Газдарда өтіп жатқан барлық процестер

Газдарда өтіп жатқан барлық процестерде аса маңызды ролді молекулалар-дың арасында өтіп жататын соқтығысу процестері атқарады. Осы соктығысу-лардың арқасында газда молекулалардың жылдамдықтар бойынша максвелдік тепе-теңдік таралуы қалыптасады. Жалпы алғанда соқтығысулар газдың теле-тендікке өтуІн қамтамасыз ететін негізгі механизм болып табылады.

7.1. Молекулалық козғалыс  және тасымалдау қүбылыстары 

 Газ молекулаларының  жылдамдықтарын кинетикалық теорияның 

 негізгі тендеуІнен  табу молекулалардың жылдамдықтары  үшін ете үлкен мәндер береді. Бөлме температурасында оттегі  молекулалары үшін олар 500 м/с және сутегі молекулалары үшін 1800 м/с болып шығады. Бір қарағанда бүл мәндер өте үлкен секілді және көптеген көз үйренген белгілі деректерге кайшы келетін секілді.

 Мысалы, тепе-теңдік күйде газ температурасы ол алып түрған көлемнін барлық беліктерінде бірдей болады. Бүл дегеніміз бөлшектердің кинетика-лык энергиясы газдың барлық жерлерінде де бірдей деген соз. Егер де газдын бір бөлігін кандай да бір тәсілмен қыздырсақ, онда тепе-теңдік бүзылады. Егерде осыдан кейін газды өз бетінше калдырсақ, белігілі бір уақыттан кейін газдағы тепе-теңдік қайтадан калпына келеді - температура қайтадан бар-лык беліктерде де бірдей болады. Температураның теңгерісуінің молекулалардың тынымсыз қозғалысының арқасында орнайтындығы анық. Газдын ыстығырак белігінде жедел молекулалар мүндай молекулалар азырақ болатын жерлерге үмтылады да, осының арқасында олардың саны орташа есеппен барлық жерлерде бірдей болып шыгады.

 Осымен бір мезгілде қыздырылған облысқа да молекулалардық орын ауыс-тыратындығы анык, сөйтіп бірлік колемдегі молекулалар саны қыздырылған да, қыздырылмаған да облыстарда бірдей болады (демек, қысым да бірдей болады). Газдын, энергиясы жогарырак жерлерден энергиясы төменірек жер¬лерге энергияньщ тасымалдануы өтіп жатады. Бүл процесс жылуөткізгіштік

 деп аталады. 

 Молекулалардың жылдамдыктары  оте зор болатындықтан, температура-ның  теңесуі өте жылдам өтуі тиіс  секілді. Бірақ, төжірибелер көрсеткендей, газдардың жылуөткізгіштігі өте төмен болады; егер газдың бір бөлігінің тем¬пературасы жоғарырақ болса, онда температура газдың барлық бөлігінде тең-герісемін дегенше бірталай уақыт өтеді.

 Тағы бір мысал. Егер кайсы-бір көлемді алып түрған газга, газ алып түрған көлемнін барлык бөлігінде қоспаның концентрациясы оның баска бөлікгеріне Караганда артыгырак болатындай етіп басқа бір газды қоссақ, онда төжірибе көрсеткендей, кандай да бір уақыттан кейін қоспа барлык жерлерге таралып, газ қоспасы біртекті болып шығады. Концентрациянын бүлайша тенгерілуі қоспа молекулаларының оның концентрациясы артығырақ жерлерден оның юнцентрациясы азырак жерлерге орын ауыстыруы нәтижесінде болатындығы анық және бүл қүбылыс диффузия деп аталады. Қоспа молекулалары тастал нвткен жерлерге баска молекулалар келеді де, газ қысымы бүл жерде де өзгеріссіз қалады. Бар болтаны араласқан газдың.массасының тасымалдануы өтеді,

 Бүл процесс те молекулалардың  козғалысының арқасында өтетін  болған-дықтан және бүл молекулалардың  козғалыс жылдамдықтарының өте  жоға-ры болатындығы арқасында  диффузия оте жедел өтіп, газ концентрациясы тез арада теқесуі тиіс секілді. Бірақ, тәжірибе корсеткендей, атмосфералық қысым кезІнде диффузия дегеніміз өте баяу процесс болады, өйткені газдың қозғалысы жоқ кезде газдың араласуы тәуліктер бойы созылады.

 Ақыры, газдыңтепе-теңдігі  оның бір бөлігінің ағу жылдамдығының оның басқа бөліктерінің ағыс жылдамдыктарынан артық болуынан да бүзыла ала-ДЫ. Бүл жағдайда да жеделірек козғалатын молеқулалардың импульстерінің газдыц баяуырақ агатын бөліктеріне тасымалдануы арқасында белгілі уакыт өткеннен кейін газдың барлық бөліктерінің де ағыс жылдамдыктары теңгер-іседі. Бүл қүбылыс ішкі уйкеліс немесе түтқырлық деп аталады. Бүл ретте де

 газ ағысының жылдамдықтарының  тенгерісуі молекулалардың жылульп  қозғалысы арқасында етеді. Төжірибе көрсеткендей, молекулаларды* өздерінің қозғалыс жылдамдықтары жоғары болса да, теңгерісу лроцесіні* өте баяу өтетіндігін көрсетеді.

 Осы аталған үш жағдайларда  да тасымалдану қүбылыстары молекулалар-дың  жедел қозғалыстарының аркасында өтетін болса да, олар неліктен соншалықты басу өтеді?

 Мүндай үйлесімсіздіктің  себебі-бұл күбылыстарда тепе-теңдіктің орнауында басты ролдІ молекулалардың жылдамдықтары ғана емес, молекулалардың арасындағы соқтығысулар да атқарадьі, осы соқтығысулар молекулалардың емін-еркін қозғалуына кедергі жасайды.

 Байырғы қысым кезінде  де газдарға тән болатын олардағы  молекулалардың сансыз коп болуы  молекулалардын, озара әрекеттеспей  жол отуіне мүмкіндік бермейді, олар өзара соқтығысады, осының  арқасында олардыц қозғалыс ба-ғыттары үнемі өзгеріп отырады. Молекулалардың өзара соқтығысулары дегеніміз - молекулалардың өзара әрекеттесуінің нәтижесі болып табылады.

 Біз бүл жерде соқтығысулардың  басқа нәтижелеріне назар аудармай, тек осы соқтығсулар кезівде  молекулалардың қозғалыс бағыттарын езгертуіне ғана тоқталамыз. Мүндай процесті молекулалардың шашырауы деп атайдьг. Молекулалардың қозғалыс бағытының өзгеруі олардың озара әрекетгесу күштерінен туады, ал бүл күштер молекулалар бір-біріне жанасарлықтай жақындасқан кездерде ғана мүмкін болады. Молекуланың өзінің қозғалыс бағытын басқа бір молекуланын. әсерінен жеткілікті бүрышка езгертуін мо-лекулалардың соңтыгысулары деп атайтын боламыз.

 

 Екі биллярд шарының  соқтығысуын қарастырайық. Соқтығысудың  нөти-жесінде шарлардың бастапқы  қозғалыс бағыттары езгереді. Әрбір шардың радиусының олар тікелей жанасып түрған кездегі олардың центрлерінің ара

 қашыктығының тең жартысына  тең болатындығы анық (сурет). Дәл  осы тәрізді біз мо-лекуланың радиусы деп оның өзінің центрі мен бағытын өзгертуге мәжбүр еткен екіншІ молекуланың центрінің ара қашықтығының жартысын түсінетін боламыз. Бүл жерде біздін молекулаларды қатты шарлар түрінде карастыратындығымыз аиық. Жуықтап алғ-анда осьглай деп алуға болатындығы хақ.

7.2. Молекулалардың орташа  соқтығысулар саиы және еркін ету жолының орташа үзындығы

 Газды әлі де идеал  деп санаймыз, яғни оның молекулаларының  арасында соқтығысулардан басқа  өзара әрекеттесулер жоқ, баска  күштердің өсері жоқ, сондықтан  олар соқтығысулар арасында бірқалыпты жөне түзу сызыкты қозғалады. Соқтығысу мезетінде молекуланың қозғалыс бағыты өзгереді және ол одан әрі тағы да бірқалыпты және түзусызықты қозғалады. Газдағы моле-куланьщ қозғалыс траекториясы сынық сызық тәрізді болады (сурет). Молекуланың іргелес екі соқтығысулар арасында өтетін қашықтығы еркін жүру ұзындығы деп аталады.

 Газдағы молекулалардың  саны орасан зор болатыидықтан,  соктығсуларды біркальшты түрде  өтеді деп айта алмаймыз, молекулалардың  сынық сызықты траекгориясының  түзу сызықты бөліктері де сондықтан түрліше болады. Сондықтан да біз үшін маңыздысы еркін өту жолының орташа үзындығы.

 Дәл осы төрізді молекулалардын бірлік уақытгағы соқтысупар саны да түрліше болады, сондықтан бұл шаманың да тек орташа мөні жайлы ғана айтатын боламыз.

 Өзара байланысты осы  екі шама - орташа еркін өту  жолы мен бірлІк уақыт-тағы  орташа соқтығысулар саны - газ молекулаларының соқтығысу про-цесінің басты сипаттамалары болып табылады. Жоғарыда аталып кеткен та-сымалдау қүбылыстарының жедел өтуіне кеселін тигізетін міне, осы молеку-лалар арасындағы соқтығысулар саны болып табылады. Молекуланың газ көлемінің берілген екі нүктесінің арасында жүріп өтетін жолы соқтығысулар санына тәуелді болады. суретген көріп отырғаңдай, молекуланың А жөне В нүктелерінің арасында жүріп өткен жолы оларды қосып түрған АВ түзуден көш үлкен болады.

 Газ молекуласының  бірлік уақыт ішінде бастан  өткеретін соқытығысула-рының орташа  санын былайша жеңіл есептеп  шығаруға болады. Молекула-ларды радиусы г болатын серпімді қатты шариктер деп есептейтін боламыз. Молекулалардың біреуі, бөлшектері көлем бойынша, өрбір куб сантиметріне п молекулалардан келетіндей, біркелкі таралган газ ішіңде. түзу қозғалып келе жатсыл. Әуелі қарастырылып отырған молекуладан басқа молекулалардың барлығы ды тыныштықта деп алайық. Сонда, біздің қозғалыстағы жалғыз молекуламыз 1с ішінде өзінің V орташа жылдамдығына тең болатын жол

 

 Молекуланың түзусызықты  қозғала алмайтындығы белгілі, себебі ол ба-сқа молекулалармен соктығысады ғой. Молекуланың қозғалыс жолы сынық сызық болады. Бірақ бүл есептеу нәтижелеріне әсер етпейді, себебі біз молекуланы түзу сызықты қозғалады

 Жалғыз молекула емес, газдың барлық молекулаларының  қозғалыста болатындығын ескеру керек. Бүл үшін і үшін жазылған өрнекке молекуланың ыдыстың қабырғасымен салыстырғандағы абсо-люттік жыламдығы емес, оиың өзі соқтығысатын молекулаларьша қатысты анықталған салыстырмалы жылдамдығы кіру керек. Максвелдің молекулалардың жылдамдықтар

 

 Газдың барлық молекулаларының  бірлік уакытта өтетін барлық  соқтығы-суларын табу үшін 7 шамасын газдағы барлық молекулалардың N санына көбейту керек. Бірақ әрбір соқтығысуға бір мезгілде екі молекула қатысатын болғандықтан (бір мезгілде үш және одан да кеп молекулалардың соқтығы-суы сирек кездеседі), бүл санды екіге болу керек, өйтпесе орбір соқтығысуды екі дүркін есептеуге тура келер еді). Демек, # молекулалардан түратын газдағы соқтығысулардың толық саны

 

 Сонымен, газдың бірлік  көлемдегі әрбір секунд сайын өтіп жатқан соқтығысулардың саны

 

 мүндағы n-бірлік көлемдегі молекулалар саны.

 Бір молекуланың бірлік уақыттағы соқтығысулар санын біле отырып, ор-таша еркін өту жолында жеңіп есептеп шығаруға болады.

 

 осыдан 

 

 

/уақыттамолекула м шамасына  тең қайсы-бір сынық-сынықжолжүреді. Осы жолдағы сынықтардың саны соқтығысулардың санына тең болады, се-бебі әрбір сынық соқтығысулардың өсерінен болады. Еркін өтудің орташа үзындығы, яғни соқтығысулар арасындағы түз сызық кесіндінің орташа үзын-дығы X молекуланың жүріп өткен жолының оның осы жолда өткерген со-қтығысуларының санына қатынасына тең болады;

 Молекуланың еркін  жүріп өту жолы молекулалардың  бірлік көлемдегі санына кері пропорционал екен, демек, газдың қысымына кері пропорционал болады.

 Сондықтан 

 

 Сонда молекуланың  бірлік уақыттағы соқтығысулардың орташа саны үшін мына өрнекке келеміз:

 деп жаза аламыз.

немесе, біз молекулаларды  шариктер деп есептегендіктен,

Газдың барлық молекулаларынын, бірлік уақытта өтетін барлық соқтығы-суларын табу үшін 2. шамасын газдағы барлық молекулалардың N санына кебейту керек. Бірақ әрбір соқтығысуға бір мезгілде екі молекула қатысатын болғандыктан (бір мезгілде үш және одан да көп молекулалардың соқтыгы-суы сирек кездеседі), бүл санды екіге бөлу керек, әйтпесе өрбір соқтығысуды екі дуркін есептеуге тура келер еді). Демек, N молекулалардан түратын газ-паты соқтығысулардың толык саны

Сонымен, газдың бірлік көлемдегі әрбір секунд сайын өтіп жатқан со-қтығысулардың саны  мүндағы и-бІрлІк көлемдегі молекулалар саны., Бір молекуланың бірлік уақыттағы соқтығысулар санын біле отырып, орташа еркін ету жолында жеңіл есептеп шығаруға болады.

 ■ (уақыттамолекула гі шамасына тең қайсы-бір сынық-сынықжолжүреді.Осы жолдағы сынықтардың саны соқтығысулардың санына тең болады, себебі өрбір сынық соқтығысулардың әсерінен болады. Еркін отудін орташа үзындығы, яғни соқтығысулар арасындағы түз сызық кесіндінің орташа үзындығы X молекуланың жүріп өткен жолының оның осы жолда өткерген соқгығысуларының санына қатынасына тең болады;  иемесе Z орнына өрнектегі оның мәнін қойсақ, онда:

(7.4) өрнектен көріп отырғанымыздай, молекуланың еркін жүріп өту  жолы Молекулалардың бірлік көлемдегі санына кері пропорционал екен, демек, газдың қысымына кері пропорционал болады.

7.3.Газдардағы диффузия 

 Диффузия деп бір-бІріне жанасқан екі немесе бірнеше заттардың бір-бірлеріне өту процесі аталады. Газдағы диффузия егер газдың қүрамы біртекті болмаса, яғни ол екі немесе бірнеше компонентгерден түрып, олардың концентрациясы нүктеден нүктеге өткенде озгеріп отыратын болса, пайда бола-ды. Диффузия процесі дегеніміз газ коспасының өрбір компонентінің газ көлемінің оның концентрациясы артығырақ болатын бөліктерінен концентрациясы азырақ болатын беліктеріне, яғни концентрацияның түсу бағытында өтуі болып табылады.

 Қайсы-бір компоненттің концентрациялардың айырымынын, әсерінен пайда болатын орын ауыстыруы осы компоненттің диффузиялық ағыны деп аталады. Ол, бірлік уақытта диффузия ағыны бағытына перпендикуляр болатын бірлік аудан арқылы өтіп жатқан диффузияланатын компонентгІң мелшерімен өлшенеді.

 Диффузиялық ағынды масса бірліыгерімен өрнектеуте болады. Оның түрліше өлшеу системаларындағы бірліктері; кгЫ2.с; гісм1. с; мопь!см2.с және т. с.

 Концентрациялардың айырымы  болатын кезде пайда болатын  диффузия-лық ағын концентрацияның  теңгерісуіне әкеліп тірейді, яғни осы ағынды ту-дырған концентрацішлар айырымын азайтады. Біртекті емес қоспа өз бетін-ше қалған кезде ол уақыт өте, диффузиянын, арқасында, біртекті күйге келедІ (газдар араласады).

 Жүйені сипаттайтын  параметрлері уақыт бойынша өзгеріп отыратын кез-келген процесс стиционарлыц емес прицесс деп аталады. Стационарлық процесс кезінде жүйені сипаттайтын шамалар уақыт бойынша өзгеріссіз қалады. Концентрацияларды теңгерістіруге жетектейтін, яғни концентрациялардың айырымын өзгертуге әкелетін диффузия стационарлық емес диффузия болып табылады. Негізінен стационарлық емес диффузиямен істес болуға тура келеді.

 Диффузняның негізгі  заңы (Фик заңы). ТөжІрибе корсеткендей, қайсы-бір компоненттің диффузиялық ағыны осы компоненттің концераци-ясының кері таңбамен алынған градиентінс пропорционал болады (Фик заңы). Координадтарға тәуелді болатын қайсы-бір С (скаляр) шаманың градиенті деп осы шаманың ксңістіктегі өзгеріс жылдамдығын сипаттайтын вектор ата-лады. Бүл вектор С7 шамасының ең тез артатын жағына бағытталады және сан мәні жағынан осы артудың тездігіне тең болады.

 

 

 яғни G шамасының бірлік  үзындыққа келетін өзгерісі.

 

 шамасы аталады. Диффузияпың  негізгі заңы (Фик заңы) онда былайша  жазылады:

 

 

 Егер біз қарастырып  отырган ғаз қоспасы компонентінің  ц концентрация-сы л- өсі бойында  өзегеретін болса (басқа бағыттарда өзгеріссіз, бірдей), онда д концентрацияның градиенті деп