Գտնվում է մշակման փուլում

ՀՏԴ        544

ԳՄԴ         24.5

Բ                482

Ձեռնարկը հրատարակության են երաշխավորել ՀՀԿԳ նախարարության Գորիսի և Վանաձորի Հ. Թումանյանի անվան պետական համալսարանները, Խ. Աբովյանի անվան պետական մանկավարժական համալսարանի քիմիայի և նրա դասավանդման, ինչպես նաև Հայաստանի պետական ճարտարագիտական համալսարանի ընդհանուր քիմիայի և քիմիական պրոցեսների ամբիոնները

ԲԵՅԼԵՐՅԱՆ Ն.Մ.

Բ                482206 Ֆիզիկական քիմիայի դասընթաց: Հատոր առաջին / Ն.Մ. Բեյլերյան. – Եր:. Հեղ. հրատ:, 2016.  – 648 էջ.

Սույն ձեռնարկը իր բովանդակությամբ և ծավալով մայրենի լեզվով գրված առաջին դասագիրքն է: Դա անհրաժեշտոթյուն է այն առումով, որ հայկական դպրոցն ավարտած հայ պատանին ի վիճակի չէ օտար լեզվով գրված մասնագիտական գրականությունից լիարժեք օգտվել: Սույն ձեռնարկն իր բովանդակությամբ լրիվ համապատասխանում է միջազգային հեղինակություն վայելող Լոմոնոսովի անվան Մոսկվայի պետական համալսարանի ֆիզիկական քիմիայի ամբիոնում դասավանդվող «Ֆիզիկական քիմիա» առարկայի ծրագրին: Քննարկված են հիմնականում մեծ թվով մասնիկներից կազմված (մակրոսկոպիական)համակարգեր, որոնք կարող են գտնվել տարբեր ագրեգատային, ինչպես նաև հավասարակշռական և դինամիկ վիճակներում: Հատկապես ինքնուրույն պարապող ուսանողին օգնելու համար ձեռնարկում բերված են խնդիրներ իրենց լուծումներով:

Նյութը շարադրված է այնպես, որ այն բավարարի բակալավրիատում, մագիստրատուրայում և ասպիրանտուրայում սովորողներին: Լսարանին ներկայացվող ծավալի պահանջը հիմնականում որոշելու է դասախոսը, գիտական ղեկավարը.

ԲՈՎԱՆԴԱԿՈՒԹՅՈՒՆ

ՀԵՂԻՆԱԿԻ ԿՈՂՄԻՑ

ԳԼՈՒԽ  I. ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻ ԱՌԱՐԿԱՆ, ՀԻՄՆԱԿԱՆ ԲԱՂԱԴՐԻՉ ՄԱՍԵՐԸ ԵՎ ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆ ՄԵԹՈԴՆԵՐԸ

ԳԼՈՒԽ II. ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՀԱՍԿԱՑՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՄԵԾՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ՉԱՓՄԱՆ ՄԻԱՎՈՐՆԵՐ

ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՄԻ ՔԱՆԻ ՄԵԾՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ ԵՎ ԴՐԱՆՑ ՄԻԱՎՈՐՆԵՐԸ

ԳԼՈՒԽ III. ՆՅՈՒԹԻ ԳԱԶԱՅԻՆ ՎԻՃԱԿ: ԳԱԶԵՐԻ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ:  ԻԴԵԱԼԱԿԱՆ ԵՎ ՌԵԱԼ ԳԱԶԵՐ

III-1. ՓՈՐՁՈՎ ՀԱՍՏԱՏՎԱԾ ՕՐԻՆԱՉԱՓՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ԳԱԶԻ ՎԻՃԱԿԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ: ԻԴԵԱԼԱԿԱՆ ԳԱԶ

III-1:1. Գազի իզոթերմային սեղմում (կամ ընդարձակում): Բոյլ-Մարիոտտի օրենքը

III-1:2. Գազի ծավալի և ճնշման կախումը ջերմաստիճանից: Գազի իզոբարային ջերմային ընդարձակում: Շառլ Գեյ-Լյուսակի օրենքը

III-1:3. Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը

III-1:4. Ամագայի օրենքը: Պարցիալ ծավալ

III-1:5. Գազի պարցիալ ճնշում: Դալտոնի օրենքը

III-1:6. Իդեալական գազի վիճակի հավասարման գործնական նշանակությունը

ԽՆԴԻՐՆԵՐ (իդեալական գազեր)

III-2. ՇԵՂՈՒՄՆԵՐ ԻԴԵԱԼԱԿԱՆՈՒԹՅՈՒՆԻՑ: ՌԵԱԼ ԳԱԶԵՐ: ՎԱՆ ԴԵՐ ՎԱԱԼՍԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

III-2:1. Վան դեր Վաալսի հավասարման հետազոտումը

III-2:2. Վան դեր Վաալսի իզոթերմերը

III-2:3. Վան դեր Վաալսի իզոթերմերի անալիզը

III-2:4. Համապատասխան վիճակ: Վիճակի բերված հավասարում:  Համապատասխան վիճակը նկարագրող օրենքը

ԽՆԴԻՐՆԵՐ (ռեալ գազեր)

ԳԼՈՒԽ IV. ԳԱԶԵՐԻ ԿԻՆԵՏԻԿԱԿԱՆ ՏԵՍՈՒԹՅՈՒՆԸ

IV-1. ՏԵՍՈՒԹՅԱՆ  ՀԻՄՆԱԴՐՈՒՅԹՆԵՐԸ

IV-2. ԳԱԶԻ ՃՆՇՈՒՄԸ

IV-3. ԸՍՏ ԱՐԱԳՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄՈԼԵԿՈՒԼՆԵՐԻ ԲԱՇԽՈՒՄԸ: ՄԱՔՍՎԵԼԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

IV-4. ՄԻՋՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ԲԱԽՈՒՄՆԵՐԸ ԳԱԶԵՐՈՒՄ: ԲԱԽՈՒՄՆԵՐԻ ՄԻՋԻՆ ԹԻՎ: ԱԶԱՏ ՎԱԶՔԻ ՄԻՋԻՆ ՃԱՆԱՊԱՐՀ

IV-5. ՄՈԼԵԿՈՒԼՆԵՐԻ ԲԱԽՈՒՄԸ ԱՆՈԹԻ ՊԱՏԻ ՀԵՏ: ԷՖՈՒԶԻԱ

IV-6. ԲԱՐՈՄԵՏՐԱԿԱՆ (ԼԱՊԼԱՍԻ) ԲԱՆԱՁԵՎԸ

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

ԳԼՈՒԽ V. ՆՅՈՒԹԻ ՊԻՆԴ ՎԻՃԱԿ

V-1. ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ

V-2. ԲՅՈՒՐԵՂԱԿԱՆ ՆՅՈՒԹԵՐ: ԸՆԴՀԱՆՈՒՐ ԱԿՆԱՐԿ

V-3. ԿԱՊԵՐԻ ԲՆՈՒՅԹԸ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐՈՒՄ

V-3:1. Մոլեկուլային բյուրեղներ

V-3:2. Կովալենտ կապով ատոմական բյուրեղներ

V-3:3. Իոնական բյուրեղներ

V-3:4. Մետաղներ: Մետաղների բյուրեղների կառուցվածքը

V-4. ՀԱՂՈՐԴԻՉՆԵՐ, ՄԵԿՈՒՍԻՉՆԵՐ, ԿԻՍԱՀԱՂՈՐԴԻՉՆԵՐ: ՀԱՄԱՌՈՏ ԱԿՆԱՐԿ ՄԵՏԱՂՆԵՐԻ ԷԼԵԿՏՐՈՆԱՅԻՆ

ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԻ ԶՈՆԱՅԻՆ ՏԵՍՈՒԹՅԱՆ ՄԱՍԻՆ

V-5. ՍԻՄԵՏՐԻԱՆ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐՈՒՄ

V-6. ՆՅՈՒԹԻ ԱՄՈՐՖ ՎԻՃԱԿ: ԱՄՈՐՖ ՆՅՈՒԹԵՐ

ԳԼՈՒԽ VI. ՀԵՂՈՒԿՆԵՐ

VI-1. ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ

VI-2. ՀԵՂՈՒԿՆԵՐՈՒՄ ՄԻՋՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ՓՈԽԱԶԴԵՑՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ:

VI-2:1. Վան դեր Վաալսյան փոխազդեցություններ

VI-2:2. Դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցություններ

VI-2:3. Դիպոլ-ապոլյար (ոչբևեռային) մոլեկուլ փոխազդեցություն

VI-2:4. Փոխազդեցությունը ոչբևեռային մոլեկուլների միջև

VI-3. ՀԵՂՈՒԿՆԵՐԻ ՄԻ ՔԱՆԻ ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ

VI-3:1. Ֆազային անցումներ

VI-3:2. Հեղուկների եռումը: Եռման ջերմաստիճան: Հագեցած գոլորշու ճնշում

VI-3:3. Հեղուկների սառչումը: Սառեցման կետ

VI-3:4. Հեղուկների ջերմային ընդարձակումը: Իզոթերմային սեղմում

VI-3:5. Հեղուկների մածուցիկությունը

VI-3:6. Հեղուկների մակերեսային լարվածությունը

VI-3:7. Հեղուկների դիէլեկտրիկական թափանցելիությունը (հաստատունը)

VI-4. ՀԵՂՈՒԿ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐ

VI-5 ՀԵՂՈՒԿՆԵՐԻ ՄԻ ՔԱՆԻ ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԱՅԻՆ ԱՌԱՆՁՆԱՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

ԳԼՈՒԽ VII. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ

VII-1. ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆ ԱՌԱՐԿԱՆ

VII-2. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԶՐՈՅԱԿԱՆ ՕՐԵՆՔԸ

VII-3. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ՕՐԵՆՔԸ: ՕՐԵՆՔԻ ՄԱԹԵՄԱՏԻԿԱԿԱՆ ԱՐՏԱՀԱՅՏՈՒԹՅՈՒՆԸ

VII-3:1. Ներքին Էներգիա

VII-3:2. Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մաթեմատիկական արտահայտության անալիզը: Մասնակի ածանցյալները թերմոդինամիկայում

VII-3:3. Էնթալպիա

VII-3:4. Կալորիական գործակիցներ

VII-3:5. Ջոուլի փորձը

VII-3:6. Իրական և միջին ջերմունակություններ

VII-3:7. Բյուրեղական նյութերի ջերմունակությունը: էյնշտեյնի և Դեբայի հավասարումները: Կոպպի կանոնը:

VII-4. ԱԴԻԱԲԱՏԱՅԻՆ ՊՐՈՑԵՍՆԵՐ: ՊՈՒԱՍՈՆԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄՆԵՐԸ:

VII-5. ԱՇԽԱՏԱՆՔ: ՏԱՐԲԵՐ ԴԵՊՔԵՐԻ ՔՆՆԱՐԿՈՒՄ

VII-6. ՋԵՐՄԱՅԻՆ ԳՈՐԾԱԿԻՑՆԵՐ

VII-6:1. Ներքին էներգիայի և էնթալպիայի կախումը ջերմաստիճանից:

VII-6:2. Ջոուլ-Թոմսոնի փորձը:  Ջոուլ-Թոմսոնի գործակից: Գազերի հեղուկացում:

Խնդիրներ

ԳԼՈՒԽ VII. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ

VII-1. ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆ ԱՌԱՐԿԱՆ

VII-2. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԶՐՈՅԱԿԱՆ ՕՐԵՆՔԸ

VII-3. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ՕՐԵՆՔԸ: ՕՐԵՆՔԻ ՄԱԹԵՄԱՏԻԿԱԿԱՆ ԱՐՏԱՀԱՅՏՈՒԹՅՈՒՆԸ

VII-3:1. Ներքին Էներգիա

VII-3:2. Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մաթեմատիկական արտահայտության անալիզը: Մասնակի ածանցյալները թերմոդինամիկայում

VII-3:3. Էնթալպիա

VII-3:4. Կալորիական գործակիցներ

VII-3:5. Ջոուլի փորձը

VII-3:6. Իրական և միջին ջերմունակություններ

VII-3:7. Բյուրեղական նյութերի ջերմունակությունը: էյնշտեյնի և Դեբայի հավասարումները: Կոպպի կանոնը:

VII-4. ԱԴԻԱԲԱՏԱՅԻՆ ՊՐՈՑԵՍՆԵՐ: ՊՈՒԱՍՈՆԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄՆԵՐԸ:

VII-5. ԱՇԽԱՏԱՆՔ: ՏԱՐԲԵՐ ԴԵՊՔԵՐԻ ՔՆՆԱՐԿՈՒՄ

VII-6. ՋԵՐՄԱՅԻՆ ԳՈՐԾԱԿԻՑՆԵՐ

VII-6:1. Ներքին էներգիայի և էնթալպիայի կախումը ջերմաստիճանից:

VII-6:2. Ջոուլ-Թոմսոնի փորձը:  Ջոուլ-Թոմսոնի գործակից: Գազերի հեղուկացում:

Խնդիրներ

ԳԼՈՒԽ VIII

ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ՕՐԵՆՔԸ ԵՎ ՋԵՐՄԱՔԻՄԻԱՆ

VIII-1. ՋԵՐՄԱՔԻՄԻԱՅԻ ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆԱՌԱՐԿԱՆ: ՊՐՈՑԵՍԻ ՋԵՐՄՈՒԹՅՈՒՆ:

ՆՅՈՒԹԻ ԱՌԱՋԱՑՄԱՆ ՍՏԱՆԴԱՐՏ ՋԵՐՄՈՒԹՅՈՒՆ

VIII-2. ՋԵՐՄԱՔԻՄԻԱՅԻ ՕՐԵՆՔՆԵՐԸ

VIII-3. ՀԵՍՍԻ ՕՐԵՆՔԻ ԿԻՐԱՌԱԿԱՆ ՆՇԱՆԱԿՈՒԹՅՈՒՆԸ

VIII-4. ԼՈՒԾՄԱՆ ՋԵՐՄՈՒԹՅՈՒՆ

VIII-5. ԲՅՈՒՐԵՂԱԿԱՆ ՑԱՆՑԻ ԷՆԵՐԳԻԱՆ: ԱՅՆ ՈՐՈՇԵԼՈՒ ՍԿԶԲՈՒՆՔԸ: ԲՈՌՆ-ՀԱԲԵՐԻ ՑԻԿԼԸ:

VIII-6. ԱՂԵՐԻ ԵՎ ԻՈՆՆԵՐԻ ՀԻԴՐԱՏԱՑՄԱՆ ՋԵՐՄՈՒԹՅԱՆ ՈՐՈՇՈՒՄԸ

VIII-7. ՌԵԱԿՑԻԱՅԻ ՋԵՐՄՈՒԹՅԱՆ (ՋԵՐՄԷՖԵԿՏԻ)

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

ԳԼՈՒԽ IX. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԵՐԿՐՈՐԴ ՕՐԵՆՔԸ

IX-1. ԸՆԴՀԱՆՈՒՐ ԱԿՆԱՐԿ

IX-2. ԿԱՌՆՈՅԻ ՑԻԿԼԸ: ՕԳՏԱԿԱՐ ԳՈՐԾՈՂՈՒԹՅԱՆ ԳՈՐԾԱԿԻՑ

IX-3. ԿԱՌՆՈՅԻ ՑԻԿԼԻ ՀԵՏԱԶՈՏՈՒՄԸ:  ԷՆՏՐՈՊԻԱ: ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ II ՕՐԵՆՔԸ: ՕՐԵՆՔԻ ՄԱԹԵՄԱՏԻԿԱԿԱՆ ԱՐՏԱՀԱՅՏՈՒԹՅՈՒՆԸ:

IX-4. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ԵՎ ԵՐԿՐՈՐԴ ՕՐԵՆՔՆԵՐԸ ՄԻԱՎՈՐՈՂ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

IX-5. ԷՆՏՐՈՊԻԱԿԱՆ ԴԻԱԳՐԱՄԱՆԵՐ

IX-6. ԷՆՏՐՈՊԻԱՅԻ ՄԻ ՔԱՆԻ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ

IX-7. ԷՆՏՐՈՊԻԱՅԻ ՓՈՓՈԽՈՒԹՅՈՒՆԸ ՏԱՐԲԵՐ ՊՐՈՑԵՍՆԵՐԻ ԸՆԹԱՑՔՈՒՄ

IX-8. ՆՅՈՒԹԻ ԷՆՏՐՈՊԻԱՅԻ ՓՈՓՈԽՈՒԹՅՈՒՆԸ  0  T K   ՋԵՐՄԱՍՏԻՃԱՆԱՅԻՆ ԼԱՅՆ ՏԻՐՈՒՅԹՈՒՄ:

ԲԱՑԱՐՁԱԿ 0 K-ՈՒՄ ԲՅՈՒՐԵՂԱԿԱՆ ՆՅՈՒԹԻ ԷՆՏՐՈՊԻԱՆ

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

ԳԼՈՒԽ X. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԵՐԿՐՈՐԴ ՕՐԵՆՔԸ ԵՎ ԴՐԱ ԿԻՐԱՌՈՒԹՅԱՆ ՄԻ ՔԱՆԻ ՀԱՐՑԵՐ

X-1. ԲՆՈՒԹԱԳՐԱԿԱՆ ՖՈՒՆԿՑԻԱՆԵՐ: ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ՀԻՄՆԱՐԱՐ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄՆԵՐԸ:

ԳԻԲՍԻ ԷՆԵՐԳԻԱՆ

X-2. ԱՇԽԱՏԱՆՔԻ ՖՈՒՆԿՑԻԱ: ԳԻԲՍ-ՀԵԼՄՀՈԼՑԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

X-3. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱԿԱՆ ԲԱՆԱՁԵՎԵՐ: ՄԱՔՍՎԵԼԻ ԱՌՆՉՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ:

ՎԻՃԱԿԻ ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱԿԱՆ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄ

X-4. ՊԱՐՑԻԱԼ ՄՈԼԱՅԻՆ ՄԵԾՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ՔԻՄԻԱԿԱՆ ՊՈՏԵՆՑԻԱԼ: ԳԻԲՍ-ԴՅՈՒՀԵՄԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ: ԳՈՐԾՆԱԿԱՆ ՆՇԱՆԱԿՈՒԹՅՈՒՆԸ

X-5. ԻԴԵԱԼԱԿԱՆ ԳԱԶԻ ՔԻՄԻԱԿԱՆ ՊՈՏԵՆՑԻԱԼԸ

X-6. ՌԵԱԼ ԳԱԶԻ ՔԻՄԻԱԿԱՆ ՊՈՏԵՆՑԻԱԼԸ: ՑՆԴԵԼԻՈՒԹՅՈՒՆ: ԱՅՆ ՈՐՈՇԵԼՈՒ ՄԵԹՈԴՆԵՐ

X-7. ՖԱԶԱՅԻՆ ԱՆՑՈՒՄՆԵՐԻ ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՆ

X-7:1. Առաջին սեռի ֆազային անցումներ: Կլաուզիուս-Կլապեյրոնի հավասարումը

X-7:2. Երկրորդ սեռի ֆազային անցումներ: Էռենֆեստի հավասարումները

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

ՀԵՂԻՆԱԿԻ ԿՈՂՄԻՑ

1953-ից ներգրավվել եմ ԵՊՀ-ի ֆիզիկական քիմիայի ամբիոնում տարվող ուսումնագիտական գործունեության մեջ։ Իմ հնարավորությունների սահմաններում փորձել եմ ստեղծագործական մոտեցում ցուցաբերել դասախոսական աշխատանքում։ Շատ հաճախ եմ դիմել ամբիոնի վարիչի իմ սիրելի ուսուցիչ պրոֆեսոր Հ.Հ. Չալթիկյանի խորհուրդներին, հետագայում իրար հետ քննարկել ենք որոշ հիմնահարցեր։

Հայտնի է, որ նախկինում բոլոր ԲՈՒՀ-երը ղեկավարվում էին կենտրոնից ներկայացված ուսումնական միասնական ծրագրերով, որը վերաբերում էր բնականաբար նաև ֆիզիկական քիմիային։ Առարկայական ծրագրում ընդգրկված էին միայն «Թերմոդինամիկան» և «Քիմիական կինետիկան»։

Գիտակցելով քիմիական գիտության համար «Նյութի կառուցվածքի մասին ուսմունքի» կարևորությունը ուսումնական ծրագրի մեջ ներառված են հետևյալ առարկաները. «Նյութի կառուցվածք» (32 ժ.), «Քվանտային քիմիա» (32 ժ.) և «Հետազոտության ֆիզիկական մեթոդներ» (32 ժ.), «Բյուրեղագիտություն» (32 ժ.) - ընդամենը 112 ժամ, չհաշված լաբորատոր և գործնական աշխատանքներին հատկացված ժամերը և դասավանդվող «Ֆիզիկա» առարկան (124 ժ.), որի մեջ զգալի ժամեր են հատկացված «Օպտիկային», «էլեկտրականությանը», «Ատոմի կառուցվածքին», «Քվանտային մեխանիկային» և այլն։

Այսպիսով, «Ֆիզիկական քիմիա» առարկային հատկացված ոչ ավել քան 100 ժամը իր ծավալով զիջում է նշված առարկաների դասավանդման համար նախատեսված ժամաքանակին։

Հետևաբար, աննպատակահարմար է առանց այն էլ «Ֆիզիկական քիմիային» հատկացված փոքր ժամաքանկի հաշվին նորից կրկնություններ անել։ Հարկավոր է պարզապես ըստ պահանջի կիրառել այդ առարկաների դասավանդման միջոցով տված կոնկրետ գիտելիքները։

Այս նկատառումով դասագրքի բովանդակությունը լրիվ համապատասխանում է այս գաղափարին։ Դասագրքում շարադրված է այն նյութը, որը դասավանդվում է «Ֆիզիկական քիմիա» առարկայի համար նախատեսված ծրագրի շրջանակում։

 Սույն դասագրքի հեղինակը 1976-ից մինչև 2001 թ. դասավանդել է «Ֆիզիկական քիմիա» առարկան ԵՊՀ-ի քիմիայի ֆակուլտետի «Քիմիա» մասնագիտացման բաժնում։ Այդ տարիների ընթացքում պատրաստվել են ընդհանուր կոնսպեկտներ դասավանդվող բաժինների վերաբերյալ, որոնք ամեն տարի լրացվել, փոփոխվել են ըստ հեղինակի կատարած դիտարկումների, քննարկումների և լույս տեսած նոր դասագրքերի։

«Թերմոդինամիկա» գլխում «Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը» քննարկելիս ռուսալեզու և անգլիալեզու դասագրքերի հեղինակների միջև հետևյալ հարցում սկզբունքային տարբերություն կա։ Պայմանականորեն ո՞ր «աշխատանքը» համարել դրական և ո՞րը բացասական։ Այս հարցին անդրադարձել ենք տարբեր տեղերում և քննարկել այնպես, որ նշված երկու լեզուներով դասագրքերից օգտվելիս հայ ուսանողի մոտ թյուրիմացություն չառաջանա։

Առավել մանրամասն քննարկման նյութ է դարձել առարկայի բնույթը կոնցեպտուալ առումով։ Տարիների մեր մանկավարաժական փորձը բերել է այն համոզման, որ գիտության այնպիսի կոնկրետ և ինքնուրույն բաժիններ, ինչպիսիք են ֆոտոքիմիան, էլեկտրաքիմիան, կոլլոիդների քիմիան նշված վերտառություններով չպետք է մտնեն «Ֆիզիկական քիմիայի» դասընթացի մեջ որպես առանձին գլուխներ։

Դասագրքի կառուցվածքի հիմքում հետևյալ սկզբունքն է. ցանկացած քիմիական համակարգ գտնվում է կամ «հավասարակշռական վիճակում», որն ուսումնասիրում է թերմոդինամիկան, կամ «փոփոխվող» վիճակում, որն ուսումնասիրում է քիմիական կինետիկան, անկախ այն բանից, թե համակարգն ինչպիսին է. գազ է, պինդ, հեղուկ, հոմոգեն թե հետերոգեն, կամ համակարգը կազմող մասնիկները լիցքավորված են, թե ոչ։

Ֆիզիկական քիմիան միայն շարադրում է այն ընդհանուր սկզբունքները, որոնք գտնվում են թերմոդինամիկայի և քիմիական կինետիկայի հիմքում, առանց քննարկելու գիտության տվյալ բնագավառի ուսումնասիրության առարկա հանդիսացող որոշ կոնկրետ հարցեր, բնականաբար լայնորեն օգտագործելով տեսական ֆիզիկայի և նյութի կառուցվածքի մասին հայտնի նվաճումները։

Ենթաբաժինները պետք է իրար հետ կապված լինեն գաղափարական (կոնցեպտուալ) և սկզբունքային ընդհանրություններով։

Այժմ դասագրքի ծավալի մասին։

Սկսած 1991 թվականից Հայաստանի Հանրապետությունը որդեգրել է զարգացման նոր ուղի։ Այն վերաբերում է նաև կրթական համակարգին։

 Այժմ բարձրագույն կրթությունն եռաստիճան է։ Յուրաքանչյուր աստիճան ունի իր առանձնահատկությունները, որպես «ընդհանուր» և «խորացված» մասնագիտական ուսուցում։

Դասագրքում շարադրված նյութն իր ծավալով և բովանդակությամբ ավելի է, քան համապատասխանում է բակալավրիատի ծրագրին։ Դասախոսն ինքը պետք է կատարի համապատասխան ընտրություն ղեկավարվելով գործող ծրագրերի պահանջով։ Դասագրքում կան հարցեր, նաև բաժիններ, որոնք մտնում են մագիստրատուրայի ծրագրի մեջ. օրինակ, «Վիճակագրական թերմոդինամիկա», «Անդարձելի պրոցեսների թերմոդինամիկա», քիմիական կինետիկայի և կատալիզին վերաբերող առանձին հարցեր։ Այս առումով սույն դասագիրքը կարող են օգտագործել նաև մագիստրատուրայում սովորողները։

Անհրաժեշտ ենք համարում հատուկ նշել, որ դասագրքում շարադրված նյութն իր ողջ բովանդակությամբ լրիվ համահունչ է այսօր համաշխարհային ճանաչում ունեցող Լոմոնոսովի անվան Մոսկվայի պետական համալսարանի քիմիայի ֆակուլտետում օգտագործվող ֆիզիկական քիմիայի ընդհանուր ծրագրին։

Կասկածից դուրս է, որ ընդհանրապես ցանկացած ճշգրիտ գիտություն, այդ թվում նաև ֆիզիկական քիմիան, չի կարող պատշաճ ձևովյուրացվել առանց խնդիրներ լուծելու։

Այս նկատառումով հեղինակը համարյա բոլոր բաժիններում մտցրել է խնդիրներ իրենց լուծումներով նպատակ ունենալով օգնել ուսանողին ավելի լավ յուրացնելու տվյալ բաժնում շարադրված տեսական նյութը։ Առանց լուծման խնդիրներ չկան, որովհետև սա դասագիրք է և ոչ թե խնդրագիրք։ Օգտագործվել են տարբեր խնդրագրքեր, որտեղ բերված են նաև առաջադրվող խնդիրների լուծումները։

Վերջին հարցը։ Ի՞նչը ստիպեց հեղինակին ձեռնարկելու դասագիրք գրել։ Խորհրդային ժամանակաշրջանում բոլոր գրադարանները, այդ թվում ԲՈՒՀ-ական, անհրաժեշտ քանակով դասագրքեր էին ստանում, ճիշտ է, հիմնականում ռուսերեն։ Այդ դասագրքերը վաճառվում էին նաև, այն էլ շատ մատչելի գներով։ Նույնը վերաբերում էր նաև մասնագիտական գրականությանը։

Հիմա տրամագծորեն փոխվել է իրավիճակը։ Դասագրքեր չեն ստացվում, վաճառքում էլ չկան։ Եթե հատուկենտ դասագիրք է հայտնվում, ապա այն գնի իմաստով բոլորին մատչելի չէ, ԲՈՒՀ-ն էլ չի կարող դասագրքեր գնել, մանավանդ արտասահմանից, այն էլ մի քանի տասնյակ օրինակով։ Բացի այդ, դպրոցի շրջանավարտներն ի վիճակի չեն օգտվելու օտար լեզվով մասնագիտական գրքերից։

Այժմ, երբ առաջին դասախոսության ժամանակ դասագրքեր են հանձնարարվում, հիմնական հարցը լինում է «իսկ հայերեն չկա՞»։ Ֆիզիկական քիմիայի գծով մեր գրադարանն ի վիճակի չէ բավարարել ուսանողների պահանջարկը։ Հայերեն լեզվով կան երկու հեղինակների Հ.Հ. Չալթիկյանի և Ս.Կ. Գրիգորյանի դասագրքերը, բայց դրանք լրիվ չափով չեն համապատասխանում համալսարանի քիմիայի ֆակուլտետում գործող ծրագրերին։

Այս հանգամանքները ստիպեցին փորձել այդ «բացերը» վերացնելու նպատակով մայրենի լեզվով դասագիրք գրել։

Հեղինակը նախօրոք շնորհակալություն է հայտնում այն բոլոր ընթերցողներին, որոնք իրենց դիտողությունները և ցանկությունները կնշեն դրանք հաշվի առնելու միջոցով հետագայում ավելի կատարյալ դասագրքեր լույս ընծայելու համար։

Բարոյական պարտքս եմ համարում խորին շնորհակալություն հայտնել ներքոհիշյալ քիմ. գիտ. դոկտոր-պրոֆեսորներին, որոնք ՀՀ տարբեր համալսարաններում դասավանդել կամ դասավանդում են «Ֆիզիկական քիմիա».

1.    Գրիգորյան Գառնիկ Լևոնի (ԵՊՀ)

2.    Գրիգորյան Սերգեյ Կոնստանտի (ԵՊՀ)

3.    Դավթյան Սևան Պարույրի, ՀՀ ԳԱԱ թղթ. անդամ (ՀՊՃՀ)

4.    Ենգոյան Ալեքսանդր Փայլակի (դաս. Հայկական Սլավոնական համալսարան)

5.    Երիցյան Մեժլում Լևոնի (ՀՊՄՀ)

6.    Շահինյան Արամ Արտաշեսի (ՀՀ ԳԱԱ ակադեմիկոս)

7.    Հարությունյան Ռոմիկ Սուրենի (ԵՊՀ)

8.    Ղազարյան Հրաչիկ Արմենակի (Վանաձորի ՊՀ)

9.    Վարդանյան Ռազմիկ Լևոնի (Գորիսի ՊՀ)

10.   Քամալյան Օլեգ Արմանի (ՀԱԱՀ)

Նրանք մանրամասն ծանոթացել են դասագրքի բովանդակության հետ և գրավոր ներկայացրել են իրենց դրական պաշտոնական կարծիքը։

Խորին շնորհակալություններ

«Մոնրեալի եգիպտահայերի ընկերակցությանը» և իր «Մաշտոց կրթական հիմնադրամին», որոնք հանդիսացել են դասագրքի զույգ հատորների մեկենասները։

>>

ԳԼՈՒԽ  I

ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻ ԱՌԱՐԿԱՆ, ՀԻՄՆԱԿԱՆ ԲԱՂԱԴՐԻՉ ՄԱՍԵՐԸ

ԵՎ ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆ ՄԵԹՈԴՆԵՐԸ

Քիմիական ռեակցիաներն առհասարակ խթանվում են ֆիզիկական ազդակներով: Օրինակ, քայքայվում է ջերմության ներգործությամբ.

Սենյակային ջերմաստիճանում տարրերից քլորաջրածին սինթեզելու համար անհրաժեշտ է  խառնուրդը լուսավորել:

Ցածր ջերմաստիճաններում ջուրը կարելի է քայքայել այն էլեկտրոլիզի ենթարկելով.

և այլն:

Քիմիական ռեակցիաների ընթացքում դիտվում են տարբեր ֆիզիկական երևույթներ, ինչպես օրինակ ջերմության անջատում.

Տարածականորեն իրարից անջատված էլեկտրոդների վրա ընթացող օքսիդավերականգնման ռեակցիաների հետևանքով առաջանում է էլեկտրական հոսանք, օրինակ.

Կարելի է բազմաթիվ օրինակներ բերել:

Ընդհանրացնելով կարելի է եզրակացնել, որ սերտ կապ գոյություն ունի քիմիական ռեակցիաները խթանող ազդակների, այդ ռեակցիաների ընթացքի և դրանց ընկերակցող ֆիզիկական երևույթների միջև: Տեղին է նշել, որ մատերիան չի կարող փոխարկվել առանց էներգիայի փոփոխության: Հետևաբար մատերիայի (նաև կոնկրետ նյութի) փոխարկումը և էներգիայի փոփոխությունն իրարից անբաժան են: Իսկ քիմիան գիտություն է նյութի մասին:

Ֆիզիկական քիմիան քանակապես և բազմակողմանիորեն ուսումնասիրում է նշված երևույթների փոխադարձ կապը: Գիտության այդ բաժնի էությունը ճիշտ հասկանալու և բնութագրելու համար պետք է նկատի առնել, որ «քիմիան» գոյականն է, իսկ «ֆիզիկականը»` ածականը:

Քիմիական ռեակցիայի ընթացքում տեղի է ունենում քիմիական շարժում: Մինչև քիմիական ակտի ավարտը տեղի է ունենում ռեագենտների բաղադրության և կառուցվածքի փոփոխություն: Հետևաբար, ռեակցիայի ավարտից հետո առաջանում է (են) արգասիքը (արգասիքները) նոր բաղադրությամբ և կառուցվածքով: Այդ ընթացքում փոխվում են նաև քիմիական կապերի տատանումների հաճախությունները, միջուկների շուրջ էլեկտրոնային ամպի խտությունը: Կարող են տեղի ունենալ նաև էլեկտրոնային վիճակի գրգռում, իոնացում և այլն: Սա արդեն քիմիական ակտի ֆիզիկան է:

Սա նշանակում է, որ ֆիզիկական քիմիայի ուսումնասիրության առարկան նյութի փոխարկումներն են, որոնց ընթացքում շարժման քիմիական ձևը վերածվում է շարժման այլ ձևերի, օրինակ, էլեկտրականի: Այս իմաստով կենսաբանական պրոցեսները նույնպես հանդիսանում են ֆիզիկական քիմիայի ուսումնասիրության առարկան: Ֆիզիկական քիմիան դիտարկում և քանակապես քննարկում է բոլոր քիմիական երևույթները:

Պետք է նշել, որ ցանկացած համակարգ կարող է գտնվել հավասարակշռական վիճակում, երբ համակարգի բաղադրությունը չի փոփոխվում, ինչպես նաև առանձին բաղադրիչները պահպանում են իրենց ագրեգատային վիճակը: Ի՞նչ օրենքներով են նկարագրվում քիմիական հավասարակշռությունը, ֆազային անցումները, որոնք հավասարապես համարվում են ֆիզիկական քիմիայի ուսումնասիրության առարկաներ:

Ուրեմն, ֆիզիկական քիմիան գիտություն է քիմիական պրոցեսների ընթացքի օրինաչափությունների մասին: Այդ օրինաչափությունները քննարկվում են ֆիզիկայի հիմնարար դրույթների, օրենքների հիման վրա, նպատակ ունենալով դրանք բացատրել քանակապես, այսինքն, մաթեմատիկայի լեզվով:

Հետևաբար, ֆիզիկական քիմիան ընդգրկում է քիմիական փոխարկումների տեսության հետ կապված բոլոր հարցերը և մակրոսկոպիական մեթոդներով քննարկում է ֆիզիկական գործոնների ազդեցությունը ռեակցիաների, ինչպես նաև նյութի քիմիական բաղադրության և կառուցվածքի ազդեցությունն այդ նյութի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների վրա: Բոլորովին պատահական չէ, որ ֆիզիկական քիմիան որպես ճշգրիտ գիտություն սկսեց կազմավորվել XIX դարում` պատմական մի ժամանակահատվածում, երբ բուռն զարգացում էր ապրում քիմիական արդյունաբերությունը: Արդյունաբերության ցանկացած ոլորտում խնդիրներ էին առաջանում, որոնք պահանջում էին արագ և հիմնավոր լուծում: Այդ լուծումը պետք է լիներ տեսականորեն խիստ հիմնավորված, որին նպաստում էին (քիմիական) թերմոդինամիկան և կինետիկան: Հենց այս բնագավառներում տարվող հետազոտությունների արդյունքներն էին նպաստում ծառացած տեխնոլոգիական կարևորագույն խնդիրների լուծմանը:

Ֆիզիկա-քիմիական ուսումնասիրությունների նպատակն է ձևակերպել օրենքներ, որոնք հնարավորություն կտան կանխորոշել այս կամ այն ռեակցիայի ընթանալու պայմանները և ընթանալու դեպքում` ուղղությունը, արագությունը և այլն:

Այս նպատակն իրագործելու, այսինքն նշված երևույթների միջև փոխադարձ կապը բացահայտելու համար, ֆիզիկական քիմիան հենվում է ճշգրիտ փորձնական տվյալների վրա: Վերլուծելով փորձերի արդյունքները և համակարգելով դրանք, առաջ են քաշվում վարկածներ, որոնք ամրագրվում են որոշակի փաստարկներով: Դրանք անընդհատ լրացվում են, ճշգրտվում:

Բնական է, որ միևնույն երևույթի մեկնաբանման համար կարող են առաջարկվել մեկ կամ մեկից ավելի տրամաբանական բացատրություններ: Բայց ժամանակի ընթացքում դրանցից մեկն է դառնում առավել հիմնավորվածը, փաստարկվածը և ընդունելին: Այս ուղիով է վարկածն ի վերջո դառնում տեսություն:

Տեսությունը դառնում է հիմնավորված, հստակ և ձեռք է բերում ընդհանրացնող ուժ, երբ ձևակերպվում է օրենքի (օրենքների) տեսքով և արտահայտվում մաթեմատիկական բանաձևերի և հավասարումների միջոցով:

Քիմիական բազմաթիվ երևույթների ֆիզիկական էությունը հասկանալի դարձավ շնորհիվ քվանտային մեխանիկայի նվաճումների: Օրինակ, հնարավոր եղավ բացատրել այնպիսի չափազանց կարևոր մի հասկացություն, ինչպիսին քիմիական կապն է: Քվանտային մեխանիկայի հիմքի վրա ձևավորվեց քվանտային քիմիան` մոլեկուլի քվանտային մեխանիկան: Չնայած այն բանին, որ քվանտային քիմիան համարվում է տեսական ֆիզիկայի բաժին [1], այնուամենայնիվ եթե մինչև քվանտային մեխանիկայի ստեղծումն ու զարգացումը գերակշռում էր փորձ-տեսություն անցումը, ապա այժմ հնարավոր է իրականացնել նաև հետադարձ` տեսություն-փորձ կապը: Ուրեմն հիմա կարելի է զուտ տեսական քննարկումներ կատարել, եզրակացությունների հանգել, դրույթներ ձևակերպել, որից հետո դրանց հավաստիությունը ստուգել փորձերով: 

Շարադրվածը բավարար է համոզվելու համար, որ ֆիզիկական քիմիան քիմիական գիտության հիմնաքարն է, առանց որի անհնար է նաև քիմիական արդյունաբերության կազմակերպումը:

Քանի որ ֆիզիկական քիմիան ընդգրկում է իրար հետ անմիջականորեն առնչվող ֆիզիկական և քիմիական բնույթի բազմաթիվ խնդիրներ, այս պատճառով էլ ֆիզիկաքիմիկոսը հավասարապես պետք է տիրապետի ինչպես քիմիային, այնպես էլ ֆիզիկային և մաթեմատիկային:

Ուսմունք նյութի կառուցվածքի մասին: Այս հարցը ընդհանուր հետաքրքրություն է ներկայացնում:

Նշվեց, որ քիմիան գիտություն է նյութի մասին: Քիմիական ռեակցիան մի պրոցես է, որի ընթացքում փոխվում է նյութի բաղադրությունը և կառուցվածքը: Սա նշանակում է, որ ռեակցիայի ընթացքում փոփոխվում են ռեագիրող նյութի բաղադրությունը և դրա մեջ մտնող ատոմների տեսակն ու թիվը, ինչպես նաև այդ ատոմների իրար նկատմամբ ունեցած դասավորվածությունը, այսինքն կառուցվածքը: Ուրեմն, ռեակցիայի ընթացքում տեղի է ունենում ներմոլեկուլային շարժում, որի օրինաչափությունները հասկանալու, քանակապես նկարագրելու և բացատրելու համար առաջին հերթին պետք է ճանաչել այդ շարժմանը մասնակցող մասնիկները (ատոմներ, մոլեկուլներ, իոններ և այլն): Նյութի կառուցվածքի մասին ուսմունքն է, որը կարող է հնարավորություն տալ ճանաչել այդ մասնիկները:

Նյութի կառուցվածքի մասին ուսմունքը հավասարապես պետք է քիմիայի ցանկացած բնագավառի համար, անօրգանական, օրգանական և այլն: Բայց այն առավել չափով ներառվեց ֆիզիկական քիմիայի մեջ, որովհետև ըստ էության ֆիզիկական քիմիայի հիմնական խնդիրն է քիմիական երևույթների քանակական բացատրությունը հենվելով ֆիզիկայի ձևակերպած օրենքների վրա: Հետևաբար, հեշտ է նկատել, որ նշված հարցադրումն իր էությամբ նաև վերաբերում է ֆիզիկային: Այն գիտություն է, որն ուսումնասիրում է բնության մեջ ընթացող տարբեր պրոցեսների հետ նաև մատերիայի հատկություններն ու կառուցվածքը և մատերիայի շարժման օրինաչափությունները: Այս առումով միանգամայն օրինաչափ է, որ ֆիզիկական քիմիան մեծ չափով օգտագործում է ֆիզիկական տարբեր մեթոդներ, այդ թվում նաև սպեկտրոսկոպիան: Այն լինելով ֆիզիկայի բաժիններից մեկը ուսումնասիրում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման փոխազդեցությունը նյութի հետ: Այդպիսի ուսումնասիրությունները արժեքավոր տեղեկություններ են տալիս առանձին վերցրած և այլ նյութերի հետ փոխազդեցության մեջ գտնվող նյութի կառուցվածքային առանձնահատկությունների մասին:

XX-րդ դարի շեմին տեսական և փորձառական ֆիզիկայի դարակազմիկ նվաճումները, հայտնագործությունները հնարավորություն տվեցին պարզելու ատոմի կառուցվածքը, պարզաբանելու էլեկտրոնների դերն ու նշանակությունը քիմիայում, հասկանալու քիմիական կապի բնույթը: Միանգամայն փոխվեց քիմիայի դեմքը. այն ըստ էության դարձավ ճշգրիտ գիտություն: Ֆիզիկան լայն մասշտաբով ներթափանցեց քիմիայի մեջ, որովհետև պարզ դարձավ, որ ինչպես ատոմների, այնպես էլ մոլեկուլի կառուցվածքի մասին գիտելիքների հիմնական աղբյուրը ֆիզիկան է:

Անցյալ դարի 20-ական թվականներին արդեն ձևավորված էր քվանտային մեխանիկան, որից շուտով ծնվեց քվանտային քիմիան, որի առաջին հիմնարար խնդիրը դարձավ բացահայտել քիմիական ուժերի և վալենտականության էությունը: Սա նոր աստիճանի բարձրացրեց մոլեկուլների կառուցվածքի մասին ուսմունքը:

Այս հիմնարար հարցում քիմիայի և ֆիզիկայի սերտաճը տարբեր երկրներում միաժամանակ սկիզբ դրեց բնագիտության մեջ մի նոր բնագավառի ստեղծմանը, որը հետագայում կոչվեց «քիմիական ֆիզիկա»: Ուշադրություն պետք է դարձնել այն հանգամանքի վրա, որ տվյալ բառակապակցության մեջ արդեն «ֆիզիկան» է գոյականը, իսկ «քիմիականը» պարզապես ածական է: Հետևաբար տվյալ պարագայում ուսումնասիրության հիմնական ոլորտը քիմիական ռեակցիայի ֆիզիկան է, քիմիայի ֆիզիկական հիմունքները: Տվյալ բառակապակցության մեջ «ֆիզիկայի» գոյական լինելը հուշում է, որ ուսումնասիրության առարկան մեկուսացած մասնիկն է, ատոմ, մոլեկուլ: Այդ մասնիկների վարքը կարելի է նկարագրել միայն քվանտային և ոչ թե դասական մեխանիկայի դրույթներով: Հետևաբար քիմիական ֆիզիկան ուսումնասիրում է մեկուսացած մասնիկները և դրանց մասնակցությամբ ընթացող քիմիական ռեակցիան, որն ըստ էության տարրական ակտ է: Ի տարբերություն` ֆիզիկական քիմիան գործ ունի շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված համակարգերի հետ (հիշել մոլ հասկացությունը, որը վերաբերում է Ավոգադրոյի թվով մասնիկների հավաքույթին), դրա համար էլ օգտվում է ուսումնասիրության մակրոսկոպիական մեթոդներից:

Տեղին է նշել քիմիայի բնագավառում Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր ակադեմիկոս Ն.Ն.Սեմյոնովի հետևյալ միտքը. «Շնորհիվ այն բանի, որ քիմիայի մեջ թափանցեցին տեսական ֆիզիկան և ֆիզիկայի փորձառական մեթոդները ծնվեց գիտության մի ուրույն ճյուղ`քիմիական ֆիզիկան-քիմիական փոխարկումների և մոլեկուլի կառուցվածքի ֆիզիկան» [2]:

Այս հարցին անհրաժեշտ էր անդրադառնալ ցույց տալու համար, որ ֆիզիկական քիմիան և քիմիական ֆիզիկան իրար հետ շփոթել չի կարելի: Դրանք թեև երկվորյակ են, հետևաբար շատ հարազատ, բայց դրանցից յուրաքանչյուրն ունի իր «անհատականությունը», այսինքն ուսումնասիրության իր խնդիրները, մեթոդները և զարգացման իր ուղին: Այնուամենայնիվ երկուսի վերջնական նպատակը մեկն է. բացահայտել քիմիական ռեակցիայի մեխանիզմը այն գիտակցորեն կառավարելու համար: Այս հարցին նորից ենք անդրադառնալու «Քիմիական կինետիկա» (գլուխ XXIV) բաժնում:

Ռեագենտը կարող է գտնվել ցանկացած ագրեգատային վիճակում, մասնավոր դեպքում լինել նաև բյուրեղային: Նյութի բյուրեղային վիճակի մասին ուսմունքը` բյուրեղագիտությունը պետք է դիտել որպես նյութի կառուցվածքի մասին ուսմունքի ինքնուրույն մաս: Նշված հարցը հանգամանորեն դասավանդվում է առանձին ծրագրով, որի մասին նշվեց սույն դասագրքի «Հեղինակի կողմից» ներածականում:

Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական բաղադրիչ մասերն են.

1. Քիմիական թերմոդինամիկան:

Ֆիզիկական քիմիայի այս բաժինը ուսումնասիրում է ջերմության` մեխանիկական, մասնավորաբար քիմիական աշխատանքի փոխակերպման և հակառակ ընթացքի օրինաչափությունները: Ընդհանրապես ուսմունք է հավասարակշռության, մասնավորաբար քիմիական հավասարակշռության և այն բնութագրող, նկարագրող օրենքների մասին: Ուսումնասիրության օբյեկտները բազմազան են. պինդ, հեղուկ և գազային նյութեր, ոչէլեկտրոլիտների և էլեկտրոլիտների լուծույթներ, հոմոգեն և հետերոգեն համակարգեր, ֆազային անցումներ, բնական է նաև քիմիական համակարգեր և այլն: Քիմիական թերմոդինամիկայի կարևոր բաղադրիչներից մեկը ջերմաքիմիան է:

2. Քիմիական կինետիկան:

Քիմիական ռեակցիայի ընթացքում փոփոխվում է համակարգի բաղադրությունը: Կինետիկան ուսմունք է քիմիական ռեակցիաների արագության և մեխանիզմի մասին:

Փաստորեն քիմիական կինետիկան մակրոսկոպիական մեթոդով և մակարդակով քանակապես ուսումնասիրում է, թե համակարգի բաղադրությունն ինչ փոփոխություն է կրում ժամանակի ընթացքում և ինչպես, ի տարբերություն քիմիական ֆիզիկայի, որն ուսումնասիրում է քիմիական տարրական ակտի ֆիզիկան կիրառելով ատոմային (միկրոաշխարհի) ֆիզիկայի դրույթներն ու օրենքները:

Կատալիզը քիմիական կինետիկայի բաղադրիչներից մեկն է: Այն օրգանապես կապված է ռեակցիայի արագության և մեխանիզմի հետ, որոնց վրա ազդում է կատալիզատորը:

Կախված այն բանից, թե ինչ ասպեկտով է քննարկվում ֆոտոքիմիան, այն կարող է քննարկվել նյութի կառուցվածքի կամ քիմիական կինետիկայի բաժնում:

Նման տեսանկյունով, սկզբունքով մոտենալու դեպքում, էլեկտրաքիմիայի տեսական հիմունքները քննարկվում են քիմիական թերմոդինամիկայի բաժնում որպես հոմոգեն և հետերոգեն քիմիական հավասարակշռություններին վերաբերող երևույթներ, որոշ հարցեր էլ քիմիական կինետիկայի բաժնում, օրինակ, էլեկտրոդային պրոցեսների կինետիկան:

Այս առումով կարելի է նշել, որ կատալիզը, ֆոտոքիմիան, էլեկտրաքիմիան, կոլլոիդների քիմիան և այլն իրենց սկզբունքներով, մեթոդաբանությամբ սերտորեն կապված լինելով ֆիզիկական քիմիայի հետ (քանի որ դրանք սերում են ֆիզիկական քիմիայից), ունեն իրենց ուրույն պրոբլեմները, հարցադրումները, դրանք լուծելու իրենց մշակած մեթոդները: Նույնը կարելի է ասել ֆիզիկական-օրգանական, կենսաֆիզիկական քիմիաների և այլ համանման դիսցիպլինների մասին:

Այս բոլորը ֆիզիկական քիմիայի դրույթների վրա հիմնված, բայց ուրույն զարգացում անցած և այժմ բուռն զարգացում ապրող գիտության բնագավառներ են: Այս իմաստով, մեր պատկերացմամբ աննպատակահարմար է «ֆիզիկական քիմիա» ընդհանուր առարկայի մեջ դրանք ընդգրկել` դիտելով որպես ֆիզիկական քիմիայի առանձին գլուխներ: Բնական է,որ գիտության որևէ ինքնուրույն ճյուղ չի կարող գիտության մի այլ ճյուղի մասը լինել:

Ֆիզիկական քիմիան որպես մի միասնական առարկա շարադրելու համար անհրաժեշտ է «տեղափոխման (տրանսպորտի) հարցերը» քննարկել որպես մի առանձին բաժին:

Տեղափոխման (տրանսպորտի) երևույթներն են դիֆուզումը, գազի և հեղուկի հոսքը, էլեկտրահաղորդականությունը, ջերմահաղորդականությունը: Այս երևույթները քննարկվում են դիտելով մասնիկներն անվերջ շարժման մեջ, որի ընթացքում անընդհատ փոփոխվում են մոլեկուլների կոորդինատները: Ըստ էության դրանք ոչ դարձելի պրոցեսներ են, որոնք թեև ուսումնասիրում է ֆիզիկական կինետիկան, բայց լայնորեն օգտագործվում և քննարկվում են ֆիզիկական քիմիայում որպես շատ կարևոր և տարբեր երևույթներ իրար հետ շաղկապող բաժին:

Ֆիզիկական քիմիան օգտվում է ընդհանրապես համակարգերը, այդ թվում նաև քիմիական ռեակցիաները, ուսումնասիրելու հետևյալ մեթոդներից.

1. Քվանտա-մեխանիկական մեթոդ, որի հետ սերտորեն կապված է քվանտային քիմիան:

Նշվեց քիմիական շարժման իմացության կարևորությունը: Հայտնի է, որ միկրոաշխարհի նկատմամբ կիրառելի չեն դասական մեխանիկայի, նաև ֆիզիկայի օրենքները: Բացի տարրական մասնիկներից, այդ «աշխարհի» մեջ են մտնում նաև ատոմները, մոլեկուլները, իոնները, ազատ ռադիկալները: Բնական է, որ այդ մասնիկների վարքը կարելի է հասկանալ և բացատրել կիրառելով ուսումնասիրության քվանտա-մեխանիկական մեթոդը: Նշված տիպի մասնիկների նկատմամբ քվանտային մեխանիկայի դրույթների կիրառումը քվանտային քիմիայի ուսումնասիրության առարկան է:

Ուսումնասիրվող առարկան, օբյեկտը միկրոսկոպիական է, որն ընկալելի չէ մեր զգայարանների կողմից: Այս հարցերը մանրամասնորեն լուսաբանվում են ուսումնական առանձին ծրագրերով, որպես ինքնուրույն դասընթացներ:

2. Թերմոդինամիկական մեթոդը հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրելու հավասարակշռական վիճակում գտնվող համակարգերը` կիրառելով թերմոդինամիկայի օրենքները, առանց հաշվի առնելու քննարկվող նյութի կառուցվածքը և մի վիճակից մի այլ վիճակի անցման համար պահանջվող ժամանակը, ինչպես նաև անցման մեխանիզմը: Նշված մեթոդը կիրառելի է մեր զգայարանների կողմից ընկալելի և շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված մակրոսկոպիական համակարգերի նկատմամբ: Հավասարակշռական թերմոդինամիկայի հիմնական օրենքների մեջ ժամանակը որպես պարամետր չի մտնում:

3. Վիճակագրական թերմոդինամիկայի մեթոդը հիմնված է վիճակագրական մեխանիկայի և ֆիզիկայի հիմնադրույթների վրա:

Ցանկացած քիմիական ուսումնասիրության օբյեկտ կազմված է շատ մեծ թվով մասնիկներից: Օրինակ,   պարունակում է  հատ ատոմ, կամ 0,2 գ ջրածինը, որը նորմալ պայմաններում զբաղեցնում է 2,24 լ ծավալ, պարունակում է  հատ մոլեկուլ և այլն:

Այդպիսի համակարգեր ուսումնասիրելու ամենահուսալին և արդյունավետը վիճակագրական մեթոդն է, որն օգտվում է քննարկվող մասնիկների կառուցվածքային պարամետրերից և հավանականությունների տեսությունից, հնարավորություն է տալիս լուծելու բազմապիսի տեսական հիմնահարցեր, խնդիրներ, այդ թվում հաշվելու այնպիսի մի կարևոր մեծություն, ինչպիսին հավասարակշռության հաստատունն է:

4. Կինետիկական մեթոդ: Հիմքում մակրոսկոպիական պարամետրերի ազդեցության ուսումնասիրությունն է քննարկվող համակարգի նկատմամբ, ինչպիսիք են ռեագիրող նյութերի կոնցենտրացիան, ջերմաստիճանը, միջավայրը (լուծիչը) և այլն: Դրա կիրառությունը հնարավորություն է տալիս նյութի ռեակցիոնունակության մասին քանակական տվյալներ ստանալ, որոնց միջոցով կոնկրետ եզրակացություններ անել քննարկվող նյութի կառուցվածքային առանձնահատկությունների մասին: Հնարավորություն է ստեղծում նաև լուծել շատ կարևոր հակադարձ խնդիրը. հաշվի առնելով նյութի կառուցվածքային առանձնահատկությունները կանխատեսել ինչ որ մի կոնկրետ նյութի նկատմամբ այդ նյութի ցուցաբերելիք ռեակցիոնունակությունը:

Այսպիսով, ֆիզիկական քիմիայի հիմնական խնդիրն է անկախ բնույթից կանխատեսել որևէ քիմիական ռեակցիայի ընթացքը այն գիտակցորեն ղեկավարելու համար: Քիմիական գիտության համար այս հույժ կարևոր հիմնահարցը լուծվում է կիրառելով այն սկզբունքները, որոնք ընդհանուր գծերով շարադրվեցին:

Որպես վերջաբան ցանկանում ենք նշել հետևյալը: Եթե քիմիկոսը ինչ որ պրոցես պետք է ներդնի արդյունաբերության մեջ, ապա այդ գործընթացին մասնակցում են նաև ճարտարագետն ու տեխնոլոգը: Բայց այդ անհրաժեշտ համագործակցությունը արդյունք չի կարող տալ մինչև որ առաջադրվող պրոցեսը ֆիզիկական քիմիայի մեթոդներով մանրամասն չհետազոտվի. դա մասնավորաբար վերաբերում է պրոցեսի թերմոդինամիկային և կինետիկային:

>>

ԳԼՈՒԽ II

ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՀԱՍԿԱՑՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՄԵԾՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ: ՉԱՓՄԱՆ ՄԻԱՎՈՐՆԵՐ

Երևույթներ սահմանելու, քննարկելու և բացատրելու համար հասկացություններ և մեծություններ են օգտագործվում:

Մտքերը հստակ արտահայտելու համար անհրաժեշտ է որոշակի սկզբունքով, մի տեսանկյունից սահմանել կոնկրետ հասկացություններ, որոշակի եզրեր (տերմիններ):

1. Մակրոմարմին է կոչվում մեծ թվով մասնիկներից կազմված համակարգը:  ծծումբը պարունակում է   հատ ատոմ: Չնայած այդ նմուշի շատ փոքր զանգվածին, այնուամենայնիվ դա մակրոմարմին է: Այն նաև թերմոդինամիկական համակարգ է համարվում:

2. Համակարգը տիեզերքի մաս կազմող նյութական օբյեկտ է, որը կազմված է շատ մեծ թվով մասնիկներից: Այն մտովի առանձնացնում են ուսումնասիրելու համար: Համակարգը տիեզերքից առանձնացնելուց հետո ինչ որ մնում է կոչվում է շրջապատ: Համակարգի և շրջապատի միջև բաժանող սահման կա, որն ըստ էության մակերևույթ է: Այդ բաժանող սահմանի բնույթով է պայմանավորված համակարգի ինչպիսին լինելը և համակարգ / շրջապատ փոխհարաբերությունը:

Ըստ այդ փոխհարաբերության համակարգերը լինում են.

ա. մեկուսացած: Սա այն համակարգն է, որը շրջապատի հետ ոչ նյութ է փոխանակում, ոչ էլ էներգիա: Օրինակ, գազով լցված փակ անոթը, որը տեղադրված է թեփով լցված արկղի մեջ:

բ. փակ: Համակարգը փակ է համարվում, երբ այն շրջապատի հետ կարող է էներգիա փոխանակել, բայց բացակայում է նյութի փոխանակումը: Օրինակ, ջրով լցված փակ անոթը:

գ. բաց: Այսպիսի համակարգը շրջապատի հետ և նյութ է փոխանակում և էներգիա: Բաց համակարգի տիպական օրինակ է մարդը:

3. Համակարգերը լինում են հոմոգեն և հետերոգեն (տարասեր):

Հոմոգեն համակարգը համասեր է: Այդ համակարգը բնութագրող հատկությունները (ջերմաստիճան, ճնշում, խտություն) կամ հաստատուն են, կամ էլ փոփոխվում են անընդհատ: Առաջին դեպքում հոմոգեն համակարգը նաև միասեռ է (однородный): Օրինակ, թերմոստատում գտնվող բալոնով ջուրը: Այդ ծավալի յուրաքանչյուր մասից նմուշ վերցնելով և հետազոտելով կարձանագրվի նույն բաղադրությունը, ջերմաստիճանը, խտությունը:

Եթե հոմոգեն համակարգում նշված մեծությունները անընդհատ են փոխվում, ապա այդպիսի հոմոգեն համակարգը տարասեռ է (разнородный): Օրինակ, եթե քննարկենք միայն օդ պարունակող 2500 մ բարձրությամբ մի սյուն, կնկատենք, որ երկրի մակերևույթից բարձրանալուն զուգահեռ անընդհատ նվազում են գազային շերտերի և ջերմաստիճանը, և խտությունը: Սա այն դեպքն է, երբ համակարգը հոմոգեն է, բայց տարասեռ:

4. Հոմոգեն համակարգը միաֆազ է: Ֆազ է կոչվում շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված համակարգի միևնույն բաղադրությամբ բոլոր համասեր մասերի ամբողջությունը: Այն ներսում համասեր է և շրջապատի նկատմամբ բաժանման մակերես ունի:

Ասվածից հետևում է, որ մեկից ավելի ֆազերից կազմված համակարգը հետերոգեն է: Օրինակ, փակ անոթում կերակրի աղի նստվածք պարունակող ջրային լուծույթը եռֆազ է: Հետևաբար, սա հետերոգեն համակարգ է: Ֆազերից մեկը լուծույթի հետ հավասարակշռության մեջ գտնվող ջրային գոլորշին է, մյուսը՝ NaCl-ով հագեցած ջրային լուծույթն է և երրորդ ֆազը կազմված է անոթի հատակին սփռված նադրիումի քլորիդի բյուրեղներից: Չնայած այն բանին, որ այդ բյուրեղները իրար կպած չեն, բայց և այնպես առանձին ֆազ են կազմում, որովհետև նույն բաղադրությունն ունեն և համասեր խմբավորումներ են:

Հետևաբար, յուրաքանչյուր ֆազ միասեր (հոմոգեն) է: Ֆազերի բաժանման մակերեսին որոշ հատկություններ կարող են փոփոխվել թռիչքաձև: Օրինակ, 277,15 K ( 4^օC) ջրի խտությունը 1 գ/մլ է, իսկ նույն ջերմաստիճանում հեղուկի վրա գտնվող ջրային գոլորշու խտությունը`

5. Ցանկացած նյութ, եթե այն պարունակում է շատ մեծ թվով մասնիկներ, համակարգ է: Այն նկարագրվում է հատկությունների հավաքույթով: Դրանք զգայարաններով և սարքերով որոշվող հատկանիշներ են: Օրինակ, համը, հոտը, ջերմաստիճանը, այդ նյութի զբաղեցրած ծավալը և այլն:

Նշված հատկություններից համն ու հոտը չենք կարող թվերով արտահայտել. չափողականություն չունեն: Բայց որոշ մեծություններ, օրինակ, ճնշումը (P), ծավալը (V), ջերմաստիճանը (T), խտությունը (d), զանգվածը (m), քանակը (n) արտահայտվում են չափողականություն ունեցող թվերով: Այսպես, P-ն Պասկալներով (-Պա), V-ն` մ<sup>3</sup>-ով, T-ն` Կելվինով, d-ն` m-ն` կգ-ով, n-ը` մոլերով:

Օրինակ, ինչ որ 2,4 կգ զանգվածով մի գազ, որը գտնվում է ճնշման տակ և 293 K-ում զբաղեցնում է ծավալ:

6. Թվերով արտահայտվող մեծությունը կոչվում է պարամետր: Պարամետրերի հավաքույթով էլ որոշվում է նյութի – համակարգի վիճակը: Վերևում բերված օրինակում նշված է կոնկրետ մի վիճակում գտնվող ինչ որ գազ: Այդ պարամետրերը կարելի է փոփոխել: Վիճակը նկարագրող պարամետրերը կապված են իրար հետ: Այդ կապը կարելի է արտահայտել հավասարման տեսքով, որը կոչվում է «վիճակի հավասարում»:

Օրինակ,  Սա 1 մոլ իդեալական գազի վիճակն արտահայտող հավասարումն է:  խորհրդանշում է 1 մոլ գազի ծավալը (գազի մոլային ծավալ): Յուրաքանչյուր պարամետր ֆունկցիա է մյուս երկուսից, օրինակ,  Ընդհանրապես :  Կարող ենք ըստ ցանկության փոփոխել այդ պարամետրից յուրաքանչյուրը: Այն կհամարվի անկախ փոփոխական: Եթե P=const, ապա գազի ջերմաստիճանը փոփոխելիս V-ն էլ կփոխվի, բայց այնպես, ինչպես կթելադրի V=f (T)  ֆունկցիան: T, P, V-ն թերմոդինամիկական պարամետրեր են:

7. Ասվածից հետևում է, որ պարամետրերից թեկուզ մեկի փոփոխության հետևանքով կփոխվի նաև գազի (համակարգի) վիճակը: Համակարգի վիճակի փոփոխությունը կոչվում է պրոցես: Եթե ժամանակի ընթացքում համակարգի վիճակը անփոփոխ է մնում (չի փոխվում), ապա այդպիսի վիճակը կոչվում է հավասարակշռական: Համակարգը գտնվում է թերմոդինամիկական հավասարակշռական վիճակում, երբ միաժամանակ գոյություն ունի ջերմային  քիմիական  մեխանիկական  հավասարակշռություն: Ասում են, որ համակարգում «մակրոսկոպիական տեղաշարժ» չկա:

Հարկավոր է տարբերել թերմոդինամիկական հավասարակշռական վիճակը ստացիոնար վիճակից: Դիցուք ունենք մուտքի և ելքի ծորակներ ունեցող ջրով լցված V տարողությամբ մի ծավալ: Այս համակարգը կգտնվի ստացիոնար վիճակում, եթե միավոր ժամանակում տարողություն մտնող ջրի ծավալը հավասար լինի արտահոսող ջրի ծավալին: Բայց եթե տարողություն մտնող ջրի ջերմաստիճանը տարբեր է տարողության մեջ եղած ջրի սկզբնական ջերմաստիճանից, ապա համակարգի ջերմաստիճանը անընդհատ կփոխվի, բայց տարողության մեջ ջրի մակարդակը կմնա անփոփոխ: Այս դեպքում համակարգի վիճակը ըստ ջրի ծավալի ստացիոնար է, բայց ոչ հավասարակշռական: Քննարկենք մի օրինակ ևս:

Քլորաջրածնի ֆոտոքիմիական սինթեզը ռադիկալա-շղթայական ռեակցիա է: Միջանկյալ H  և Cl  ատոմներ են գոյանում: Ժամանակի որոշ տիրույթում ինչ արագությամբ, որ դրանք «ծնվում են» ելանյութերից, նույն արագությամբ էլ «մահանում են», առաջացնելով ռեակցիայի արգասիքը` HCl: Ասում են, որ ռեակցիոն համակարգում ստեղծվել է ստացիոնարություն: Սինթեզն ընթանում է հաստատուն արագությամբ: Բայց չի կարելի ասել, որ համակարգում ստեղծվել է հավասարակշռություն, որովհետև անընդհատ փոփոխվում է գազային խառնուրդի բաղադրությունը. ջրածինը և քլորն անընդհատ սպառվում են, իսկ ռեակցիոն խառնուրդում անընդհատ աճում է HCl-ի կոնցենտրացիան:

8. Պարամետրերը (նաև հատկությունները) լինում են ինտենսիվ և էքստենսիվ:

Էքստենսիվ են այն պարամետրերը, որոնք կախված են համակարգի զանգվածից. այս առումով ադիտիվ (գումարվող) են: Օրինակ, եթե իրար խառնենք  և կստանանք խառնուրդ, կամ եթե միևնույն ջերմաստիճանում և ճնշման տակ գտնվող խառնենք ջրածնի հետ, կստանանք մի գազային խառնուրդ, որը նշված պայմաններում կզբաղեցնի ծավալ: Երկու մոլ ածխաթթու գազը կես մոլ թթվածնի հետ խառնելով, կստացվի 2,5 մոլ գազային խառնուրդ:

Հետևաբար, P-ն և T-ն ոչ թե էքստենսիվ, այլ ինտենսիվ պարամետրեր են:

Ի տարբերություն էքստենսիվի, ինտենսիվ են այն պարամետրերը, որոնք կախված չեն զանգվածից, քանակից և ադիտիվ (գումարվող) չեն: Այդպիսիք են ջերմաստիճանը, ճնշումը և այլն: Օրինակ, եթե միևնույն ջերմաստիճանում ճնշման տակ գտնվող գազը խառնենք ճնշման տակ գտնվող ինդիֆերենտ մի այլ գազի հետ, ստացվող գազային խառնուրդի ճնշումը հավասար չէ Խառնուրդը կգտնվի մի ճնշման տակ`  Կամ, եթե 20<sup>O</sup>C  գտնվող 20 լ ջուրը խառնենք 80<sup>O</sup>C գտնվող 10 լիտր ջրի հետ, չենք ստանա 30 լ ջուր, որի ջերմաստիճանը լինի 20+80=100<sup>O</sup> C: 30լ խառնուրդը կգտնվի մի ջերմաստիճանում`

Հետևաբար, P-ն և T-ն ոչ թե էքստենսիվ, այլ ինտենսիվ պարամետրեր են:

9. Պարամետրերը լինում են նաև ներքին և արտաքին: Հետևյալ օրինակի քննարկումը հնարավորություն կտա այդ երկուսն իրարից տարբերել:

Գազով լցված գլանը, որի մեջ AB մխոցը կարող է ազատ շարժվել, մեկուսացված է: Նշանակում է, որ այդ գազը չի կարող էներգիա և նյութ (զանգված) փոխանակել շրջապատի հետ: Այս դեպքում արտաքին ջերմաստիճանի փոփոխությունը ոչ մի կերպ չի կարող ազդել գլանում գտնվող գազի և ճնշման և ջերմաստիճանի վրա: Քանի որ ապա =const և պայմանի համար -նույնպես հաստատուն կմնա: Տվյալ դեպքում -ն և -ն` ներքին պարամետրեր են:

Այժմ նույն համակարգը դարձնենք փակ: Այս դեպքում արդեն -ն փոխելիս, AB մխոցը կարձագանքի այդ փոփոխությանը. կփոխվի գազի ծավալը Մխոցի վրայից կշռաքարեր հանելիս կամ նորեր ավելացնելիս, AB մխոցի դիրքը նորից կփոփոխվի, որի հետևանքով գազի ծավալն էլ կփոխվի: Նշանակում է, որ շրջապատի ճնշման և ջերմաստիճանի փոփոխման հետ, կփոխվի նաև գազի ծավալը: Տվյալ դեպքում ճնշումը և ջերմաստիճանը արտաքին պարամետրեր են, իսկ ծավալը` ներքին:

10. Նշվեց, որ վիճակի փոփոխությունը պրոցես է կոչվում: Հնարավոր են մի քանի դեպքեր.

ա. ելային վիճակ (I), որը բնութագրվում է և պարամետրերով և վերջնային վիճակ (II), որը բնութագրվում է և պարամետրերով, այսինքն.

Այսպիսի գրելաձևը խորհրդանշում է միակողմանի ընթացող պրոցես: Պրոցեսն ընթանում է սլաքի ուղղությամբ:

բ. Սա այն դեպքն է, երբ համակարգը մի քանի վիճակների վրայով անցնելուց հետո, նորից վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին: Այսպիսի պրոցեսը կոչվում է շրջանային (ցիկլիկ): Հետևաբար շրջանային պրոցեսի արդյունքը սկզբնական վիճակի վերականգնումն է:

11. Հավասարակշռական և ոչ հավասարակշռական վիճակներ:

Ինչպես նշվեց, համակարգը գտնվում է հավասարակշռական վիճակում, երբ ժամանակի ընթացքում վիճակը բնութագրող պարամետրերը հաստատուն են մնում:

Եթե այդ հավասարակշռական վիճակն իրական է և եթե այն խախտվի ինչ-որ մի պատճառով, ապա այդ պատճառը վերացնելիս հավասարակշռությունն ինքնաբերաբար կվերականգնվի: Այս պրոցեսը կոչվում է ռելակսացում: Այն ժամանակամիջոցը, որի ընթացքում է տեղի ունեցել ռելակսացումը, կոչվում է ռելակսացման ժամանակամիջոց: Օրինակ, եթե մեկուսացված վիճակում գտնվող գազը սեղմենք, ապա ներգործող ուժի ազդեցությունը վերացնելուց հետո մխոցն ինքնաբերաբար կբարձրանա այնքան, որ վերականգնվի գազի սկզբնական վիճակը:

Հավասարակշռությունը կարող է լինել կեղծ (մետաստաբիլ): Այս դեպքում պարամետրերից որևէ մեկի անսահման փոքր փոփոխությունը համակարգում կարող է բերել անսահման մեծ փոփոխության: Օրինակ, եթե գերհագեցած լուծույթը մի փոքր ցնցենք, ապա դա բավական կլինի, որպեսզի լուծույթը դառնա հագեցած և անջատվի նստվածք: Այս վերջինն արդեն նոր ֆազ է: Հետևաբար, համակարգում տեղի ունեցավ որակական փոփոխություն. փոխվեց հավասարակշռության մեջ գտնվող ֆազերի թիվը:

12. Դարձելի և ոչ դարձելի պրոցեսներ:

Շփման (դիմադրության) բացակայության պայմանում ճոճանակի շարժումը դարձելի պրոցես է: Իդեալական պայմաններում ճոճանակը կճոճվի հաստատուն ամպլիտուդով: Եթե տաք և սառը համակարգեր իրար հետ կոնտակտի մեջ են, ապա ջերմությունն ինքնաբերաբար կհոսի տաքից սառը համակարգին: Ուրեմն, ջերմահաղորդականությունը, ինչպես նաև գազի կամ հեղուկի դիֆուզիան, ոչ դարձելի պրոցեսներ են:

Պրոցեսի դարձելիությունը քննարկենք հետևյալ օրինակի հիման վրա:

Վերցված է n մոլ գազով լցված գլան, որի մեջ առանց շփման շարժվում է AB մխոցը (տե'ս նկ.II.2): Համակարգը թերմոստատացված է ( T=const): Գազի ճնշումը կարելի է փոփոխել մխոցի վրա կշռաքարեր դնելով և հանելով:

Դիցուք գազի սկզբնական վիճակը նկարագրվում է V_a   ծավալով և P_a   ճնշումով: Մխոցի վրա շարունակաբար կշռաքարեր դնելով, անընդհատ մեծացնենք գազի ճնշումը: Ընդունենք, որ յուրաքանչյուր դեպքում կարող ենք չափել գազի ճնշումը: Փորձի արդյունքները նկարագրենք գրաֆիկի օգնությամբ (տե'ս նկ.II.3): Գլանում ստեղծենք P_e ճնշում:

Չափիչ նուրբ սարք օգտագործելիս, կնկատենք, որ գազի վիճակը նկարագրող կետը կբարձրանա  (սա պայմանական մի վիճակ է): Ժամանակի ընթացքում ինքնաբերաբար կետը կտեղաշարժվի մինչև e դիրք, այդ դիրքում համակարգի վիճակը կմնա անփոփոխ:

Հետևաբար, վիճակը կայուն չէր, իսկ e-ն` կայուն է: Ուրեմն տեղի ունեցավ ռելակսացում:

Ինչու՞ համակարգը միանգամից a վիճակից չանցավ e վիճակին:

Մխոցն արագ սեղմելիս, դրա ներքին պատին հարվածող գազի մոլեկուլները արագացում են ստանում, ինչպես թենիսի գնդակը, երբ նա ռակետից հարված է ստանում: Փաստորեն, տեղի է ունենում «ադիաբատ» սեղմում, որի իմաստը կպարզաբանվի հետագայում: Այդ սեղման հետևանքով մխոցին հարած շերտում ջերմաստիճանը ժամանակավորապես կբարձրանա, որի պատճառով կմեծանա այդ շերտում գտնվող մոլեկուլների արագությունը: Այսպիսով, մերձմխոցային շերտում ժամանակավորապես կխախտվի ջերմային հավասարակշռությունը: Բայց այդ խախտումը շատ արագ կվերականգնվի և համակարգը կանցնի e կայուն վիճակին: Ճնշման հետագա մեծացումներով նույն պրոցեսը կշարունակվի. անցում անհավասարակշռական վիճակի, ռելակսացում, հավասարակշռության նոր վիճակի ստեղծում և այսպես մինչև b վիճակ: Ուրեմն, գազը a-ից b վիճակին անցավ, անցնելով բազմաթիվ հավասարակշռական վիճակների վրայով:

Բնական է, որ ինչքան փոքր լինի ճնշման փոփոխությունը (օրինակ, մխոցի վրա գրամներ ավելացնելու փոխարեն, միլիգրամանոց կշռաքարեր ավելացնենք), այնքան ավելի փոքր կլինեն նշված շեղումները և փոքր կլինի ռելակսացման ժամանակամիջոցը:

Եզրակացություն. եթե պրոցեսն իրականացվի անսահման դանդաղ, ապա հավասարակշռական վիճակից շեղումը կձգտի զրոյի:

Այժմ իրականացնենք հակառակ պրոցեսը. b-ից վերադառնանք a վիճակ, մխոցի վրայից աստիճանաբար կշռաքարեր հանելու միջոցով:

Այս դեպքում տեղի կունենա «ադիաբատ» ընդարձակում, որի հետևանքով մխոցի ներքին մակերեսի մոտ կառաջանա ժամանակավոր նոսրացում: Այդ տարածությունում ջերմաստիճանը կնվազի և f վիճակի փոխարեն գազը կհայտնվի h վիճակում: Նորից ռելակսացում և հավասարակշռական վիճակի վերստեղծում (f կետ) և այսպես շարունակ մինչև փորձի վերջը, երբ համակարգը կհայտնվի ելային a վիճակում:

Պրոցեսը կհամարվի դարձելի, եթե a-ից b և b-ից a անցումները տեղի ունենան միևնույն հավասարակշռական վիճակների վրայով, այսինքն aegb և bhfa կորերով:

Այս փորձի արդյունքներից կարելի է եզրակացնել, որ պրոցեսի դարձելիությունն ապահովելու համար այն պետք է իրականացնել անսահման դանդաղ:

Պրոցես իրականացնելու երրորդ ուղին`

գ. կարելի է խորհրդանշել հետևյալ կերպ. որը վերաբերում է քննարկված դեպքին – դարձելի պրոցեսին:

Եթե պրոցեսը դարձելի է, ապա ինչքան աշխատանք որ կպահանջվի գազն իզոթերմորեն սեղմելու համար, նույնքան աշխատանք կստացվի այն իզոթերմորեն ընդարձակելիս: Նշանակում է, որ դարձելի պրոցեսի գումարային աշխատանքը հավասար է զրոյի:

13. Էներգիա, ջերմություն, աշխատանք:

Թերմոդինամիկայում այս հասկացությունները շատ հաճախ են օգտագործվում:

Էներգիան մատերիայի բոլոր տեսակի փոխազդեցությունների և շարժումների ընդհանուր քանակական չափանիշն է: Էներգիան ոչ կորչում է, ոչ էլ ստեղծվում: Էներգիան մի ձևից անցնում է մի այլ ձևի, օրինակ, մեխանիկականը էլեկտրականի, էլեկտրականը քիմիականի և այլն: Այսինքն, էներգիան դրսևորվում է տարբեր ձևերով, ըստ որում դրանց միջև պահպանվում է համարժեքությունը: Եզրակացությունը միակն է. էներգիան պահպանվում է, հետևաբար էներգիայի պահպանման օրենքն ունիվերսալ է:

Էներգիայով է բնութագրվում համակարգի աշխատանք կատարելու ունակությունը և այդ ունակության չափը: Համակարգի էներգիան կապված է իր զանգվածի հետ:

Էներգիան (E) միանիշ ֆունկցիա է համակարգի վիճակից, հետևաբար dE -ն լրիվ դիֆերենցիալ է: Սա նշանակում է, որ

որտեղ I-ը և II-ը վիճակներ են խորհրդանշում:

Էներգիան արտահայտում են Ջոուլերով (Ջ): Բայց սա չի նշանակում, որ այն չի կարելի արտահայտել նաև այլ միավորներով, պահպանելով համապատասխան համարժեքները: Օրինակ, 4,18 Ջ =1 կալորիա (կալ): Պարզապես Ջ-ն ընդունված միջազգային միավորն է:

Էներգիան լինում է. ա) կինետիկական. դա շարժման էներգիան է. և բ) պոտենցիալ, որը համակարգի կողմից պահեստավորված էներգիան է: Այն կապված է մարմնի (համակարգի) դիրքից և բաղադրությունից: Քիմիական էներգիան պոտենցիալ էներգիայի ձևերից մեկն է:

Ըստ դասական ֆիզիկայի, համակարգի էներգիան կարող է փոփոխվել անընդհատորեն` ստանալով կամ առաքելով էներգիայի ցանկացած քանակ: Բայց միկրոաշխարհում միկրոմասնիկները կարող են էներգիա կլանել կամ առաքել միայն դիսկրետ մեծություններով` քվանտներով:

Մոլեկուլների քաոսային (ջերմային) շարժման միջին կինետիկական էներգիայով է բնութագրվում (նյութի, մարմնի) ջերմաստիճանը:

Ջերմություն: Զգայարաններով ընկալում և տարբերում ենք տաքը սառից, սառը` տաքից: Երբ տաք և սառը մարմինները կոնտակտի մեջ են գտնվում, տաքը սառչում է և սառը տաքանում: Եթե տաք մարմնի ջերմաստիճանը է, սառինը` և միջավայրինը` , ապա ի վերջո.                  

Ինչ որ մի բան տաք մարմնից դեպի սառն է հոսում և փոխանցվում սառը մարմնին: Այդ փոխանցվածը կոչվում է ջերմություն`q: Փորձը ցույց է տալիս, որ q-ն համեմատական է արտադրյալին, որտեղ m-ը համակարգի (մարմնի) զանգվածն է և տաք (II) և սառը (I) մարմինների ջերմաստիճանների տարբերությունը: Համեմատականության նշանը հավասարման նշանով փոխարինելու համար անհրաժեշտ է մտցնել համեմատականության մի գործակից`C_m  :

Կստացվի.

Երբ m=1 կգ և   ապա  C_m =q: C_m -ն կոչվում է նյութի տեսակարար ջերմունակություն: Դա ջերմության այն քանակն է, որը պետք է հաղորդել 1 կգ նյութին դրա ջերմաստիճանը 1^oC-ով բարձրացնելու համար: Ջերմությունն էլ էներգիայի պես արտահայտվում է Ջ-երով: Հետևաբար, տեսակարար ջերմունակության չափողականությունն է Եթե T-ն մարմնի բացարձակ ջերմաստիճանն է, արտահայտված Կելվինով [(K)-ի պատիվ գիտնական Կելվինի], ապա աստ.-ի փոխարեն պիտի գրել K  (ուրեմն   որտեղ t  -ն մարմնի ջերմաստիճանն է, արտահայտված Ցելսիուսի սանդղակով:

(II.3)-ը բազմապատկենք և բաժանենք նյութի մոլային զանգվածով` M : Կստանանք.

Այս արտահայտության մեջ n - ը քննարկվող նյութի քանակն է, արտահայտված մոլերով:   կոչվում է նյութի մոլային ջերմունակություն և դրա չափողականությունն է

Պետք է նկատի առնել, որ ջերմությունը էներգիա չէ, այլ էներգիայի փոխանցման ձև: Էներգիան ջերմության ձևով մի նյութից (համակարգից) մյուսին կարող է փոխանցվել միայն այն դեպքում, երբ կոնտակտի մեջ գտնվող այդ երկու նյութերի ջերմաստիճաններն իրարից տարբեր են, այսինքն -ը տարբեր է -ից կամ

Նյութը (համակարգը) ջերմություն չունի, ջերմություն չի պարունակում, որ այն փոփոխվի: Հետևաբար ջերմությունը չի կարելի ներկայացնել տարբերության ձևով, այսինքն:

    (II.5)-ից հետևում է, որ  -ն լրիվ դիֆերենցիալ չէ, այդ պատճառով էլ d-ն փոխարինվել է -ով։ Ուրեմն, q-ն վիճակի միանիշ ֆունկցիա չէ: q-ի մեծությունը կախված է պրոցեսի իրականացման ճանապարհից:

Աշխատանքը (w) նույնպես էներգիայի փոխանցման ձև է: Աշխատանքը բացառապես պրոցեսի հետևանք է: Կատարվում է միայն ներգործող ուժի ազդեցության տակ: Աշխատանքի նշանի հարցն այժմ այլ ձևով է քննարկվում: Պատմականորեն աշխատանքը դրական էր համարվում, երբ այն կատարվում էր համակարգի կողմից շրջապատի նկատմամբ, որովհետև համակարգը «աղքատանում է», իսկ շրջապատը` «հարստանում»: Բնական է, որ հակառակ դեպքում աշխատանքը բացասական է (այս հարցը քննարկվելու է): Այժմ w>0  է համարվում, երբ այն կատարվում է համակարգի նկատմամբ: Ջերմության նման, աշխատանքի մեծությունն էլ կախված է պրոցեսի իրականացման ճանապարհից:

w-ն նույնպես արտահայտվում է Ջ-երով:

Արված դատողության համաձայն, պետք է գրել.

Ցանկացած աշխատանք էքստենսիվ և ինտենսիվ մեծությունների (հատկությունների) արտադրյալ է: Այսպես. – մեխանիկական աշխատանք,   – էլեկտրական աշխատանք,   – քիմիական աշխատանք,  – ծավալային աշխատանք,    – մակերեսային աշխատանք, և այլն, որտեղ  F-ը (ուժ),  u - ն (էլեկտրական պոտենցիալ),  -ն (քիմիական պոտենցիալ), P-ն (ճնշում),  (մակերեսային լարվածություն)` ինտենսիվ պարամետրեր են, իսկ h-ը (բարձրություն կամ ճանապարհ), Q-ն (էլեկտրականության քանակություն),  n-ը (մոլերի թիվ), V-ն (ծավալ), S-ը (մակերես)` էքստենսիվ պարամետրեր են:

Ուշադրության արժանի է այն հանգամանքը, որ աշխատանքի ոչ մի արտահայտության մեջ ջերմաստիճանը չի մտնում:

Ընդհանրապես օգտագործվում է ընդհանրացված աշխատանք հասկացությունը.

կոչվում է ընդհանրացված ուժ (օգտագործվում է նաև ընդհանրացված իմպուլսը`) և ` ընդհանրացված կոորդինատ: Այս վերջինը նմանակն է մեխանիկայում հայտնի կոորդինատին: Այն փոխվում է ընդհանրացված ուժի ազդեցության տակ:  էքստենսիվ պարամետր է, իսկ - ն` ինտենսիվ:

Ինչպես նշվեց ջերմությունն ու աշխատանքը էներգիայի փոխանցման ձևեր են: Բայց երկուսն էլ ունեն միևնույն մոլեկուլային հիմքը. դա գազում և շրջապատում գտնվող մոլեկուլների միջև տեղի ունեցող բախումների հետևանքով իմպուլսի փոխանակումն է:

Հաշվի առնելով այն հանգամանքը, որ ֆիզիկական քիմիայի, հատկապես թերմոդինամիկայի մի շարք հիմնահարցեր քննարկելիս սկզբունքային նշանակություն են ստանում նշված երեք հասկացությունները` էներգիան (E), ջերմությունը (q) և աշխատանքը (w) անհրաժեշտ ենք համարում առավել հանգամանալի անդրադառնալ դրանց, խուսափելու համար հետագայում շփոթ և թյուրիմացություններ առաջանալուց:

Սևանից ջուրն ինքնաբերաբար հոսում է դեպի Արարատյան դաշտավայր, որովհետև Հոսող ջրի ընթացքի վրա տեղակայված որոշ սարքեր հնարավորություն են տալիս հոսող ջրի հոսքի էներգիան վերածել էլեկտրականի: Հետևաբար, տվյալ դեպքում կատարվում է դրական աշխատանք Իսկ արտեզյան ջրհորերից ջուրը Արարատյան դաշտավայրից ինքնաբերաբար Երևան չի կարող բարձրանալ, որովհետև այս դեպքում Ճանապարհին հատուկ պոմպեր են տեղակայում, որոնք ջուրը բարձրացնում են և հաղթահարում են ջրի ինքնակամ հետ հոսքը: Տվյալ դեպքում գործ ունենք բացասական աշխատանքի հետ Սա պայմանական մոտեցում է: հաղթահարող մեքենան կոչվում է մղիչ (պոմպ):

Որպեսզի մղիչը կարողանա հաղթահարել նշված -ը պետք է դրսից էներգիա ստանա: Դա իրականացնելու ուղիներից մեկը համակարգին դրսից q հաղորդելն է: Բնական է, որ մղիչի (մեքենայի) անընդհատ աշխատանքն ապահովելու համար անհրաժեշտ է, որ, նախ և երկրորդ, հաղորդված ջերմությունն ավելի մեծ լինի քան կատարվող աշխատանքը: Ընդունում ենք, որ ջերմության կորուստներ չկան:

Վերևում բերված օրինակների հիման վրա կարելի է ասել, որ երբ ապա համակարգը կատարում է դրական աշխատանք: Փորձենք նշվածը կիրառել այն դեպքի նկատմամբ, երբ h-ը (բարձրությունը) փոխարինում ենք ճնշումով

Նկ. II-1 պատկերում է մի տարողություն, որում գազը գտնվում է ճնշման տակ: Արտաքին ճնշումը է: Եթե կողմնակի ազդեցությունների բացակայության դեպքում մխոցի դիրքը կմնա անփոփոխ: Ասում են, որ համակարգը գտնվում է հավասարակշռության վիճակում: Եթե ապա մխոցն ինքնաբերաբար կբարձրանա, գազի ծավալը կմեծանա և -ն կփոքրանա մինչև Մխոցը կանգ կառնի այն պահին, երբ Գազի ծավալը կլինի Հետևաբար, գազի ծավալն աճեց : Այսպիսով, ինքնաբերաբար կատարվեց ծավալային աշխատանք, որը դրական է, որովհետև Եթե ապա միջավայրը կկատարի աշխատանք համակարգի նկատմամբ: Այս դեպքում ծավալը կնվազի. և (նորից պայմանական ընդունելություն): 

Քննարկենք նաև հետևյալ հարցը: Երբ համակարգին (դրսից) q քանակով ջերմություն հաղորդենք, ապա ջերմաստիճանը կբարձրանա (կորուստները բացառվում են), համակարգի էներգիան կմեծանա: Սա նշանակում է, որ միջավայրը q-ին համարժեք էներգիա կորցրեց: Համակարգը «հարստացավ», իսկ միջավայրը «աղքատացավ»: Եթե ստացած ջերմության հաշվին համակարգը միջավայրի նկատմամբ աշխատանք կատարի, ապա կատարված աշխատանքին համարժեք չափով համակարգը էներգիա կկորցնի, իսկ նույնքան էներգիա կստանա միջավայրը: Ասվածից հետևում է, որ q-ն և w-ը իրար հակառակ նշաններ ունեն: Պայմանականորեն համակարգի «հարստացումը» դրական արդյունք է, իսկ «աղքատացումը»` բացասական:

Հետևաբար, եթե համակարգը ինչ որ արտաքին ուժերի գործողության հետևանքով «դրսից» էներգիա է ստանում, ապա համակարգի նկատմամբ դրական աշխատանք է կատարվում, իսկ եթե համակարգն իր ներքին էներգիայի հաշվին միջավայրի նկատմամբ աշխատանք է կատարում, ապա այդ աշխատանքը բացասական է: Այս հարցին նորից ենք անդրադառնալու:

>>

ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՄԻ ՔԱՆԻ ՄԵԾՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ ԵՎ

ԴՐԱՆՑ ՄԻԱՎՈՐՆԵՐԸ

1. Երկարություն – մետր (մ) =100 սմ

2. Զանգված (m)   – կիլոգրամ (կգ) = 1000 գ

3. Ժամանակ (t)   – վայրկյան (վրկ) =1/60 րոպե=1/3600 ժամ

4. Թերմոդինամիկական ջերմաստիճան (T) Կելվին (K, Կ) – (T=273,15+t^oC)

5. Նյութի քանակ (n) – մոլ

6. Ծավալ

7. Ուժ – Նյուտոն (Ն)

8. Էներգիա, աշխատանք, ջերմություն – Ջոուլ (Ջ)

9. Ճնշում – Պասկալ (Պա)  (ՄՊա–մեգաՊասկալ, կՊա-կիլոՊասկալ): Քիմիայում կիրառվում է մթն-ը, նաև Տորրը:

10. Էլեկտրական հոսանքի սաստկություն (ուժ) (I)   – արտահայտվում է Ամպերներով (A, Ա)

11. Էլեկտրական պոտենցիալ – Վոլտ  

12. Էլեկտրականության քանակություն – Կուլոն

13. Էլեկտրական դիմադրություն (R) – Օհմ  1 Օհմ=1 Վոլտ/Ամպեր

14. Էլեկտրահաղորդականություն – ,

15. Հաճախություն – Հերց (Hz, Հց) վրկ^–1

16. Ավոգադրոյի թիվ –

17. Ֆարադեյի թիվ – F = 96485 Կուլոն/մոլ

18. Բոլցմանի հաստատուն – K = 1,3810^23 Ջ/Կ= R/N_Ա

19. Պլանկի հաստատուն – հ=6,6310^34 Ջվրկ

20. Գազային ունիվերսալ հաստատուն – R = 8,314 Ջ/(մոլK) = 1,98 կալ/(մոլK)

21. Լույսի արագություն – 310⁸  մվրկ^–1

22. Կապը էներգիայի արտահայտման տարբեր ձևերի միջև՝

Սույն դասընթացում, մասնավորաբար ներկայացված խնդիրներում գիտակցորեն օգտագործել ենք ոչ միայն ֆիզիկական մեծությունների միջազգային, այլ նաև ավանդական միավորներ, ինչպես, կալորիա, ջերմաստիճան ըստ ցելսիուսի, սմ, սմ³ և այլն, որովհետև դեռևս շրջանառության մեջ կան մեծ թվով դասագրքեր, մենագրություններ, խնդրագրքեր որոնց մեջ հենց այդ միավորներն են օգտագործված:

Այս և հետագայում բերվող ֆիզիկական մեծությունները կլորացված են, նախ, որովհետև սա դասագիրք է և ոչ թե տեղեկատու աղյուսակ, երկրորդ, դրանք օգտագործվում են ֆիզիկական երևույթներ քննարկելու համար և անհրաժեշտ չէ մեծ ճշտությամբ այդ մեծությունների բացարձակ արժեքները հիշել:

>>

ԳԼՈՒԽ III

ՆՅՈՒԹԻ ԳԱԶԱՅԻՆ ՎԻՃԱԿ: ԳԱԶԵՐԻ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ:

ԻԴԵԱԼԱԿԱՆ ԵՎ ՌԵԱԼ ԳԱԶԵՐ

Սովորական պայմաններում նյութը կարող է գտնվել երեք ագրեգատային վիճակներում. գազային, հեղուկ և պինդ: Կառուցվածքային առումով ամենապարզը գազային վիճակն է: Շատ կարևոր է հետևյալ փաստը. գազում միջմասնիկային հեռավորությունները (r)  շատ ավելի մեծ են, քան գազը կազմող մասնիկների սեփական չափսերը  :

Գազ է այն նյութը, որի մոլեկուլները (ատոմները) իրար հետ այն աստիճանի թույլ ուժերով են փոխազդում, որ տարածության մեջ տեղաշարժվում են ազատորեն զբաղեցնելով այն ողջ ծավալը, որում գտնվում են: Եթե միջմոլեկուլային փոխազդեցության միջին էներգիան նշանակենք և մոլեկուլների միջին կինետիկական էներգիան , ապա ։

Ի տարբերություն հեղուկից և պնդից, գազի զբաղեցրած ծավալը շատ մեծ չափով է կախված այն ճնշումից (P) և ջերմաստիճանից (T), որոնցում նա գտնվում է: Համապատասխան ճնշում և ջերմաստիճան ընտրելու դեպքում, յուրաքանչյուր հեղուկ կամ պինդ նյութ կարող է գազի վերածվել:

Գազի խտությունը մի քանի կարգով ավելի փոքր է, քան այդ նույն նյութի խտությունը, երբ այն հեղուկ վիճակում է գտնվում: Օրինակ, մեկ մոլ ջուրը   277,15 K (4^oC) ջերմաստիճանում զբաղեցնում է ծավալ: Հետևաբար.

Իսկ նորմալ պայմաններում (P=0,101 ՄՊա=1 մթն և T=273,15, K=0^oC ) այդ նույն մեկ մոլ ջրի խտությունը գոլորշի վիճակում կլինի.

Ուրեմն

Հեշտ է փորձնական ճանապարհով ուսումնասիրել գազերի հատկությունները:

 >>

III-1. ՓՈՐՁՈՎ ՀԱՍՏԱՏՎԱԾ ՕՐԻՆԱՉԱՓՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ:

ԳԱԶԻ ՎԻՃԱԿԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ:

ԻԴԵԱԼԱԿԱՆ ԳԱԶ

Փորձը ցույց է տալիս, որ տվյալ քանակով գազի վիճակը կարելի է բնութագրել իրար հետ կապված երեք պարամետրերով. P, T և V : Փոխադարձ կապը բացահայտելու համար այդ երեքից մեկը պահվում է հաստատուն և պարզվում է մնացած երկուսն իրար հետ կապող ֆունկցիայի տեսքը: Այսպես, P=const , V=f (T)   կամ V=const ,  P=f(T)  և T=const, P=f (V):

Ստորև բերված արդյունքները ստացված են փորձերը կատարելով հաստատուն քանակով գազերի հետ: Մասնավոր դեպքում փորձը կարելի է կատարել մեկ մոլ ցանկացած գազի հետ, որի զբաղեցրած ծավալը նշանակենք  , որտեղ n-ը գազի քանակն է, արտահայտված մոլերով:

>>

III-1:1. Գազի իզոթերմային սեղմում

(կամ ընդարձակում): Բոյլ-Մարիոտտի օրենքը

Իզոթերմային է կոչվում այն պրոցեսը, որն իրականացվում է հաստատուն ջերմաստիճանում (T=const) :

Բոյլը (1662) և Մարիոտտը (1676) իրարից անկախ հաստատել են, որ իզոթերմ պայմաններում գազը սեղմելիս (կամ ընդարձակելիս) փորձնական տվյալները բավարարում են հետևյալ փորձարարական (էմպիրիկ) հավասարմանը.

որտեղից   :

Սա հիպերբոլի հավասարումն է, որը հետևում է իդեալական գազի հետ կատարված փորձերից ստացված արդյունքներից և գրաֆիկորեն պատկերված կորերից (տե՛ս նկ.III.1):

  Const և  անկախ են գազի բնույթից, բայց կախված են ջերմաստիճանից, որովհետև, ինչպես ցույց է տրվելու, և ճնշումը, և ծավալը ֆունկցիա են ջերմաստիճանից:

Նկ.III.1-ի վրա նշված յուրաքանչյուր կոր կոչվում է «գազի իզոթերմ», իսկ բոլոր կորերը միասին՝ իզոթերմերի ընտանիք:

(III.1)-ից հետևում է, որ

Սա y = kx  տիպի հավասարում է, որը պատկերված է նկ.III.2-ի վրա: Ինչպես նշվեց, 

 >>

III-1:2. Գազի ծավալի և ճնշման կախումը ջերմաստիճանից: Գազի իզոբարային ջերմային

ընդարձակում: Շառլ Գեյ-Լյուսակի օրենքը

Խնդիրը վերաբերում է V = f (T)  և P = f (T)  ֆունկցիաների բացահայտմանը:

Նյութի շարադրանքը սկսենք ծավալի ջերմաստիճանից ունեցած կախումը քննարկելով: Ըստ ընդունված սկզբունքի, խնդիրը քննարկելու համար պետք է իրականացնել իզոբարային պրոցես (P=const):

Պետք է նշել, որ հիշատակված երկու ֆրանսիացի գիտնականները հաստատել էին, որ  Հետագայում ցույց կտրվի, որ այս եզրակացությունը հետևում է նաև Ավոգադրոյի օրենքից:

Տարբեր ջերմաստիճաններում և իզոբարային պայմանում որոշելով տվյալ քանակով գազի ծավալը և ստացված փորձնական տվյալները պատկերելով գրաֆիկորեն` V = t ^oC կոորդինատներ օգտագործելու միջոցով ստացվել է իզոբարերի մի ընտանիք (տե՛ս նկ.III.3) :  

P-ի մեծացման հետ իզոբարն ավելի փոքր անկյուն է գծում: Այն կարելի է բացատրել Բոյլ-Մարիոտտի օրենքի (III.1) հիման րա: Ճնշման փոքրացման հետ ծավալը պետք է մեծանա: Արդարև, եթե  ջերմաստիճանում   նշանակում է, որ  

Հետևաբար, եթե   ապա  

Հարկավոր է ուշադրություն դարձնել այն բանի վրա, որ փորձի ջերմաստիճաններն արտահայտված են Ցելսիուսի սանդղակով:

Ստացված իզոբարերը նկարագրվում են տեսքի հավասարումով: Հետևաբար.                                     

  0^oC - ում տվյալ  քանակով գազի զբաղեցրած ծավալն է տվյալ   ճնշման տակ: Այսինքն, երբ t =0^oC,  ապա  

Պարզ է նաև, որ

Հետևաբար                                                                                       

(III.4)-ից կստացվի.                                                          

Շառլը հանգել է այն եզրակացության, որ   այսինքն  անկախ է գազի բնույթից: Հետագայում ցույց տրվեց, որ

(տե՛ս նկ.III.4): Արդեն այս արդյունքը ցույց է տալիս, որ -ն իրոք որ հաստատուն է և

Նկ.III.4-ից հետևում է, որ  He-ի (ազնիվ, իդեալական գազ) համար

Հարցի հետագա քննարկումից պարզ կդառնա, որ He -ը իդեալական գազ է և դրա համար  իսկ   իդեալական չէ, այդ պատճառով էլ :

Նկ.III.3-ի վրա պատկերված իզոբարերը հատվում են մի կետում, որին համապատասխանում է -273,15 ^oC   արժեքը:

Պարզենք  -ի ֆիզիկական իմաստը:

V₀ - ն տվյալ քանակով գազի ծավալն է զրո աստիճանում, V_t - ն՝ նույնը  t ^oC-ում:   տարբերությունը կոչվում է գազի ծավալի բացարձակ աճ: Այն ցույց է տալիս, թե իզոբարային պայմանում գազի ջերմաստիճանը t  աստիճանով բարձրացնելիս ինչքանով է աճել գազի ծավալը: Այդպիսի աճ է կրել գազի V₀  սկզբնական ծավալը: Հետևաբար, գազի սկզբնական V₀  ծավալի յուրաքանչյուր միավորի կրած փոփոխությունը կլինի  Այս հարաբերությունը կոչվում է գազի ծավալի հարաբերական աճ: Այդպիսի աճ է տեղի ունեցել, երբ գազի ջերմաստիճանը բարձրացրել են t աստիճանով, հետևաբար ջերմաստիճանը մեկ միավորով բարձրացնելու դեպքում, գազի սկզբնական ծավալի յուրաքանչյուր միավորի կրած փոփոխությունը կլինի Համեմատելով այս արդյունքը (III.5)-ի հետ նորից կարելի է ցույց տալ, որ

Նշվեց, որ երբ քննարկվող գազն իդեալական է, ապա   (III.6) սահմանային պայմանը կիրառելու դեպքում կստացվի.

Նույն արդյունքը կստացվի, եթե փորձը կատարվի մեկ մոլ գազի հետ:

կոչվում է գազի իզոբարային ընդարձակման գործակից: Այն ցույց է տալիս, թե անկախ քանակից և գազի բնույթից, գազի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով բարձրացնելիս իդեալական գազի սկզբնական ծավալի յուրաքանչյուր միավորն ինչքանով կաճի:

(III.9)-ից հետևում է.

     Նորից վերադառնանք նկ.III.3-ին, ըստ որի A կետում գազի ծավալը զրոյի է հավասար: Հետևաբար  երբ t =-273,15^oC, ուրեմն.

Այս արդյունքը տեղադրելով (III.10)-ի մեջ, կստացվի.

Ըստ նշանակման   T-ն  կոչվում է մարմնի (համակարգի) բացարձակ կամ թերմոդինամիկական ջերմաստիճան:

(III.12)-ը անկախ է գազի քանակից:

Բացարձակ ջերմաստիճանն արտահայտվում է Կելվինով (K), ի պատիվ անգլիացի գիտնական Ջ.Կելվինի:

Ցելսիուսի սանդղակով արտահայտված ջերմաստիճանը Կելվինի սանդղակով արտահայտելու համար պետք է t-ին գումարել 273,15: Օրինակ, եթե մարմնի ջերմաստիճանը 24,85 ^oC   է, ապա այդ մարմնի բացարձակ ջերմաստիճանը կլինի

Կատարված քննարկումից հետևում է, որ երբ t = −273,15^oC , ապա T = 0: Սա բացարձակ զերո աստիճանն է, որն ըստ էության սահմանային մեծություն է:   T<0 պայմանը իրականալի չէ: Նշանակում է, որ տիեզերքում գոյություն չունի -273,5 ^oC -ից ավելի ցածր ջերմաստիճան:

Ուսումնասիրված է նաև գազի ճնշման կախումը ջերմաստիճանից իզոխորային պայմաններում

Փորձնական արդյունքները պատկերված են նկ.III.5-ի վրա:

Նման դատողություններով նույնպես կարելի է ցույց տալ, որ

Տվյալ հարցի քննարկումն ավարտելու համար նշենք նաև, որ

 կոչվում իզոթերմային սեղմելիության գործակից:

>>

III-1:3. Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը

Այժմ իրար հետ կապենք տարբեր փորձերով ստացված արդյունքները, նպատակ ունենալով ֆունկցիոնալ կապ ստեղծել տվյալ քանակով գազի վիճակը բնութագրող երեք հիմնական պարամետրերի՝ P, V  և T-ի միջև:

Քննարկումը պարզեցնելու նպատակով ընդունենք հետևյալ սկզբնական պայմանները: Վերցվում է 0 ^oC  (այսինքն   ջերմաստիճանում և 1 մթն ճնշման տակ (1 մթն = 0,101 ՄՊա) գտնվող մեկ մոլ գազ, որն զբաղեցնում է  ծավալ: Ուրեմն գազի սկզբնական վիճակը բնութագրվում է հետևյալ պարամետրերով.

Այդ մեկ մոլ գազը ենթարկենք իզոբարային ընդարձակման, բարձրացնելով ջերմաստիճանը   մինչև T K : Կստացվի նոր վիճակ.

Այժմ այդ գազը ենթարկենք իզոթերմային սեղման (- ն փոքրանում է, իսկ P - ն` մեծանում): Այս նոր վիճակին կհամապատասխանեն հետևյալ պարամետրերը.

 (բ) և (գ) վիճակների նկատմամբ կիրառելի է Բոյլ-Մարիոտտի օրենքը (III.1).

(ա) և (բ) վիճակների նկատմամբ կիրառենք Շառլ-Գեյ-Լյուսակի օրենքը (III.12) և տեղադրենք (դ)-ի մեջ.

Ըստ մեր ընդունած պայմանների՝  (սա համապատասխանում է «նորմալ» պայմանին): Փորձը ցույց է տալիս, որ նորմալ պայմանում ցանկացած գազի մեկ մոլը զբաղեցնում է 22,4 լ  ծավալ:  Հետևաբար,  Ուրեմն.

R-ը կոչվում է գազային ունիվերսալ հաստատուն, որի չափողականությունը կախված է P-ի և V-ի չափողականություններից: Տվյալ դեպքում P-ն արտահայտվեց մթն-ով և լիտրով:

(III.16) -ը հայտնի է որպես Կլապեյրոնի հավասարում: Քանի որ  ապա

 հարաբերությունը գազի ջերմաստիճանն է:

Այս հավասարման միջոցով իրար հետ են կապվում գազի վիճակը բնութագրող հիմնական պարամետրերը: Ուշագրավ է այն հանգամանքը, որ այդ հավասարումը գազը բնութագրող ոչ մի անհատական հատկություն արտահայտող մեծություն չի պարունակում: Ինչպես (III.16)-ը, նույնպես և (III.18)-ը կոչվում են գազի վիճակի հավասարում: Փորձնական տվյալներն այնքան ավելի լավ են նկարագրվում (III.18) հավասարումով, ինչքան ցածր է գազի ճնշումը և բարձր՝ ջերմաստիճանը: Գազն իդեալական է համարվում այն դեպքում, երբ նրա վիճակը նկարագրվում է (III.18) հավասարումով: Այս պատճառով էլ այն կոչվում է իդեալական գազի վիճակի հավասարում: Եթե մեկ մոլ գազ է քննարկվում, ապա (III.18)-ը կնույնանա (III.16)-ի հետ:

Այսպիսով, կասկած չի հարուցում (III.18) հավասարման տեսական և գործնական հետաքրքրությունը:

Այս հանգամանքը պարտադրում է պարզաբանել R-ի ֆիզիկական իմաստը:

PV արտադրյալն աշխատանք է: Դա կարելի է հեշտությամբ ցույց տալ: Ըստ իմաստի, ճնշումը միավոր մակերեսի վրա ազդող ուժ է.  P=F/S:

Հետևաբար որը մեխանիկական աշխատանք է: PV-ն ծավալային աշխատանք է:

Վերցնենք 1 մոլ գազ, որը գտնվում է P ճնշման տակ և T ջերմաստիճանում: Գազի զբաղեցրած ծավալը նշանակենք Այդ գազի վիճակը կնկարագրվի.

հավասարումով: Այդ գազը ենթարկենք իզոբարային ընդարձակման` գազի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով բարձրացնելով:

Այս պայմանի համար.

(զ)-ից հանելով (ե)-ն, կստացվի.

(III.19)-ից հետևում է, որ R-ը այն ծավալային աշխատանքն է, որը կատարում է մեկ մոլ իդեալական գազը դրա ջերմաստիճանը 1 աստիճանով բարձրացնելիս :

Այստեղից կարևորվում է R-ի թվական արժեքի իմացումը:

1. Ըստ (III.17)-ի

2. P, V և T-ն արտահայտենք օգտագործելով ֆիզիկական մեծությունների միջազգային միավորները (ՄՄ) (տե՛ս էջ 31 և 32) P, V և T-ն  արտահայտենք օգտագործելով ֆիզիկական մեծությունների միջազգային միավորները (ՄՄ) (տե՛ս էջ 31 և 32)

Հայտնի է, որ մթնոլորտային ճնշումը հավասարակշռվում է 1 սմ² (10^–4 մ²) հատվածքով և 76 սմ (0,76 մ) բարձրությամբ սնդիկի սյան զանգվածի հետ (Տորիչելլիի փորձը): Այսպիսի սնդիկի զանգվածը    կգ է.

սնդիկի խտությունն է, իսկ

որտեղ ՝ ազատ անկման արագացումն է:

Որտեղից.

Այսպիսով.

>>

III-1:4. Ամագայի օրենքը: Պարցիալ ծավալ

Չնայած այն հանգամանքին, որ V  և n էքստենսիվ պարամետրեր են, այնուամենայնիվ   (մոլային ծավալը) էքստենսիվ չէ, որովհետև մեկ մոլ խառնուրդի ծավալը հավասար չէ բաղադրիչների մոլային ծավալների գումարին: Ապացուցենք:

Դիցուք ունենք i հատ գազերի խառնուրդ: Յուրաքանչյուրից վերցված է մոլ: Պարզ է, որ

 մեկ մոլ խառնուրդի ծավալն է, իսկ խառնուրդում մոլ նյութ կա: Որտեղից.

 կոչվում է խառնուրդում  i-րդ նյութի մոլային բաժին: Չափողականություն չունի և  Ցույց է տալիս, թե մեկ մոլ խառնուրդը  i նյութից քանի մոլ է պարունակում: Եթե  բազմապատկենք հարյուրով, մոլային բաժինը կարտահայտվի տոկոսներով:

Ուրեմն.                                                                         

(III.21)-ից հետևում է, որ Ուրեմն էքստենսիվ պարամետր չէ:

Եթե գազային խառնուրդը գտնվում է P ճնշման տակ, ապա

իսկ                                            

Իրար վրա բաժանելով, կստացվի.

որտեղից

Սա Ամագայի օրենքի մաթեմատիկական արտահայտությունն է: Օրենքի սահմանումը. V ծավալով խառնուրդում i-րդ գազի զբաղեցրած ծավալը հավասար է ընդհանուր ծավալի և խառնուրդում այդ գազի մոլային բաժնի արտադրյալին:

>>

III-1:5. Գազի պարցիալ ճնշում: Դալտոնի օրենքը

V ծավալով տարողության մեջ հաջորդաբար ներմուծենք միևնույն ջերմաստիճանում գտնվող i հատ գազ, յուրաքանչյուրից մոլ: Եթե այդ բոլոր գազերն իդեալական են, ապա ինչպես յուրաքանչյուրի, այնպես էլ խառնուրդի նկատմամբ կիրառելի է (III.18) վիճակի հավասարումը: Այսպես, յուրաքանչյուրի համար.

Իսկ խառնուրդի համար.

որովհետև.                      

(III.24)-ի յուրաքանչյուրը բաժանենք (III.25) - ի վրա.

կոչվում է i-րդ գազի պարցիալ ճնշում: (III.26) Դալտոնի օրենքի մաթեմատիկական արտահայտությունն է: Օրենքի սահմանումը.

Գազերի խառնուրդում տվյալ գազի պարցիալ ճնշումը հավասար է այդ խառնուրդի ընդհանուր ճնշման և խառնուրդում քննարկվող գազի մոլային բաժնի արտադրյալին:

   (III.25)-ից չի հետևում, որ ճնշումը էքստենսիվ պարամետր է, որովհետև P-ն հավասար է ոչ թե բաղադրիչ գազերի, այլ դրանց պարցիալ ճնշումների գումարին:

(տե՛ս III.22)-ը: Այսինքն, ամբողջը հավասար է մասերի գումարին: Այսպիսով` պարցիալը այն ճնշումն է, որն ստեղծում է գազային խառնուրդում առանձին վերցրած յուրաքանչյուր բաղադրիչ նույն ծավալում և ջերմաստիճանում:

>>

III-1:6. Իդեալական գազի վիճակի հավասարման

գործնական նշանակությունը

1. Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը՝

հնարավորություն է տալիս երեք պարամետրեր իմանալու պարագային հաշվել չորրորդը: Եթե գիտենք P-ն և T-ն, կարելի է հաշվել V/n հարաբերությունը: Իսկ եթե հայտնի է քննարկվող գազի քանակը (n) կամ զանգվածը (m) ու մոլային զանգվածը՝ կարելի է հաշվել այն ծավալը, որը զբաղեցնում է այդ գազը նշված պայմաններում: Պետք է հիշել, որ նորմալ պայմաններում՝ (T₀ = 273,15 K) 1 մոլ գազը զբաղեցնում է 22,4 լ ծավալ և պարունակում հատ մասնիկ (մոլեկուլ):

2. Կարելի է հաշվել անհայտ գազի մոլային զանգվածը

d-ն քննարկվող գազի խտությունն է (կգ.մ^–3, գ.սմ^–3, գ.լ^–1): Այն կարելի է որոշել տվյալ ջերմաստիճանում կշռելով որոշակի ծավալով գազը: (III.27)-ից կստացվի.

որտեղ  (տե՛ս նկ.III.6):

Ուրեմն, առաջադրված խնդիրը լուծելու համար պետք է ուսումնասիրվող գազի խտությունը որոշել տարբեր ճնշումների տակ և կազմել գրաֆիկ կոորդինատներով: Եթե գազն իդեալական է, պետք է ստացվի նկ. III.6-ի վրա ներկայացված ուղիղը, որը աբսցիսի հետ կազմում է անկյուն: Ինչպես ցույց տրվեց   Փորձերը ցույց են տալիս, որ ճնշման մեծացման հետ գազի վիճակը դադարում է նկարագրվել (III.18) հավասարումով: Նման պարագայում օգտվում են գազի վիճակի «վիրիալ» հավասարումից, որի ներկայացման ձևերից մեկն է.

(տե՛ս նկ.III.7):

Եթե փորձի պայմաններում գազի վիճակը նկարագրվում է (III.18) հավասարումով, ապա և կստացվի աբսցիսին զուգահեռ (1) ուղիղը: Հակառակ դեպքում փորձի տվյալները կբավարարեն (III.29) հավասարմանը և գրաֆիկորեն կպատկերվեն (2) ուղիղով:

Այս վերջինը օրդինատից կհատի ob  հատվածը, իսկ

Հեշտ է նկատել, որ երբ ապա (III.29) կնույնանա (III.28)-ի հետ: Սա նշանակում է, որ երբ գազի ճնշումը ձգտում է զրոյի, ապա այն կդառնա իդեալական:

Այս պայմանի համար.

(III.29)-ի մեջ կոչվում է «վիրիալ» գործակից: Այն քանակապես բնութագրում է միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները, որոնք և պայմանավորում են գազի իդեալական վիճակից շեղումը:

3. Գազային խառնուրդի բաղադրության որոշումը:

(III.28) հավասարումը կիրառելի է նաև իդեալական գազերի խառնուրդների նկատմամբ: Այդ հավասարման մեջ d-ն արդեն կվերաբերի խառնուրդի խտությանը և M-ն էլ՝ մեկ մոլ գազային խառնուրդի (իսկ եթե այն ուսումնասիրվում է նորմալ պայմաններում` 22,4 լ գազային խառնուրդի) զանգվածն է:

Դիցուք ունենք A և B գազերի խառնուրդ: A-ի մոլային զանգվածը Դիցուք գազային խառնուրդը հարյուր մոլ է: A-ից վերցված է մոլ, B-ից՝   Հետևաբար,

Օգտվելով զանգվածների պահպանման օրենքից, կարելի է գրել.

որտեղ մոլային բաժին է:

(ա)-ն տեղադրենք (III.28)-ի մեջ.

քանի որ

(III.31)-ից կստացվի.

Եթե  ապա d-ն պետք է գծային կախման մեջ լինի  (տե՛ս նկ.III.8):

      Երբ

Այսպիսով, ունենալով մաքուր A և B գազերին վերաբերող a և b կետերը, կարելի է դրանք ուղիղ գծով միացնել: Այդ ուղիղը (III.32)-ի գրաֆիկ պատկերն է:

Դիցուք տված է անհայտ բաղադրությամբ ելային խառնուրդ, որի խտությունը կարելի է հեշտությամբ որոշել: Օգտվելով ab ուղիղից և կարելի է որոշել այսինքն ելային խառնուրդի բաղադրությունը՝ արտահայտված մոլային բաժիններով: Արդեն շատ հեշտ է մոլային բաժնից զանգվածային կամ ծավալային բաժնի անցումը:

4. Կարելի է տվյալ ջերմաստիճանի համար որոշել գազի դիսոցման աստիճանը (եթե դիսոցում կա):

Քննարկենք կոնկրետ մի օրինակ:

Պարզված է, որ  T>545 K ջերմաստիճաններում ֆոսգենը դիսոցվում է ըստ հետևյալ սխեմայի.

Դիցուք վերցվել է մեկ մոլ գազ, որից մոլը դիսոցվել է: Ուրեմն, մնացել է մոլ ֆոսգեն և գոյացել է Այսպիսով, գազային խառնուրդում մոլերի ընդհանուր թիվը՝ i,  կլինի.

Ուրեմն, մեկ մոլ  դիսոցումից կստացվի մոլ գազային խառնուրդ: Եթե վերցվել է n մոլ ֆոզգեն, ապա կստացվի մոլ խառնուրդ:

Ընդունենք, որ գազային խառնուրդն իդեալական է:

Հետևաբար, մինչև դիսոցվելը.

և դիսոցվելուց հետո, երբ համակարգի ճնշումը պահպանվում է հաստատուն,

Իրար վրա բաժանելով, կստացվի.

կարելի է հաշվել (III.18) հավասարման օգնությամբ, իսկ որոշել փորձով: Օգտվելով այս տվյալներից (III.33)-ի միջոցով կորոշվի

   >>

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

(իդեալական գազեր)

1. 0,1 մթն ճնշման տակ գտնվող գազը 273,15 K-ում զբաղեցնում է 2,5 լ ծավալ:

(ա) Ի՞նչ ծավալ կզբաղեցնի այդ նույն քանակով գազը նույն ջերմաստիճանում, եթե ճնշումը մեծացվի 10 անգամ:

(բ) Ինչպիսի՞ն պետք է լինի ճնշումը, որպեսզի այդ նույն ծավալը 5 անգամ մեծանա:

2. 50,0 լ ծավալով մետաղական տարողությունը լցված է թթվածնով: Այն գտնվում է 18,5 մթն ճնշման տակ և 21^oC -ում: Ի՞նչ ծավալ կզբաղեցնի այդ գազը, եթե հաստատուն ջերմաստիճանի տակ ճնշումը նվազեցվի մինչև 1,0 մթն:

3. Արտադրության մեջ գազային ազոտով իրականացվող պրոցեսներում (օրինակ, ամոնյակի սինթեզը) հաճախ ազոտը ռեակտոր է մտցվում 150 մթն ճնշման տակ և սենյակային ջերմաստիճանում Ինչպիսի՞ն կլինի ռեակտորում ազոտի ճնշումը, եթե տաքացվի մինչև 500 K:

4. 250 մլ տարողությամբ կոլբի բերանը բաց է: Այն ընկղմված է սառը ջրի մեջ Նշված պայմաններում այդ կոլբում 0,0110 մոլ օդ կա:

(ա) Քանի՞ մոլ օդ կմնա այդ կոլբի մեջ, եթե այն տեղափոխենք եռացող ջուր պարունակող անոթի մեջ

(բ) Ինչպիսի՞ն պետք է լինի կոլբում եղած օդի ջերմաստիճանը, որպեսզի կոլբում եղած գազի մոլերի թիվը երկու անգամ նվազի:

5. Տաքացնելիս քայքայվում է անջատումով: Այն հավաքվել է 250 մլ տարողությամբ անոթում: -ի վերցված նմուշը լրիվ քայքայելուց հետո 31^oC-ում գազի ճնշումը եղել է 1,3 մթն: Քանի՞ մոլ է անջատվել:

6. Աէրոզոլ պարունակող սրվակում 25^oC-ում ճնշումը 1,5 մթն է: Ինչպիսի՞ն կլինի գազի ճնշումը 450^oC--ում, եթե գազը իդեալական է:

7. Ծովի մակերևույթի վրա գազով լցված բալոնի ծավալը 6,0 լ է: Այդ բալոնը բարձրացվել է մինչև այնպիսի մի բարձրություն (h), որին համապատասխանում է հիշյալ h բարձրության վրա: Հաշվել նշված բալոնի ծավալը h բարձրության վրա:

8. 92^oC-ում 5 լ տարողությամբ դատարկ անոթը լցրել են 3,0 գ գազային Ի՞նչ ճնշում է ստեղծվում այդ տարողության մեջ:

9. 273,15 K-ում և ցածր ճնշումների տակ ուսումնասիրելով սեղմելիությունը, ստացվել են հետևյալ տվյալները.

Ենթարկվու՞մ է արդյոք թթվածինը նշված պայմաններում Բոյլ-Մարիոտտի օրենքին:

10. Հաստատուն ջերմաստիճանում և 1 մթն ճնշման տակ օդի ինչ-որ մի նմուշ 1000 սմ³ ծավալ է զբաղեցնում:

(ա) Ինչպիսի՞ ծավալ կզբաղեցնի օդի այդ նմուշը 10 մթն ճնշման տակ:

(բ) Ինչպիսի՞ ճնշման տակ պետք է գտնվի օդի այդ նմուշը, որ զբաղեցնի է 1 սմ³ ծավալ:

11. -ում 1 մոլ զբաղեցնում է 0,381 լ ծավալ: Ի՞նչ ճնշման տակ է գտնվում այդ գազը:

12. 300 K-ում 2 մոլ իդեալական գազը գտնվում է 2,46 մթն ճնշման տակ: Այդ գազը ի՞նչ ծավալ է զբաղեցնում:

13. 1 սմ տրամագծով (d=2r) գազի պղպջակը գտնվում է լճի հատակին, որտեղ Ի՞նչ տրամագիծ կունենա այդ պղպջակը, եթե բարձրանա լճի մակերես, որտեղ  (ընդունել, որ պղպջակը միայն օդով է լցված):

14. 22^oC-ում և Hg-ի սյան 752 մմ ճնշման տակ գտնվող օդը զբաղեցնում է 8,2 լ ծավալ: Ընդունելով, որ նշված պայմաններում օդը իդեալական գազ է՝ հաշվել այն ծավալը, որը կզբաղեցնի: Ի՞նչ քանակով օդ է վերցված եղել:

15. Տարբեր ճնշումների տակ չափելով մի քանի գազերի ջերմային ընդարձակման գործակիցները ստացվել են հետևյալ տվյալները:

Այս տվյալների հիման վրա ցույց տալ, որ ցածր ճնշումների դեպքում Շառլ-Գեյ-Լյուսակի օրենքը ճիշտ է: Որոշել նաև բացարձակ զրո աստիճանը այն արտահայտելով Ցելսիուսի սանդղակով: Ի՞նչ հետևություններ կարելի է անել բերված տվյալների հիման վրա:

16. Գազային խառնուրդի բաղադրությունն արտահայտված է զանգվածային բաժիններով.

 (ա) Գազի բաղադրությունն արտահայտել մոլային բաժիններով (%-ներով):

(բ) Հաշվել 1,5 մթն ճնշման տակ և 400^oC-ում գտնվող այդ խառնուրդի խտությունը:

17. Ինչ որ մի ճնշման տակ և 150^oC -ում ըստ զանգվածի 31,04 % պարունակող  100 գ խառնուրդը 0,99456 լ ծավալ է զբաղեցնում: Գազային այդ խառնուրդի նկատմամբ կիրառելի՞ է արդյոք Դալտոնի օրենքը: Հաշվել այն ճնշումը, որի տակ է գտնվում գազային խառնուրդը:

18. 35^oC -ում քլորպիկրինի վրայով 1 մթն ճնշման տակ 2151 մլ չոր օդ է անց կացվել: Օդն իր հետ այդ հեղուկից գոլորշի է տարել, որի հետևանքով հեղուկի զանգվածը 0,920 գ-ով նվազել է: Ինչի՞ է հավասար 35^oC -ում քլորպիկրինի հագեցած գոլորշիների ճնշումը, եթե օդի և քլորպիկրինի գոլորշիների խառնուրդի ճնշումը հավասար է 731 մմ Hg-ի սյան: Գազային խառնուրդը համարել իդեալական գազ:

19. 25^oC -ում 10 լ տարողությամբ ծավալ են մտցրել 1 մոլ խառնուրդ: Հաշվել (ա) յուրաքանչյուրի պարցիալ ճնշումը և (բ) այն ճնշումը, որի տակ է գտնվում գազային այդ խառնուրդը:

20. Ծովի մակերեսին չոր օդի բաղադրությունը ըստ զանգվածային բաժինների հետևյալն է. Ինչի՞ է հավասար այդ խառնուրդի յուրաքանչյուր բաղադրիչի պարցիալ ճնշումը, եթե ծովի մակերեսին = 1 մթն:

21. Անհայտ օրգանական նյութի անալիզը ցույց է տվել, որ այն պարունակում է , Որոշել այդ նյութի մոլային զանգվածը, եթե այդ նյութի 0,1525 գ նմուշը գոլորշիացնելուց հետո դրա զբաղեցրած ծավալը փոխարինվել է 35,05 մլ օդով: Մթնոլորտային ճնշումը եղել է 730 մմ Hg-ի սյուն և փորձի ջերմաստիճանը՝ 20^oC:

22. 0^oC -ում որոշվել է բանաձև ունեցող ամինի խտությունը տարբեր ճնշումների տակ: Ստացվել են հետևյալ տվյալները:

Օգտվելով խտության սահմանային արժեքից որոշել այդ ամինի մոլային զանգվածը: Ի՞նչ ամին է այդ նյութը:

23. 300,0 K-ում ինչ որ մի գազի խտության կախումը ճնշումից հետևյալ փորձարարական բանաձևով է արտահայտվում.

Որոշել այդ գազի մոլային զանգվածը չօգտվելով գրաֆիկական մեթոդից: Օգտվել № 22 խնդրի լուծումից:

24. Ոչ բարձր ջերմաստիճաններում, ոչ էլ ցածր ճնշումների տակ  վիճակը չի նկարագրվում իդեալական գազի վիճակի հավասարումով: Ենթադրվում է, որ փորձի պայմաններում  դիսոցվում է: Հետևյալ փորձնական տվյալների հիման վրա հաշվել դիսոցման աստիճանը:

25. Գոլորշի ֆազում քացախաթթվի ասոցումն է ուսումնասիրվել որոշելով թվացող մոլային զանգվածները

(ա) Այս տվյալների հիման վրա հաշվել գոլորշի ֆազում քացախաթթվի ասոցման աստիճանը

(բ) ֆունկցիան պատկերել գրաֆիկի տեսքով:

26. Ըստ հետևյալ տվյալների որոշել անհայտ գազային նյութի մոլային զանգվածը: Փորձերը կատարված են 300 K-ում:

27. Հաշվել նորմալ պայմաններում ամոնյակի խտությունը և պարզել, թե 0 ^o C-ում ինչպիսի՞ ճնշման տակ այն կհավասարվի նորմալ պայմաններում որոշված թթվածնի խտությանը:

28. 300 K-ում Ne-ի ջերմային ընդարձակման գործակիցը`

Ի՞նչ փոփոխություն կկրի Ne-ի ծավալը, եթե այդ գազի 50 սմ³ նմուշի ջերմաստիճանը բարձրացվի 5^o-ով:

29. 288 K-ում վերցված է պարունակող գազային խառնուրդ: Խառնուրդի ծավալը 25 լ է և գտնվում է 5 մթն ճնշման տակ: Քանի՞ մոլ կա խառնուրդում և ինչպիսի՞ն է յուրաքանչյուր բաղադրիչ գազի պարցիալ ճնշումը:

30. Օդահանված կոլբը կշռում է 134,6 գ: 735 մմ Hg սյան ճնշման տակ անհայտ գազով լցված կոլբը կշռում է 137,5 գ: 31^oC-ում (304 K) ջրով լցված այդ կոլբը կշռում է 1067,9 գ: Որոշել վերցված գազի մոլային զանգվածը, ընդունելով, որ 31^oC -ում

 >>

III-2. ՇԵՂՈՒՄՆԵՐ ԻԴԵԱԼԱԿԱՆՈՒԹՅՈՒՆԻՑ:

ՌԵԱԼ ԳԱԶԵՐ: ՎԱՆ ԴԵՐ ՎԱԱԼՍԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

(III.13) և (III.14) հավասարումներց հետևում է, որ երբ նշանակում է, որ գազ չկա, ոչնչացել է, որն անիմաստ է:

Բացի այս եզրակացություններից փորձերը ցույց են տալիս, որ գազի ճնշման մեծացմանը և ջերմաստիճանի նվազեցմանը զուգընթաց փոխվում է ագրեգատային վիճակը՝ գազը հեղուկանում է: Այս հանգամանքը չի բխում իդեալական գազի վիճակն արտահայտող (III.18) հավասարումից:

Ագրեգատային վիճակի փոփոխությունը պայմանավորված է միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների առկայությամբ: Գազային օրենքները քննարկելիս այդ փոխազդեցությունների գոյությունն առհասարակ չքննարկվեց:

Հեղուկացման և պնդացման պրոցեսների քննարկումից միանշանակ հետ-ևում է, որ միջմոլեկուլային համեմատաբար մեծ հեռավորությունների առկա-յության պարագայում գերակշռում են ձգողական, իսկ փոքր հեռավորություննե-րի դեպքում, երբ մոլեկուլները գրեթե իրար հետ կոնտակտի մեջ են՝ վանողա-կան ուժերը:

Երևույթի քննարկման համար որպես հիմք է ընդունվում (III.16) հավասարումը: Դրա հիման վրա 1 մոլ գազի համար կարելի է գրել.

z-ը կոչվում է «սեղմման գործակից»: Եթե գազը իդեալական է, ապա z = 1: Բոլոր գազերի համարքանի որ

(Տե՛ս նկ.III.9):

Եզրակացություն. Շատ փոքր ճնշումների տակ, երբ գազը շատ նոսր է, այն գտնվում է իդեալական վիճակում: Նկ.III.9-ից հետևում է նաև, որ գազի ճնշումը մինչև ինչ որ մի մեծացնելիս z-ը փոքրանում է, այսինքն գազը սեղմելի է հետևանք է մոլեկուլների միջև ձգողական ուժերի գերակշռությանը: Երբ սկսում է աճել դառնալով 1-ից մեծ  Եթե գազի փաստացի ծավալն ավելի մեծ է քան այն ծավալը, որը պետք է զբաղեցներ 1 մոլ գազը, եթե իդեալական լիներ, ապա դա հետևանք է մոլեկուլների միջև վանողական ուժերի գերակայությանը:

Այս քննարկումը հանգեցնում է հետևյալ միանշանակ եզրակացության. (III.16) հավասարումը կիրառելի չէ՝ ճնշումների լայն տիրույթում գազերի վիճակը նկարագրելու համար:

Ուրեմն, կամ պետք է նոր հավասարում առաջարկել (արտածել որոշակի դրույթների հիման վրա), կամ հիմք ընդունել (III.16)-ը և դրանում համապատասխան ուղղումներ մտցնել նկատի առնելով փորձերով հաստատված եր-ևույթները, այդ թվում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների գոյության փաստը:

Բնական է, որ ավելի մատչելի է երկրորդ ուղին:

Ինչպիսի՞ ուղղումներ պետք է մտցնել:  Պետք է, որ դրանք այնպիսիք լինեն, որ հնարավորություն տան ազատվել նշված հակասություններից:

1. Ուղղում առաջին. Մոլեկուլների սեփական ծավալ ունենալու փաստը: Ըստ նշանակման  1 մոլ գազի զբաղեցրած ծավալն է: Նպ-ում  որը պարունակում է հատ մոլեկուլ: Մոլեկուլը նյութական մասնիկ է և ոչ թե «կետ», հետևաբար ունի սեփական ծավալ: Նշանակենք այն  Ուրեմն, 1 մոլ գազի սեփական ծավալը կլինի. Բնական է, որ 1 մոլ գազի զբաղեցրած ծավալը չի կարող b-ից փոքր լինել: Սա նշանակում է, որ 1 մոլ գազը կարող է սեղմվել ոչ ավել քան չափով: Ուրեմն (III.16) հավասարման մեջ  փոխարեն պետք է գրել հետևաբար.

որտեղից.

Երբ

 կինետիկական ճնշումն է, որով գազն ազդում է անոթի պատերի վրա:

2. Ուղղում երկրորդ. Միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների առկայության նկատառումը: Այս գաղափարի իրական լինելը անմիջապես հետևում է որոշ փորձնական տվյալներից: Այսպիսի քննարկում կատարվեց նկ.III.9-ում բերված կորերի հիման վրա: Ուշագրավ է նաև հետևյալ փաստը. որքան գազը ավելի է մոտ հեղուկացման, այնքան ավելի ցայտուն է այդ գազի իդեալական վիճակից շեղումը:

Իդեալականությունից շեղման որպես քանակական չափանիշ վերցվում է հետևյալ հարաբերությունը.

Հետևյալ աղյուսակում բերված են համար արժեքները:

Այս տվյալներից հետևում է.

1.    Բոլոր շեղումները բացասական են, այսինքն

2.    Ճնշման մեծացման հետ շեղումն ավելի ցայտուն է դառնում:

3.    Հաստատուն ճնշման դեպքում, որքան ջերմաստիճանը ցածր է (այսինքն որքան ավելի իրար մոտ են մոլեկուլները), այնքան ավելի մեծ է շեղումը:

4.    ավելի մեծ չափով է շեղվում իդեալական վիճակից քան Այս երևույթը շաղկապված է հետևյալ փաստի հետ. շատ ավելի հեշտ է կոնդենսանում քան

Եզրակացություն. Երբ գերակշռում են միջմոլեկուլային ձգողական ուժերը, ապա գազում ստեղծվում է մի իրավիճակ, երբ տվյալ P ճնշման տակ միջմոլեկուլային միջին հեռավորությունն ավելի փոքր է դառնում, քան պետք է լիներ ըստ իդեալական վիճակի թելադրածի: Սա նշանակում է, որ մխոցի վրա ազդող ճնշումը ավելի մեծ է դառնում, քան արտաքինից մխոցի վրա ազդող ճնշումն է տարբերությունը կոչվում է գազի ներքին ճնշում  (պայման չէ, որ ):

Գազում առանձնացնենք իրարից անկախ 2 հատ միավոր ծավալներ:  Թող յուրաքանչյուրում մեկական մոլեկուլ լինի: Այդ 2 մոլեկուլների միջև գործող ձգողական ուժը նշանակենք Եթե այդ ծավալներից մեկում լինի մեկ մոլեկուլ, իսկ մյուսում՝ երկու, բնական է, որ այս դեպքում կստացվի. Եթե 2  ծավալներում էլ 2-ական մոլեկուլ կա, կստացվի. Նման դատողությամբ կարող ենք գրել. Եթե այժմ վերցնենք այն դեպքը, երբ V ծավալում կա n հատ մոլեկուլ, ապա կարելի է գրել.

որտեղ -ն գազի կոնցենտրացիան է:

Պետք է նշել, որ այս քննարկման հիմքում դրվեց «մասնիկների հավասարաչափ բաշխման սկզբունքը», ըստ որի համակարգի միավոր ծավալում մասնիկների թիվը հաստատուն է:

Հենց F_ձգ - ի չափով էլ նվազում է մխոցի ներքին մակերեսի վրա ազդող ուժը, հետևաբար աճում է այն ճնշումը, որի տակ է գտնվում գազը:

Ինչպես նշվեց.

որտեղ գազի մոլային ծավալն է, իսկ համեմատականության գործակից է. չափողականությունն է. մթն (լ/մոլ)²:

Հետևաբար

Մտցնենք այս ուղղումը ևս.

Սա վան դեր Վաալսի հավասարումն է, որը հնարավորություն է տալիս նկարագրել 1 մոլ ռեալ գազի վիճակը: n մոլ գազի համար կստացվի.

քանի որ

Հետևյալ աղյուսակում բերված են մի քանի գազերի համար վան դեր Վաալսի հավասարման a և b հաստատունների արժեքները:

>>

III-2:1.  Վան դեր Վաալսի հավասարման

հետազոտումը

(III.38.ա)-ից կստացվի.

Քանի որ ցածր ճնշումների տակ մեծ է, այսինքն այդ պատճառով էլ  բինոմը կարելի է վերածել շարքի: Բավարարվենք շարքի առաջին երեք անդամներով.

 (ա)-ն տեղադրենք (III.39)-ի մեջ.

Ընդունելով, որ z - ի համար կստացվի.

Քննարկենք ֆունկցիան: Սկսենք այդ ֆունկցիայի ըստ P-ի ածանցումից.

          որտեղից               

Սա փաստորեն ֆունկցիան պատկերող կորի սկզբնական մարզի անկյունային գործակիցն է: Հնարավոր է երեք դեպք.

1. Այս պայմանին է ենթարկվում ջրածինը (տե՛ս նկ.III.9): Այս պայմանից հետևում է, որ հաստատուն ջերմաստիճանում որոշիչը a/b հարաբերության արժեքն է:

2. Ըստ նկ.III.9-ի այս պայմանը կիրառելի է նկատմամբ մինչև Ինչպես նշվել է՝ ի տարբերություն այս երկու գազերը հեշտությամբ հեղուկանում են: Հիշենք, որ a-ն միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների սաստկությանը համեմատական մի մեծություն է:

3. Այս անհավասարությունները քննարկելիս չի կարելի հաշվի չառնել այն ջերմաստիճանը, որում գտնվում է գազը: Պարզ է, որ T-ի բարձրացման հետ կփոքրանա a/RT  հարաբերությունը և կմեծանա T-ի փոքրացման հետ: Հետևաբար, սկզբունքորեն պետք է գոյություն ունենա մի ջերմաստիճան, որի տակ  (հիշել, որ a-ն և b-ն հաստատուն մեծություններ են): Այդ որոշիչ ջերմաստիճանը կոչվում է Բոյլի ջերմաստիճան՝ Փաստորեն սա այն ջերմաստիճանն է, որի համար այսինքն z = const: Մասնավոր դեպքում կարող է z = 1 լինել, որը բնորոշ է իդեալական գազերին:  Հետևաբար, կարևոր է իմանալ յուրաքանչյուր գազի այդ գազի հեղուկացումը իրականացնելու համար:

Գազը կհեղուկանա, եթե գտնվում է ցածր ջերմաստիճանում:

Բացենք (III.38) հավասարման փակագծերը.

որտեղից :

Ընդունելով, որ կստանանք.

 (III.43)-ից հետևում է, որ երբ

Հետևաբար, յուրաքանչյուր գազ, երբ շատ նոսր է  կամ գտնվում է բարձր ջերմաստիճաններում  իրեն պահում է որպես «իդեալական»:

Կամերլինգ-Օնեսը առաջարկել է (III.43) հավասարումներն անվանել «գազի վիճակի վիրիալ հավասարումներ» (լատիներեն vir նշանակում է ուժ և vires` ուժեր):

կոչվում են 2-րդ և 3-րդ վիրիալ գործակիցներ, որոնց մեծությամբ է բնութագրվում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների սաստկությունը: Հեշտ է նկատել, որ հենց այդ անդամների գոյությամբ է ռեալ գազերի վիճակի հավասարումը տարբերվում իդեալական գազերի վիճակի հավասարումից:

>>

III-2:2. Վան դեր Վաալսի իզոթերմերը

Չնայած այն հանգամանքին, որ վան դեր Վաալսի հավասարումը նույնպես մոտավոր է, այն բավականին ճշգրիտ է ոչ շատ մեծ ճնշումների համար, բայց և այնպես թույլ է տալիս գոնե որակապես նկարագրել գազի վիճակը կրիտիկական պայմաններում:

Նկ.III.11-ում բերված իզոթերմերի համար  

Դիցուք վերցված է 1 մոլ գազ, որի վիճակը նկարագրվում է  պարամետրերին համապատասխանող A կետով:

Գազը իզոթերմորեն սեղմենք: Երբ  դառնում է   նկատվում են հեղուկի առաջին կաթիլները: Ծավալի հետագա փոքրացմանը զուգահեռ ճնշման էական փոփոխություն չի արձանագրվում: a’ կետում ( ծավալ և  ճնշում) գազն արդեն լրիվ հեղուկացած է: Հետևաբար  մարզում համակարգը երկֆազ է (հետերոգեն). հավասարակշռության մեջ են գազ և հեղուկ ֆազերը: Ac’ մարզում համակարգը միաֆազ է (հոմոգեն). նյութը գտնվում է գազային վիճակում: a’-ից ձախ համակարգը նորից հոմոգեն է (միաֆազ). նյութը գտնվում է հեղուկ վիճակում:  անցում կատարելու համար պահանջվող ճնշման մեծացումը հեղուկի ծավալի էական փոփոխության չի բերի: Սա պայմանավորված է հեղուկների փոքր սեղմելիությամբ: Այս նույն պատկերը կրկնվում է ավելի բարձր ջերմաստիճաններում:

Պատկերը որակապես փոխվում է, երբ   որը կոչվում է «կրիտիկական ջերմաստիճան»: Եթե փորձի ջերմաստիճանը մինչև    բարձրացնելիս  կանգառները օրինաչափորեն փոքրանում են, ապա   ջերմաստիճանում իզոթերմի վրա կանգառի փոխարեն շրջման կետ է դիտվում:  պայմանի դեպքում այլևս գազը սեղմելիս հեղուկի կաթիլներ չեն առաջանա, այսինքն եթե այդ պայմանն առկա է գազը չի կարելի հեղուկացնել: Հետևաբար կրիտիկականը այդ սահմանային ջերմաստիճանն է: K կետին համապատասխանող ճնշումը կոչվում է կրիտիկական ճնշում   ծավալն էլ (մասնավոր դեպքում մոլային)՝ կրիտիկական ծավալ

Այն գազանման նյութերը, որոնց   զգալիորեն բարձր է սենյակային ջերմաստիճանից  հեշտությամբ հեղուկացվում են: Այդպիսի գազերը գոլորշի են կոչվում: Օրինակ.

Այս պատճառով էլ թթվածինը գազ է, իսկ գազային վիճակում էթանոլը, ջուրը գոլորշիներ են:

Նկ.III.11-ի վրա պատկերված կորերը կոչվում են «Վան դեր Վաալսի իզոթերմեր»:  բարձր իզոթերմերը հիպերբոլներ են և հիշեցնում են Բոյլ-Մարիոտտի օրենքը գրաֆիկորեն պատկերող իզոթերմերը:

 կետից աջ նյութը գտնվում է գազային վիճակում, և d  կետից ձախ՝ հեղուկ :  մարզերում հեղուկը և գազը (գոլորշին) գտնվում են իրար հետ հավասարակշռության մեջ:

Ֆազային անցումները  պատկերող կետերը  իրար հետ միացնելով պարաբոլանման կոր է ստացվում (բինոդալ կոր). դա հագեցման կոր է:    կորն արտահայտում է հագեցած հեղուկի ծավալի (մոլային ծավալի) կախումը ճնշումից, իսկ   կորը՝ հագեցած գոլորշու ծավալի կախումը ճնշումից: Առաջինը «հեղուկի ճյուղն է», իսկ երկրորդը՝ «գոլորշու ճյուղը»: Վիճակը կայուն է այն դեպքում, երբ  Հակառակ դեպքում վիճակն անկայուն է:

>>

III-2:3. Վան դեր Վաալսի իզոթերմերի

անալիզը

Այս բաժնում համատեղ են քննարկվելու վան դեր Վաալսի (III.38) հավասարումը և իզոթերմերը:

Նկ.III.12-ի վրա ներկայացված կորերը 3 հիմնական մասերի են բաժանվում:

(1)-ը համապատասխանում է այն դեպքին, երբ գազը գտնվում է կրիտիկական վիճակում,

(2)-ը երբ  է և գազն անհնար է հեղուկացնել (այդ պայմանում գազն իրեն պահում է որպես իդեալական), (3)-ը երբ  և գազն իրեն պահում է որպես գոլորշի (ենթակա է հեղուկացման):

Վան դեր Վաալսի (III.38) հավասարումը կարելի է ներկայացնել որպես 3-րդ կարգի հավասարում.

Այս հավասարումը պետք է 3 արմատ ունենա, որը չի հետևում փորձնական կորից (օրինակ, կորը նկ.III.12-ի վրա):

Եթե գազը շատ դանդաղ սեղմենք հեղուկի կաթիլները կառաջանան ոչ թե c’, այլ e  կետում: Նման ձևով, եթե հեղուկը շատ դանդաղ ընդարձակենք գոլորշի կառաջանա ոչ թե ա’ կետում, այլ d-ում: e-ն գտնվում է ավելի բարձր իզոթերմի վրա, իսկ d-ն՝ ավելի ցածր: e-ի մոտ դեռ գոլորշի կա, իսկ d-ի մոտ՝ հեղուկ: Երկու դեպքում էլ համակարգը գտնվում է անկայուն վիճակում, որովհետև ed  մարզում

Ինչպես նշվեց կորի ed մարզը անբնական է, որովհետև P-ի մեծացման հետ V-ն էլ է մեծանում: Այդ մարզի ընդունումը պարտադրված է կորի անընդհատությունը ապահովելու և (III.44) հավասարման 3 արմատների գոյությունը հիմնավորելու համար: Ըստ նկ.III.11 և նկ.III.12-ի վրա բերված կորերի յուրաքանչյուր ջերմաստիճանում  ճնշման տակ V-ն (կամ ) կարող է 3 արժեք ունենալ.

Բնական է, որ կարևոր է այդ արմատները գտնելը:

(III.44) հավասարումը կարելի է հետազոտել 2 տարբեր մոտեցումներ կիրառելով. 1. Դիտել այն որպես 3-րդ կարգի հանրահաշվական հավասարում: Հետևաբար, այն կարելի է ներկայացնել հետևյալ տեսքով.

Կրիտիկական կետում  որտեղից.

Համեմատելով (III.44) և (III.45) հավասարումները կարելի է ցույց տալ, որ.

Այժմ արդեն կարելի է արտահայտել a-ի, b-ի և R-ի միջոցով:

(բ)-ն և (գ)-ն իրար վրա բաժանելով կստացվի.

(III.47)-ը տեղադրենք (բ)-ի մեջ.

Վերջապես (III.47) և (III.48) տեղադրելով (III.38)-ի մեջ կստացվի.

Միաժամանակ a-ն, b-ն և R-ը կարելի է արտահայտել կրիտիկական պարամետրերի միջոցով. (III.47)-ից կստացվի.  Տեղադրելով (III.48)-ի մեջ կստացվի.

(III.49) զուգորդելով (դ)-ի և (ե)-ի հետ կստացվի.

2. Հավասարման հետազոտման 2-րդ ուղին հիմնված է նկ.III.11-ի վրա պատկերված պարաբոլի մաքսիմումի (K կետ) և K կետով անցնող իզոթերմի շրջման կետի օգտագործման վրա.

(a) պարաբոլի մաքսիմում կետում (K)

 (b) այդ կետով անցնող կորի շրջման կետում

Ուրեմն, ածանցենք (III.38)-ը ըստ և կիրառենք max-ի պայմանը.

Գրենք 2-րդ ածանցյալը և կիրառենք շրջման կետի պայմանը.

Այս երկու հավասարումներից հեշտությամբ կստացվի.

Այս արդյունքը տեղադրենք (III.51)-ի մեջ.        (III.49)

Տեղադրելով (III.47)-ը և (III.49)-ը (III.38)-ի մեջ կստանանք.

Հետևաբար, 2 լուծումներն էլ հավասարազոր են:

Առանձնակի հետաքրքրություն է ներկայացնում այս քննարկման արդյունքներից մեկը՝ (III.50) հավասարումը:

Եթե արված բոլոր դատողությունները ճիշտ են, ապա օգտագործելով փորձով որոշված կրիտիկական պարամետրերը  պետք է հաշվային ճանապարհով ստացվի R-ի (գազային ունիվերսալ հաստատունի) արժեքը: Բայց հաշվային արժեքները տարբերվում են R-ի փորձնական արժեքից: Այնուհետև, նորից (III.50) հավասարման հիման վրա կարելի է ենթադրել, որ կրիտիկական վիճակում բոլոր գազերը պետք է սեղմման միևնույն գործակիցն ունենան.

Սակայն, ստացվում է

Այս արդյունքները կարելի է ստուգել օգտվելով III.4 աղյուսակում բերված տվյալներից.

 Սպասվելիքից շեղումը խոսում է վան դեր Վաալսի հավասարման որոշ թերությունների մասին:

Կրիտիկական վիճակում առավել ընդունելի արդյունքներ են ստացվում, երբ օգտագործվում է Դիետրիչիի հավասարումը.

Բերթըլոի հավասարումն է.

Բիտտի-Բրիջմենի հավասարումն է.

անհատական հաստատուններ են, որոնք բերվում են առանձին աղյուսակում:

Շարադրված նյութը որոշակի պատկերացում է տալիս համոզվելու համար գազերի կրիտիկական վիճակի տեսական և գործնական կարևորության մասին:

Այստեղից հարց է առաջանում. իսկ ինչպե՞ս որոշել  Առավել մատչելի է Կայետե-Մաթիասի ուղղագծային տրամագծերի կանոնի օգտագործումը:

Նշված հեղինակները ցույց են տվել, որ տվյալ ջերմաստիճանում հեղուկի և գոլորշու որոշված խտությունների կիսագումարը գծային կախման մեջ է ջերմաստիճանից, այսինքն.

NA-ն ցույց է տալիս գոլորշու իսկ MA-ն՝ հեղուկի խտությունների կախումը ջերմաստիճանից (տե՛ս նկ.III.13):

Ստացված արդյունքներից հեշտությամբ կարելի է որոշել n  և m  փորձարարական (էմպիրիկ) հաստատունները: NA և MA կորերի միջոցով կարելի է հեշտությամբ հաստատել A կետի դիրքը, որի միջոցով որոշվում է կրիտիկական ջերմաստիճանը (T_կր)   Կրիտիկական վիճակում գոլորշին և հեղուկն ունեն միևնույն խտությունը: (III.52)-ի մեջ T-ի փոխարեն  արժեքը տեղադրելով և օգտվելով n-ի և m-ի արդեն որոշված արժեքներից կարելի է հաշվել

Իսկ   որտեղ M-ը քննարկվող նյութի մոլային զանգվածն է: Եթե հայտնի են  ապա կարելի է հաշվել  

Եվս մի փորձարարական օրինաչափության մասին: Գուլդբերգը, մշակելով գրականության մեջ հայտնի տվյալներ, որոնք վերաբերում են մաքուր հեղուկների եռման  և կրիտիկական ջերմաստիճաններին  ցույց է տվել, որ

Աղյուսակ III.5-ում բերված տվյալները հաստատւմ են այդ արդյունքը:

>>

III-2:4. Համապատասխան վիճակ:

Վիճակի բերված հավասարում: Համապատասխան վիճակը նկարագրող օրենքը

(III.38) հավասարման մեջ a-ն, b-ն և R-ը արտահայտելով կրիտիկական մեծություններով՝ , կստանանք.

որտեղից կստացվի.

Դժվար չէ նկատել, որ (III.53) հավասարման մեջ միայն հարաբերական (անտարչափ) մեծություններ են մտած: Դրանք կոչվում են «բերված» մեծություններ:

Այսպես.  բերված ճնշում,  բերված մոլային ծավալ և   բերված բացարձակ ջերմաստիճան: Օգտվելով այս նշանակումներից կստացվի.

Սրանք վիճակի բերված հավասարումներն են, որոնք արտահայտում են համապատասխան վիճակների օրենքը:

Պարզվում է, որ չնայած (III.38) և (III.54) հավասարումների արտաքին նմանությանը, ի տարբերություն (III.38)-ի (III.54)-ը չի պարունակում տվյալ գազին վերաբերող a և b հաստատունները:

Այդ հավասարումից բխող հիմնական եզրակացությունը հետևյալն է. երբ գազերը գտնվում են միևնույն բերված ջերմաստիճանում և ճնշման տակ, ապա այդ գազերի բերված ծավալներն իրար հավասար են: Ասում են, որ այդ գազերը գտնվում են համապատասխան վիճակում:

Օրինակ, 302 K-ում և 16 մթն ճնշման տակ գտնվող Ar-ի համար   իսկ էթանի համար  երբ այն գտնվում է 417 K-ում և 2,5 մթն ճնշման տակ: Նշված պայմաններում այդ երկու գազերի բերված ծավալներն իրար հավասար են (տե՛ս նկ. III.14):

Այժմ մի քանի խոսք բերված մեծությունների գործնական նշանակության մասին:

Ըստ (III.34)-ի

Եթե P, և T-ն փոխարինենք բերված մեծություններով, կստացվի.

Ըստ (III.50)-ի.

Հետևաբար.                                                                                                               

Ըստ էության C-ն ունիվերսալ հաստատուն է: Հենց այս նկատառումով էլ կազմված է նկ.III.14-ը,   երբ   (III.56)-ից արդեն հետևում է վերևում նշված եզրակացությունը. միևնույն    ունեցող գազերի  -երն իրար հավասար են:

Այդ գրաֆիկի գործնական նշանակությունը կյուրացվի համապատասխան խնդիրներ լուծելիս:

Չնայած այն բանին, որ համապատասխան վիճակների օրենքը խիստ չէ, այնուամենայնիվ կիրառվում է ինժեներական պրակտիկայում, որովհետև օգնում է որոշ հաշվարկներ կատարել:

 >>

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

(ռեալ գազեր)

1. Գոլորշի վիճակում ի՞նչ ճնշում կստեղծի 25^oC -ում 10 լ ծավալ զբաղեցնող 2 մոլ քլորբենզոլը, եթե գոլորշին իրեն պահում է.

(ա) որպես իդեալական գազ և

(բ) ռեալ գազ և վիճակը նկարագրվում է վան դեր Վաալսի հավասարումով (a =25,43 և b =0,1453 

2. 0^oC -ում և 100 մթն ճնշման տակ Z_CO2=0,2007: Հաշվել նշված պայմաններում 0,1 մոլ ծավալը:

(ա) եթե գազը իդեալական է և

(բ) օգտվելով Z-ի արժեքից

    3. Վան դեր Վաալսի հավասարման օգնությամբ գտնել գազ պահելու համար անհրաժեշտ տարողության ծավալը, եթե այն պետք է լցվի 100^oC -ում և P=50 մթն ճնշման տակ 110³ մոլ CO₂ -ով:  

   4. Ինչպիսի՞ ճնշում պետք է գործադրել, որպեսզի 250^օC-ում և 60 մթն ճնշման տակ գտնվող 0,8լ մեթանոլի գոլորշին 250^օC-ում սեղմվի մինչև   

   5. Արդյունաբերության մեջ անհրաժեշտ է ծավալը հաստատուն պահելով ազոտը տաքացնել մինչև 500 K: N₂-ը համակարգ է մտցվում  300K-ում և 100 մթն ճնշման տակ: Ինչպիսի՞ն կլինի ազոտի ճնշումը, եթե ջերմաստիճանը բարձրացվի մինչև  500 K: Տարողության ծավալը 1մ³ է: Նշված պայմաններում ազոտը վան դեր Վաալսյան գազ է

    6. 300 գ ամոնյակը  75^oC-ում և 15,9 մթն ճնշման տակ 28,5 լ ծավալ է զբաղեցնում: Ցույց տալ, որ տվյալ պայմաններում ամոնյակի վիճակը բավարար չափով կարելի է նկարագրել վան դեր Վաալսի հավասարումով:

   7. Վերցված է 1 մոլ CO₂  40^oC-ում: Այն զբաղեցնում է 0,381 լ ծավալ: Ի՞նչ ճնշում կստեղծի այդ գազը:  P_փորձ=50 մթն, = 3,60  և  

    8. Հայտնի է, որ  0^oC-ում և 1 մթն ճնշման տակ իդեալական գազի 1 մոլը զբաղեցնում է 22,41 լ ծավալ: Օգտվելով վան դեր Վաալսի հավասարումից հաշվել, թե 1 մոլ Cl₂   (գազ) ի՞նչ ճնշում կստեղծի  0^oC-ում:  a =6,4 մթնլ².մոլ^–2 և  =0,0562 լմոլ^–1:

    9. Ի՞նչ ճնշում կստեղծի 1 մոլ  CO₂-ը, որը զբաղեցնում է 3,0 լ ծավալ 0^oC-ում, եթե այն իրեն պահի

(ա) որպես իդեալական գազ և

(բ) վան դեր Վաալսյան գազ 

10. Օգտագործելով  կորերի ընտանիքը որոշել այն ծավալը, որը կզբաղեցնի 1 մոլ ազոտը 400 մթն ճնշման տակ և 0^oC--ում:  հետևաբար 

11. Նույն կորերի ընտանիքի հիման վրա որոշել CO₂-ի այն ճնշումը, որը կստեղծի 1 մոլ CO₂-ը 40^oC-ում, եթե զբաղեցնում է 0,381 լ ծավալ  

12. Պարզված է, որ 100 մթն ճնշման տակ և 198^oC-ում գտնվող -ի համար  որտեղ   Նորմալ պայմաններում    Հաշվել   երբ այն գտնվում է 100 մթն ճնշման տակ և 198^oC-ում (օգտվել նկ. III.14-ից):   

13. 100 գմոլ^–1 մոլային զանգվածով նյութի համար ստացված են հետևյալ փորձնական տվյալները.

Որոշել այդ նյութի կրիտիկական ջերմաստիճանը, խտությունը և մոլային ծավալը:

14. Էթիլմերկապտանի համար է: Որոշել -ի կրիտիկական խտությունը օգտվելով հետևյալ փորձնական տվյալներից.    

15. Տարբեր ջերմաստիճաններում որոշված են հավասարակշռության մեջ գտնվող գազային և հեղուկ CO₂ -ի խտությունները

Որոշել CO₂ -ի կրիտիկական ջերմաստիճանը և կրիտիկական ծավալը:

>>

ԳԼՈՒԽ IV

ԳԱԶԵՐԻ ԿԻՆԵՏԻԿԱԿԱՆ ՏԵՍՈՒԹՅՈՒՆԸ

IV-1. ՏԵՍՈՒԹՅԱՆ  ՀԻՄՆԱԴՐՈՒՅԹՆԵՐԸ

(III.18) հավասարումն արտածվեց օգտվելով միայն փորձերով որոշված օրինաչափություններից: Այդ հավասարումը հնարավորություն չի տալիս հասկանալ գազերի հատկությունները: Դրա համար պետք է ստեղծել ֆիզիկական մոդել, քննարկել այն և տալ դրա մաթեմատիկական լուծումը: Դա հնարավորություն կտա բացատրելու գազի վիճակը բնութագրող փոփոխականների փոխադարձ կապի ֆիզիկական էությունը:

Այդ մոդելը ստեղծելու համար օգտվում են հետևյալ դրույթներից:

1. Բոլոր գազերը կազմված են շատ մեծ թվով մասնիկներից, որոնք ունեն և զանգված և սեփական ծավալ: Կարևոր չէ մասնիկների բնույթը (ատոմներ են թե մոլեկուլներ):

2. Այն ծավալը, որը զբաղեցնում է գազը շատ ավելի մեծ է քան այն, որը զբաղեցնում են տվյալ վիճակում գտնվող գազը բաղկացնող բոլոր մասնիկները միասին վերցրած: Սովորական պայմաններում 1 մոլ գազի մոլեկուլների զբաղեցրած սեփական ծավալը`

(հիշել վան դեր Վաալսի հավասարումը), կազմում է մոտավորապես գազի զբաղեցրած ծավալի 0,5 %-ը: Հետևաբար, մնացած ծավալը (ամբողջի 99,5 %-ը) «դատարկ» է:

3. Նոսր գազում կարելի է անտեսել միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների գոյությունը: Այսպիսի պարագայում գազը համարվում է իդեալական:

4. Գազը բաղկացնող մոլեկուլները անընդհատ շարժվում են: Այդ շարժումը անկանոն է, քաոսային: Այն կոչվում է նաև ջերմային:

5. Չնայած այն բանին, որ համեմատած սեփական չափսերի հետ գազի մոլեկուլներն իրարից շատ մեծ «հեռավորությունների» վրա են գտնվում, այնուամենայնիվ կրկնակի բախումները շատ են հաճախակի: Բախման հետևանքով բախմանը մասնակցող մոլեկուլներից մեկի արագությունը, հետևաբար և կինետիկական էներգիան, մեծանում է, մյուսինը` ընդհակառակը նվազում է: Եթե գազը (համակարգը) մեկուսացված է կամ գտնվում է թերմոստատում (T =const), ապա ամբողջ համակարգի էներգիան մնում է անփոփոխ, հետևաբար և հաստատուն է մնում յուրաքանչյուր մոլեկուլի միջին էներգիան : Սա իր հերթին նշանակում է, որ մոլեկուլները շարժվում են ինչ որ մի միջին արագությամբ`

Եթե մոլեկուլի զանգվածը m է և շարժման միջին արագությունը  ապա գազի մոլեկուլի միջին կինետիկական էներգիան կլինի.

Փորձը ցույց է տալիս, որ անկախ ֆազի բնույթից և մոլեկուլի զանգվածից համակարգի  ն համեմատական է համակարգը բնութագրող մի մեծության, որը կոչվել է «ջերմաստիճան» (T): Ուրեմն.

Ջերմաստիճանը անկախ է տվյալ համակարգի (նյութի) զանգվածից:

Ասվածից հետևում է, որ տվյալ համակարգի ջերմաստիճանը միջին մեծություն է:

Հավանականությունների տեսությունից հայտնի է, որ որևէ մեծության միջինն այնքան ավելի մոտ է դրա իրական արժեքին, որքան մեծ է քննարկվող պատահարների (օբյեկտների) թիվը: Նշանակում է, որ «ջերմաստիճան» հասկացությունը իմաստ ունի միայն այն դեպքում, երբ այն կիրառվում է շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված հավաքույթի (համակարգի) նկատմամբ: Ուրեմն, չի կարելի խոսել մի քանի մասնիկներից կազմված հավաքույթի ջերմաստիճանի մասին:

Եթե քննարկվում է 1 մոլ գազ,   ապա.

(IV.2)-ի մեջ ներկայացված էներգիա.  (մոլ.K)^-1  չափողականություն ունեցող համեմատականության C գործակիցը նույնն է բոլոր գազերի համար:

Նշված հիմնադրույթները հնարավորություն են տալիս արտածելու գազերի հիմնական օրենքները և իդեալական գազի վիճակի հավասարումը:

Մոլեկուլի միջին արագությունը կարելի է արտահայտել հետևյալ առնչությամբ.

Գումարը կարելի է փոխարինել ինտեգրալով, եթե N-ը շատ մեծ թիվ է (օրինակ, եթե խոսքը վերաբերում է 1 մոլ գազին, ապա   հատ մոլեկուլ) և էներգիայի փոփոխությունն էլ անընդհատ է (ոչ թե դիսկրետ):

 նշանակում է, որ արագությամբ է շարժվում է մոլեկուլների մասը:

Ըստ էության արագությունը վեկտորական մեծություն է, հետևաբար բացի մեծությունից պետք է հաշվի առնել նաև մոլեկուլի շարժման ուղղությունը: Ծավալում` ինչ որ մի պայմանական սկզբնակետի նկատմամբ մոլեկուլը կարող է շարժվել դեպի «աջ», «ձախ», «վերև» և «ներքև»: Եթե «աջ» և «վերև» ուղղությունները համարենք (+), ապա «ձախ» և «ներքև» ուղղությունները պետք է համարել (-):

Նշանի առումով շփոթից խուսափելու համար մտցված է «քառակուսային արագություն»  հասկացությունը, որը բնականաբար պետք է ունենա նաև իր միջին արժեքը`

Ըստ իմաստի.                     

Պարզ է, որ չափողականությունը պետք է լինի. մ.վրկ^–1:

>>

IV-2. ԳԱԶԻ ՃՆՇՈՒՄԸ

II-րդ գլխում նշվեց, որ ճնշումը (P) գազի վիճակը բնութագրող կարևոր (հիմնական) պարամետրերից մեկն է: Նշվեց նաև, որ  Բացահայտվեց այդ ֆունկցիայի տեսքը, որը կարելի է արտածել նաև IV-1 բաժնում շարադրված հիմնադրույթների հիման վրա: Արդարև.

1. Գազի ծավալը և ջերմաստիճանը հաստատուն պահելու պայմաններում  գազի քանակի (այսինքն մոլերի թվի` n) մեծացման հետ պետք է մեծանա նաև գազի ճնշումը, որովհետև կմեծանա տարողության պատի միավոր մակերեսի վրա մոլեկուլների բախումների թիվը, նաև հաճախությունը (հիշել, որ ծովի մակերևույթից բարձ-րանալուն զուգընթաց օդի ճնշումը փոքրանում է, որը հետևանք է օդի նոսրացման):

2. Երբ  ապա գազը պարունակող տարողության ծավալի մեծացման հետ գազը նոսրանում է: Ըստ Բոյլ-Մարիոտտի օրենքի պետք է գազի ճնշումը փոքրանա (փոքրանալու է միավոր ժամանակում տարողության պատի միավոր մակերեսին մոլեկուլների հարվածների թիվը):

3. Իսկ եթե հաստատուն են պահվում գազի ծավալն ու քանակը  ապա այս դեպքում ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեծանում է մոլեկուլների շարժման (միջին) արագությունը, հետևաբար և կինետիկական էներգիան, հաճախանում են տարողության պատի միավոր մակերեսի վրա մոլեկուլների հարվածները, որի հետևանքով կմեծանա գազի ճնշումը:

Այս բոլոր քննարկումները կարելի է արտահայտել հետևյալ կերպ.

Փորձը ցույց է տվել, որ երբ  ապա   որը հիշեցնում է գազային ունիվերսալ հաստատունը` R: Հետևաբար.

Սա նույնն է, ինչ որ իդեալական գազի վիճակի հավասարումը (տե՛ս III.16 և III.18):

Այժմ տեսականորեն քննարկենք գազի ճնշումը այն դիտելով որպես միավոր մակերեսի վրա ազդող ուժ` հաշվի առնելով այս գլխի սկզբում շարադրված հիմնադրույթները, և որպես միջին մեծություն, ինչպիսին ջերմաստիճանն է: Այսպիսով, ընդունում ենք, որ 1 վրկ-ում տարողության պատի միավոր մակերեսի հետ բախվում են մի միջին կինետիկական էներգիայով հաստատուն թվով մոլեկուլներ:

Վերցնենք գազով լցված խորանարդաձև մի տարողություն, որը թերմոստատացված է (T=const): Տարողության ծավալը` ab մխոցի մակերեսը`  Գազը գտնվում է հավասարակշռական վիճակում, հետևաբար ab մխոցն անշարժ է:

Գազերի կինետիկական տեսության սահմաններում գազի ճնշումը նույնացվում է 1 վրկ-ում տարողության պատերի (մասնավորաբար մխոցի) յուրաքանչյուր միավոր մակերեսին հարվածող բոլոր մոլեկուլների մխոցին հաղորդած գումարային իմպուլսի (p) հետ:

Հայտնի է, որ  որտեղ m-ը քննարկվող գազի մոլեկուլի զանգվածն է, էլ` դրա շարժման միջին քառակուսային արագության  քառակուսի արմատը:

Դիցուք V ծավալով գազը պարունակում է N  հատ մոլեկուլ: Մոլեկուլներն ա-զատորեն շարժվում են x, y  և z  առանցքներով: ab  մխոցին հարվածում են այն մոլեկուլները, որոնք շարժվում են z առանցքով: Նկատի ունենալով, որ մոլեկուլները ողջ ծավալում բաշխված են հավասարաչափ կարելի է ընդունել, որ z առանցքով կշարժվի բոլոր մոլեկուլների 1/3-ը, այսինքն` N/3 հատը (սա ևս մի-ջին թիվ է: Ժամանակի ցանկացած պահի համար այն համարվում է հաստատուն մեծություն):

Յուրաքանչյուր մոլեկուլ մխոցի հետ մեկ առաձգական բախում կատարելու հետևանքով մխոցին   իմպուլս կհաղորդի: Քանի որ ըստ մեր ընդունելության բախումը առաձգական է, այդ պատճառով էլ բախված մոլեկուլը պատից (մխոցից) հետ կդառնա միևնույն արագությամբ: Սա նշանակում է, որ եթե տարողության խորքից դեպի մխոց շարժման ուղղությունը համարենք դրական ապա հետդարձի դեպքում կունենանք Հետևաբար, 1 բախման հետևանքով 1 մոլեկուլը մխոցին կհաղորդի

իմպուլս:

Ըստ նկ.IV.1-ի տարողության հատակի և մխոցի միջև եղած հեռավորությունը սմ է: Հետևաբար, մոլեկուլը հատակից մինչև մխոց և հարվածելուց հետ մինչև հատակ իջնելիս կանցնի ճանապարհ: Ուրեմն, z առանցքի ուղղությամբ շարժվելիս, մոլեկուլը առավելագույնը ճանապարհ է անցնում մեկ անգամ մխոցի հետ բախվելու համար: Մեխանիկայից հայտնի է, որ Սա այն ժամանակն է (վրկ), որի ընթացքում 1 բախում է կատարվում: Հետևաբար, 1 վրկ-ում կկատարվի հատ բախում, որտեղից. Սա բախման հաճախությունն է. 1 վրկ-ում 1 մոլեկուլը քանի՞ անգամ է հարվածում մխոցի պատին:

Նշվեց, որ յուրաքանչյուր բախման հետևանքով յուրաքանչյուր մոլեկուլը պատին (մխոցին) իմպուլս է հաղորդում: Ուրեմն, 1 մոլեկուլը 1 վրկ-ում մխոցի պատին կհաղորդի.

Այս չափողականությունից հետևում է, որ գրվածը ուժ է, այն ուժը, որով 1 մոլեկուլը 1 վրկ-ի ընթացքում հարվածում է մխոցի պատին: Եթե z առանցքով շարժվող մասնիկների թիվը է, ուրեմն.

Ըստ սահմանումի.

որտեղից.                        

Մասնավոր դեպքում, եթե  (այսինքն, նշված տարողությունը 1 մոլ գազ է պարունակում) և ապա

Օգտվելով (IV.2)-ից կարող ենք գրել.

Իսկ                                                                                                                        

Ուրեմն.                                                                                                                                             

 (IV.7) ելային հավասարումն ստացվեց նկատի առնելով մոլեկուլների միայն մեկ` z ուղղությամբ շարժումը, այսինքն ճնշումը մխոցի վրա:

(IV.9)-ից կստացվի.                                                                                                                     

Սա հիմնարար եզրակացություն է, ըստ որի 1 մոլեկուլի շարժման մի (օրինակ z) ուղղությանը (ազատության մեկ աստիճանին) միջին հաշվով 1/2 KT էներգիա է բաժին ընկնում: Սա հայտնի է, որպես էներգիայի հավասարաչափ բաշխման սկզբունք: Այն մանրամասն քննարկվելու է «Վիճակագրական թերմոդինամիկա» XXII-րդ գլխում:

-

կոչվում է Բոլցմանի հաստատուն:

(IV.7)-ի և (III.16)-ի զուգորդումից կստացվի.

 (IV.11)-ի միջոցով կարելի է հաշվել ցանկացած գազի մոլեկուլի ընթացքային շարժման միջին քառակուսային արագության քառակուսի արմատը:

Եթե R-ը արտահայտենք -ով, և T-ն K-ով, ապա այդ դեպքում կարտահայտվի.

Ի՞նչ հետևություններ կարելի է անել (IV.7)-ից.

1. Եթե T=const, ապա ըստ (IV.9)-ի ուրեմն  (տե՛ս IV.7-ը): Սա Բոյլ-Մարիոտտի օրենքն է (III.1):

2. Քանի որ անկախ գազի բնույթից ապա

կամ

Հետևություն. Հաստատուն ջերմաստիճանում, անկախ գազի բնույթից, բոլոր գազերի մոլեկուլներն ունեն միևնույն միջին կինետիկական էներգիա:

3. Եթե տարբեր գազեր գտնվում են միևնույն ջերմաստիճանում (T=const) և միևնույն ճնշման տակ (P=const), ապա այդ գազերի միևնույն ծավալները կպարունակեն հավասար թվով մասնիկներ (մոլեկուլներ, ատոմներ):

Ապացուցենք: Ըստ (IV.7)-ի.

որտեղից.                                                                                      

Ըստ 2-րդ հետևության, երբ T=const, ապա.

որտեղից.

Սա Ավոգադրոյի օրենքն է: Մասնավոր դեպքում, երբ P=1 մթն,

4.  (IV.11)-ը կարելի է և այսպես ներկայացնել.

որտեղ d-ն գազի խտությունն է կախված միավորների ընտրությունից):

Ստացվում է, որ

Քանի որ կամ  (S-ը դա t վրկ-ում մոլեկուլի անցած ճանապարհն է), ապա

Սա Գրեհեմի օրենքի մաթեմատիկական արտահայտություններն են:

Այդ օրենքը հնարավորություն է տալիս լուծել մի շարք գործնական հետաքրքրություն ներկայացնող խնդիրներ: Օրինակ, որոշել անհայտ գազի մոլային զանգվածը:

Երկու տարբեր տարողություններ լցնենք միևնույն ջերմաստիճանում և ճնշման տակ գտնվող տարբեր գազերով, որոնցից մեկը հայտնի է: Լավ կլինի, եթե այդ գազերի ճնշումները մթնոլորտայինից մեծ լինեն: Այդ երկու տարողությունների վրա բացենք հավասար մեծության մեկական անցք, որից գազերը կարտահոսեն (էֆուզիա): Եթե այդ գազերի մոլային զանգվածները տարբեր են, ապա ըստ Գրեհեմի օրենքի իրարից տարբեր կլինեն միևնույն ժամանակամիջոցում այդ տարողություններից արտահոսած գազերի քանակները: Հետևաբար, իրարից տարբեր ժամանակներ են պետք, որպեսզի այդ երկու տարողություններից հավասար քանակով գազ արտահոսի: Ուրեմն, խնդրի լուծման համար պետք է որոշել այն ժամանակամիջոցները, որոնց ընթացքում այդ 2 տարողություններում սկզբում միևնուն ճնշման տակ գտնվող գազերի ճնշումները հավասար չափով կնվազեն:

Գրեհեմի օրենքից կհետևի.

Հետևաբար, իմանալով և չափելով կարելի է որոշել :

>>

IV-3. ԸՍՏ ԱՐԱԳՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄՈԼԵԿՈՒԼՆԵՐԻ ԲԱՇԽՈՒՄԸ:

ՄԱՔՍՎԵԼԻ ՀԱՎԱՍԱՐՈՒՄԸ

Մինչև հիմա շարադրված նյութից հետևում է, որ գազի մոլեկուլները շարժվում են հավանական բոլոր արագություններով. 0-ից մինչև թեև պահպանվում է հաստատուն մի միջին արագությամբ շարժվելու սկզբունքը:

Եթե գազային համակարգում N հատ մոլեկուլ կա, ապա շարժվում է արագություններով: Պետք է նկատի առնել, որ թեև բայց և այնպես  

կոչվում է ըստ արագությունների բաշխման ֆունկցիա:

Մեծ թվով մասնիկներից կազմված գազային համակարգերի նկատմամբ վիճակագրական մեխանիկայի դրույթների կիրառումը բերում է հետևյալ հավասարմանը, որը հայտնի է Մաքսվելի անունով:

Այս հավասարումը գրաֆիկորեն պատկերված է նկ. IV.2-ի վրա:

Արդեն (IV.15)-ից հետևում է, որ այդ հավասարումը պատկերող կորը պետք է անցնի մաքսիմումի վրայով, քանի որ փոքր արժեքների դեպքում գերակշռում է անդամը  նկատմամբ, իսկ  մեծ արժեքների դեպքում` հակառակը: Եվ դեպքում

Կորի տակ պարփակված մակերեսը համեմատական է քննարկվող գազի քանակին: Եթե նշված բոլոր ջերմաստիճանների համար գազի միևնույն քանակն է վերցված, ապա այդ բոլոր կորերով սահմանափակված մակերեսներն իրար հավասար են:

Այժմ քննարկենք կոորդինատներով սահմանափակված կորերից մեկը: Ըստ այդ կորի.

1. Մոլեկուլների շատ չնչին մասն է, որ շարժվում է անսահման փոքր (0-ի ձգտող) և անսահման մեծ արագություններով:

2. Մաքսիմումին համապատասխանող արագությունը ոչ թե մոլեկուլների շարժման առավելագույն (մաքսիմալ) արագությունն է, այլ ամենահավանական արագությունն է, այսինքն այնպիսի արագություն է, որով շարժվում է համակարգում եղած մոլեկուլների մեծ մասը ( ցույց է տալիս մոլեկուլների բաժինն արտահայտված տոկոսներով):

Նշվեց, որ Ուրեմն, հատ մոլեկուլներ, որոնք շարժվում են արագությամբ ունեն  կինետիկական էներգիա, հետևաբար ջերմաստիճան, հատն էլ` ջերմաստիճան: Եթե մոլեկուլների մեծ մասը շարժվում է արագությամբ, ապա այդ հավաքույթի ջերմաստիճանը է:  Ցույց կտրվի, որ հետևաբար Այսպիսով, մի անգամ ևս շեշտվում է այն կարևոր իրողությունը, որ չափվող ջերմաստիճանը միջին մեծություն է և այն կարելի է կիրառել միայն շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված համակարգերի նկատմամբ:

3. Հատկանշական է, որ գազի ջերմաստիճանի բարձրացման հետ կորն ավելի է փռվում. մաքսիմումը (այսինքն ամենահավանական արագության արժեքը) դեպի ավելի մեծ արագությունների կողմն է տեղաշարժվում, իսկ ֆունկցիայի մաքսիմումի արժեքն էլ նվազում է:

Այստեղից բխում է հետևյալ ուշագրավ եզրակացությունը.

Գազի ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեծանում է բաժինը այն մոլեկուլների, որոնք ունեն արագություն կամ էներգիա (տե՛ս նկ.IV.2): Այսպես, ըստ որում. Այս սկզբունքային նշանակություն ունեցող եզրակացությունը օգտագործվելու է «Քիմիական կինետիկա» բաժնում (գլուխ XXIV) քանակապես բացատրելու համար ջերմաստիճանի ազդեցությունը քիմիական ռեակցիայի արագության վրա:

(IV.15) հավասարման տեսական հետազոտման առաջին քայլը ֆունկցիայի մաքսիմումի որոնումն է: Օգտվենք մաթեմատիկայում հայտնի դրույթից. էքստրեմում (մաքսիմում կամ մինիմում) կետում զրոյի է հավասար ֆունկցիայի առաջին ածանցյալը.

Հեշտ է ցույց տալ, որ

Ցույց էինք տվել, որ մոլեկուլների միջին քառակուսային արագության քառակուսի արմատը.

 (IV.16) և (IV.11) արտահայտությունների համեմատությունից հետևում է, որ մոլեկուլների ամենահավանական արագությունը գործնականորեն չի տարբերվում մոլեկուլների միջին քառակուսային արագության քառակուսի արմատից:

«Վիճակագրական թերմոդինամիկա» գլխում ցույց կտրվի, որ մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը`

Հետևաբար.                    

Շտեռնի փորձը Մաքսվելի հավասարման ճշտությունը հաստատող ուսումնասիրություններից մեկն է:

Վերցվում է իրար մեջ զուգահեռաբար տեղադրված երկու գլան. A և B: Ներքին B գլանի մակերևույթին արված է կտրվածք: B գլանի ներսում կտրվածքին զուգահեռ արծաթապատված պլատինե լար է հարմարեցված, որի ծայրերը միացված են էլեկտրական հոսանքի աղբյուրի: z սմ է ճեղքի հեռավորությունը A գլանի ներքին մակերևույթից: Պլատինե լարը շիկացնելիս վրայի արծաթը գոլորշիանում է: Ատոմներն անցնելով ճեղքից նստում են A գլանի` ճեղքին հանդիպակաց մակերևույթի վրա: Տվյալ T K-ում արծաթի ատոմների շարժման արագությունը թող լինի Այժմ արագությամբ պտտեցնենք արտաքին A գլանը: Պարզ է, որ կախված չէ : վրկ-ում ճեղքը A-ի վրա գծի նկատմամբ կտեղաշարժվի   չափով:

Պետք է նշել, որ -ից դուրս թռչող Ag-ի ատոմները կնստեն միայն այդ ճեղքի դիմաց գտնվող A գլանի ներքին մակերևույթի նկատմամբ S հեռավորության վրա: u-ն և z-ը հայտնի մեծություններ են: Չափելով S-ը կարելի է հաշվել u-ն: A գլանը բացելով կստացվի ab թիթեղը: Այս փորձում հետաքրքրական է հետևյալ փաստը:  ab թիթեղի վրա արծաթապատված շերտի հաստությունը հավասարաչափ չէ: Կենտրոնական մասը շատ է մուգ, այսինքն այդ շերտի վրա շատ ավելի մեծ քանակով Ag -ի ատոմներ են նստել: Կենտրոնական գծից և’ վերև և’ ներքև շերտի մգությունը աստիճանաբար նվազում է: Սա հետևանք է այն բանի, որ ճեղքից դուրս թռչող ատոմների արագություններն իրարից տարբեր են: Հետևաբար, Ag-ի ատոմները տարբեր արագություններով են շարժվում: Կատարելով շերտի անալիզ կարելի է որոշել Ag-ի ատոմների թիվը, նաև վերևում նշված ձևով հաշվել u արագությունը, որով շարժվել են այդքան թվով ատոմներ: Այսպիսով կարելի է որոշել ատոմների   այն բաժինը, որը շարժվել է արագությամբ: Ստացված տվյալների հիման վրա կարելի է գրաֆիկ գծել: Պարզվել է, որ փորձնական տվյալների հիման վրա կառուցված կորը նման է նկ.IV.2-ին:

Չնայած այն բանին, որ Շտեռնի փորձը խիստ քանակական չէ, այնուամենայնիվ որակական առումով ապացույց է հօգուտ Մաքսվելյան բաշխման գոյության: Հետագայում այդ ռեալությունը հաստատվեց բազմաթիվ փորձերով և տվյալներով:

>>

IV-4. ՄԻՋՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ԲԱԽՈՒՄՆԵՐԸ ԳԱԶԵՐՈՒՄ:

ԲԱԽՈՒՄՆԵՐԻ ՄԻՋԻՆ ԹԻՎ: ԱԶԱՏ ՎԱԶՔԻ ՄԻՋԻՆ ՃԱՆԱՊԱՐՀ

Նախքան նշված հարցը քննարկելը ծանոթանանք հետևյալ երևույթի հետ: Եթե սենյակի մի անկյունում օծանելիք կաթեցնենք հոտը հանդիպակած անկյունում կզգանք ոչ թե ակնթարթորեն, այլ որոշակի ուշացումով: Մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը Եթե սենյակի երկարությունը 6 մ է, ապա հոտը պետք է զգացվեր շատ արագ: Սա նշանակում է, որ օծանելիքի մոլեկուլները օդում շարժվելիս բախվում են և այլ նյութերի մոլեկուլների հետ, դրա համար էլ «ուշ են տեղ հասնում»:

Եթե մոլեկուլի շարժման միջին արագությունը է և 1 վրկ-ում այդ մոլեկուլը այլ մոլեկուլների հետ միջին հաշվով  անգամ է բախվում, ապա ըստ սահմանումի մոլեկուլի ազատ վազքի միջին ճանապարհը կլինի.

Ինչպես հաշվել Դիցուք քննարկվող մոլեկուլի շառավիղը r սմ է: Պարզության համար ընդունենք, որ բացի քննարկվող մոլեկուլից մյուսները գտնվում են հարաբերական դադարի վիճակում: Եթե այդ մոլեկուլի ճանապարհին այլ մոլեկուլներ չեն հանդիպում, ապա այն 1 վրկ-ում կանցնի Աա ճանապարհ, որը հավասար է Այս դեպքում այդ մոլեկուլի շարժման ուրվագիծը կլինի նկ.IV.4-ի վրա պատկերված գլանը, որի հատվածքը կլինի` և բարձրությունն էլ

Այդ մոլեկուլը կբախվի միայն այն մոլեկուլների հետ, որոնց ծանրության կենտրոնները կգտնվեն այն երևակայական գնդի մակերևույթին, որի շառավիղը` Հետևաբար, այդ գլանի ծավալը կլինի.

Իսկ եթե այդ մոլեկուլները գտնվեն քննարկվող մոլեկուլի ճանապարհի վրա, առավելևս դրանք կհանդիսանան բախման թիրախ: Եթե այդպիսի մոլեկուլների կոնցենտրացիան N մոլեկուլ/սմ³ է, այդ դեպքում բնական է, որ 1 վրկ-ում բախումների թիվը` մեկը N հատի հետ կլինի.

Հարկավոր է այստեղ մի հստակեցում մտցնել: -ն պետք է դիտել, ոչ թե որպես շարժվող մոլեկուլի բացարձակ արագություն, այլ շարժման հարաբերական արագություն` քանի որ ըստ պայմանի նշված N մոլեկուլները գտնվում են հարաբերական դադարի վիճակում:

Հարցը քննարկենք նկ.IV.5-ի վրա պատկերված ուրվագծի հիման վրա: Հնարավոր է 2 սահմանային դեպք. (a) միջին արագությամբ շարժվող մոլեկուլները շարժվում են միևնույն ուղղությամբ: Այդ երկու մոլեկուլները երբեք իրար չեն կարող բախվել: Այս դեպքում   Բախումն անխուսափելի է: Եթե ընդունենք, որ այդ երկու մոլեկուլներից մեկը հարաբերական դադարի մեջ է, ապա մյուսի հարաբերական արագությունը կլինի.  (c)-ն այդ երկու սահմանային դեպքերի արանքում է գտնվում: Կարող ենք գրել. որտեղից Քանի որ սա միջանկյալ դեպքն է, օգտվենք այս արդյունքից և (IV.20)-ի մեջ փոխարինենք Կստացվի.

Այս արդյունքը տեղադրենք (IV.19)-ի մեջ.

Եթե գազի ծավալը V սմ³ է, ապա որտեղ n - ը V ծավալում գազի մոլերի թիվն է: Ընդունենք, որ քննարկվող գազը իդեալական է.

Ձախ և աջ մասերը բազմապատկենք Ավոգադրոյի թվով

Օգտվելով այս արդյունքից կստանանք.

          և

Եթե քննարկվում է 1սմ³-ում N հատ միատեսակ մոլեկուլ պարունակող համակարգում մոլեկուլների միջև բախումների հարցը, այդ դեպքում անհրաժեշտ է բախումների թիվը բաժանել 2-ի վրա, որովհետև A...A բախումն ըստ էության ոչ թե 2 այլ 1 բախում է երկու հատ A մոլեկուլների միջև: Հետևաբար, ըստ (IV.21)-ի

որտեղ  (տրամագիծ):

Տարատեսակ մոլեկուլների դեպքում

որտեղ ինդեքսները վերաբերում են մոլեկուլների տեսակներին,   (բերված զանգված) և

(IV.26) հավասարումն ըստ էության կքննարկվի XXIV գլխում («Քիմիական կինետիկա»): Եթե մոլեկուլ.սմ^–3, T = 300 K,  P = 1 մթն, ապա  բախում/վրկ:

>>

IV-5. ՄՈԼԵԿՈՒԼՆԵՐԻ ԲԱԽՈՒՄԸ ԱՆՈԹԻ ՊԱՏԻ ՀԵՏ:

ԷՖՈՒԶԻԱ

Դիֆուզիա է կոչվում այն պրոցեսը, երբ կոնցենտրացիայի գրադիենտի առկայության պայմաններում համակարգը բաղկացնող մասնիկները (մոլեկուլները) մեծ կոնցենտրացիայով (ճնշումով) միջավայրից ինքնաբերաբար տեղափոխվում են դեպի փոքր կոնցենտրացիայով (ճնշումով) միջավայր:

Դիֆուզիան չպետք է շփոթել էֆուզիայի հետ: Էֆուզիան այն պրոցեսն է, երբ գազը անոթի պատի վրա գտնվող նեղ անցքից (օրինակ ab-ն նկ.IV.6-ի վրա պատկերված գլանում) արտահոսում է:

Դիցուք պատկերված գլանը լցված է օդից ավելի ծանր գազով, օրինակ Կնկատենք, որ ժամանակի ընթացքում գլանում կնվազի քանակը: Այն կնոսրանա օդով, ընդհուպ մինչև օդով լրիվ փոխարինումը:

Ընդունենք, որ ab անցքը գտնվում է z առանցքին ուղղահայաց հարթության (պատի) վրա և որ 1 սմ³ ծավալում հատ մոլեկուլ կա: 1 վրկ-ում և 1 սմ² մակերեսից արտահոսող մոլեկուլների խումբը (թիվը) անվանենք հոսք և այն նշանակենք J տառով: J-ի չափողականությունը մոլեկուլ.սմ^–2.վրկ^–1 է: Սա կարելի է դիտել որպես երկու չափողականությունների արտադրյալ` (մոլեկուլ.սմ^–3)(սմ.վրկ^–1): Յուրաքանչյուր չափողականություն կապված է կոնկրետ մի ֆիզիկական մեծության հետ: Տվյալ դեպքում խոսքը վերաբերում է մոլեկուլների կոնցենտրացիային և z առանցքով շարժվող մոլեկուլների արագությանը:

Վիճակագրական մեխանիկան ցույց է տալիս, որ մի ուղղությամբ (օրինակ z առանցքով) նեղ տիրույթում փոփոխվող արագություններով շարժվող մոլեկուլների բաժինը արտահայտվում է հետևյալ հավասարումով.

 միայն z առանցքով շարժվող մոլեկուլների ըստ արագությունների բաշխման ֆունկցիան է:

z առանցքով շարժվող բոլոր մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը որոշելու համար պետք է (IV.27)-ը ինտեգրել տիրույթում: Միայն z առանցքով շարժվելու ընտրությունը պայմանավորված է այն հանգամանքով, որ հետաքրքրության առարկա են միայն այն մոլեկուլները, որոնք շարժվում են գլանի հատակից դեպի վեր` ab անցքը:

Ցույց է տրվել, որ  արագության չափողականություն ունի: Որպեսզի այն հոսքի վերածվի պետք է բազմապատկել մի մեծությամբ, որի չափողականությունը մոլեկուլ.սմ^–3 է: Սա կոնցենտրացիա է. 1 սմ³-ում մոլեկուլների թիվը, որը նշանակել ենք

Հետևաբար.

Սա Կնուտսենի մշակած մեթոդի հիմնաքարն է, որը հնարավորություն է տալիս որոշելու դժվարաեռ նյութերի, մասնավորաբար մետաղների, օրինակ Hg-ի, Cd-ի և այլն մակերեսի վրա սեփական գոլորշիների ճնշումը:

Ինչպես նշվեց J - ն (հոսքը) ցույց է տալիս, թե 1 վրկ-ում 1 սմ³ ծավալում գտնվող քանի՞ հատ մոլեկուլ է բախվում անոթի պատի 1 սմ² մակերեսին:

g-ով նշանակենք 1 վրկ-ում 1 սմ² մակերեսից էֆուզված նյութի զանգվածը` կամ կամ Ըստ (IV.29)-ի J-ի չափողականությունն է Հոսքն արտահայտենք զանգվածով (գ): Այս նպատակով պետք է բաժանել վրա, այնուհետև ստացված մոլերի թիվը բազմապատկել մոլային զանգվածով` M (գ/մոլ): Այսպիսով կստացվի.

Փաստորեն g-ն հոսքն է արտահայտված (գ/սմ³)(սմ/վրկ)-ով:

Այս հավասարումը պարզեցնելու համար օգտվենք իդեալական գազի վիճակի հավասարումից.

որտեղից.                        

այստեղ արտահայտված է մոլեկուլ/սմ³ միավորով:

Զուգորդելով (IV.30) և (IV.31) հավասարումները կստանանք.

Եթե ab ճեղքի մակերեսը փորձի տևողությունը t վրկ և այդ ընթացքում էֆուզված նյութի քանակը G գ է, ապա ըստ g-ի իմաստի (տե՛ս (IV.30)).

Հետևաբար.

Օգտագործելով Կնուտսենի սարքը և (IV.33) հավասարումը կարելի է լուծել այն խնդիրը, որը դրվեց այս բաժնում:

>>

IV-6. ԲԱՐՈՄԵՏՐԱԿԱՆ (ԼԱՊԼԱՍԻ) ԲԱՆԱՁԵՎԸ

Բարձրությունից ճնշման ունեցած կախման պարզաբանումը շատ մեծ տեսական և գործնական կարևորություն ունի: Բավական է նշել հարցի հետաքրքրությունը օդագնացության համար:

Երկրագնդի ստեղծած գրավիտացիոն դաշտի ազդեցության հետևանքով ըստ բարձրության (h) օդի խտության գրադիենտ է ստեղծվում: Պատճառն այն է, որ երկրագնդի մակերևույթից բարձրանալուն զուգընթաց մթնոլորտային ճնշումը նվազում է: Իսկ ինչպիսի՞ն է P = f (h)  ֆունկցիայի տեսքը:

Դիցուք ծովի մակերևույթից h մետր բարձրության վրա մթնոլորտային ճնշումը P մթն է: Ըստ նշվածի բարձրության վրա մթնոլորտային ճնշումը պետք է նվազի dP-ով և դառնա  PdP : dP-ով ճնշման նվազումը պայմանավորված է նրանով, որ ընդլայնական միավոր կտրվածքով և dh շերտի հաստությամբ ծավալում օդի զանգվածը նվազել է:

որտեղ d-ն օդի խտությունն է S-ը ընդլայնական կտրվածքը (մ²), h-ը քննարկվող բարձրությունը (մ) և  (ծանրության ուժի ազդեցության տակ արագացումն է):

Եթե h-ը աճի dh-ով, ապա F-ը կնվազի dF-ով.

որտեղից.

Ընդունելով օդը որպես իդեալական գազ (հատկապես, երբ P < 1 մթն), կարելի է գրել.

որտեղից.                        

Տեղադրենք (IV.35)-ի մեջ և ստացվածը փոքր ինչ ձևափոխենք.

Ինտեգրելով կստանանք.

Ծովի մակերևույթի վրա Հաշվի առնելով այս արժեքները (IV.37)-ից կստացվի.

կամ                           

Ստացվածը կոչվում է բարոմետրական կամ Լապլասի բանաձև: Եթե խոսքը վերաբերում է օդին, ապա Հետևաբար.

որտեղ h-ը արտահայտված է մետրերով, իսկ T-ն տվյալ բարձրության վրա օդի ջերմաստիճանն է արտահայտված Կելվինով:
>>

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

1. Հաշվել 27^oC-ում թթվածնի մոլեկուլի միջին քառակուսային արագությունը:

2. Հաշվել 0^oC -ում ջրածնի մոլեկուլի ամենահավանական, միջին և միջին քառակուսային արագությունները:

3. 0C -ում և 1 մթն ճնշման տակ խտությունը` Հաշվել (ա) միջին քառակուսային արագության քառակուսի արմատը, (բ) միջին արագությունը և (գ) ամենահավանական արագությունը:

4. Կազմել 298^oC-ի համար ջրածնի ըստ արագությունների բաշխման կորը:

5. Հաշվել, թե 25^oC-ում և 1 մթն ճնշման տակ 1 վրկ-ում թթվածնի 1 մոլեկուլը քանի՞ անգամ է բախվում 1 մ³-ում եղած մոլեկուլների հետ

6. 50 սմ³ ծավալով վառարանում Cs-ի 1 ատոմը 1 վրկ-ում քանի՞ անգամ է բախվում: Խնդիրը լուծելու համար ընդունել, որ

7.  Քանի՞ հատ բախում է տեղի ունենում ազոտի մոլեկուլների միջև 1 վրկ-ում, 1 սմ³-ում, 298 K-ում, եթե գազը գտնվում է P = 1 մմ սնդիկի սյան ճնշման տակ:

8. Մարդու արտաքին մակերևույթը միջին հաշվով 2 մ² է: Ընդունելով, որ օդը կազմված է 20% թթվածնից և 80% ազոտից` հաշվել, թե 1 վրկ-ում քանի՞ մոլեկուլ է բախվում մարդու մարմնի հետ: Մեկ ուղղությամբ, օրինակ, x առանցքով, մոլեկուլի շարժման միջին արագությունը` բանաձևով է արտահայտվում:

9. Հաշվել 298 K -ում թթվածնի մոլեկուլի ազատ վազքի միջին ճանապարհը, երբ (ա) P = 1 մթն և (բ)  

10. Հաշվել 500^oC-ում Cs-ի ատոմի ազատ վազքի միջին երկարությունը (ճանապարհը) օգտվելով № 6 խնդրի տվյալներից:

11. Հաշվել 298 K-ում Ar-ի ատոմի ազատ վազքի միջին ճանապարհը մմ Hg սյան ճնշման տակ

12. Դիֆենիլ եթերը պետք է մաքրել մոլեկուլային թորման միջոցով: Սկզբունքը հետևյալն է. տաք թիթեղի վրայից մոլեկուլները բարձրանալով կոնդենսանում են սառը թիթեղի մակերեսին: Դիցուք   Թորումն (ֆրակցիոնացումը) այնքան ավելի արդյունավետ է, որքան ազատ են տաք մակերեսից սառին հասնող մոլեկուլները շարժվում, այսինքն ինչքան քիչ չափով են իրար խանգարում: Հետևաբար, համակարգում այնպիսի ճնշում պետք է ստեղծվի, որ  (մոլեկուլի ազատ վազքի միջին ճանապարհ): Հաշվել այդ ճնշումը, եթե  և  

13. Օգտվելով Գրեհեմի օրենքից որոշել անհայտ նյութի մոլային զանգվածը: Որպես էտալոն վերցվել է և որպես հետազոտվող  (վերցվել է ստուգելու համար): Ըստ փորձնական տվյալների

14. Հաշվել Կնուտսենի մեթոդով Sc-ի վրա հագեցած սեփական գոլորշիների ճնշումը 1555,4 K-ում, եթե 110,5 րոպեյում նմուշի զանգվածը նվազել է 9,57 մգ-ով: Էֆուզիան տեղի է ունեցել 0,296 սմ տրամագծով անցքից:

15. 0,30 մմ² մակերեսով անցքից պիտի էֆուզվի  բաղադրությամբ գազային խառնուրդը: Ինչպիսի՞ն է սկզբնական պահին էֆուզվող (անցքից դուրս եկող) խառնուրդի բաղադրությունը:

16. Կնուդսենի մեթոդով որոշված է պինդ Be-ի վրա սեփական գոլորշիների ճնշումը (P) ըստ հետևյալ փորձնական տվյալների. էֆուզիան ապահովող անցքը 0,318 սմ տրամագծով օղակ է: 1457 K-ում 60,1 րոպեյում Be-ի նմուշի զանգվածը նվազել է 9,54 մգ-ով: Հաշվել P-ն:

17. Կնուտսենի մեթոդով որոշված է գրաֆիտի վրա սեփական գոլորշիների ճնշումը (P): Ինչի՞ է հավասար P-ն, եթե 2603K-ում 3,5 ժամվա ընթացքում 3,25 մմ² մակերեսից էֆուզման հետևանքով գրաֆիտի զանգվածը նվազել է 0,648 մգ-ով:

18. Արարատ լեռան գագաթի բարձրությունը հաշված ծովի մակերևույթից 5000 մետր է: Հաշվել մթնոլորտային ճնշումը այդ բարձրության վրա, եթե t  = -20^oC:

>>

ԳԼՈՒԽ V

ՆՅՈՒԹԻ ՊԻՆԴ ՎԻՃԱԿ

V-1. ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ

Մոլեկուլային-կինետիկ տեսության դրույթների հիման վրա շատ լավ են բացատրվում գազերի, հեղուկների և պինդ նյութերի ֆիզիկական հատկությունները՝ հիմնականում հաշվի առնելով միջմասնիկային հեռավորությունները և դրանց փոխազդեցությունների բնույթն ու սաստկությունը:

Նշվեց, որ գազային վիճակում գտնվող նյութը կազմող մասնիկները գտնվում են քաոսային վիճակում: Եթե սա համարենք սահմանային մի վիճակ, ապա մյուս սահմանային վիճակում են գտնվում բյուրեղային նյութերը, որոնց բաղկացուցիչ մասնիկները գտնվում են խիստ կարգավորված վիճակում:

Հեղուկների և պինդ նյութերի ֆիզիկական հատկությունները քննարկենք երկու տեսանկյուններից.

1. Մաքուր նյութի տարբեր ագրեգատային վիճակների (ֆազերի) միջև գոյություն ունեցող հավասարակշռության և

2. Մասնիկների կառուցվածքային առանձնահատկությունների և դրանց միջև առկա կապերի բնույթի հիման վրա:

Ստորև բերված են նյութի ագրեգատային վիճակին բնորոշ մի քանի բնութագրական հատկություններ.

Գազեր

– անկախ տարողության ձևից զբաղեցնում են տարողության ողջ ծավալը,

– սեղմելի են (չունեն սեփական ծավալ),

– շատ արագ են դիֆուզվում. ունեն դիֆուզիայի մեծ գործակից (D),

– արագ են հոսում,

– վիճակը շատ մեծ չափով է կախված ջերմաստիճանից և ճնշումից;

Հեղուկներ

– զբաղեցնում են տարողության ծավալի այն մասը, որում գտնվում են: Այն կապ չունի տարողության (անոթի) ձևի հետ: Չի կարող տարածվել այնպես, որ զբաղեցնի անոթի ողջ ծավալը,

– փոքր է դիֆուզիայի գործակիցը

– արագ են հոսում, եթե հոսքի թեքությունը զգալի է,

– քիչ են սեղմելի;

Պինդ նյութեր

– ունեն սեփական ձև և ծավալ,

– շատ քիչ են սեղմելի,

– չեն հոսում, պինդ նյութում դիֆուզիան շատ է դանդաղ:

Քանի որ պինդ և հեղուկ նյութերում բաղադրիչ մասնիկներն իրար շատ մոտ են գտնվում, այդ պատճառով էլ այդ երկու դասերի նյութերը դիտվում են որպես կոնդենսված ֆազեր: Նյութի վիճակը կարելի է փոփոխել տաքացնելով.

Կարևոր է նաև հետևյալ հանգամանքը: Շատ ավելի քիչ էներգիա է պետք ծախսել մոլեկուլներն իրարից հեռացնելու համար, քան՝ մոլեկուլները բաղկացնող ատոմները: Օրինակ, քլորաջրածնի մոլեկուլներն իրարից հեռացնելու համար կպահանջվի մոտավորապես էներգիա, իսկ HCl մոլեկուլը ատոմների դիսոցելու համար

Չլիցքավորված մասնիկների միջև հիմնականում երեք տեսակի ուժեր են գործում. վալենտական, վան դեր Վաալսյան և ջրածնական կապի գոյությամբ պայմանավորված ուժեր:

Ընդհանրապես բոլոր տեսակի մասնիկների միջև շատ թե քիչ չափով գործում են վան դեր Վաալսյան ուժերը:

Ներքևում բերված ուրվագծից հետևում է, որ պինդ վիճակը կարող է հավասարակշռության մեջ գտնվել ինչպես հեղուկ , այնպես էլ գազ (գոլորշի) վիճակների հետ.

Երբ P = const, ապա T_հալ = T_{պինդ(սառ)} և T_սուբ = T_կոնդ: Երկու դեպքում էլ երկու ֆազերի միջև գոյություն ունի դինամիկ հավասարակշռություն: Ճնշման մեծացման հետ հավասարակշռությունը կտեղաշարժվի դեպի ավելի մեծ խտությամբ ֆազի առաջացումը:

Պինդ նյութը կսուբլիմվի այն դեպքում, երբ այն գտնվում է հալման կետից (այսպես կոչվող «եռյակ կետից) ցածր ջերմաստիճանում: Օրինակ, 0,01^oC ջերմաստիճանում գտնվող սառույցի վրա ջրային գոլորշիների ճնշումը հավասար է 4,6 մմ Hg-ի սյան: Եթե փոքրացնենք ճնշումը սառույցի վրա, ապա առանց հալվելու սառույցը կսուբլիմվի:

>>

V-2. ԲՅՈՒՐԵՂԱԿԱՆ ՆՅՈՒԹԵՐ:

ԸՆԴՀԱՆՈՒՐ ԱԿՆԱՐԿ

Բյուրեղային է համարվում այն նյութը, որում բաղկացնող մասնիկները (ատոմներ, իոններ, մոլեկուլներ) իրար հետ փոխազդելով այնպիսի տարածական կանոնավոր կառուցվածք են ստեղծում, որ այդ վիճակում նյութի պոտենցյալ էներգիան նվազագույն արժեք ունենա, այսինքն նյութի վիճակն առավել կայուն լինի: Առաջացած այդ խիստ կարգավորված տարածական կառույցը կոչվում է բյուրեղական ցանց: Այդ վիճակում տարածության մեջ մասնիկները դասավորված են 3 ուղղություններով (x, y և z) կանոնավորաբար իրար հաջորդելու սկզբունքով: Փաստորեն, տարածության մեջ պարբերականորեն կրկնվում է կառուցվածքային մի միավոր, որը կոչվում է «միավոր բջիջ»: Սա այն աղյուսն է, որից է կառուցված ամբողջ շենքը՝ բյուրեղը:

Պինդ վիճակը բնութագրվում է միջմասնիկային ուժերի բնույթով և սաստկությամբ: Կայուն են նաև բյուրեղի ձևն ու բյուրեղում մասնիկների շարժման բնույթը: Հաստատուն ջերմաստիճանում բյուրեղի բաղադրիչ մասնիկները (ատոմներ, իոններ, մոլեկուլներ) ինչ որ մի հավասարակշռական դիրքի շուրջ անընդհատ տատանվում են ինչ որ մի միջին ամպլիտուդով: Բյուրեղը հալվում է այն ժամանակ, երբ հաղորդված ջերմության ազդեցության տակ մեծանում է տատանման ամպլիտուդը՝ ի վերջո հավասարվելով միջմասնիկային հեռավորությանը, այնուհետև գերազանցելով այն:

Քանի որ տվյալ բյուրեղային նյութում բաղադրիչ մասնիկների տատանման ամպլիտուդը հաստատուն ինչ որ մի միջին մեծություն է, այդ պատճառով էլ բյուրեղային նյութերն ունեն հաստատուն հալման ջերմաստիճան:

Քվանտային մեխանիկայից հայտնի է, որ տատանման էներգիան քվանտացված է: Հարմոնիկ օսցիլյատորի էներգիան հավասար է. որտեղ կոչվում է տատանողական շարժման քվանտային թիվ: Այն կարող է ընդունել միայն ամբողջական արժեքներ. 0, 1, 2, …, i : Բացարձակ 0 K-ում Այս շատ սկզբունքային նշանակություն ունեցող արդյունքը ցույց է տալիս, որ եթե ընթացքային և պտտական շարժումները «սառած են», այնուամենայնիվ տատանողական շարժումը չի դադարում: Հետևաբար, շարժումը մատերիայի անբաժան հատկանիշն է (ատրիբուտը):

Ի տարբերություն բյուրեղականի ամորֆ նյութը, որը նույնպես պինդ է, չունի հալման հաստատուն ջերմաստիճան: Պատճառն այն է, որ ամորֆ նյութում իրար նկատմամբ մասնիկների դասավորվածությունը կարգավորված չէ, հետևաբար, դրանք տատանվում են տարբեր ամպլիտուդներով: Ուրեմն, ջերմություն հաղորդելիս, նախ, իրարից կհեռանան այն մասնիկները, որոնց տատանման ամպլիտուդները համեմատաբար մեծ են. և այսպես ջերմաստիճանի բարձրացման հետ կապերը կքայքայվեն աստիճանաբար: Այսպիսով, վերջիվերջո, ամբողջ նյութը կվերածվի հեղուկ զանգվածի (ապակենման վիճակ) առանց դրսևորելու հալման որոշակի (հաստատուն) ջերմաստիճան:

Թերմոդինամիկայի տեսանկյունից ամորֆ վիճակն անկայուն է. ժամանակի ընթացքում այն կանցնի բյուրեղականի: Խնդիրն այն է, թե ինչքան կտևի անցման այդ պրոցեսը:

>>

V-3. ԿԱՊԵՐԻ ԲՆՈՒՅԹԸ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐՈՒՄ

Բյուրեղական նյութերը կարելի է դասակարգել ըստ բյուրեղական ցանցը կազմող մասնիկների և ըստ այդմ էլ՝ ըստ միջմասնիկային ուժերի բնույթի: Շատ հատկություններ կախված են հենց այդ հատկանիշներից:

Աղյուսակ V.1-ում ամփոփված է ասվածը:

Այժմ փորձենք բյուրեղական յուրաքանչյուր տիպը ներկայացնել այնպիսի տեսքով, որից երևա բյուրեղի ցանցում միջմասնիկային փոխազդեցության բնույթը:

>>

V-3:1. Մոլեկուլային բյուրեղներ

Այս տիպի բյուրեղներում ցանցի միավորը կազմված է ոչբևեռային մոլեկուլներից: Նշանակում է, որ այդ մոլեկուլները կազմված են իրար հետ կովալենտ կապով միացած ատոմներից:                       

Օրինակ.

Մոլեկուլային պինդ նյութերի հատկությունները կախված են ոչ միայն մոլեկուլների միջև գործող ուժերի բնույթից, այլ նաև կառուցվածքային առանձնահատկություններից, որոնք կարող են կամ նպաստել կամ դժվարացնել տարածության մեջ մոլեկուլային խմբերի ծրարումը: Քննարկենք հետևյալ նյութերի մի քանի ֆիզիկական հատկությունները:  

Ձախից աջ եռման ջերմաստիճանների օրինաչափ բարձրացումը հետևանք է մոլային զանգվածի օրինաչափ մեծացմանը. բացի այդ ֆենոլին անհրաժեշտ է որոշ քանակով լրացուցիչ ջերմություն հաղորդել միջմոլեկուլային ջրածնական կապերը քանդելու համար: Կա նաև միջմոլեկուլային հիդրոֆոբ փոխազդեցությունների հարցը, որը ստորև քննարկվելու է: Նման պարզ օրինաչափություն չի դիտվում հալման ջերմաստիճանների հետ: 

Ինչո՞ւ. խորը սառեցում է պետք, որպեսզի տոլուոլը պնդանա: Բենզոլի մոլեկուլը սիմետրիկ կառուցվածք ունի: Ջերմաստիճանի նվազեցման հետ բենզոլի մոլեկուլներն անընդհատ իրար են մոտենում: Խանգարող տեղակալիչի բացակայության պատճառով տարածության մեջ կարգավորված մոլեկուլները իրար վրա են դիզվում կամ շարժվում են՝ իրար կպած:

Տոլուոլի դեպքում մոլեկուլում եղած խումբը խանգարում է բենզոլային օղակներին իրար նկատմամբ կարգավորված դիրքով շարվելուն կամ իրար վրա դիզվելուն: Այս պատճառով էլ շատ ավելի ցածր ջերմաստիճան է պետք տոլուոլի մոլեկուլների քաոսային շարժումը սահմանափակելու և ստիպելու, որ իրար մոտ շարվեն (կամ իրար վրա դիզվեն) և այդպես «սառած» վիճակում մնան:

Բենզոլային օղակների իրար նկատմամբ ունեցած ձգողությունը հիմնականում պայմանավորված է միջմոլեկուլային հիդրոֆոբ փոխազդեցություններով: Հետևյալ փաստը կարող է հիմք ծառայել այդ փոխազդեցության գոյությունը հաստատելու համար:

Ն-պենտանը հալվում է 36^oC -ում, իսկ նեոպենտանը (տետրամեթիլ մեթան) 9,4 ^oC  -ում: Բայց ն-պենտանի մոլեկուլներն իրար հետ ավելի մեծ մակերեսով են փոխազդում քան նեոպենտանի մոլեկուլները: Այս պատճառով էլ ջերմության ավելի մեծ քանակ պետք է ծախսել ն-պենտանի իրար «կպած» մոլեկուլներն իրարից հեռացնելու համար: Շարադրվածը ընդհանուր երևույթ է օրգանական, հատկաապես ոչբևեռային մոլեկուլների կամ ոչբևեռային երկար շղթաներ պարունակող նյութերի համար, օրինակ, ալկիլ խմբի երկարացման հետ ջրում սպիրտների լուծելիությունը նվազում է:

Եթե մոլեկուլում կապ կա, ըստ որում ատոմների էլեկտրաբացասականություններն իրարից զգալիորեն տարբեր են, ապա այդ կապը բևեռացած է. H-ը կրում է մասնակի դրական լիցք: Այստեղ ի հայտ է գալիս իոնի (պրոտոնի) առանձնահատկությունը: Դա միակ կատիոնն է, որը չունի էլեկտրոն, հետևաբար, նրա շառավիղը անգամ փոքր է H-ի ատոմի շառավղից: Այս պատճառով էլ շատ մեծ էլեկտրաստատիկ դաշտ է ստեղծում, որն էլ նպաստում է էլեկտրաբացասական տարրի ատոմի հետ մեծ ուժով փոխազդելուն: Հենց այդ բացառիկ փոխազդեցությունն է պատճառը, որի հետևանքով H-ական կապ է առաջանում: Այն շատ նշանակալի դեր է խաղում կենսաբանական մեծ կարևորություն ներկայացնող մոլեկուլներում, օրինակ, սպիտակուցներում, նաև թթվային կատալիզում:

Տիպական օրինակ է ջուրը, որի մի շարք առանձնահատկությունները պայմանավորված են միջմոլեկուլային H-ական կապերի գոյությամբ: Նախ, ջրի հեղուկ լինելը այն դեպքում, երբ ավելի ծանր գազ է: Ջրի ոչբնականոն հատկություններից մեկն էլ այն է, որ սառույցի խտությունը ավելի փոքր է քան 4^oC-ում գտնվող հեղուկ ջրի խտությունը Այս է պատճառը, որ սառույցը լողում է ջրի մակերեսին:

Սառույցի բյուրեղների կառուցվածքի ուսումնասիրությունից պարզվել է, որ այն կազմված է վեցանկյան տեսքով կառուցվածքային միավորներից.

ի տարբերություն հեղուկ ջրի, որում մոլեկուլներն իրար վրա սողում են ստեղծելով մի հոծ ամբողջություն, սառույցի մոլային ծավալն ավելի մեծ է քան հեղուկինը, հետևաբար և խտությունն ավելի փոքր է:

Ինչպես նշվեց H-ական կապերի առկայությամբ է պայմանավորված ջրի բարձր եռման կետը:

>>

V-3:2. Կովալենտ կապով ատոմական բյուրեղներ

Այստեղ խոսքը վերաբերելու է ոչմետաղների ատոմների մասնակցությամբ առաջացող բյուրեղական ցանցերին: Ցանցերի հանգույցներում «նստած են» ատոմներ, որոնք իրար հետ կապված են կովալենտ կապերով:

Տիպական օրինակ են C-ի ալոտրոպները՝ ալմաստը (տե՛ս նկ.V.2) և գրաֆիտը (տե՛ս նկ.V.3), -ը և այլն: Ալմաստի բյուրեղի միավորը տետրաէդրն է: Ածխածնի ատոմների

միջև կապերը  Միջատոմական հեռավորություններն իրար հավասար են, իրար հավասար են նաև C – C − C կապերի միջև անկյունները (109^oC): Ալմաստը շատ կարծր նյութ է, դիէլեկտրիկ: Գրաֆիտի բյուրեղական ցանցի կառուցվածքն այլ է: Այն շերտավոր է. յուրաքանչյուր շերտում միջատոմական հեռավորություններն իրար հավասար են. կապերը կովալենտ են: իսկ բենզոլում՝ 1,395 A^o: Շերտում կապերը զուգորդված են, որի հետևանքով վալենտական էլեկտրոնները ապատեղայնացված (դելոկալացված ) են: Այս է պատճառը, որ ի տարբերություն ալմաստի գրաֆիտը և ջերմահաղորդիչ է և էլեկտրահաղորդիչ: Ուշագրավ է այն, որ միջշերտային հեռավորությունը 3,35 A^o է: Համեմատաբար թույլ ուժերով են շերտերն իրար հետ կապված, որի հետևանքով այդ շերտերը կարող են իրար նկատմամբ սահել: Հայտնի է, որ շերտին զուգահեռ է գրաֆիտը հեշտ տաշվում, իսկ ողղահայաց՝ դժվարությամբ:

Բյուրեղական ցանցը նույնպես ատոմական է:

Շատ մեծ ճնշումների ազդեցության տակ բյուրեղներում փոխվում են միջատոմական հեռավորությունները, որի հետևանքով էլ էապես փոխվում են նաև միջատոմական ուժերն ու դրանց սաստկությունը: Հետևանքը՝ հատկությունների էական փոփոխությունն է: Օրինակ, 120.000 մթն ճնշման տակ ծծումբը ցուցաբերում է մետաղական հատկություններ: Արդյունաբերական նշանակություն ունի շատ մեծ ճնշումների ներգործությամբ գրաֆիտից ալմաստի ստացումը:

>>

V-3:3. Իոնական բյուրեղներ

Առաջացմանը մասնակցում են իոնական կապով միացություններ, մասնավորաբար աղեր: Իոնական կապ է առաջանում տարանուն լիցքերի միջև որպես հետևանք Կուլոնյան ուժերով պայմանավորված ձգողության: Այդ փոխազդեցության սաստկությունը կախված է միջիոնական հեռավորությունից, անիոնի և կատիոնի շառավիղներից (r) և փոխազդող իոնների կրած լիցքի մեծությունից 

Իոնական բյուրեղները ցնդող չեն, ունեն բարձր հալման ջերմաստիճան: Օրինակ, այնինչ

Եթե չոր աղերը համեմատաբար վատ հաղորդիչներ են, ապա այդ աղերի հալույթներն ու ջրային լուծույթները լավ հաղորդիչներ են: Դրանք իոնական տիպի են, այսպես կոչված «երկրորդ սեռի հաղորդիչներ»:

Բյուրեղական նյութերի համար շատ կարևոր է «ցանցի էներգիան» (տե՛ս գլուխ VIII): Այն ձևակերպվում է որպես ջերմություն, որն անջատվում է գազ ֆազում իոններից բյուրեղային նյութի առաջացման հետևանքով: Նույնքան էներգիա կծախսվի հակադարձ պրոցեսն իրականացնելու համար:

Ալկալիական մետաղների քլորիդների բյուրեղային ցանցի միավոր բջիջը խորանարդն է: Բայց ինչպե՞ս են այդ իոնները ծրարվում: Միևնույն լիցքերի առկայության պարագայում այն կախված է անիոնի և կատիոնի շառավիղներից:

Այս հարցը քննարկենք LiCl, NaCl և CsCl բյուրեղների օրինակի վրա, երբ անիոնները նույնն են և միալիցք, բայց կատիոնները կրելով միևնույն լիցքը (+1) ունեն իրարից տարբեր շառավիղներ, որոնք տարբեր են նաև

LiCl-ի բյուրեղը նիստակենտրոն խորանարդ է: ունենալով փոքր իոնական շառավիղ կարող է տեղավորվել Cl իոնների արանքում:

չի կարող «տեղավորվել» անիոնների արանքում: NaCl-ի բյուրեղները թեև նորից խորանարդային են, բայց արդեն կատիոնները տեղավորվում են բյուրեղացանցի գագաթներում անիոնների պես: Այսպիսով, յուրաքանչյուր շրջապատված է 6 հատ անիոններով և յուրաքանչյուր անիոն՝ 6 հատ կատիոններով

Ինչ վերաբերում է -ին, ապա իր մեծ շառավղի պատճառով չի կարող գտնվել ոչ երեսների, առավելևս նիստերի վրա: Հետևաբար, առավել ձեռնտու է այն վիճակը, երբ -ը տեղավորվում է խորանարդի կենտրոնում (ծավալակենտրոն խորանարդային բյուրեղ): 1 հատ -ը շրջապատված է 8 հատ անիոններով:

>>

V-3:4. Մետաղներ: Մետաղների բյուրեղների

կառուցվածքը

Բացի Hg-ից մյուս մետաղները բյուրեղական նյութեր են: Այդ կառուցվածքի առանձնահատկությունն այն է, որ բյուրեղավանդակի հանգույցներում մետաղի կատիոններն են գտնվում, իսկ միջկատիոնային տարածությունում ազատ շարժվում են՝ «թափառում են» վալենտական էլեկտրոնները: Ասում են, որ մետաղական բյուրեղներում այդ թափառող էլեկտրոնները մի «լիճ» են ստեղծում, որի մեջ տեղակայված են «կղզյակներ». Դրանք կատիոններն են: Այդ թափառող էլեկտրոններն են պայմանավորում մետաղների մեծ ջերմա- և էլեկտրահաղորդականությունները:

Մետաղների վրա շատ փոքր է սեփական գոլորշիների ճնշումը: Օրինակ, 298 K-ում (25^oC) Ըստ գլուխ IV-ի վերջում բերված խնդիրներից մեկի

Ջրում և օրգանական լուծիչներում անլուծելի են: Այստեղ խոսքը լուծման մասին է ըստ էության, և ոչ թե  (կամ որևէ լուծիչ) քիմիական փոխազդեցության:

Շատ մետաղներ պլաստիկ են, կռելի և կոփելի: Մեխանիկական այս հատկությունները նույնպես պայմանավորված են մետաղների կառուցվածքային առանձնահատկություններով:

>>

V-4. ՀԱՂՈՐԴԻՉՆԵՐ, ՄԵԿՈՒՍԻՉՆԵՐ, ԿԻՍԱՀԱՂՈՐԴԻՉՆԵՐ:

ՀԱՄԱՌՈՏ ԱԿՆԱՐԿ ՄԵՏԱՂՆԵՐԻ ԷԼԵԿՏՐՈՆԱՅԻՆ

ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԻ ԶՈՆԱՅԻՆ ՏԵՍՈՒԹՅԱՆ ՄԱՍԻՆ

Բյուրեղական նյութերի առանձնահատկությունները քննարկելիս նշվեց, որ բյուրեղավանդակի հանգույցներում գտնվող մասնիկներն անընդհատ տատանվում են հավասարակշռական դիրքի շուրջ: Մինչև հալման ջերմաստիճանը բյուրեղներում մասնիկների շարժման տատանողական բնույթը պահպանվում է: Պարզապես ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեծանում է տատանման ամպլիտուդը: պայմանի դեպքում տատանման ամպլիտուդը մի փոքր գերազանցում է միջմասնիկային հեռավորությունը, որն էլ բավական է, որպեսզի բյուրեղական ցանցը քանդվի և պինդ նյութն էլ անցնի հեղուկ վիճակի: Այս պատկերացման հիման վրա բացատրվեց, թե ինչու բյուրեղական նյութերը հալվում են հաստատուն ջերմաստիճանում:

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ պրոցեսն ընթանում է միակողմանիորեն՝ պհ ուղղությամբ, որովհետև պինդ նյութի քիմիական պոտենցիալը  ավելի մեծ է քան հեղուկինը

Շարադրվածից կարելի է եզրակացնել, որ բյուրեղների, հատկապես մետաղների, ջերմահաղորդականությունը, ինչպես նաև էլեկտրահաղորդականությունը, պայմանավորված է հաղորդմանը մասնակցող «թափառող» էլեկտրոնների շարժման ազատությամբ և միջմասնիկային փոխազդեցությունների առանձնահատկություններով: Այդ փոխազդեցությունները մի պրոցեսի գոյությունն են պայմանավորում, որին ամբողջ բյուրեղական ցանցն է մասնակցում:  Փաստորեն տվյալ դեպքում խոսքը հիմնականում վերաբերում է ցանց + էլեկտրոն փոխազդեցությանը:

Ջերմաստիճանի գրադիենտի առկայության պայմաններում յուրաքանչյուր էլեկտրոն (ընդհանրապես յուրաքանչյուր մասնիկ) KT էներգիա է տեղափոխում:

Շարադրվածի համաձայն ջերմահաղորդականության գործակիցը կարելի է դիտել, որպես երկու փոխազդող մասնիկների ունեցած սեփական լումաների գումար.

Ցույց է տված, որ

որտեղ էլեկտրահաղորդականության գործակիցն է: (V.1)-ը հայտնի է, որպես Վիլդեման-Ֆրանցի օրենք: Այդ օրենքից բխում է, որ T-ի բարձրացման հետ պետք է աճի գծային օրենքով, իսկ պետք է նվազի: Այս օրենքն անկախ է մետաղի բնույթից:

Հաստատված է, որ մեծ թվով մասնիկներից կազմված համակարգի գրգռված վիճակը ուժեղ փոխազդեցությունների առկայության պայմաններում կարելի է նկարագրել որպես ամբողջ բյուրեղով տարածվող ալիք: Քանի որ այստեղ խոսքը վերաբերում է միկրոաշխարհին, ապա ուժի մեջ է դե Բրոյլի առնչությունը.

Այս հանգամանքը չի կարելի անտեսել:

Առաձգական տատանումներին համապատասխանող էներգիայի քվանտը կոչվում է ֆոնոն: Ուրեմն ֆոնոնները բյուրեղով տարածվող ալիքներին համապատասխանող քվազիմասնիկներ են, բայց ի տարբերություն էլեկտրոնների, պրոտոնների, նեյտրոնների մասնիկներ չեն առաջացնում:

Դիէլեկտրիկներում, որտեղ «թափառող» (ազատ) էլեկտրոններ չկան, ջերմությունը ֆոնոնների միջոցով է հաղորդվում: Հավանաբար, ջերմաստիճանի նվազման հետ փոքրանում է ֆոնոնների թիվը, որի հետևանքով էլ փոքրանում է դիէլեկտրիկի ջերմահաղորդականությունը:

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ նվազում է մետաղների էլեկտրահաղորդականությունը  [տե՛ս (V.1)-ը]: Պատճառներից մեկն այն է, որ մեծանում է ֆոնոնների թիվը և «թափառող» էլեկտրոնների հետ դրանց բախման հավանականությունը: Կարծեք թե, արգելակվում է էլեկտրոնների շարժումը և այդ արգելակման պատճառով էլեկտրոնի ստացած կինետիկական էներգիան մասամբ ջերմության է վերածվում:

Քանի որ շարադրված պրոցեսներում մեծ դեր է վերագրվում վալենտական (ազատ) էլեկտրոններին, այդ կապակցությամբ փոքր ինչ կանգ առնենք մետաղական բյուրեղներում այդ «թափառող» էլեկտրոնների առաջացման մեխանիզմի վրա և քննարկենք հետևյալ հարցը. ինչպե՞ս են մասնակցում մետաղական կապի առաջացմանը:

Քննարկումը կատարենք որպես օրինակ վերցնելով Li-ի ատոմը, որի էլեկտրոնային կառուցվածքն է.

Ատոմի էլեկտրոնային կառուցվածքի մասին խոսելիս միշտ նկատի է առնվում մեկուսացած ատոմը և այս նկատառումով էլ գրում ենք. Պատկերվածը Li-ի մեկուսացած ատոմն է:

Նշված երկու էներգետիկ մակարդակները դիսկրետ են:

Հայտնի է, որ Li-ը մետաղ է և բյուրեղական նյութ: Բյուրեղը կառուցված է ծավալակենտրոն խորանարդներից: Անհրաժեշտ է բացատրել, թե ինչպես մեկ հատ վալենտական էլեկտրոն ունեցող Li-ի ատոմը կապվում է նույնպես մեկական վալենտական էլեկտրոն ունեցող 8 հարևան ատոմների հետ [տե՛ս (դ) նկարը]: Ըստ քվանտային մեխանիկայի հիմնադրույթներից մեկի էլեկտրոններն իրարից չի կարելի ջոկել:

Եթե էլեկտրոնը միջուկից հեռացնելու համար 5,4 էվ էներգիա է պետք ծախսել, ապա զույգից մեկը հեռացնելու համար կպահանջվի 75 էվ: Հետևաբար, էլեկտրոնն ավելի թույլ է կապված միջուկի հետ [տե՛ս (ա)-ն]: Բյուրեղում արդեն կպահանջվի ընդամենը 2,4 էվ(գ):

Li-ի կատիոնները դասավորվում են տարածության մեջ առաջացնելով խորանարդ: Կատիոնները զբաղեցնում են խորանարդի գագաթները և մի հատն էլ՝ խորանարդի կենտրոնը: Համեմատաբար միջուկի հետ թույլ կապված էլեկտրոնները ազատվելով սեփական միջուկների ազդեցության ոլորտից դառնում են թափառող՝ անընդհատ շարժվելով բյուրեղացանցում յուրաքանչյուր պահին հարևան կատիոնների միջուկների միջև գոյացնելով մի զույգ, որը հավասարազոր է երկու ատոմների միջև քիմիական կապի առաջացմանը:

(բ)-ն հիշեցնում է սփռված էլեկտրոնային մի լճակ և մետաղի կատիոններն էլ՝ դրանում տեղակայված կղզյակներ:

(ե)-ն ցույց է տալիս, որ (դ)-ում պատկերված 2 s դիսկրետ էներգետիկ մակարդակը բյուրեղում վերածվում է որոշակի ab հաստությամբ շերտի՝ զոնայի:

Եթե բյուրեղում N հատ Li-ի ատոմ կա, ուրեմն կա նաև N հատ թափառող էլեկտրոն:

Ըստ Պաուլիի արգելման սկզբունքի յուրաքանչյուր քվանտային վիճակում 2 էլեկտրոնից ավելի էլեկտրոն չի կարող գտնվել: Յուրաքանչյուր այդպիսի զույգ մի մակարդակի վրա է տեղավորվում: Ուրեմն կարող է առաջանալ հատ էներգետիկ մակարդակ: Եթե (դ)-ն վերաբերում է մեկուսացած ատոմին, ապա (ե)-ն արդեն վերաբերում է բյուրեղը կազմող ատոմների խմբին:

 մոտավորապես հատ ատոմ կա, ուրեմն հատ էլ թափառող էլեկտրոն: Դրանք տվյալ զոնայում զույգ-զույգ կարող են հատ մակարդակ ստեղծել: Այդ մակարդակների տարբերությունը 5,4 էվ է: Ուրեմն, 2 հարևան մակարդակների միջև եղած տարբերությունը Եզրակացություն. Տվյալ վիճակում անիմաստ է խոսել դիսկրետ մակարդակների մասին:

Ինչպես հետևում է Li-ի ատոմներից բյուրեղի առաջացման քննարկված պատկերացումից ստեղծված զոնայում դեռ բազմաթիվ թափուր մակարդակներ կան, որովհետև Li-ի ատոմների տրամադրած էլեկտրոնների թիվը շատ է փոքր հագեցած կապեր առաջացնելու համար էլեկտրոնների անհրաժեշտ քանակից (Li-ի յուրաքանչյուր ատոմը պետք է 8 հատ վալենտական էլեկտրոն ունենա, որպեսզի շրջապատող 8 ատոմներից յուրաքանչյուրի հետ մի հատ դուպլետ (հագեցած քիմիական կապ) կարողանա առաջացնել: Հետևաբար, այդ բոլոր էլեկտրոնները շատ մեծ հնարավորություն ունեն ազատ կերպով թափառելու: Հենց այս հանագամանքն էլ նպաստում է, որ դրանք լավ հաղորդեն և՛ ջերմություն և՛ էլեկտրական հոսանք:

Տեղին է նշել, որ բոլոր մետաղների համար հատկանշական է քիչ թվով վալենտական էլեկտրոններ ունենալը (տվյալ դեպքում խոսքը վերաբերում է արտաքին մակարդակների էլեկտրոնային տարողությանը): Այս առումով բոլորովին պատահական չէ բոլոր մետաղների և՛ լավ ջերմա-, և՛ լավ էլեկտրահաղորդիչ լինելը:

Զոնաների միջև տարածությունը համարվում է «արգելված» գոտի: Հարցը նրանում է, որ մի զոնայից մյուսին անցումը էներգիա պահանջող պրոցես է: Եթե արգելված գոտին լայն է, այդ դեպքում նման կառուցվածք ունեցող (բյուրեղային) նյութը, մասնավորապես քիմիական տարրը, դիէլեկտրիկ է: Այդպիսին է ալմաստը: Ածխածնի ատոմն ունի 4 հատ վալենտական էլեկտրոն.  (հիբրիդացում):

Ալմաստի բյուրեղը քառանիստ բուրգ է: C-ի ատոմները տեղադրված են բուրգի չորս գագաթներում, մեկն էլ բուրգի ներսում, որն իր չորս էլեկտրոններով էլեկտրոնային զույգեր է առաջացնում գագաթներում գտնվող ատոմների հետ: Հետևաբար, տվյալ դեպքում թափառող էլեկտրոններ չեն կարող լինել: Մյուս կողմից էլ բավական լայն է արգելված գոտին:

Հնարավոր է, որ հարևան զոնաներ իրար մեջ ձուլվեն [տե՛ս (զ)-ն նկ.V.8-ում]: Սա լրացուցիչ հնարավորություն կստեղծի էներգիայի փոքր ծախսով էլեկտրոնների անցման համար մի զոնայից մյուսը: Այսպիսի նյութերն արդեն կիսահաղորդիչներ են, ինչպես, օրինակ, Si-ը ի տարբերություն ալմաստի (C): Կիսահաղորդիչ է նաև Ge-ը: Պահանջվող լրացուցիչ էներգիան կարող է հաղորդվել որպես ջերմություն, լույս:

Այս է պատճառը, որ ի տարբերություն մետաղների, որոնց էլեկտրահաղորդականությունը փոքրանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, կիսահաղորդիչների դեպքում պատկերը ճիշտ հակառակն է՝ ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեծանում է էլեկտրահաղորդականությունը:

Բայց շատ ավելի արդյունավետ միջոց կա կիսահաղորդիչների էլեկտրահաղորդականությունը մեծացնելու համար: Դա հատուկ հավելանյութերի օգտագործումն է:

Ge-ը IV խմբի տարր է և կիսահաղորդիչ: Նկ.V.9-ի (1)-ը պատկերում է մաքուր Ge-ի բյուրեղը:

Այն կարելի է տոպել As-ով, որը V-րդ խմբի տարր է: Այն ունի 5 հատ վալենտական էլեկտրոն: 4 էլեկտրոններով նա միացած է Ge-ի 4 ատոմների հետ, իսկ հինգերորդ էլեկտրոնը դառնում է թափառող: As-ն էլ բյուրեղացանցում դառնում է կատիոն: Ուրեմն, տվյալ դեպքում As-ը հանդես եկավ որպես էլեկտրոնի դոնոր: Ստացված կիսահաղորդիչը կոչվում է n (negative) տիպի [տե՛ս նկ.V. 9 -ի (2)- ը]:

Սկզբունքորեն նման փոփոխություն կարելի է կատարել Ge-ի բյուրեղը տոպելով, այս դեպքում III-րդ խմբի տարրով, օրինակ, Ga-ով: Դա ունի 3 հատ վալենտական էլեկտրոն: Հարևան Ge-ի ատոմից 1e վերցնելով Ga-ը կդառնա անիոն, բայց դոնոր Ge-ը ձեռք կբերի դրական լիցք: Բյուրեղում կառաջանա (+) լիցքավորված «փոսիկ», որի գոյության հետևանքով հարևան ատոմներից «էստաֆետային մեխանիզմով» կսկսվի էլեկտրոնների հոսք: Այսպիսով, արհեստականորեն կառաջանան ազատ շարժվող էլեկտրոններ: Այսպիսի կիսահաղորդիչները կոչվում են p (positive) տիպի:

Այս բնագավառում ձեռք բերված հաջողությունները հեղաշրջում մտցրեցին ինչպես հիմնարար գիտության, միգուցե և առավել մեծ չափով՝ տեխնիկայի մեջ:

>>

V-5. ՍԻՄԵՏՐԻԱՆ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐՈՒՄ

Ցույց տրվեց, որ բյուրեղացման պրոցեսում տարածության մեջ մասնիկներն այնպես են դասավորվում, որ ապահովվի առավել կայուն վիճակ: Նշվեց նաև, որ բյուրեղավանդակներում (բջիջներում) մասնիկները տարածության երեք առանցքներով որոշակի հերթականությամբ են դասավորվում: Հետաքրքրականն այն է, որ միլիարդավոր մասնիկներ չեն շփոթում իրենց գրավելիք տեղը տարածության մեջ: Ասում են, որ գործում է ազդեցության «հեռավոր կարգը»: Գազ ֆազում լրիվ բացակայում է այս կարգը: Հեղուկներում ավելի թույլ է արտահայտված այս «հիշողությունը». մի քանի մասնիկների դասավորությունից հետո արդեն խախտվում է կարգավորվածությունը: Այս դեպքում գործում է ազդեցության «մոտավոր կարգը»:

Փորձը ցույց է տալիս, որ եթե բյուրեղի մի կտոր կամ թիթեղ ընկղմենք այդ նյութը պարունակող հագեցած լուծույթի մեջ և համապատասխան պայմաններ ստեղծենք (ջերմաստիճան, ճնշում) լուծույթի մեջ ընկղմված բյուրեղը կսկսի աճել լիովին պահպանելով տվյալ բյուրեղին հատուկ պարամետրերը (միջմասնիկային հեռավորությունները, հարթությունների իրար հետ կազմած անկյունները և այլն):

Բյուրեղային նյութերի համար սովորաբար ընդհանուր է հատկությունների անիզոտրոպությունը, այսինքն, որոշ հատկությունների կախումը ուղղությունից: Սա ցայտուն է գրաֆիտի մոտ, երբ մի ուղղությամբ այն հեշտությամբ տաշվում է, մյուս ուղղություններով՝ շատ կարծր է (տե՛ս էջ 113): Հենց այս հանգամանքն էլ շեշտում է բյուրեղներում գոյություն ունեցող սիմետրիայի կարևորությունը:

Ուրեմն, բյուրեղի կառուցվածքը կարելի է ներկայացնել որպես պարբերաբար հաջորդող շարքեր, ցանցեր և բջիջներ (վանդակներ):

Բյուրեղներում միջմասնիկային հեռավորությունը Հետևաբար, 1 մմ երկարության վրա հատ մասնիկ կարող է շարվել:

Շարքերի մեջ մասնիկների միջև գոյություն ունեցող հեռավորությունը տրանսլացիա կամ տարրական կամ շարքի պարամետր է կոչվում:

Եթե մի ուղղությամբ տեղաշարժենք շարքի կետերը, ապա միանման կետերը կտեղաշարժվեն միևնույն հեռավորություններով: Սա սիմետրիկ փոխակերպում է: Օրինակ, x առանցքով a կետի տեղաշարժը տրանսլացիա է: Տեղափոխությունը կարող է կատարվել չափով: a-ն փոքրագույն տրանսլացիան է: a չափով տրանսլացիայով իրար հետ կապված միատեսակ կետերը կոչվում են շարքի հանգույցներ:

Եթե նույն կետերը առաջինին ոչ զուգահեռ տրանսլացիայի ենթարկենք կստանանք հարթ ցանց: a -ն տրանսլացիա է x առանցքով, b - ն՝ y - ով:

Եթե a-ն, b-ն, c-ն տարրական տրանսլացիաներ են (տե՛ս նկ.V.10), ապա ստացված ABCDEFGH վանդակը կոչվում է տարրական: Դրա ներսում հանգույցներ չկան:

Նշված այդ ոչ կոմպլանար (տարբեր հարթություններում գտնվող) վեկտորների տրանսլացիաներով տարածական մարմին կստացվի: Այդ 3 վեկտորները տրանսլացիոն խումբ են կազմում:

Յուրաքանչյուր բյուրեղատեսակի համար տարրական վանդակի ծավալը անհատական է և հաստատուն:

Բյուրեղները դասակարգվում են a, b, c վեկտորների և անկյունների հատկանիշների հիման վրա:

Օրինակ, եթե ապա բյուրեղավանդակը խորանարդային է: Եթե ապա այդ դեպքում բյուրեղավանդակը տրիկլինային է կոչվում և այլն:

>>

V-6. ՆՅՈՒԹԻ ԱՄՈՐՖ ՎԻՃԱԿ: ԱՄՈՐՖ ՆՅՈՒԹԵՐ

Ամորֆոս հունարեն նշանակում է անձև: Ամորֆ նյութը պինդ է, բայց կառուցվածքային առումով սիմետրիայից զուրկ: Ամորֆ նյութեր են ապակիների մեծ մասը, սաթը, օպսիդիանը, բազմաթիվ պոլիմերներ: Կառուցվածքային տեսակետից ամորֆ նյութերը շատ նմանություններ ունեն գերցուրտ հեղուկների հետ: Գերցուրտ է համարվում այն հեղուկը, որը պնդացման ջերմաստիճանից ավելի ցածր ջերմաստիճանում դեռ հեղուկ է մնում: Պատճառն այն է, որ երբ հեղուկը շատ արագ է սառեցվում, հեղուկը բաղկացնող մասնիկները չեն հասցնում կարգավորված ձևով տարածության մեջ իրար նկատմամբ դասավորվել: Սառչելու հետևանքով մասնիկները տարածության մեջ ֆիքսվում են պատահական կոորդինատներով, կորցնում են իրենց «հիշողությունը» և այլևս չի գործում ազդեցության «հեռավոր կարգը»: Այս հանգամանքն էլ պայմանավորում է ամորֆ նյութերի իզոտրոպությունը: Եթե նյութի առանձին մասերում պահպանվում է «հեռավոր կարգը», ապա այդպիսի նյութը կոչվում է «կրիստալիտ»:

Ի տարբերություն բյուրեղային նյութերի՝ ամորֆները կտրուկ (հաստատուն) հալման կետ չունեն: Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ ամորֆ նյութերի վիճակը փոխվում է աստիճանաբար

Գծային կառուցվածքով պոլիմերների համար այս անցումը շատ է բնութագրական: Սա շատ կարևոր պահ է պոլիմերների մշակման տեխնոլոգիայի համար:

Բարձր էլաստիկ վիճակում պոլիմերը կարող է ձևափոխվել, ձևազեղծվել (դեֆորմացվել) դարձելիորեն, օրինակ, կաուչուկը: Այդ վիճակում կաուչուկի նմուշը կարող է ձգվել և երկարությունը կարող է 10-15 անգամ գերազանցել սկզբնականը: Այս վիճակում պոլիմերների շղթաներն իրար նկատմամբ դեռ պահպանում են իրենց ձևը: Իսկ մածուցիկ հոսուն վիճակում առանձին սեգմենտների շարժունակությունը այնքան է մեծանում, որ դրանք իրար նկատմամբ սկսում են ըստ երկայնության սահել (հոսել): Այդպիսի նյութերը կոչվում են «էլաստոմերներ», օրինակ, կաուչուկը:

Եթե արտաքին ձևազեղծող ուժի ազդեցությունը վերացնելուց հետո նյութում սկզբնական վիճակը չի վերականգնվում, այդպիսի նյութը կոչվում է «պլաստիկ», օրինակ պոլիվինիլացետատը:

Ինչպես նշվեց, ամորֆ նյութերի մոտ ինչ որ մի պայմանական սկզբնական կետի (դիրքի) նկատմամբ միջմասնիկային հեռավորությունների մեծացման հետ բյուրեղական ցանցի գոյացման համար անհրաժեշտ տարրերի կանոնավոր, պարբերաբար կրկնվելու հնարավորությունը դադարում է գործելուց:

Ցածր ջերմաստիճաններում թերմոդինամիկորեն կայուն է բյուրեղական վիճակը: Բայց ամորֆ  բյուրեղ անցումը երկարատև պրոցես է, որը կարող է այնքան ձգվել, որ համարվի գործնականորեն անիրականանալի:

>>

ԳԼՈՒԽ VI

ՀԵՂՈՒԿՆԵՐ

VI-1. ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ

Ցույց տրվեց, որ մոլեկուլների ընթացքային (ջերմային) շարժման միջին էներգիան միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների միջին էներգիայից մեծ լինելու դեպքում նյութը կգտնվի գազային վիճակում: Նման իրավիճակը շատ է հավանական, երբ թույլ են միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները:

Հայտնի է, որ որը վերաբերում է նաև մոլեկուլի ծավալին: Ըստ փորձնական տվյալների  :  Օրինակ,   և

Հետևաբար, Սա նշանակում է, որ նշված պայմանում գազ ֆազում միջմոլեկուլային հեռավորությունը մոտավորապես 10 անգամ ավելի մեծ է սեփական չափսից (տրամագծից):

Հեղուկներում միջմոլեկուլային հեռավորությունը համաչափելի է մոլեկուլի սեփական չափսի հետ: Սա ցույց է տալիս, որ հեղուկում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները պետք է զգալիորեն ավելի մեծ լինեն քան գազում: Այդ փոխազդեցությունները սովորաբար վան դեր Վաալսյան են, որոնց սաստկությունը շատ արագ է նվազում միջմասնիկային հեռավորության մեծացման հետ   Երևույթն առավել ցայտուն է այն դեպքում, երբ մոլեկուլների միջև ջրածնական կապ գոյություն ունի:

Ռեալ գազերի վիճակը նկարագրող վան դեր Վաալսի հավասարման մեջ մտնող բաղադրիչ անդամներից մեկը ներքին ճնշումն է` Այստեղից հետևում է, որ

Եզրակացությունը միանշանակ է. Հեղուկում միջմոլեկուլային ուժերը շատ անգամ ավելի մեծ են քան գազում:

Այս հանգամանքն արդեն որոշիչ ազդեցություն ունի հեղուկների ֆիզիկական որոշ հատկություններ կանխատեսելու համար:

Եթե գազերում մոլեկուլները գտնվում են անընդհատ և քաոսային (անկարգ) շարժման մեջ, իսկ բյուրեղներում իշխում է խիստ կարգավորվածությունը, ապա այս տեսակետից հեղուկները պետք է միջին դիրք զբաղեցնեն: Համեմատաբար նոր փորձնական տվյալների համաձայն իրենց կառուցվածքով հեղուկներն ավելի մոտ են բյուրեղային նյութերին: Այս հարցին կանդրադառնանք:

Չնայած այն բանին, որ հեղուկը բաղկացնող մոլեկուլներն իրար շատ մոտ են գտնվում, այնուամենայնիվ դա չի խանգարում, որ դրանք ընթացքային շարժում կատարեն, որը բնականաբար որոշ չափով քաոսային բնույթ ունի: Եթե գազ ֆազում մոլեկուլներն ազատորեն պտտվում (թավալվում) և տատանվում են, ապա հեղուկ վիճակում այդ շարժումների ազատությունը որոշ չափով սահմանափակված է «հարևանների» առկայության պատճառով:

Պինդ և հեղուկ վիճակների իրար հետ ունեցած նմանություններից մեկն էլ այն է, որ երկու դեպքում էլ նյութի խտությունը զգալիորեն մեծ է գազի խտությունից: Այս է պատճառը, որ պինդը և հեղուկը համարվում են կոնդենսված ֆազեր:

Գազի էներգիան գործնականորեն հավասարեցվում է մեկուսացած մոլեկուլների էներգիաների գումարին:

Նշվել է, որ բյուրեղում միայն տատանողական շարժում գոյություն ունի, որը և պայմանավորում է բյուրեղային նյութերի ջերմահաղորդականությունը: Շատ ցածր ջերմաստիճաններում բյուրեղային նյութերը ջերմությունը կլանում կամ առաքում են քվանտներով: Նման երևույթը հազվադեպ է հանդիպում հեղուկների մոտ: Բացառություններից է հեղուկ հելիումը:

>>

VI-2. ՀԵՂՈՒԿՆԵՐՈՒՄ ՄԻՋՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ՓՈԽԱԶԴԵՑՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ:

VI-2:1. Վան դեր Վաալսյան փոխազդեցություններ

Գրեթե բոլոր հեղուկները մոլեկուլային միացություններ են: Բացառություններ են սնդիկը, հալույթները և հեղուկ վիճակում գտնվող ազնիվ (իներտ) գազերը:

Մոլեկուլների հատկությունները կախված են ոչ միայն բաղադրությունից (այսինքն, ինչ քիմիական տարրերից են կազմված), կառուցվածքից (այսինքն, ինչպես են իրար նկատմամբ դասավորված բաղադրիչ տարրերի ատոմները), այլ նաև քիմիական կապերի բնույթից: Ըստ այդմ մոլեկուլները կարող են լինել բևեռային (ունենալ սեփական դիպոլ մոմենտ, այսինքն, լինել դիպոլային` երկբևեռ) և ոչբևեռային (ապոլյար): Առաջինն այնքան ավելի ցայտուն է, որքան մոլեկուլում իրար հետ միացած տարրերն իրարից ավելի զգալի չափով են տարբերվում իրենց էլեկտրաբացասականություններով: Ոչբևեռային են դիպոլային են (բևեռային)  և այլն:

Նշված տիպի մոլեկուլների միջև հնարավոր են դիպոլ-դիպոլ, դիպոլ-ապոլյար և ապոլյար-ապոլյար մոլեկուլ փոխազդեցություններ: Թեև այս բոլոր նշված փոխազդեցությունները կոչվում են մեկ անունով – վան դեր Վաալսյան, այնուամենայնիվ դրանցից յուրաքանչյուրն ունի իր առանձնահատկությունները և փոխազդեցությունների համեմատական սաստկությունը:

>>

VI-2:2. Դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցություններ

Դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցությունները կոչվում են նաև կողմնորոշման (օրիենտացիոն): Ինչպես նշվեց դիպոլը երկբևեռ մոլեկուլ է (ա): Երկբևեռ մոլեկուլների միջև փոխազդեցությունը էլեկտրաստատիկ է: Փոխազդող դիպոլներն իրար նկատմամբ կողմնորոշվում են: Այստեղից էլ գալիս է փոխազդեցության անվանումը:

 Փոխազդեցությունը կարող է երկու ձևով իրականանալ` գլուխ-պոչ...գլուխ-պոչ… (բ) և երբ երկու դիպոլներն իրար են «կպչում» հակառակ բևեռներով (գ), որի հետևանքով առաջանում են կվատրուպոլներ:

Վան դեր Վալսյան փոխազդեցությունների դասում դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցություններն ամենաուժեղն են որտեղ r-ը միջդիպոլային հեռավորությունն է).

(Կեեզոմի էֆեկտ): Այս արտահայտության մեջ -ն i տիպի դիպոլային մոլեկուլի սեփական դիպոլ մոմենտն է  ( որտեղ e - ն էլեկտրական լիցքի միավորն է. Կուլոն): Ըստ նախկինում օգտագործվող միավորների =1 Դ (Դեբայ): Կազմենք հարաբերություն.

>>

VI-2:3. Դիպոլ-ապոլյար (ոչբևեռային)

մոլեկուլ փոխազդեցություն

Այս փոխազդեցությունն այլ կերպ անվանում են նաև մակածման (ինդուկցիոն) փոխազդեցություն: Երևույթի էությունը հետևյալն է: Ոչբևեռային (ապոլյար) մոլեկուլը ընկնելով դիպոլի ստեղծած էլեկտրաստատիկ դաշտը ժամանակավորապես ձեռք է բերում դիպոլ մոմենտ` դառնում է դիպոլ մոլեկուլ (տե՛ս բերված ուրվագիծը):

Բնական է, որ այսպիսի փոխազդեցություններն ավելի թույլ են քան Կեեզոմինը: Այս դեպքում.

Այս արտահայտության մեջ -ն մոլեկուլի բևեռանալու ունակությունն է` բևեռացվելիությունը: Տվյալ դեպքում ընդունվում է նաև A-ի վրա ազդեցությունը:

>>

VI-2:4. Փոխազդեցությունը ոչբևեռային

մոլեկուլների միջև

Այսպիսի փոխազդեցությունները կոչվում են Լոնդոնյան կամ ցրման (դիսպերսիոն): Հեշտ է նկատել, որ այս փոխազդեցությունները ամենաթույլն են:

Թվում է, թե ոչբևեռային մոլեկուլների միջև չպետք է լինեն էլեկտրաստատիկ փոխազդեցություններ: Բայց փորձը հերքում է այս ենթադրությունը: Նախ, ոչբևեռային նյութերը հեղուկներ են: Հենց այս փաստը խոսում է այն մասին, որ նշված յուրաքանչյուր տեսակի մոլեկուլների միջև գերակշռում են ձգողական ուժերը քաոսային շարժումը պայմանավորող ուժերի նկատմամբ: Իսկ ի՞նչ բնույթի են ձգողական այդ ուժերը:

Բացատրելու համար քննարկենք պարզագույն մի մոլեկուլ Ըստ այս պատկերման նշված էլեկտրոնային զույգի ստեղծած էլեկտրական դաշտը սիմետրիկորեն է բաշխված ջրածնի 2 միջուկների շուրջը: Այդ դաշտի լիցքային խտությունը առավելագույն է միջմիջուկային տարածությունում: Քանի որ 2 նման ատոմների դեպքում խոսք չի կարող լինել դրանց էլեկտրաբացասականությունների տարբերության մասին, ապա ոչբևեռային մոլեկուլ է: Ըստ քվանտային մեխանիկայի հիմնարար դրույթների, նախ, էլեկտրոններն իրարից ջոկել չի կարելի և երկրորդ, էլեկտրոնը միաժամանակ ցուցաբերում է և ալիքային, և մասնիկային հատկություններ: Ուրեմն, պետք է խոսել միջուկների շուրջ ստեղծված էլեկտրոնային ամպի խտության մասին: Շատ փոքր, բայց 0-ից տարբեր հավանականությամբ ժամանակի ինչ որ մի պահի էլեկտրոնային ամպի խտությունը միջուկներից մեկի մոտ ավելի մեծ է դառնում քան մյուսի մոտ (ֆլուկտուացում): Այսպիսով, ատոմներից մեկը ժամանակավորապես դառնում է անիոն մյուսը` կատիոն Հետևաբար, ոչբևեռային մոլեկուլը ժամանակավորապես դառնում է դիպոլային: Այդ դիպոլային մոլեկուլն իր հերթին կարող է փոխազդել մեկ այլ մոլեկուլի հետ` մակածելով վերջինիս մոտ դիպոլ մոմենտ: Մոլեկուլում ատոմների թվի մեծացման հետ մեծանում է էլեկտրոնային ամպերի խտության ֆլուկտուացման հավանականությունը: Այս դեպքում

Միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները քննարկելիս հաշվի չառնվեց համակարգում իոններ գտնվելու դեպքը: Այն շատ կարևոր է լուծույթների դեպքում, հատկապես երբ լուծված նյութը էլեկտրոլիտ է: Սա առանձին հարց է, որը կքննարկվի XVII գլխում:

Ջրածնական կապ

Այս կապի դերը շատ մեծ է կառուցվածք-հատկություն կապը քննարկելիս: Այդ կապը բացառիկ է այն պատճառով, որ դրա առաջացման հիմնական և ընդհանուր մասնակիցը ջրածնի ատոմն է, որին համապատասխանող իոնը` պրոտոնն է, ջրածնի ատոմի միջուկը, որի շառավիղը Ֆերմիի կարգի մեծություն է և պարուրված չէ էլեկտրոնային ամպով:

-ին հաջորդող կատիոնը -ն է, որի շառավիղն արդեն կարգի մեծություն է: Հետևաբար, իոնի ստեղծած էլեկտրաստատիկ դաշտի պոտենցիալը`

(S-ը գնդաձև իոնի մակերևույթն է) անգամ ավելի մեծ է քան իոնի ստեղծածը:

Աղյուսակում բերված տվյալներն անժխտելիորեն հաստատում են ջրածնական կապի ռեալությունը և շեշտում նրա կարևորությունը մի շարք ֆիզիկական հատկություններ բացատրելու համար:

Զգալիորեն մեծ է այն միացության եռման կետը, որում ավելի մեծ է Y-H տարրերի էլեկտրաբացասականությունների տարբերությունը, հետևաբար, ավելի մեծ է ջրածնի վրա դրական լիցքի խտությունը և միջմոլեկուլային ջրածնական կապի ուժը (էներգիան):

Ջրածնական կապի էներգիայի մեծությունը փոխվում է սահմաններում: Սա զգալի արժեք է, որն անտեսել չի կարելի: Այս հանգամանքն էլ պայմանավորում է ջրածնական կապի դերն ու նշանակությունը հատկապես կենսաբանական համակարգերում:

Ջրի արտասովոր հատկությունները նույնպես պայմանավորված են ջրում մոլեկուլների միջև գոյություն ունեցող ջրածնական կապերի խաղացած դերով: Անսովոր հատկություններից մեկն այն է, որ սառույցի (պինդ վիճակ) խտությունն ավելի փոքր է քան հեղուկ ջրինը: Այս հարցն արդեն քննարկվել է V-րդ գլխում: Ջրի և պրոտոնի շատ հետաքրքրական վարքն առավել հանգամանորեն քննարկվելու է «Կատալիզ» բաժնում (գլուխ XXIV):

>>

VI-3. ՀԵՂՈՒԿՆԵՐԻ ՄԻ ՔԱՆԻ ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ

ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ

Հեղուկներում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների բնույթը քննարկելիս կարևորվեց հալման և եռման ջերմաստիճանների իմացման հարցը որպես այդ փոխազդեցությունների սաստկությունն արտահայտող մեծություններ:

Այս նկատառումով էլ նյութի շարադրանքը սկսվելու է օգտվելով այս մոտեցումից:

>>

VI-3:1. Ֆազային անցումներ

Որևէ նյութի ֆազային վիճակը կարելի է փոխել համակարգին ջերմություն հաղորդելով (տաքացնելով) կամ խլելով (սառեցնելով): Երկու դեպքում էլ հիմնական փոփոխվող մեծությունները միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների և ներմոլեկուլային շարժումների սաստկություններն են:

Քննարկման առարկա հանդիսացող ֆազային անցումները կարելի է ներկայացնել նկ.VI.2-ի վրա պատկերված ուրվագծով:

Քննարկումը կատարենք ջրի համար (տե՛ս նկ.VI.3):

Վերցված է 1 մոլ (18 գ) ջուր −25^oC-ում (A) 1 մթն ճնշման տակ: Այն գտնվում է պինդ վիճակում (սառույց): Աստիճանաբար բարձրացնենք ջրի ջերմաստիճանը:

1 մոլ ջրին 0,94 կՋ ջերմություն հաղորդելիս ջերմաստիճանը 25^oC -ով կբարձրանա և կդառնա 0^oC  (A-ից անցում B-ի):

B կետում սառույցը սկսում է հալվել: BC տիրույթում ունենք ջուր, որի մակերեսին լողում են սառույցի կտորներ: C կետում սառույցն արդեն լրիվ հալված է (հեղուկ):

1 մոլ սառույցը հալելու համար կպահանջվի 6,01 կՋ ջերմություն: 0^oC -ում գտնվող 1 մոլ ջրի ջերմաստիճանը 100^oC -ով բարձրացնելու համար կպահանջվի 7,52 կՋ ջերմություն (C-ից անցում D-ի): D կետում ջուրը սկսում է եռալ: E կետում ջուրը վեր է ածված գոլորշու. Այս պրոցեսը կպահանջի լրացուցիչ 40,7 կՋ ջերմություն: 100^oC -ում և 1 մթն ճնշման տակ գտնվող 18 գ գոլորշու ջերմաստիճանը 125^oC-ի հասցնելու համար ընդամենը կպահանջվի 0,83 կՋ ջերմություն:

Այսպիսով, 18 գ ջրի ջերմաստիճանը −25^oC -ից մինչև  125^oC, այսինքն  150^oC -ով, բարձրացնելու համար պետք է ծախսել.

կՋ ջերմություն:

Այս քննարկման ընթացքում մեզ հետաքրքրում է հետևյալ արդյունքը: Որպեսզի 0^oC -ում գտնվող 1 մոլ սառույցը հալվի 6,01 կՋ ջերմություն է անհրաժեշտ, իսկ 100^oC -ում գտնվող նույն քանակությամբ հեղուկ ջուրը գոլորշիացնելու համար` 40,7 կՋ ջերմություն:

Սա նշանակում է, որ ֆազային անցումն ավելի քիչ ջերմություն է պահանջում, քան անցումը: Բացատրությունը հետևյալն է: Որպեսզի սառույցը հալվի բավական է քանդել բյուրեղական ցանցը` ջրի մոլեկուլներին հնարավորու-թյուն տալով մնալ կողք-կողքի այնքան, որ կարողանան իրար նկատմամբ տեղաշարժվել (իրար վրա սողալ): Բայց գոլորշիացման համար ոչ միայն անհրաժեշտ է լրիվ քանդել ջրածնական կապերը, այլ նաև` իրարից բաժանված մոլեկուլներին այնքան էներգիա հաղորդել, որպեսզի հաղթահարվեն միջմոլեկուլային մնացած փոխազդեցությունները:

>>

VI-3:2. Հեղուկների եռումը: Եռման ջերմաստիճան:

Հագեցած գոլորշու ճնշում

Բաց անոթում հեղուկը տաքացնելիս կնկատենք, որ տաքացուցիչի հետ անմիջական կոնտակտի մեջ գտնվող հատակային մասից պղպջակներ կսկսեն բարձրանալ: Դա հեղուկի մեջ լուծված օդն է, որը հեռանում է հեղուկից, որովհետև ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց նվազում է հեղուկում գազերի լուծելիությունը:

Մթնոլորտային ճնշումից կախված ինչ որ մի ջերմաստիճանում, կսկսվի պղպջակների զանգվածային արտամղում: Այդ ջերմաստիճանը տվյալ հեղուկի եռման ջերմաստիճանն է: Հեղուկը սկսում է եռալ այն պահին, երբ հեղուկի վրա սեփական գոլորշիների ճնշումը հավասարվում է մթնոլորտային ճնշմանը:

Եթե անոթը բաց է, ապա ցանկացած ջերմաստիճանում աստիճանաբար հեղուկը կգոլորշիանա, կհեռանա: Այս դեպքում պրոցեսը միակողմանի է. :

Նույնը կատարենք, երբ հեղուկը գտնվում է փակ անոթում: Այս դեպքում գոլորշին համակարգից չի կարող հեռանալ: Այդ փակ անոթը միացնենք մանոմետրի և կամայական ջերմաստիճանի համար չափենք անոթում ստեղծված ճնշումը: Ջերմաստիճանի բարձրացման զուգընթաց անոթում ճնշումը կմեծանա: Հաստատուն ջերմաստիճանում անոթում ճնշումը նույնպես հաստատուն է մնում: Սա ցույց է տալիս, որ միավոր ժամանակում քանի մոլ հեղուկ որ անցնում է գոլորշի ֆազ, նույքան գոլորշի էլ կոնդենսանում է` վերածվելով հեղուկի: Նշանակում է, որ համակարգում ստեղծվել է դինամիկ (շարժուն) հավասարակշռություն: Այն խորհրդանշվում է հակառակ ուղղված երկու զուգահեռ սլաքներով.

Յուրաքանչյուր ջերմաստիճանում հեղուկի վրա ստեղծված ճնշումը կոչվում է տվյալ ջերմաստիճանում հեղուկի սեփական հագեցած գոլորշիների ճնշում (P_հագ): Բնական է, որ հեղուկը սկսում է եռալ այն պահին, երբ P_հագ = P_մթն: Սա մեկ անգամ ևս ցույց է տալիս, որ հեղուկի եռման ջերմաստիճանը կախված է արտաքին ճնշումից: Օրինակ, երբ P_արտ=1 մթն, T_եռ(ջուր) = 373,15 K (100^oC), իսկ երբ P_արտ= 0,5 մթն, T_եռ(ջուր) = 353,15 K (80^oC) (պարզ է, որ այս դեպքում ճաշը ուշ կեփվի):

Ցնդող է համարվում այն հեղուկը, որի հագեցած գոլորշիների ճնշումը բարձր է սենյակային ջերմաստիճանում, այսինքն դյուրաեռ է: Օրինակ, 20^oC-ում Hg սյուն,   և Նույն հերթականությամբ էլ նվազում են նշված հեղուկների եռման ջերմաստիճանները:

Վան դեր Վաալսի իզոթերմերը քննարկելիս ցույց տրվեց, որ երբ այդ ջերմաստիճանում գտնվող գազը չի կարելի հեղուկացնել: Ժամանակակից ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ կրիտիկական վիճակում գտնվող գազի վրա շատ մեծ ճնշումներ գործադրելիս (հարյուրավոր մթնոլորտներ), համակարգի վիճակը էապես փոխվում է: Օրինակ, 647,6 K ջերմաստիճանում և 217,7 մթն ճնշման տակ   է, այնինչ պետք է լիներ.

 Այսպիսի վիճակում գտնվող գազը կոչվում է գերկրիտիկական հեղուկ: Այդպիսի «հեղուկները» շատ հետաքրքրական հատկություններ ունեն: Արտակարգ արտալուծող նյութեր (էքստրագենտ) են: Այս հատկությունն այժմ մեծ չափով օգտագործվում է սննդարդյունաբերության, դեղագործության մեջ: Գերկրիտիկական հեղուկ վիճակում կարող է գտնվել Այն օգտագործվում է սուրճի հատիկներից կոֆեինը, ծխախոտից` նիկոտինը արտալուծելու համար, ըստ որում պահպանվում են արտալուծված նյութերի համային և հոտային հիմնական հատկանիշները:

>>

VI-3:3. Հեղուկների սառչումը: Սառեցման կետ

Սա այն ջերմաստիճանն է, որի տակ է ստեղծվում հպ հավասարակշռությունը: Հեղուկը պնդանում է և պինդն էլ հեղուկանում: Եթե այդ ջերմաստիճանը որոշված է  ճնշման տակ (ստանդարտ պայման), ապա այն կոչվում է հալման կամ սառեցման նորմալ կետ (ջերմաստիճան):

Հալման ջերմաստիճանն էապես չի կախված ճնշումից: Համենայն դեպս, ճնշման մեծացումը նպաստում է ավելի մեծ խտությամբ ֆազի առաջացմանը: Ինչպես ցույց ենք տվել, այս առումով ջուրը քիչ հանդիպող բացառություններից մեկն է. ճնշման մեծացման հետ սառույցի հալման կետը նվազում է: 0^oC-ում գտնվող սառույցի վրա ճնշումը մեծացնելիս, սառույցը հալվում է, որովհետև 0^oC -ում հեղուկ ջրի խտությունը ավելի մեծ է քան սառույցինը:

>>

VI-3:4. Հեղուկների ջերմային ընդարձակումը:

Իզոթերմային սեղմում

Գազերի, ինչպես նաև պինդ և հեղուկ նյութերի ծավալների ջերմաստիճանից ունեցած կախումը նման հավասարումով է արտահայտվում.

միայն հետևյալ էական տարբերությամբ: Գազերի դեպքում գազի բնույթից անկախ մի հաստատուն է իսկ հեղուկների և պինդ նյութերի դեպքում այն կախված է և նյութի բնույթից և այն ֆազային վիճակից, որում գտնվում է այդ նյութը:

Գազերի և պինդ նյութերի համար միշտ, իսկ հեղուկների ճնշող մեծամասնության դեպքում  (ինչպես բազմիցս նշվել է ջուրը բացառություն կազմող հեղուկներից մեկն է):

(VI.1) հավասարման մեջ Փորձարարությամբ պարզված է, որ

որտեղ նյութի մոլային ծավալն է նորմալ պայմաններում: կոչվում է իզոթերմային սեղմելիության գործակից:

նման էլ անհատական մեծություն է և կախված է ինչպես նյութի բնույթից, այնպես էլ այն ֆազային (ագրեգատային) վիճակից, որում նա գտնվում է:

նշանակում է, որ ճնշման մեծացման հետ նյութի ծավալը կփոքրանա:

(VI.1) և (VI.2) հավասարումների զուգորդումից կստացվի.

որը կարելի է դիտել որպես հեղուկի` վիճակի հավասարում:

>>

VI-3:5. Հեղուկների մածուցիկությունը

Ի տարբերություն պինդ նյութերի հեղուկները գազերի նման հոսուն են:

Մածուցիկությունը հոսող նյութի (հեղուկի) հատկությունն է դիմադրելու հեղուկը կազմող մոլեկուլային շերտերից մեկի նկատմամբ մյուսի տեղաշարժին: Հոսող հեղուկում շերտերն իրար հետ շփվում են:

Հեղուկների մածուցիկությունը շատ մեծ չափով կախված է միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների և′ բնույթից և′ սաստկությունից, որոնք և միաժամանակ պայմանավորում են մոլեկուլների շարժման արագությունը: Օրինակ, տրիէթիլամինը շատ հոսուն հեղուկ է, իսկ տրիէթանոլամինը շատ մածուցիկ է, նույնը գլիցերինը Շաքարի ջրային լուծույթը նույնպես մածուցիկ է: Պատճառը նշված մոլեկուլներում գտնվող OH խմբերի միջև միջմոլեկուլային ջրածնական կապերի առկայությունն է:

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, մի կողմից, զգալիորեն թուլանում են միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները, մասնավորաբար ջրածնական կապերը, մյուս կողմից` սաստկանում է մոլեկուլների հոսող շերտերից մեկից մյուսին անցումը, այսինքն մեծանում է շարժման «անկարգությունը» (քաոսայնությունը): Նշված երկու երևույթներն էլ փոքրացնում են միջշերտային շփումը, հետևաբար և հեղուկի մածուցիկությունը:

Մածուցիկությունը քանակապես արտահայտում են մածուցիկության գործակցով որի չափողականությունն է. Պուազ (Պ): Միավորների ՍԳՎ համակարգում Պուազ (Պ,P) է կոչվում ի պատիվ գիտնական Պուազեոյի: Հայտնի է,

Նշվածը կոչվում է դինամիկ մածուցիկություն: Արտադրության մեջ ավելի շատ օգտագործվում է կինեմատիկ մածուցիկությունը, որը հարաբերությունն է. չափողականությունն է Նշված չափողականությունը կոչվում է Ստոկս, նորից ի պատիվ գիտնական Ստոկսի: Արժե նշել, որ Ստոկսերով է արտահայտվում նաև դիֆուզիայի գործակիցը (տե′ս գլուխ XXI): համակարգի խտությունն է

Մածուցիկության հակադարձ մեծությունը` կոչվում է հոսունություն:

Ըստ Պուազեոյի օրենքի

որտեղ հոսող նյութի դինամիկ մածուցիկության բացարձակ (ոչ հարաբերական) արժեքն է: V - ն դրա ծավալն է, իսկ t - ն այդ ծավալով նյութի հոսման ժամանակամիջոցը:

P-ն այն ճնշումն է (մասնավորաբար հիդրոստատիկական), որի տակ բարձրությամբ և V ծավալով հեղուկը հոսում է: Քանի որ  (խտություն), ապա P-ն կարելի է փոխարինել d-ով Այս դեպքում (VI.4)-ի փոխարեն կստացվի.

որտեղ r - ն այն խողովակի շառավիղն է, որով հոսում է V ծավալով հեղուկը:

որոշվում է մածուցիկաչափով (վիսկոզիմետր), որի համար հաստատուն մեծություններ են մազական խողովակի երկարությունը շառավիղը (r) և հոսող նյութի ծավալը (V): 20^oC-ում`

Գործնական տեսակետից շատ հեշտ է հարաբերական որոշում կատարելը` հաստատուն ջերմաստիճանում և միևնույն մածուցիկաչափով որոշելով հայտնի ինչ որ մի հեղուկի (օրինակ, ջրի) և անհայտ հեղուկի հոսման ժամանակամիջոցները.  Պարզ է, որ տվյալ ջերմաստիճանի համար որոշված (կամ հայտնի) մեծություններ են:

Այսպես, (VI.5)-ից կհետևի.

Հեղուկների մածուցիկության գործակցի իմացումը նպաստում է լուծելու ինչպես որոշ տեսական, այնպես էլ գործնական, այդ թվում տեխնոլոգիական մի շարք խնդիրներ: Որպես օրինակ կարելի է հիշատակել մածուցիկաչափության օգտագործումը պոլիմերների, մասնավորաբար կենսապոլիմերների, մոլեկուլային զանգվածը որոշելու համար:

Ներքոբերյալ աղյուսակում նշված են մի քանի հեղուկների մածուցիկության գործակիցները` արտահայտված Պուազներով.

>>

VI-3:6. Հեղուկների մակերեսային լարվածությունը

Ի տարբերություն գազերի, հեղուկները ձգտում են պահպանել իրենց ծավալը կատարելով մակերեսային աշխատանք:

Մակերեսային լարվածության գոյությունը ցայտուն ապացույցներից մեկն է հեղուկներում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների առկայության մասին:

Հեղուկի ծավալում գտնվող (ա) մոլեկուլի (տես նկ.VI.4) վրա ազդող ուժերի համազորը զրոյի է հավասար, այնինչ հ/գ բաժանման սահմանագծի վրա գտնվող (բ) մոլեկուլի վրա ազդող ուժերի համազորը տարբեր է զրոյից և այն ուղղված է դեպի հեղուկի խորքը այն պարզ պատճառով, որ  ( ծավալում շատ ավելի մեծ թվով մոլեկուլներ կան հեղուկում, քան գոլորշում): Ի հակադրություն նշվածի, հեղուկը ձգտում է պահպանել իր մակերեսը այն վերածելով հնարավորինս նվազագույնի: Հիշենք, որ հիդրոֆոբ մակերեսի վրա (օրինակ, յուղի) գտնվող ջրի կաթիլը գնդաձև է, որը տվյալ զանգվածով ջրի նվազագույն ծավալն է, որին առավել կայուն վիճակ է համապատասխանում:

Մակերեսը փոքրացնելու համար անհրաժեշտ է աշխատանք կատարել: Մակերեսային լարվածություն է կոչվում այն աշխատանքը, որը պետք է կատարել միավոր մակերես ստեղծելու համար: Ըստ այս սահմանումի չափողականությունը պետք է լինի. Այս վերջինից հետևում է նաև, որ միավոր երկարության վրա ազդող ուժ է

Մակերեսային լարվածությունը նպաստում է, որ հեղուկը մազական խողովակով բարձրանա: Երևույթի կարևորությունը ակնհայտ է կենսաբանական համակարգերի համար: Հեղուկի այս հատկությունն է օգտագործվում որոշելու համար: Մշակված մեթոդը կոչվում է «մազական խողովակով հեղուկի վերելքի մեթոդ»:

Ինչպես նշվեց մակերեսային ուժերի ազդեցության տակ մազական խողովակով հեղուկը բարձրանում է (տես նկ.VI.5), որին հակադրվում է հեղուկի ծանրության ուժը Նյուտոնի 3-րդ օրենքի համաձայն այդ երկու իրար հակառակ ազդող ուժերն ի վերջո հավասարվում են իրար:

որտեղ r-ը մազական խողովակի շառավիղն է (մ), հեղուկի խտությունը Հետևաբար,

v-ն այն անկյունն է, որ կազմում է բարձրացած հեղուկի մենիսկը խողովակի պատի հետ (տես ներքևի նկարը): Եթե այն նյութը, որից պատրաստված է խողովակը լավ է թրջվում հետազոտվող հեղուկով, ապա այդ դեպքում

Այսպիսին է ջրի վարքը որոշ ապակիների նկատմամբ (Hg-ի դեպքում պատկերը հակառակն է):

Օգտվելով ասվածից և կիրառելով Նյուտոնի 3-րդ օրենքը  ( ձգտում է իջեցնել m զանգվածով բարձրացած հեղուկը, իսկ ձգտում է պահպանել ստեղծված վիճակը) կստացվի.

Սարքում եղած մազական խողովակի շառավիղը (r) հայտնի է, հեշտ է որոշել նաև   (եթե այն հայտնի չէ): Մնում է փորձով որոշել h-ը և (VI.10) բանաձևով կհաշվվի Փորձը պետք է կատարել հաստատուն ջերմաստիճանում:

Ուշադրություն պետք է դարձնել օգտագործվող և չափվող մեծությունների չափողականություններին.

:

Աղյուսակ VI.3-ում բերված են մի շարք հեղուկների մակերեսային լարվածության արժեքները:

Այն նյութերը, որոնք նվազեցնում են ջրի (հեղուկի) մակերեսային լարվածությունը կոչվում են մակերևույթային (մակերեսորեն) ակտիվ նյութեր: Այդպիսիք են օճառները, լվացող փոշիների հիմնական բաղադրիչները և այլն:

Պետք է նշել, որ գոյություն ունեն որոշելու այլ մեթոդներ ևս:

 հատկություններից մեկն այն է, որ մոլեկուլի կառուցվածքից կախված պարամետր է: Պարզված է, որ

P-ն կոչվում է պարախոր: P-ն էքստենսիվ (գումարվող) հատկություն (պարամետր) է: Նշանակում է, որ որևէ մոլեկուլի պարախորը հավասար է նրա բաղադրիչ ատոմների, մոլեկուլի կազմության մեջ մտնող ատոմային խմբերի, կառուցվածքային այլ միավորների պարախորների գումարին:

Ճիշտ է, որ այսօր գոյություն ունեն մոլեկուլի կառուցվածքը հետազոտելու հզոր և ճշգրիտ մեթոդներ և այս ֆոնի վրա պարախորի իմացումը բացառապես պատմական նշանակություն ունի, այնուամենայնիվ նրա իմացումը լրացուցիչ տեղեկություն է հաղորդում գործնական կարևորության մասին:

P-ի որոշ արժեքներ ներկայացված են աղյուսակ VI.4-ում:

>>

VI-3:7. Հեղուկների դիէլեկտրիկական

թափանցելիությունը (հաստատունը)

Էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ մոլեկուլի ներսում տեղի է ունենում էլեկտրական լիցքերի վերաբաշխում, որը բերում է մոլեկուլի բևեռացման:

Բևեռացման մեխանիզմը և ազդեցության հետևանքն ու չափը կախված են քննարկվող նյութը կազմող ատոմների և ատոմների միջև գոյություն ունեցող կապի (կապերի) բնույթից: Եթե միջատոմական կապը իոնական է (օրինակ NaCl), ապա տեղի ունեցող բևեռացումը իոնական է: Եթե նյութը դիէլեկտրիկ է (ոչ հաղորդիչ), ապա  ազդեցության տակ տեղի կունենա էլեկտրոնային բևեռացում: Դա հետևանք է այն բանի, որ միջուկների շուրջն առկա էլեկտրոնային ամպերը ձևազեղծվում (դեֆորմացվում) են ձգվելով ստեղծած դաշտի (+) բևեռը: Բևեռային դիէլեկտրիկներում բևեռացումը կողմնորոշման (օրիենտացիոն) բնույթի է: Պարզապես էլեկտրական դաշտում քաոսային շարժման մեջ գտնվող դիպոլները կողմնորոշվում են, օրինակ, ջրի մոլեկուլները էլեկտրական դաշտում:

Այս բոլորի մոտ ընդհանուր է հետևյալ երևույթը. լարվածությամբ ստատիկ էլեկտրական դաշտում մասնիկը բևեռանում է: Մասնավոր դեպքում ոչբևեռային (ապոլյար) մոլեկուլը դառնում է երկբևեռային:

Դիէլեկտրիկի բևեռանալու աստիճանը քանակապես բնութագրվում է վեկտորով.

կոչվում է մասնիկի բևեռանալու ունակություն (բևեռացվելիություն): Ունի ծավալի չափողականություն (մ³):

կախված է քննարկվող նյութի (միջավայրի) դիէլեկտրիկական թափանցելիությունից (հաստատունից) Այդ կախումն արտահայտվում է Կլաուզիուս-Մոսսոտտիի բանաձևով.

                            (VI.13)

ցույց է տալիս, թե տվյալ միջավայրում 2 տարրական լիցքերի միջև կուլոնյան ձգողական ուժը քանի անգամ է փոքր համեմատած վակումում, որի համար  298 K-ում Սա նշանակում է, որ ջրում 2^oC-ում երկու լիցքերի միջև կուլոնյան փոխազդեցությունը անգամ ավելի փոքր է քան վակումում (գործնականորեն նաև օդում):

(VI.13)-ի մեջ N-ը ցույց է տալիս, թե քննարկվող նյութի 1 մ³-ում (1 սմ³-ում) քանի հատ դիպոլ կա: Քանի որ ձախ մասը չափողականություն չունի, հետևաբար արտադրյալը նույնպես վերացական մեծություն է, և

Ձախ և աջ մասերը մոլային ծավալով բազմապատկելով` կստացվի.

Ըստ իմաստի  Հետևաբար.

կոչվում է մոլային բևեռացում: (VI.14)-ը կիրառելի է ոչբևեռային (ապոլյար) մոլեկուլների նկատմամբ:

Աղյուսակ VI.5-ում ներկայացված են մի շարք նյութերի դիէլեկտրիկական թափանցելիության արժեքները -ում:

Եթե հետազոտվող նյութը (հեղուկը) բևեռային է (ունի սեփական դիպոլ մոմենտ`), ապա այդ դեպքում (VI.13)-ը լրացվում է պարունակող մի անդամով.

Սա Դեբայի հավասարումն է, որի մեջ հաշվի է առնված էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ ոչբևեռային մոլեկուլի բևեռացումը և էլեկտրական դաշտում ջերմային (քաոսային) շարժման մեջ գտնվող դիպոլների կողմնորոշումը: (VI.15)-ից հետևում է, որ ջերմաստիճանի բարձրացման, այսինքն շարժման անկարգության աստիճանի մեծացման հետ պետք է անդամը փոքրանա, պետք է փոքրանա նաև այսինքն մասնիկների կողմնորոշվելու (oրիենտացվելու), բևեռանալու` կարողությունը:

Ուրեմն, ուսումնասիրելով կախումը T-ից և օգտվելով կոորդինատային համակարգից կարելի է որոշել հետազոտվող նյութի դիպոլ մոմենտը:

Եթե որոշվում է  (Հց) հաճախության տակ, որը մոտավորապես համապատասխանում է օպտիկական հաճախությանը (ԻԿ-ՈՒՄ մարզերի տիրույթ),

[Եթե խոսքը վերաբերում է կարմիր լույսին ապա այդ դեպքում կարելի է օգտվել Մաքսվելի առնչությունից.  (n-ը տվյալ նյութի բեկման ցուցիչն է): Տեղադրենք (VI.14)-ի մեջ.

կոչվում է մոլային ռեֆրակցիա: (VI.16)-ը հայտնի է որպես Լորենց-Լորենցի բանաձև:

և պարախորի պես կառուցվածքային և էքստենսիվ մեծություն է: Երկար տարիներ օգտագործվել է որպես մոլեկուլի կառուցվածք ուսումնասիրելու մատչելի միջոց:

Աղյուսակ VI.6-ում բերված են առանձին ատոմների, կապերի և ատոմային խմբերի մոլային ռեֆրակցիաները` արտահայտված սմ³-ով:

Աղյուսակային տվյալների հիման վրա հաշվվում է տվյալ ենթադրվող կառուցվածքով մոլեկուլի և համեմատվում (VI.16) բանաձևով հաշվված մեծության հետ, բնականաբար օգտագործելով հետազոտվող նյութի բեկման ցուցիչը:

Եթե ըստ VI.6 աղյուսակի տվյալների հաշվարկային արժեքը համընկնում է (VI.16) բանաձևով հաշվված արդյունքի հետ, ապա կարելի է ասել, որ ճիշտ է այն կառուցվածքը, որն ընդունելով է կատարված հաշվարկը:

>>

VI-4. ՀԵՂՈՒԿ ԲՅՈՒՐԵՂՆԵՐ

Երբ բյուրեղական նյութը տաքացվում է հալման ջերմաստիճանից մի փոքր բարձր, ապա հաղորդված ջերմությունն արդեն բավարար է, որպեսզի միջմասնիկային ձգողական ուժերն այն աստիճանի թուլանան, որ մոլեկուլները կարողանան որոշ սահմանափակ ազատությամբ ընթացքային շարժում կատարել:

Որոշ նյութերի մոտ հալման պրոցեսն ավելի բարդ է:

1888-ին ավստրիացի բուսաբան Ռեյնիցերը, տաքացնելով խոլեստերիլ բենզոատը նկատեց, որ 145^oC-ում այն հալվում է` վերածվելով կաթնանման պղտոր հեղուկի, իսկ 179^oC -ում միանգամից դառնում է թափանցիկ հեղուկ:

Հետևությունն այն է, որ այդ բյուրեղային նյութը հեղուկանալիս ինչ որ մի միջանկյալ վիճակի վրայով է անցնում: Այդ միջանկյալ վիճակում նյութը պահպանում է բյուրեղներին հատուկ կարգավորվածություն և հեղուկներին հատուկ հոսունություն, թեև շատ մածուցիկ:

Այս վերջի ավելի քան 50 տարիների ընթացքում ձեռք բերված արդյունքները ցույց տվեցին, որ խոլեստերիլ բենզոատը եզակի նյութ չէ: Նման հատկություններով շատ նյութեր են սինթեզվել, որոնք կոչվեցին հեղուկ բյուրեղներ: Խիստ մեծացել է այդ դասի նյութերի կիրառման ոլորտը:

Հեղուկ բյուրեղներ են առաջացնում այն նյութերը, որոնց մոլեկուլները ձողիկաձև են և ձգված: Այդ մոլեկուլներում իրար են հաջորդում գծային ատոմային խմբեր և ցիկլեր, օրինակ.

պարա-ազօքսիանիզոլը, որը մեզոմորֆ վիճակում է գտնվում ջերմաստիճանային տիրույթում:

-ի համար այդ տիրույթը

Ինչպես նշվել է նախորդ գլխում ոչ հեղուկ բյուրեղներում բարձր կարգավորված բյուրեղական վիճակից (օրինակ, սառույցը) դեպի նվազ կարգավորված հեղուկ վիճակ (ջուրը) անցումը կտրուկ է: Այն տեղի է ունենում հալման ջերմաստիճանում: Բայց հեղուկ բյուրեղների մոտ հալման հետևանքով պինդ նյութը նախ պղտոր հեղուկի է վերածվում: Հետագա տաքացման ընթացքում այդ պղտոր հեղուկը կտրուկ կերպով վեր է ածվում թափանցիկ հեղուկի: Այդ միջանկյալ վիճակը կոչվում է մեզոմորֆ կամ պարաբյուրեղային:

Ուրեմն, տեղի է ունենում հետևյալ պրոցեսը (պարա-ազօքսիանիզոլի դեպքում).

Մեզոմորֆ վիճակում մոլեկուլներն իրար նկատմամբ շարվում են զուգահեռաբար: Շարված վիճակում մոլեկուլի պտույտը հնարավոր է միայն երկար առանցքի շուրջը: Հետևաբար, ի տարբերություն սովորական հեղուկների, որոնք իզոտրոպ են, այսինքն դրանց հատկությունները նույնն են բոլոր ուղղություններով, մեզոմորֆ վիճակում հեղուկ բյուրեղները անիզոտրոպ են:

Հեղուկ բյուրեղների երկու տեսակ է առանձնացվում` թերմոտրոպ և լիոտրոպ:

Թերմոտրոպները հեղուկ բյուրեղային վիճակի են անցնում տաքացման (հետևանքով) ընթացքում:

Հեղուկ բյուրեղները երեք դասերի են բաժանվում. նեմատիկ, սմեկտիկ և խոլեստերինատիպ: Այդ տիպերը պատկերված են նկ.VI.6 -ի վրա:

Նեմատիկ հեղուկ բյուրեղները (բ) նվազ կարգավորված են: Հիշեցնում են միաչափ բյուրեղներ (օրինակ, մասնիկները շարված են միայն z առանցքի ուղղությամբ): Երկար առանցքի ուղղությամբ մոլեկուլները շարված են իրար զուգահեռ: Բայց վերջավորություններն իրար նկատմամբ անկարգ են դասավորված:

Ի տարբերություն նեմատիկի, սմեկտիկ բյուրեղների մոտ կարգավորվածությունն ավելի բարձր է (գոյություն ունի լրացուցիչ կարգավորվածություն): Մոլեկուլները կարող են դասավորվել շերտերով (գ): Խոլեստերինատիպի մոտ (դ) շերտում համախմբված մոլեկուլները կարող են կարգավորված շարվել, բայց շեղված` շերտի նկատմամբ որոշակի անկյան տակ (դ): Շերտերը կարող են իրար նկատմամբ հեշտությամբ սահել: Բևեռացած լույսը տարբեր արագությամբ է անցնում շերտերին զուգահեռ և դրանց ուղղահայաց ուղղություններով:

Ուշագրավ է այն հանգամանքը, որ մոլեկուլի երկարությունը զգալիորեն մեծ է հաստությունից (լայնքից):

Միջմոլեկուլային վան դեր Վաալսյան ուժերն են պայմանավորում մոլեկուլների իրար նկատմամբ կարգավորված շարվելը և շերտերի սահքը` միայն մոլեկուլի երկար առանցքին զուգահեռ:

Խոլեստերինատիպ հեղուկ բյուրեղի օրինակ է խոլեստերիլօկտանատը: Սա հիշեցնում է սմեկտիկ կառուցվածքը, բայց այն տարբերությամբ, որ կարծեք թե շերտերն այստեղ իրար նկատմամբ որոշ անկյան տակ պտտված լինեն: Ճկուն մարմնով, շարժուն ձգված ձողիկներ են:

Շատ կարևոր է հետևյալ իրողությունը: Կախված շերտերի իրար նկատմամբ պտտման անկյունից հեղուկ բյուրեղները տարբեր գունային երանգներ են ստանում: Դա կախված է հիմնականում ջերմաստիճանից, մասամբ նաև ճնշումից: Այս պարամետրերը փոփոխելով կարելի է փոխել շերտերի իրար նկատմամբ պտտման անկյունը, որը և կբերի գունավորման երանգի փոփոխության: Այս հատկությունը հաջողությամբ կիրառվում է հեղուկ բյուրեղային ջերմաչափեր պատրաստելու համար: Դրանք նաև շատ զգայուն տվիչներ (датчик) են:

Լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղներ կարելի է ստանալ մեկից ավելի նյութեր իրար հետ խառնելով, որոնցից մեկն անպայման բևեռային պետք է լինի, օրինակ, ջուր: Բազմաթիվ սինթետիկ պոլիպեպտիդներ ջրում, դիմեթիլֆորմամիդում, պիրիդինում ցուցաբերում են հեղուկ բյուրեղների հատկություններ, որոնք դեռ լրիվ ուսումնասիրված չեն:

>>

VI-5 ՀԵՂՈՒԿՆԵՐԻ ՄԻ ՔԱՆԻ ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԱՅԻՆ

ԱՌԱՆՁՆԱՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՄԱՍԻՆ

    Հեղուկների կառուցվածքի մասին արժեքավոր տվյալներ են ստացված ուսումնասիրելով հեղուկներից ռենտգենյան ճառագայթների և նեյտրոնների ցրման ու դիֆրակցիայի օրինաչափությունները:

    Ապացուցված է, որ հեղուկներում գոյություն ունի ըստ մասնիկային խտության ռադիալ բաշխում:

    Պայմանականորեն ընտրված կոորդինատների սկզբնակետից հեռանալուն զուգընթաց դիտվում է մասնիկային խտության նվազում: Բաշխման ֆունկցիան նշանակված է f (r) -ով (տե′ս նկ.VI. 7):

Եթե հեղուկում մասնիկների շարժումը լրիվ քաոսային լիներ, ինչպես գազերում, պետք է ստացվեր աբսցիսին ab զուգահեռը, որը ցույց կտար ըստ r առանցքի մասնիկային խտության բաշխման բացակայություն: Բայց ըստ փորձնական տվյալների ստացվում է OAB կորը, որի վրա իրար են հաջորդում մաքսիմումներ և մինիմումներ, որոնց խորություններն օրինաչափորեն նվազում են սկզբնակետից հեռանալուն զուգընթաց: Եթե հեղուկը բյուրեղի նման խիստ կարգավորված լիներ այդ էքստրեմումները պետք է նույն խորությունն ունենային: Եզրակացությունը մեկն է. Հեղուկը գազի նման լրիվ քաոսային չէ, ոչ էլ բյուրեղի նման խիստ կարգավորված:  Միջին դիրք է գրավում, բայց բացահայտորեն ավելի մոտ է կանգնած բյուրեղային կառուցվածքին:

Այդ դիրքը մեծ չափով կախված է այն ջերմաստիճանից, որում գտնվում է հետազոտվող հեղուկը:

Ստացված փորձնական արդյունքներից հետևում է, որ պայմանականորեն անշարժ ընտրված մի մոլեկուլ շրջապատված է տարբեր թվով մոլեկուլներ պարունակող շերտերով, ըստ որում կենտրոնական մոլեկուլից հեռանալուն զուգահեռ այդ շերտերը օրինաչափորեն նոսրանում են, այսինքն նվազում է մասնիկային խտությունը և արդեն ոչ մեծ հեռավորության վրա այն դառնում է զրո (տես նկ.VI.8): Պատկերվածը հեղուկը կազմող բջիջներից մեկն է: Հեղուկները կազմված են շատ մեծ թվով այդպիսի բջիջներից:

Հետևաբար, եթե բյուրեղներում գործում է ազդեցության հեռավոր կարգը, ապա հեղուկներում գործում է ազդեցության մերձավոր (մոտավոր) կարգը (հեղուկներում մոլեկուլների «հիշողությունը» ավելի թույլ է):

Ըստ վիճակագրական թերմոդինամիկայի հիմնադրույթներից մեկի` գազում, ինչպես նաև հեղուկում մասնիկները հավասարաչափ են բաշխվում: Հետևաբար, հեղուկը կազմող բջիջները, մի կողմից, կազմված են հավասար թվով մոլեկուլներից (սա միջինացված մեծություն է), ունեն համարյա նույն կառուցվածքը, մյուս կողմից, այդ բջիջներն էլ հավասարաչափ են բաշխված հեղուկի զբաղեցրած ծավալում: Եվ, քանի որ դրանք գնդաձև են, ապա այդ պատճառով էլ հեղուկները իզոտրոպ են:

Ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան ուսումնասիրելու մեթոդով բարձր ճնշման տակ և ջերմաստիճանային տիրույթում հետազոտված է կոնդենսացված Ar-ի կառուցվածքը:

Նկ.VI.9-ից պարզորոշ հետևում է, որ 189^oC-ում,  Ar-ի դիֆրակցիոն պատկերում ցայտուն էքստրեմումներ են իրար հաջորդում: Ջերմաստիճանը բարձրացնելուն զուգընթաց այդ էքստրեմումները լայնանում են, ճապաղվում և արդեն 124^oC-ում, երբ Ar -ն արդեն գազային վիճակում է դիսկրետությունը վերանում է, այսինքն վերանում է կառուցվածքի կարգավորվածությունը, որը կար հեղուկ արգոնում և ավելի ցայտուն էր պինդում:

Քննարկվում է նաև հեղուկների կառուցվածքի «փոսիկային» մոդելը, ըստ որի հեղուկում կան «բջիջներ», ինչպես պատկերված է նկ.VI.8-ի վրա և կան «դատարկ» բջիջներ (փոսիկներ), որոնցում կենտրոնական մասնիկը բացակայում է:

Հեղուկների կառուցվածքի վերաբերյալ վերջնական, համընդհանուր ճանաչում գտած մոդելի բացակայության պատճառով հեղուկի վիճակի մասին դեռ ավարտուն տեսություն չկա:

>>

ԽՆԴԻՐՆԵՐ

1. Որոշել   մածուցիկությունը, եթե հայտնի է, որ 20^oC-ում վիսկոզիմետրում ջուրը հոսել է 363,4 վրկ-ում: 21^oC և Նույն վիսկոզիմետրում 145,8^oC -ում հոսել է 67,6 վրկ-ում :

  (Արդյունքը մոտավոր է):

2. Հաշվել 20^oC -ում ն-բութանոլի մածուցիկությունը (գործակիցը), եթե նույն վիսկոզիմետրում ջրի որոշակի ծավալը հոսել է 128,4 վրկ-ում, իսկ ն-բութանոլը` 464,4 վրկ-ում:

և

3. Եթե կրկնապատկենք վիսկոզիմետրի մազական խողովակի ընդլայնական կտրվածքը, ապա դա ինչպես կանդրադառնա մազական խողովակով բարձրացող հեղուկի բարձրության վրա:

4. -ում է: Սարքի մազական խողովակով բենզոլը բարձրացել է 2,71 սմ: Նույն գործիքով միևնույն ջերմաստիճանում էթիլացետատ փորձարկելիս այն բարձրացել է 2,18 սմ: Որոշել. (ա) կապիլյարի շառավիղը, (բ) էթիլացետատի մակերեսային լարվածությունը և (գ) ի՞նչ կարելի է ասել թրջման անկյան մասին:

5. 20^oC -ում r = 0,0123 սմ շառավղով մազական խողովակով էթիլացետատը բարձրացել է 4,12 սմ: Որոշել այդ նյութի մակերեսային լարվածությունը:

6. Քանի՞ սմ կբարձրանա ջուրը 0,02 սմ շառավղով վիսկոզիմետրի մազական խողովակով :

7. Հաշվել բենզոլի պարախորը օգտագործելով (VI.11) բանաձևը և ստացված արժեքը համեմատել աղյուսակային տվյալների հիման վրա ստացված մեծության հետ

8. Հաշվել ցիկլոհեքսանի պարախորը (VI.11) բանաձևի օգնությամբ և ստացված արժեքը համեմատել աղյուսակային տվյալների հիման վրա հաշված մեծության հետ

9. 1928-ին սինթեզվել է բաղադրությամբ մի նյութ: Այս բաղադրությամբ նյութին կարող են համապատասխանել միացություններ, որոնք լինեն հետերոցիկլիկ` իրենց կազմության մեջ ունենալով 3, 4 և 5 անդամանի ցիկլեր: Բայց և այնպես կարող է լինել վինիլային միացություն, օրինակ, կամ Պարախորի հաշվման միջոցով պարզել կառուցվածքը: Այդ նյութի.  և 

10. Հաշվել պրոպանաթթվի մոլային ռեֆրակցիան ըստ հետևյալ փորձնական տվյալների.   Աղյուսակ VI. 6-ում բերված տվյալները օգտագործելով հաշվել այդ թթվի ընդունելով, որ այն ունի հետևյալ կառուցվածքը.

11. 1953-ին սինթեզված մի նյութ ունի հետևյալ բաղադրությունը.  C  59,93%,  H  10,09%   և  O-29,8%: Այս տվյալներին համապատասխանում է հետևյալ փորձարարական բանաձևը. Այս նյութի և Արդյո՞ք այս նյութը հիդրօքսիիզոկարագաթթվի բութիլ էսթերն է:

12. 1942-ին հաստատուն ճնշման տակ և տարբեր ջերմաստիճաններում որոշել են ջրային գոլորշիների դիէլեկտրիկական հաստատունը և (VI.14) բանաձևով հաշվել են մոլային բևեռացումը: Ստորև բերված են ստացված տվյալները.

Այս տվյալների հիման վրա որոշել ջրի դիպոլ մոմենտը:

>>

ԳԼՈՒԽ VII

ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ

VII-1. ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅԱՆ ԱՌԱՐԿԱՆ

«Թերմոդինամիկա» բառը կազմված է հունարեն թերմե (ջերմություն) և «դինամիս» (ուժ) բառերից: Թերմոդինամիկան գիտություն է ջերմության՝ մեխանիկական շարժման և աշխատանքի վերածվելու, ինչպես նաև շարժման մի ձևի շարժման այլ ձևերի փոխակերպման օրենքների մասին: Ըստ էության այն ուսմունք է հավասարակշռության վիճակում գտնվող համակարգերի ընդհանուր հատկությունների և մի վիճակից մի այլ վիճակի անցման օրինաչափությունների մասին:

Թերմոդինամիկայի հիմնական եզրակացությունները խարսխվում են դարերի ընթացքում մարդու կատարած դիտարկումների, ձեռք բերած գիտելիքների և փորձի վրա: Այս պատճառով էլ կատարված եզրակացությունների և ֆիզիկական կոնկրետ մեծությունների միջև ստեղծված կապերն ունեն ունիվերսալ բնույթ:

Ուսումնասիրությունների ընթացքում թերմոդինամիկան նկատի չի առնում համակարգը կազմող մասնիկների կառուցվածքը բնութագրող պարամետրերը, քննարկվող պրոցեսի արագությունն ու մեխանիզմը:

Թերմոդինամիկական ուսումնասիրության ընթացքում այնպիսի արդյունքներ են ստացվում, որոնք առաջին հայացքից կարծես կապ չունեն քննարկվող համակարգի միկրոսկոպիական կազմության և նրա առանձնահատկությունների հետ: Դրանք ստացվում են կիրառելով թերմոդինամիկայի օրենքները, ունեն ընդհանուր բնույթ և վերաբերում են բոլոր նյութերին: Օրինակ` էներգիան ոչ կորչում է, ոչ էլ ստեղծվում, նյութի ջերմունակությունը բացասական չի կարող լինել, ջերմությունը միայն տաք մարմնից դեպի սառը մարմինն է հոսում և այլն: Հաճախ կոնկրետ մեծությունների միջև փոխադարձ կապերն արտահայտվում են որպես առընչություններ, առավելապես դիֆերենցիալ հավասարումների տեսքով:

Թերմոդինամիկան չի մանրամասնում համակարգում կուտակված էներգիայի բնույթը, այլ այն դիտում է որպես մի ամբողջություն` համակարգի ներքին էներգիա անվան տակ: Ներքին էներգիայի (U)  փոփոխությունը որոշվում է ջերմության և աշխատանքի ձևով:

U-ն դիտվում է որպես լրիվ (E_լրիվ) և արտաքին (E_{արտաքին}) էներգիաների տարբերություն: E_{արտաքին}-ի տակ հասկացվում է համակարգի կինետիկական և պոտենցիալ էներգիաների գումար.

Քանի որ (VII.1)-ի աջ մասում նշված երեք մեծությունների բացարձակ արժեքները անհնար է որոշել, այդ պատճառով էլ հնարավոր չէ U-ի բացարձակ արժեքն իմանալ: Կարելի է միայն որոշել պրոցեսի ընթացքում այդ էներգիայի փոփոխությունը` երբ համակարգը մի վիճակից () անցնում է մի այլ վիճակի (II)           

(VII.2)-ը կիրառելի է միայն այն դեպքում, երբ U -ն համարվում է վիճակի միանիշ ֆունկցիա և dU-էլ՝ լրիվ դիֆերենցիալ:

Ընդհանրապես  T-ն համակարգի բացարձակ ջերմաստիճանն է, համակարգի վիճակը նկարագրող T-ից տարբեր պարամետրեր են, ինչպես ծավալը, ճնշումը:

Մասնիկների ջերմային շարժման սաստկության աստիճանի փոփոխման հետ մարմինը (համակարգը) կարող է տաքանալ կամ սառչել, այսինքն փոփոխվել համակարգի վիճակը բնութագրող հիմնական պարամետրերից մեկը` ջերմաստիճանը: Այս շատ կարևոր հանգամանքը հաճախ է հաշվի առնվելու:

Իրենց խնդիրներով տարբերում են ընդհանուր կամ ֆիզիկական, տեխնիկական, քիմիական, վիճակագրական և ոչհավասարակշռական պրոցեսների թերմոդինամիկաներ:

Ընդհանուր կամ ֆիզիկական թերմոդինամիկայում շարադրվում են թերմոդինամիկայի տեսական հիմունքները և դրանց կիրառումը ուսումնասիրելու համար պինդ, հեղուկ և գազային նյութերի հատկությունները, էլէկտրական և մագնիսական երևույթներ, լուսարձակում, և այլն:

Տեխնիկական թերմոդինամիկան կիրառում է թերմոդինամիկայի ընդհանուր դրույթները ջերմություն  աշխատանք անցումը քննարկելու հիման վրա ջերմային և ներքին այրման շարժիչների աշխատանքի նոր սկզբունքներ մշակելու համար:

Վիճակագրական թերմոդինամիկայի ուսումնասիրության առարկան շատ ընդհանուր գծերով ուրվագծված է այս դասագրքի առաջին գլխում:

Սույն դասընթացում բավարար ծավալով շարադրվելու են վիճակագրական թերմոդինամիկայի հիմնական դրույթները և քիմիական գիտությանը վերաբերող մի շարք խնդիրներ լուծելու համար դրանց անհրաժեշտ կիրառությունները (գլուխ XXII):

Ոչհավասարակշռական պրոցեսների թերմոդինամիկան ուսումնասիրում է ամենատարբեր բնույթի ոչդարձելի (ոչհավասարակշռական) պրոցեսների ընդհանուր օրինաչափությունները: Ուսումնասիրվող խնդիրների շրջանակի մեջ են մտնում հետևյալ հարցերը. էներգիայի փոխանցումների, փոխարկումների, ցրման հաշվեկշիռների, մակրոսկոպիական համակարգերի ուսումնասիրություն և այլն: Սույն դասընթացում համառոտակի է շոշափվելու ոչհավասարակշռական թերմոդինամիկան (գլուխ XXIII):

Առավել հանգամանալի շարադրվելու է քիմիական թերմոդինամիկան:

Քիմիական թերմոդինամիկան ֆիզիկական քիմիայի այն բաժինն է, որն ուսումնասիրում է տարբեր նյութերի, մակրոսկոպիական համակարգերի հատկությունների կախումը բաղադրությունից և այն պայմաններից, որոնցում է գտնվում հետազոտվող օբյեկտը, քննարկում է քիմիական երևույթների հետ առնչվող հարցեր: Օրինակ, ֆիզիկական և քիմիական փոխարկումների ընթացքում կլանված կամ առաքված ջերմության հաշվեկշիռների կազմումը, ֆազային փոխարկումների և քիմիական հավասարակշռության քանակական ուսումնասիրությունը, անկախ այն բանից, թե հետազոտվող համակարգը հոմոգեն է, հետերոգեն, գազային է, թե կոնդենսված:

Այդ ուսումնասիրությունների նպատակն է լուծել մի շարք կարևոր խնդիրներ, ինչպիսիք են.

1. Ո՞ր պայմաններում այս կամ այն նյութը կամ ֆազը կարող է կայուն լինել:

2. Որոշել այն պայմանները, որոնց առկայության դեպքում միայն կարող է այս կամ այն պրոցեսը, քիմիական ռեակցիան ընթանալ (ճնշում, ջերմաստիճան, կոնցենտրացիա և այլն) և ինչ խորությամբ:

3. Որոշել այն նախադրյալները, որոնք կապահովեն այս կամ այն պրոցեսի ընթացքի առավել օպտիմալ ուղին` նվազագույնի հասցնելով ոչ ցանկալի նյութերի առաջացումը` ապահովելով հիմնական արգասիքի (արգասիքների) առավելագույն ելք:

Հիմնական սկզբունքները ձևակերպված են օրենքների ձևով:

>>

VII-2. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԶՐՈՅԱԿԱՆ ՕՐԵՆՔԸ

Հայտնի է, որ մարմնի ջերմային վիճակը (տաքացվածության աստիճանը) բնութագրվում է ջերմաստիճանով: Այս վերջինը նյութի բնույթից և զանգվածից անկախ պարամետր է: Քանակապես բնութագրվում է համակարգը կազմող մասնիկների կինետիկական էներգիայի միջին մեծությամբ: Այս առումով «ջերմաստիճան» հասկացությունը իմաստ ունի միայն այն դեպքում, երբ այն կիրառվում է շատ մեծ թվով մասնիկներից կազմված մակրոսկոպիական համակարգի նկատմամբ:

Հետևաբար, իրար հետ սերտորեն կապված են տվյալ համակարգը բաղկացնող մասնիկների քաոսային շարժման սաստկությունը և համակարգի ջերմաստիճանը: Քաոսային շարժումը կոչվում է նաև ջերմային:

Չնայած այն բանին, որ մասնիկները գտնվում են անընդհատ շարժման մեջ և բախվում են իրար հետ, որի հետևանքով յուրաքանչյուր ակնթարթում փոխվում են բախվող մասնիկների շարժման և արագությունը և կոորդինատները, այնուամենայնիվ մեկուսացված համակագի ողջ էներգիան մնում է անփոփոխ, անփոփոխ է մնում նաև յուրաքանչյուր մասնիկի միջին էներգիան: Սա նշանակում է, որ գոյություն ունի մասնիկի (մասնիկների) շարժման մի միջին արագություն, որի շուրջն է տատանվում մոլեկուլների շարժման արագությունը ուրեմն Հենց այդ միջին արագութույունն է պայմանավորում համակարգի ջերմաստիճանը: Այս բոլորը ճիշտ է այն դեպքում, երբ ջերմության կորուստ չկա:

Տաքը և սառը կարելի է տարբերել զգայարաններով:

Ջերմային կոնտակտի մեջ դնենք տաք և սառը երկու թիթեղներ: Կնկատենք, որ ժամանակի ընթացում տաք թիթեղը կսառչի, իսկ սառը կտաքանա: Ի վերջո երկու թիթեղների ջերմաստիճանները կհավասարվեն միջավայրի ջերմաստիճանին` այսինքն` Ասում են, որ այդ երկու թիթեղների միջև ջերմային հավասարակշռություն է հաստատվել:

Այժմ նույն փորձը կատարենք գազով լցված անոթների հետ (փորձի արդյունքը կախված չէ այն բանից, թե ինչ գազեր են վերցվում և ինչ քանակներով. կարևորն այն է, որ սկզբում գտնվեն տարբեր ջերմաստիճաններում, լավ կլինի, եթե սկզբում մխոցները գտնվեն տարբեր մակարդակների վրա) (տե՛ս նկ.VII.1): ab-ն սկզբնական վիճակն է, cd-ն` վերջնական:

Գլաններում մխոցները շարժվում են ազատորեն, առանց շփման:

Նկ.VII.1-ում ներկայացված է այն դեպքը, երբ տարբեր ջերմաստիճաններում գտնվող գազով լցված երկու տարողություներն իրար հետ կոնտակտի մեջ չեն: Նկ.VII.2-ում այդ երկու գլանները իրար հետ կոնտակտի մեջ են պահված այնքան ժամանակ, մինչև որ մխոցների դիրքը մնա անփոփոխ: Այս պարագայում նշված երկու տարողություններում գտնվող գազերն ունեն միևնույն ջերմաստիճանը. այն հավասար է միջավայրի ջերմաստիճանին` այսինքն`

Հետևաբար, նկ.VII.2-ը պատկերում է այն դեպքը, երբ կոնտակտի մեջ գտնվող նշված երկու համակարգերը գտնվում են ջերմային հավասարակշռության մեջ:

Այժմ կատարենք հետևյալ փորձը: I, II և III համակարգերը գտնվում են ջերմային հավասարակշռության վիճակում: Ուրեմն, ջերմային հավասարակշռության մեջ են I-ը II-ի հետ և II-ը III-ի հետ (նկ.VII.3):

Եթե II գլանը մեջտեղից հանենք և կոնտակտի մեջ դնենք I-ը և III-ը (տե՛ս նկ.VII.4) կնկատենք, որ ջերմային հավասարակշռությունը չի խախտվի:

Եզրակացություն. եթե I և II, ինչպես նաև II և III զույգերը գտնվում են ջերմային հավասարակշռւթյան մեջ, ապա I և III զույգը նույնպես կգտնվի ջերմային հավասարակշռության վիճակում:

Սա թերմոդինամիկայի զրոյական օրենքն է, որն առաջարկել է Ֆաուլերը 1931 թվին: Օրենքի մաթեմատիկական պայմանն է.

Օրենքը կարելի է նաև հետևյալ կերպ ձևակերպել. երկու կամ ավելի իրար հետ կոնտակտի մեջ գտնվող համակարգեր գտնվում են ջերմային հավասարակշռության մեջ, երբ դրանց ջերմաստիճաններն իրար հավասար են, կամ միևնույն ջերմաստիճանով իրար հետ կոնտակտի մեջ գտնվող համակարգերը ջերմային հավասարակշռության վիճակում են:

Այս օրենքը կոչվել է զրոյական, որովհետև ձևակերպվել և առաջարկվել է շատ ավելի ուշ (1931), քան առաջին օրենքը (Մայեր, 1842) և երկրորդը՝ (Կլաուզիուս 1850):

Հետևաբար բացի P-ից և V-ից կա ևս մի պարամետր, որն անկախ է նյութի բնույթից և քանակից և հաստատուն է ջերմային հավասարակշռության վիճակում գտնվող համակարգը բաղկացնող բոլոր մասերի համար: Այդ երրորդ պարամետրը ջերմաստիճանն է (T): Սա փորձնական ջերմաստիճան է, որից ֆունկցիա է համակարգի վիճակը: Սա կարևոր եզրակացություն է:

Եթե P-ի և V-ի հաստատունությունը ապահովում է համակարգում մեխանիկական հավասարակշռությունը, ապա T-ի հաստատուն լինելը ապահովում է նաև համակարգի ջերմային հավասարակշռության մեջ գտնվելու իրողությունը:

պայմանը կիրառելիս պետք է հաշվի առնել կոնտակտի մեջ գտնվող համակարգերի միջև քիմիական փոխազդեցության բացակայությունը: Օրինակ՝ եթե թերմոստատում գտնվող HCl-ը և  (T = const) իրար հետ կոնտակտի մեջ դնենք՝ կռեակցեն, որի հետևանքով կխախտվի պայմանը:

Այս հանգամանքը ստիպում է հաշվի առնել նաև համակարգում քիմիական հավասարակշռության գոյության անհրաժեշտությունը, որպեսզի միանշանակ հաստատված լինի տվյալ համակարգի հավասարակշռության վիճակում գտնվելը: Համակարգում գոյություն ունի քիմիական հավասարակշռություն, եթե ժամանակի ընթացքում համակարգում գտնվող նյութերի քանակները մնում են հաստատուն:

Ուրեմն, որևէ համակարգ համարվում է, որ գտնվում է հավասարակշռական վիճակում, եթե նրանում միաժամանակ հաստատված է մեխանիկական (P=const, V=const), ջերմային (T=const) և քիմիական (n=const) հավասարակշռություն: Զրոյական օրենքի ձևակերպումից պարտադրաբար բխում է համակարգի ջերմաստիճանը չափելու անհրաժեշտությունը: Այն չափվում է ջերմաչափով:

1. Ջերմաչափ պատրաստելու համար պետք է երկու հարցի պատասխանել.

2. Ո՞րն է ջերմաստիճանի արտահայտման միավորը, ի՞նչ ֆիզիկական իմաստ ունի

Գոյություն ունի՞ արդյոք բացարձակ ջերմաստիճան. եթե այո, ապա ինչպես այն կարելի է չափել:

Շառլ-Գեյ-Լյուսսակի օրենքի համաձայն

երբ խոսքը վերաբերում է հաստատուն ճնշման (օրինակ, 1մթն) տակ գտնվող 1 մոլ իդեալական գազին:

Գրվածի համաձայն, եթե որոշենք ջերմաչափում գազի զբաղեցրած ծավալը` (անկախ վերցված գազի բնույթից) կարելի է հաշվել T-ն` համակարգի բացարձակ ջերմաստիճանը:

Այն սարքը, որը հնարավորություն կտա նման չափում կատարել, կոչվում է իդեալական գազային ջերմաչափ: Ուրեմն, որևէ համակարգի բացարձակ ջերմաստիճանը չափելու համար պետք է այդ համակարգի հետ կոնտակտի մեջ դնել նշված գազային ջերմաչափը և չափել ջերմաչափում եղած գազի ծավալը  և հաշվել T-ն: Սա, փաստորեն, երկրորդ հարցի պատասխանն է:

Գործնական տեսակետից անհարմար է իդեալական գազային ջերմաչափի օգտագործումը: Հարցի գործնական լուծումը հետևյալն է:

Կարելի է օգտագործել մի հեղուկ, որը լավ ջերմահաղորդիչ է և ունի մի հատկություն, որը ջերմաստիճանից միանիշ ֆունկցիա է: Այդպիսի հատկություն է հեղուկի գծային ընդարձակման գործակիցը Այս պայմաններին բավարարում է սնդիկը: Լինելով մետաղ, շատ լավ հաղորդիչ է և

 Ջերմաչափը աստիճանավորելու համար այն ընկղմում են սառույց պարունակող ջրի մեջ, որը հագեցած է 1 մթն ճնշման տակ գտնվող օդով: Այդպիսի համակարգի ջերմաստիճանը պայմանականորեն ընդունվում է 0^o ըստ Ցելսիուսի սանդղակի (կամ 273,15 K): Նշվում է զրո թիվը ջերմաչափի մազական խողովակում կանգ առած սնդիկի մենիսկի դիրքի դիմաց: Նույն գործողությունը կատարում են սարքը ընկղմելով 1 մթն ճնշման տակ գտնվող եռացող ջրի մեջ: Այդ ջերմաստիճանը պայմանականորեն ընդունվում է 100^o ըստ Ցելսիուսի (373,15 K) (տե՛ս նկ.VII.5): ab երկարությունը բաժանում են հարյուր հավասար մասերի: Յուրաքանչյուրը համարվում է մեկ աստիճան:

        Պարզ է, որ

որտեղից                                                                                                                                               

(X -ը համեմատական է ջերմաչափի մազական խողովակում սնդիկի ծավալին):

Այժմ փորձենք համեմատել իդեալական գազային և սնդիկային ջերմաչափերի ցուցմունքները:

Խնդիր. Սնդիկային ջերմաչափի ո՞ր ցուցմունքին կհամապատասխանի իդեալական գազային ջերմաչափով որոշված 323,15 K  (50^o):

Օգտվելով (բ) բանաձևից և նկատի առնելով, որ ըստ իմաստի.

և (գ)-ից   

կարող ենք գրել 

և

որտեղից

Իսկ իդեալական գազային ջերմաչափի ցուցմունքը 50 աստիճան էր [նկատի ունենալ, որ (ա)-ն լրիվ չի օգտագործված]:

>>

VII-3. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ՕՐԵՆՔԸ

ՕՐԵՆՔԻ ՄԱԹԵՄԱՏԻԿԱԿԱՆ ԱՐՏԱՀԱՅՏՈՒԹՅՈՒՆԸ

Օրենքի ամենաընդհանուր ձևակերպումը հետևյալն է` «Էներգիայի պահպանման օրենք»:

Այն հետևում է մարդկության երկարամյա դիտարկումների, փորձերի ընթացքում կատարված ընդհանրացումներից:

Յուրաքանչյուր համակարգի վիճակ սկզբունքորեն կարելի է փոխել տարբեր եղանակներով, օրինակ` համակարգին ջերմություն հաղորդելով կամ խլելով, համակարգի նկատմամբ աշխատանք կատարելով, կամ ստիպելով, որ համակարգը ինքը աշխատանք կատարի միջավայրի նկատմամբ:

Ջոուլը, որի փորձն ունեցավ հիմնարար նշանակություն, ցույց տվեց ջերմության և աշխատանքի համարժեքությունը:

Դիցուք վերցված է երեսուն գրամ ջուր, որը գտնվում է 1 մթն ճնշման տակ և ջերմաստիճանն էլ 20^oC է: Սա համարենք համակարգի ելային (I) վիճակը: Ջուր պարունակող անոթն ընկղմենք 90^oC-ում գտնվող 150 գր ջրի մեջ: Ջերմությունը պետք է հոսի տաք ջրից դեպի սառը: Սպասենք այնքան ժամանակ, որ տաք համակարգի (ջրի) ջերմաստիճանը 1 աստիճանով նվազի ի հաշիվ տաքից դեպի սառը հոսած q քանակով ջերմության:

 Ջրի համար C=1  կալ/(գ.աստ): Տաք ջրի զանգվածը 150 գր էր, իսկ աստիճան: Ուրեմն,  ջերմություն է հոսել, որի հետևանքով ելային 30 գրամ ջուրը, որի սկզբնական ջերմաստիճանը 20 աստիճան էր, տաքացել է: Հաշվենք ելային ջրի վերջնական ջերմաստիճանը նորից օգտվելով (II.3)-ից:

որտեղից t = 25^oC, այսինքն` ելային ջրի ջերմաստիճանը բարձրացավ 5 աստիճանով: Սա ելային համակարգի վերջնական վիճակն է (II):

Այս փորձից հետևում է, որ ելային համակարգի վիճակը փոխվեց ջերմություն հաղորդելու միջոցով:

Այժմ այդ համակարգի (I) վիճակը փոխենք աշխատանքի միջոցով:

A տարողության մեջ լցված է 30 գրամ ջուր: Ջերմաստիճանը է: Ազատ արձակելով M կգ զանգվածով ծանրությունը h մետր բարձրությունից պտտվում է C խառնիչը: Կատարվեց w աշխատանք: Տեղի ունեցավ ուժեղ շփում ջրի և խառնիչի թիակի միջև, որի հետևանքով բարձրացավ ջրի ջերմաստիճանը: Այն արձանագրեց D ջերմաչափը (տե՛ս նկ.VII.6):

Ըստ Նյուտոնի օրենքի

(0,24-ը ջերմության մեխանիկական համարժեքն է.

Համեմատելով նախորդ փորձի հետ պետք է 20 աստիճանում գտնվող 30 գր ջրի (I վիճակ) ջերմաստիճանը դառնա 25^oC  (II վիճակ): Ըստ (զ) այդ կարելի է իրականացնել` կարգավորելով M.h արտադրյալը:

Նախորդ փորձի ընթացքում 30 գր ջրին փոխանցվեց 150 կալ ջերմություն: Այս փորձում այդ նույն քանակով ջերմությունը պիտի հաղորդվի ի հաշիվ մեխանիկական աշխատանքի.

Խնդիրը կլուծվի, եթե 64 կիլոգրամանոց ծանրությունը բաց թողնենք 1 մետր բարձրությունից:

Հետևաբար` երկու տարբեր ճանապարներով հնարավոր եղավ միևնույն համակարգը I վիճակից փոխադրել II վիճակին:

Իսկ 150 կալ ջերմություն խլելով կարելի է իրականացնել հակառակ պրոցեսը, այսինքն` անցումը:

Եթե այդ երկու անցումները տեղի են ունենում միևնույն հավասարակշռական միջանկյալ վիճակներով, այդ դեպքում.

Եթե q-ն և w-ն զրո չեն, ապա դրանց նշանները միշտ իրար հակառակ են, որովհետև յուրաքանչյուր փուլում միջավայրից ստացված ջերմությունը և համակարգի կատարած աշխատանքն ըստ նշանի հակառակ են: Համակարգը ջերմություն է ստանում, հարստանում է, դրա դիմաց աշխատանք է կատարում` աղքատանում է:

Սկզբունքորեն հնարավոր է իրականացնել այնպիսի ցիկլ, որ համակարգը իր սկզբնական վիճակին վերադառնա առանց անցնելու միևնույն միջանկյալ վիճակների վրայով:

Այս դեպքում

Նկատի առնելով Ջոուլի փորձը և ընդհանրացնելով այն, կարելի է եզրակացնել, որ