығында да Джоуль-Томсон эффектісі теріс таңбалы болатындығы көрінеді.
Достарыңызбен бөлісу: | 
