34. Клайперон-Клаузиус теңдеуі. Күй диаграммасы. Үштік нүкте.

Клапейрон - Клаузиус теңдеуі– заттың бір фазадан басқа бір фазаға (булану, балқу, сублимация, т.б.) ауысу процесін сипаттайтын термодинамикалық теңдеу. Клапейрон - Клаузиус теңдеуі бойынша тепе-тең күйде өтетін процестегі L фазалық ауысу жылуы (мысалы, булану жылуы, балқу жылуы) мына өрнек бойынша анықталады:

, мұндағы T – ауысу температурасы (изотермиялық процесс), dp/dT – фазалық тепе-теңдік қисық сызығындағы қысымның температура бойынша алынған туындысы, – 1-фазадан 2-фазаға ауысу кезіндегі зат көлемінің өзгерісі. Клапейрон - Клаузиус теңдеуі француз оқымыстысыБ.П. Э.Клапейрон (1799 – 1864) сұйықтық пен жылулық тепе-теңдікте тұрған конденсацияланған буға арналған Карно циклін талдау нәтижесінде алды (1834). 1850 ж. неміс физигі Р.Клаузиус (1822 – 1888) теңдеуді одан әрі жетілдіріп, оны басқа да фазалық ауысуларға арнап, қорытындылады. Бұл теңдеуді жылуды жұту немесе шығару арқылы өтетін кез келген фазалық ауысуларға қолдануға болады. Клапейрон - Клаузиус теңдеуін шешу үшін L, V1 және V2 шамаларының температура мен қысымға байланысты қалай өзгеретіндігін білу қажет. Мұның өзі күрделі мәселе. Әдетте, бұл тәуелділік тәжірибе жүзінде анықталып, Клапейрон - Клаузиус теңдеуінің сан мәні есептеледі. Клапейрон - Клаузиус теңдеуі таза заттармен қатар ерітінділерге және олардың жеке құраушыларына да қолданылады. Соңғы жағдайда Клапейрон - Клаузиус теңдеуін берілген құраушыдағы будың парциал қысымын, оның парциал булану жылуымен байланыстырады

Үштік нүкте, термодинамикада — заттың үш фазасының да бірдей бір мезгілдегі тепе-теңдік күйіне сәйкес келетін күй диаграммасындағынүкте. Фазалар ережесі бойынша жеке химиялық зат (бір құраушылы жүйе), тепе-теңдік кезінде, үш фазадан артық күйде бола алмайды. Бұл үш фазаның (қатты, сұйық және газ) бір мезгілде тепе-теңдікте болуы температура (Т) мен қысымның (р) белгілі бір мәндерінде ғана жүзеге асады. Мысалы, көмір қышқыл газы (СО₂) үшін Тү.н.T 216,6 К, рү.н.р 5,12 атм, су үшін Тү.н.Т 273,16 К (дәл), рү.н.4,58 мм сын. бағ.

35.

Электр Заряды – бөлшектер мен денелердің сыртқы электрмагниттік өріспен өзара әсерін, сондай-ақ олардың электрмагниттік өрістерінің өзара байланысын анықтайтын негізгі сипаттамалардың бірі. Э. з. 2 түрге ажыратылады және ол шартты түрде оң заряд және теріс заряд деп аталады. Аттас зарядтар бірін-бірі тебеді, ал әр аттас зарядтар бірін-бірі тартады. Дененің Э. з. оның құрамына енетін барлық бөлшектің Э. з-ның алгебр. қосындысына тең. Э. з. дискретті, яғни барлық бөлшектер мен денелердің Э. з. еселі болып келетін ең кіші элементар Э. з. болады. Оқшауланған электр жүйесінде зарядтың сақталу заңы орындалады. Қозғалмайтын Э. з-ның арасындағы өзара әсер Кулон заңымен, ал Э. з. және оның эл.-магн. өрісінің арасындағы байланыс Максвелл теңдеулерімен сипатталады. Заттағы өрісті қарастырған кезде Э. з. еркін заряд және байланысқан заряд болып ажыратылады. Э. з-ның бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшеу бірлігі – кулон (к).

Электр заряды (электр мөлшерi) q – дененiң қасиетiн немесе бөлшектердiң электромагниттiк өзара әсерлесуiн және бұндай өзара әсерлесудiң қарқындылығын анықтайтын шама.

Электр зарядының бiрлiгi ретiнде СИ жүйесiнде – бiр кулон (1 Кл) деп өткiзгiштiң көлденең қимасынан 1 с iшiнде ток күшi 1 А болғанда өтетiн электр заряды алынады.

Электр зарядының шартты түрде оң және терiс деп аталатын екi түрi бар. Аттас заряды бар денелер бiр-бiрiнен тебiледi, ал әр аттас зарядтары бар денелер – тартылады.

Электр зарядтарын ылғи да тасушы болып элементар бөлшектер және антибөлшектер табылады. Мысалы, протон және антипротон, электрон және позитрон. Антибөлшектер массасы – сәйкес бөлшектердiң массасына тең және электр заряды терiс. Бөлшектердiң антибөлшектермен бiрiккенде аннигиляцияға(өзара жоюға) ұшырайды. Бұл кезде Эйнштейн формуласы бойынша масса энергияға айналадыE=mc², мұнда Е – энергия, m – бөлшектiң массасы, c – жарық жылдамдығы (бұл туралы толық мағлұматты 11-шi сынып курсынан бiлесiздер). Ешқандай электр зарядын иеленбейтiн бөлшектер болады, мысалы, нейтрон, нейтрино. Бiрақ бөлшексiз электр зарядының болуы мүмкiн емес.

Электр заряды дискреттi: дененiң барлық электр зарядтарын бүтiн бөлiктерге бөлетiндей ең кiшi элементар электр заряды табылады.

Қалыпты жағдайда дене электрлiк нейтраль жағдайда, себебi кез келген заттың атомындағы электрондар саны ядродағы протондар санына тең және дененiң зарядтарының қосындысы нөлге тең.

Зарядтың сақталу заңы – кез келген тұйық жүйенің (электрлік оқшауланған) электр зарядтарының алгебралық қосындысының өзгермейтіндігі (сол жүйе ішінде қандай да бір процестер жүрсе де) туралы табиғаттың іргелі дәл заңдарының бірі. Ол 18 ғ-да дәлелденген. Теріс электр зарядын тасушы электронның және электр зарядының шамасы электрон зарядына тең оң электр зарядты протонның ашылуы, электр зарядтарының өздігінше емес, бөлшектермен байланыста өмір сүретіндігін дәлелдеді (заряд бөлшектердің ішкі қасиеті болып саналады). Кейінірек электр заряды шамасы жөнінен электрон зарядына тең оң не теріс зарядты элементар бөлшектер ашылды. Сонымен, электр заряды дискретті: кез келген дененің заряды элементар электр зарядына еселі болып келеді. Әрбір бөлшектің өзіне тән белгілі бір электр заряды болатындықтан, бөлшектердің бір-біріне түрлену процесі болмаған жағдайда, зарядтың сақталу заңын бөлшектер саны сақталуының салдары ретінде қарастыруға болады. Мысалы, макроскопиялық дене зарядталған кезде зарядты бөлшектер саны өзгермейді, тек зарядтардың кеңістікте қайтадан тарала орналасуы өзгереді: зарядтар бір денеден басқа бір денеге ауысады.

Бөлшектерге бір-біріне түрлену процесі тән – элементар бөлшектер физикасында бір бөлшек жоғалады, бір бөлшек жаңадан пайда болады. Бұл жағдайда да зарядтың сақталу заңы қатаң сақталады, яғни бөлшектердің өзара әсерлесуі және түрленуі кезінде қосынды заряд өзгермейді. “Жаңа” зарядты бөлшектің пайда болуы не сондай заряды бар “ескі” бөлшектің жоғалуымен, не заряды оған қарама-қарсы зарядтар жұбының пайда болуымен (мысалы, бөлшек-антибөлшек жұбының пайда болу процесі) бір мезгілде өтеді. Оның үстіне, мұндай түрленулер кезінде зарядтың сақталу заңынан басқа да сақталу заңдары (энергияның сақталу заңы, қозғалыс мөлшерінің сақталу заңы, т.б.) орындалады.

Зарядтың сақталу заңы энергияның сақталу заңымен бірге электронның орнықтылығын “түсіндіреді”. Электрон (және позитрон) – зарядталған бөлшектердің ең жеңілі. Сондықтан да ол ешуақытта ыдырамауға тиіс. Электронның өзінен гөрі ауыр зарядталған бөлшектерге (мысалы, мюонға, -мезонға) ыдырауына энергияның сақталу заңы, ал оның өзінен гөрі жеңіл бейтарап (нейтрал) бөлшектерге (мысалы, фотонға, нейтриноға) ыдырауына зарядтың сақталу заңы кедергі болады. Зарядтың сақталу заңының дәл орындалатындығын электронның өз зарядын 51021 жыл бойы жоғалтпайтындығынан көруге болады.

Электр өрісі.

Кез келген заряд өзінің айналасында электр өрісін туғызатыны белгілі. Электр өрісі - материяның ерекше бір түрі. Зарядтардың арасындағы әсерлесу осы электр өрісі арқылы жүзеге асырылады.

Белгілі бір электр өрісін бөліп,  зерттеу үшін нүктелік "сыншы" зарядты пайдалануға болады, Бұл зерттелінбекші өрісті өзгертпейтін өте шағын заряд. Нүктелік    зарядтың туғызатын өрісін нүктелік сыншы_сын зарядтың  жәрдемімен зерттелік. Сыншы зарядты ( _сын) элөктр өрісін туғызған зарядтың ( ) орнымөн салыстырғанда  радиус-векторымен анықталатын нүктеге орналастырсақ, оған

                                             (1.6)

күш әсер ететінін білеміз

4-сурет

Бұл өрнектен сыншы зарядқа әсер ететін күштің ( ) өрісті аңықтайтын  шамаларға ( ) ғана емес, соңдай-ақ cыншы зарядтің шамасына да       ( _сын) тәуелді екендігі көрінеді,_;яғни ол тұрақты шама, емес. Егер бір нүктеге әр түрлі сыншны зарядтар орналастыратын болсақ, _{сын, сын} т.б. зарядтардың өзара әсерлесу күштері де әртүрлі болады.  т.б. күштер сәйкес келеді. Алайда,   күшінің шамасы сыншы, зарядтың _СЫІІ  шамасына   пропорционал болғаңдықтан, , яғни бұл қатынас тұрақты шама және  сыншы зарядтың шамасына тәуелді емес екенін көреміз, өйткені сыншы зарядтың шамасын қанша үлкейтсек, сонша рет күштің шамасы да өседі. Бұл қатынасты электр өрісін сипаттайтан шама ретіңде қабылдап алу табиғи нәрсе.

Сонымен, электр өрісін сипаттайтан векторлық шаманы электр өрісініңкернеулігі  деп атайды.

(1.7)

, егер  =1 болса, онда   .

Кулон заңы

Тынышталған нүктелiк зарядтар (4.1 – сурет) арасындағы өзара әсерлесу заңы тәжiрибе жүзiнде 1785ж. Шарль Кулонанықтаған және оның есiмiмен аталады.

Кулон заңы:Бостықтағы екi қозғалмайтын зарядталған нүктелiк денелердiң өзара әсерлесу күшi F (кулон күшi) жәнезарядтардың модульдерiнiң көбейтiндiсiне тура пропорционал және олардың өзара r арақашықтығының квадратына керi пропорционал.

(4.1)

Мұнда k – пропорционалдық коэффициентi, сандық мәнi бiрлiк зарядтардың бiрлiк ұзындығына тең арақашықтықта өзара әсерлесу күшiне тең.

k коэффициентiн мынадай түрде жазу қабылданған

мұнда -электр тұрақтысы, СИ жүйесi бойынша мынаған тең:

Коэффициент k СИ бiрлiгiнде жазылуы бойынша келесi түрде өрнектеледi:

Кулон заңы

1785 жылы Ш. Кулон бұралмалы таразымен жасаған тəжірибеге

байланысты мыныдай қорытындыға келді: өздерінің мөлшері ара қашықтықпен

салыстырғанда мүлдем аз екі зарядталған дене бір-бірін заряд шамаларының

көбейтіндісін тура, ал ара қашықтықтың квадратына кері күшпен тартады.

Кулон біртекті заряд бірін -бірі тебеді зарядтар біріне бірі тартылатындығын

белгіледі (нүктелік дене зарядының орнына нүктелік заряд алынады ) .

ε – дененің диэлектрлік өтімділігі.

    Денедегі электр зарядының бар-жоғын олардың өзара әсерлесуінен байқауға болады.Мысалы,аттас  зарядты денелер бір-бірін тебеді,ал әр аттас зарядты денелер бірін –бірі тартады.

2- сурет

       Нүктелік зарядтардың өзара әсерлесу күшін сипаттайтын заңды 1785 жылы Кулон анықтады (Кулон Шарль Огюстен,1736-1806 жылдары өмір сүрген атақты француз физигі).

      Нүктелік заряд деп осы дененің электр зарядтарын тасымалдайтын,басқа денелерге  дейінгі қашықтығымен салыстырғанда мөлшерін ескермеуге болатын зарядталған денені айтады.

      Кулон арнайы иірілмелі таразының жәрдемімен екі зарядталған шарлардың өзара әсер күшін (F) олардағы зарядтар шамасына ( ) олардың ара қашықтықтарына ()  байланысты өзгеруін зерттей отырып мынадай қорытындыға келеді:

Нүктелік екі зарядтың өзара  әсер күші әрбір зарядтардың шамаларына тура пропорцинал және олардың ара қашықтығының квадратына кері пропорцинал болады да ,осы зарядтардың аралығын қосатын түзу сызықтың бойымен бағытталады.

; 

(1.2)

Мұндағы пропорционалдық коэффициент.

 

3-сурет

Кулон заңын вектор түрінде былай жазуға болады:

(1.3)

Бұл өрнектегі  бір зарядтан  екіншіге қарай жүргізілген және бағыты зарядқа түсірілген  күшінің бағытымен дәл келетін вектор деп қарастыру керек./1.2/ өрнек тен әр аттас  зарядтар болған кездекүшінің радиус-векторға қарама-қарсы бағытталатынын,ал аттас зарядтар болған жағдайдакүшінің-дің бағытымен бағыттас болатыны көрінеді.

Халықаралық жүйеде зарядтың өлшем бірлігі ретінде Кулон (Кл) қабылданған.Элементар электр заряды (электрон заряды)

Кулон тәжірибесінде электр зарядтары ауада орналасқан еді.Кейінгі тәжірибелердің нәтижесінде зарядтардың өзара әсерлесу күшііне оларды қоршаған ортаның едәуір әсер ететіндігі анықталды. Осы жағдайда ескеріп.Кулон заңын ауасыз/бостық/орта үшін былай жазамыз:

(1.4)

Мұндағы -электрлік тұрақты ()

Электродинамиканың көптеген формулаларына 4  көбейткіші және жарықтың бостықтағы жылдамдығына тең электродинамикалық тұрақты " С " енеді. Практикалық аса маңызды  формулаларда орнына орташа Кулон заңындағы пропорционалдық коэффициентті    -ге тең деп алады.

Белгілі бір орта үшін:                                        (1.5)

 

мұндағы     - салыстырмалы диэлөктрлік ортаның өтімділігі.

( >1, ал бостық үшін =1, яғни кез келген ортада әсерлесу күші әлсірейді;   - өлшемсіз шама ).

• -ортаның абсолютті диэлектрлік өтімділігі электр за- рядтрдың өзара әсерлесуіне оларды қоршаған ортаның әсерін ес- керетін шама).