Šis straipsnis nagrinėja dujų molinės šilumos priklausomybę nuo temperatūros, apžvelgiant įvairius kristalinių kūnų tipus, cheminius ryšius ir molekulinės kinetinės teorijos aspektus.
Įvadas
Šiluminė talpa yra medžiagos savybė, apibūdinanti energijos kiekį, reikalingą pakelti medžiagos temperatūrą vienu laipsniu. Molinė šiluminė talpa yra šilumos kiekis, reikalingas pakelti vieno molio medžiagos temperatūrą vienu laipsniu. Dujų molinė šiluminė talpa priklauso nuo temperatūros, o šios priklausomybės supratimas yra svarbus įvairiose mokslo ir inžinerijos srityse.
Kristaliniai ir Amorfiniai Kūnai
Kietieji kūnai skirstomi į kristalinius ir amorfinius. Kristaliniai kūnai turi griežtai apibrėžtą lydymosi temperatūrą, o amorfiniai kūnai minkštėja palaipsniui plačiame temperatūrų intervale. Kristaliniams kūnams būdinga anizotropija - įvairių mechaninių, fizinių, šiluminių savybių priklausomybė nuo kristalografinių krypčių, o amorfiniai kūnai yra izotropiniai. Kristalų anizotropija apibūdinama vidinės struktūros ypatumais. Kristaliniais vadinami kūnai, kuriuos sudarantys atomai arba molekulės erdvėje išsidėstę tam tikra tvarka, dažnai vadinama tolimąja tvarka. Kristalai yra sudaryti iš atomų arba jų grupių, periodiškai išsidėsčiusių erdvėje ir sudarančių kristalinę gardelę. Tobulas kristalas yra kūnas, sudarytas iš pasikartojančių erdvėje tapačių struktūrinių elementų. Kristalui būdingas erdvinis periodiškumas, nusakomas transliacijos simetrija. Tobuląjį kristalą galima gauti pasirinkus tam tikrus 3 vektorius ir transliuojant jais atitinkamus struktūrinius elementus. Kiekvienam struktūriniam elementui priskiriamas mazgas. Vektoriai vadinami pagrindiniais transliacijos vektoriais arba gardelės periodu. Gretasienis, kurio kraštinės yra , , ,vadinamas elementariąja gardele. Pasirinkus atitinkamą elementariąją gardelę ir atlikus transliaciją vektoriumi , galima gauti visą tobuląją kristalinę gardelę. Jeigu gardelės mazgai yra tik elementariosios gardelės viršūnėse, tai tokia gardelė vadinama paprastąja arba primityviąja gardele. Elementariosios gardelės tūris yra mažiausias. Kiekvienai paprastajai gardelei tenka vienas mazgas. Kiekvienam kristalinės gardelės mazgui priskiriamas atomas arba jų grupė, vadinama baze. Elementariosios gardelės centravimo požiūriu skirstomos į: paprastąsias (necentruotas), centruoto paviršiaus, centruoto tūrio ir centruotų pagrindų.
Kristalai skirstomi į 7 kristalografines sistemas, kurios dar vadinamos singonijomis. Kristalinės gardelės ir kristalinės struktūros charakterizuojamos simetrija. Simetriją sudaro tam tikri elementai: plokštumos, atkarpos, taškai ir kt. Šie elementai atitinka tam tikroms operacijoms, kurias atlikus nagrinėjamas objektas palieka invariantiniu. Simetrija lemia daugelį kristalo savybių. Kristalams būdinga transliacijos simetrija (periodiškumas). Visas simetrijos operacijas galima sugrupuoti į simetrijos grupes. Simetrijos grupės, į kurias įeina tik sukimas, atspindys, inversija ir šių operacijų deriniai, bet neįeina slinkimas, vadinamos taškinėmis simetrijos grupėmis.
Cheminis Ryšys ir Jo Energija
Kristalą sudaro tarpusavyje sąveikaujančios dalelės: atomai, jonai, molekulės. Šių dalelių suardymo energija žymiai didesnė už tarpusavio traukos energiją. Ypač svarbus labiausiai nutolusių nuo branduolio valentinių elektronų ir branduolių su likusiais elektronais pasiskirstymas. Sąveika tarp atomų didžiąja dalimi yra elektroninės prigimties. Teigiami atomų likučiai turi būti taip nutolę vienas nuo kito, kad tarp jų būtų kuo mažesnės kuloninės stūmos jėgos. Valentiniai elektronai ir teigiami atomo jonai turi būti išsidėstę kuo arčiau, kad tarp jų būtų maksimalios traukos jėgos. Šių energijų skirtumas duoda ryšio energiją. Kristaliniai kūnai pagal būvius skirstomi į kietuosius, skystuosius ir dujinius.
Taip pat skaitykite: Apie laisvąjį dujų kelią
Pilna kristalo potencinė energija yra dviejų dedamųjų suma: teigiamos stūmos ir neigiamos traukos. Joninio ryšio atveju traukos jėgos yra kuloninės elektrostatinės jėgos tarp skirtingo ženklo jonų. Kai elementų elektrinių neigiamumų skirtumas didelis, elementas, kurio elektrinis neigiamumas didesnis, prisitraukia ne tik savo, bet ir gretimo atomo išorinius elektronus. Todėl jis virsta neigiamuoju jonu, o metalo atomas, praradęs išorinius elektronus, virsta teigiamuoju jonu. Kai R maži turi atsirasti stūmos jėgos. Jas sąlygoja, kad elektroniniai sluoksniai persikloja ir kad vienodo krūvio branduoliai stumia vienas kitą. Daugeliu atveju galima teigti, kad stūmos jėga atvirkščiai proporcinga atstumui tarp atomų kažkokiame laipsnyje m, t.y. Ust ; čia a ir m - koeficientai, charakterizuojantys stūmos jėgas. Joninius kristalus dažniausiai sudaro metalai ir halogenai. Metalai greitai jonizuojasi, nes jų valentiniai elektronai silpnai sąveikauja su branduoliu. Todėl gauname teigiamus jonus. Metalų valentiniai elektronai sąveikauja su halogenais. Jei halogenams trūksta tiek pat elektronų iki pilno sluoksnio užpildymo, jie prisitraukia juos, tapdami neigiamais jonais. Stūmos jėgos, palyginus su traukos jėgomis, yra daug mažesnės. Joniniuose kristaluose laisvų krūvio nešėjų nėra, nes išorinių elektronų sluoksniai yra pilnai užpildyti, o tokių atomų visi elektronai pakankamai stipriai sąveikauja su branduoliu. Todėl joniniai kristalai turėtų būti geri izoliatoriai. Tačiau didinat temperatūrą, jonai kristale pradeda difunduoti, todėl pastebimas joninis laidumas.
Kovalentiniai kristalai dar vadinami atominiais kristalais, kadangi tokių kristalų gardelės mazguose yra neutralūs atomai. Ryšio jėgos tarp atomų taip pat elektrinės. Jas paaiškina tik kvantinė mechanika. Kovalentinio ryšio esmė ta, kad valentiniai elektronai, kurie turėtų būti sferiškai pasiskirstę aplink kiekvieną atomą, tampa bendri abiem kaimyniniams atomams. Todėl srityse, kuriose yra atomų branduoliai, yra teigiamas perteklinis krūvis, o neigiamas perteklinis krūvis yra pasiskirstęs tiesėje, jungiančioje tuos atomus. Kovalentinio ryšio energija - tai energija, kuri suvartojama molekulę suardant du izoliuotus atomus. Klasikiniu kovalentinio ryšio pavyzdžiu yra vandenilio molekulė. Visiškai kitokį rezultatą gauname kvantinėje mechanikoje. Dėl elektronų savitų ypatumų vidutinė kuloninė sąveikos energija gali būti ir neigiama. Ją galima įsivaizduoti, kaip dviejų narių sumą, iš kurių vienas yra klasikinio pobūdžio ( ir visuomet teigiamas), kitas turi skirtingus ženklus ir skirtingą dydį, priklausomai nuo elektronų sukinių orientacijos. Tą kitą narį vadiname pamainine energija. Šiuo atveju neigiamas krūvis lokalizuotas prie kiekvieno iš branduolių. Kovalentiniai kristalai turėtų būti geri izoliatoriai, nes kiekvienas valentinis elektronas sudaro ryšį, todėl negali judėti po visą kristalą. Iš tikrųjų, daugelis labai grynų kovalentinių kristalų yra izoliatoriai. Tačiau tokie kristalai, kaip Ge, Si ir kt., yra puslaidininkiai, nes turi tam tikrą priemaišų kiekį. Kovalentiname ryšyje dalyvauja elektronų poros. Kadangi kiekvienas elektronas gali sudaryti ryšį tik su vienu atomu, tai ryšių skaičius, kuriuose gali dalyvauti kiekvienas atomas, nusakomas atomo valentingumu.
Molekuliniuose kristaluose gardelės mazguose yra molekulės arba neutralūs atomai. Tarp tų atomų, esančių atstumu R vienas nuo kito, atsiranda silpna fliuktuacinė - dipolinė trauka. Šių, taip vadinamų Van-der-Valso jėgų (dispersinių jėgų) kilmė yra taip pat kvantmechaninė. Van-der-Valso jėgos tipiniuose puslaidininkiuose sudaro nykstamai mažą dalį palyginus su kitomis cheminio ryšio jėgomis (0,1 eV vienai molekulei). Molekuliniai kristalai turi žemą lydymosi temperatūrą ir didelį spūdumą. Tai apsprendžia silpnas ryšys (Van-der-Valso jėgos). Vandeniliniai kristalai. Vandenilinis ryšys šiek tiek stipresnis už Van-der-Valso. Kristalų ryšio energija su vandeniliniu ryšiu 0,5 eV vienai molekulei. Vandenilinį ryšį apibūdina tai, kad vandenilio elektronas sudaro ryšį su vienu atomu, o likęs protonas su kitu atomu. Kai vandenilis chemiškai susijungia su elementu, kurio elektrinis neigiamumas labai didelis, jis praranda elektronus ir tampa beveik pliku branduoliu, įgydamas unikalių savybių: jį traukia kitų atomų elektroniniai apvalkalai. Dėl to vandenilio atomas būna surištas su dviem atomais.
Metališkieji kristalai. Apie 80% cheminių elementų yra metalai. Metalų atomai išoriniame elektronų lygmenyje turi 1-2 elektronus ir daug tuščių orbitalių. Juose joniniai ryšiai nesusidaro, nes visi atomai yra vienodi. Kovalentiniai ryšiai taip pat nesusidaro, nes metalų atomai turi per mažai elektronų, kuriems susiporavus įgytų inertinių dujų apvalkalą. Metališkąjį ryšį apibūdina tai, kad valentiniai elektronai ttampa laisvi ir bendri visiems atomams. Tokiu būdu, teigiami jonai (atomai be valentinių elektronų) yra tarsi panardinti į vienalytes “elektronines” dujas. Paprasčiausiu atveju, jonai nagrinėjami kaip taškiniai krūviai, lokalizuoti gardelės mazguose, o laidumo elektronai - kaip pastovus vienalytis neigiamo krūvio fonas. Elektronines dujas sudarantys išoriniai elektronai gali laisvai judėti elektriniame lauke, todėl jie vadinami laisvaisiais elektronais. Sąveika tarp teigiamų jonų ir laidumo elektronų sudaro metališkąjį ryšį. Kadangi delokalizuotas metališkasis ryšys neturi apibrėžtos orientacijos, daugumos metalų kristalinės gardelės susidaro pagal glaudžiausio rutuliukų supakavimo principą, taip susidaro kubinė centruoto tūrio ar centruotų pagrindų arba heksagoninė gardelė. Metališkojo ryšio sąveikos energija yra daug mažesnė už joninio arba kovalentinio ryšio sąveikos energiją. Metaluose laisvų elektronų koncentracija yra labai didelė. Todėl metalai yra geri elektros srovės laidininkai. Metaluose valentiniai elektronai vadinami laidumo elektronais. Priklausomai nuo kristalo struktūros ir cheminio ryšio tipo sąveikos jėgos tarp atomų gali būti skirtingos. Ryšio stiprumas apibūdinamas energija, kurios reikia norint kristalą suardyti į atskirus atomus. Ši energija vadinama ryšio energija.
Molekulinės Kinetinės Teorijos Pagrindai
Idealiųjų dujų modelis apibrėžiamas, kai nepaisoma dujų dalelių matmenų ir jų sąveikos. Dujų dalelės yra materialūs taškai, judantys pagal klasikinės fizikos dėsnius ir susiduriantys kaip tamprūs rutuliukai. Joms taikomos Maxwello ir Boltzmanno statistikos, galioja Clapeyrono lygtis pV = nRT; čia p - dujų slėgis, V - tūris, T - termodinaminė temperatūra, n - dujų molių skaičius, R - molinė dujų konstanta. Vidinė energija nepriklauso nuo tūrio ir yra tik temperatūros funkcija. Idealiųjų dujų šiluminė talpa nepriklauso nuo temperatūros ir neišnyksta, kai T → 0. Realiosioms dujoms idealiųjų dujų modelis tinka tik apytiksliai, jei tos dujos gerokai praretintos, jų temperatūra tokia aukšta, kad nesvarbūs kvantiniai reiškiniai ir dujų dalelės kinetinė energija yra gerokai didesnė už jos sąveikos potencinę energiją (toks, pvz., yra oras normaliosiomis sąlygomis).
Taip pat skaitykite: Dujų Slėgis ir Temperatūra: Kas Tai?
Laisvės Laisnių Sąvoka ir Energijos Pasiskirstymas
Laisvės laipsnis - tai nepriklausomas kintamasis, apibūdinantis sistemos būklę. Energija pasiskirsto pagal laisvės laipsnius, o kiekvienam laisvės laipsniui tenka vidutiniškai kT/2 energijos, kur k - Boltzmanno konstanta, T - temperatūra. Idealiųjų dujų vidinė energija priklauso nuo temperatūros ir laisvės laipsnių skaičiaus.
Dujų Mišiniai ir Procesai
Dujų mišinys susideda iš kelių komponentų. Mišinio savybės apskaičiuojamos pagal komponentų koncentracijas ir savybes. Termodinaminiai procesai apibūdina sistemos būklės pokyčius. Dažniausi procesai yra izobarinis (pastovus slėgis), izoterminis (pastovi temperatūra), izochorinis (pastovus tūris) ir adiabatinis (be šilumos mainų). Cikliniai procesai grąžina sistemą į pradinę būklę.
Henrio Dėsnis ir Dujų Tirpumas Skysčiuose
Henrio dėsnis sako, kad medžiagos parcialinis slėgis dujose virš skysčio, kuriame šios medžiagos koncentracija yra pusiausvyroje su koncentracija dujose yra tiesiog proporcingas molinei medžiagos koncentracijai skystyje, t. y. P=EX. Čia E Henrio koeficientas, priklausantis nuo dujų ir skysčio prigimties ir temperatūros. Žinodami medžiagos koncentraciją skystyje x, galima rasti šios medžiagos parcialinį slėgį dujose. Tuo tarpu pagal Daltono dėsnį galima rasti ir koncentraciją dujose. Dėsnis sako: parcialinis medžiagos slėgis dujose lygus bendram dujų mišinio slėgiui, padaugintam iš molinės medžiagos koncentracijos dujose. Dujų tirpumas skystyje didėja didėjant slėgiui ir mažėjant temperatūrai.
Masės ir Šilumos Mainų Panašumai ir Skirtumai
Analizuojant masės mainų pagrindines išraiškas, galima pastebėti jų panašumą su šilumos mainų pagrindinėmis išraiškomis. Pagrindinė masės mainų lygtis fizikine prasme panaši į šilumos perdavimo lygtį . Pirmoje K - masės, antroje k - šilumos perdavimo koesficientai. Vykstant masės mainams koncentracijos išsilygina iki pusiausvirųjų. Jei mišiniams galioja Henrio dėsnis, tai koncentracijų skirtumą x-y arba y-x galima išreikšti pasinaudodami priklausomybe y=mx. Varomoji jėga tai medžiagos koncentracijų skirtumas tarp koncentracijos skystyje x ir tokios koncentracijos skystyje , kuri yra pusiausvyroje su medžiagos koncentracija dujose y, t. y. x-x arba x-y/m.
Taip pat skaitykite: Sužinokite apie Dujų Slėgį
tags: #duju #molines #silumos #temperaturine #priklausomybe