Потенциалдық энергия

Молекулалық-кинетикалық теорияда қолданылатын идеал газ моделін сиретілген нақты газдарды кейбір жағдайда жоғары температурада және төмен қысымда сипаттау үшін қолдануға болады. Бірақ, идеал газдың күй теңдеуін қорытып шығарған кезде, газ молекулалары арасындағы өзара әсерлесу және молекулалардың өлшемдері ескерілмегені естеріңізде болар. Қысым көбейгенде молекулалар арасындағы орташа арақашықтық азаяды, сондықтан молекулалардың көлемі мен олардың өзара әсерін ескеру маңызды. Мысалы, 1 м газда қалыпты жағдайдағы молекула саны 2,68 10 -не тең, бұл молекулалар 10 м көлем алады (шамамен молекуланың радиусы 10 м), оны газдың көлемімен салыстырғанда ескермеуге болады. Ал 500 МПа қысымда молекулалардың алатын көлемі газ көлемінің жартысына тең, сондықтан жоғары қысымда және төмен температурада идеал газ моделін нақты газдар үшін қолдануға болмайды.

Нақты газдарды қарастырғанда олардың молекулааралық өзара әсер күштері ескеріледі, себебі нақты газдардың қасиеті молекулалардың өзара әсеріне тәуелді.Бұл күштер 10 м арақашықтықта білінеді және молекулалар арасындағы арақашықтық өскенде күштің әсері де азаяды. Мұндай күштер жақыннан әсер ету күштері немесе тез әсерлесу күштері деп аталады.

Табиғаттағы заттардың газ, сұйық, қатты күйлерде болуы, сол заттарды құрастырушы молекулалардың өзара әсерлесу сипатына байланысты болады. Сұйықтың өзі құйылған ыдыстың формасын сақтауы, оның молекулаларының арасында бірін-бірі тарту күші бар екенін, ал қатты денелердің өзінің формасын сақтауы, олардың молекулаларының арасында, тартылыс күшімен қатар, тербеліс күштері бар екенін көрсетеді. Молекулалардың арасындағы тартылыс, тебіліс күштері тең болған жағдайда ғана қатты денелер өзінің формасын сақтап тұра алады. Енді осы заттарды құрастырушы молекулалардың арасындағы өзара тартылу, тебілу күштерін қарастырайық. Атом құрылымы туралы теорияның және кванттық механиканың дамуына байланысты зат молекулалары арасында бір мезетте тартылу және тебілу күштері әсер ететіндігі анықталды. Суретте 22 а) молекулааралық өзара әсер күштерінің r арақашықтыққа тәуелділігі көрсетілген. Мұндағы , - тартылу және тебілу күштері, F- қорытқы күш, ал r – молекулалардың арақашықтығы. Тебілу күштерінің мәндері оң, ал өзара тартылу күштерінікі теріс болып есептелінеді.

Сурет 22

Молекулааралық арақашықтық = болғанда, қорытқы күш F= 0 болады, тартылу және тебілу күштері теңеседі. Демек, егер молекулалар арасында жылулық қозғалыс болмаса, молекулалар арасындағы орнықты арақашықтық -ге тең болар еді. Молекулалардың арақашықтығы r < r болса, тебілу күші басым болады (F>0), егер

r > r болса, тартылу күші басым болады (F<0), r >10 м арақашықтықта молекулалардың өзара әсері жоғалады (F 0).

Молекулалар арақашықтығы dr – ге артқанда F күшінің элементар жұмысы молекула аралық өзара әсердің потенциалдық энергиясының кемуіне тең болады:

. (18.1)

Молекулалардың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясы олардың арасындағы арақашықтыққа тәуелді екенін (сурет 22, б)) көрдік. Егер молекулалар бір- бірінен молекула аралық күштер әсер етпейтіндей қашықтықта орналасса (), онда потенциалдық энергия нольге тең

( 0). Біртіндеп жақындаған молекулалар арасында тартылу күші пайда болып (F< 0), олардың жұмысы оң мәнге ие болады (). Есте болатын бір жағдай, молекулалардың арасындағы тартылыс күші мен тебіліс күштері бір мезгілде қатар әсер етеді.

Молекулалардың арақашықтығы белгілі бір шамадан артық болғанда (r>r ) тартылыс күші басым болады, ал молекулалардың арақашықтығы белгілі бір шамадан кем болғанда (r < r₀) тебіліс күші тарту күшінен басым болады. Жалпы молекулалардың өзара әсерлесуін қарастырғанда олардың бірі - біріне әсер ету күшін айтпайды, олардың потенциялық энергиясының арақашықтарына байланысты өзгеруін қарастырады. Бөлшектер бірін-бірі тебетін болса, онда бірлік зарядты шексіздікке көшіргенде істелген жұмыс оң. Олай болса, тебілетін бөлшектердің потенциялық энергиясы теріс болады. Ал, бөлшектер бірін-бірі тартатын болса, онда оның біреуін шексіздікке көшіру үшін істелетін жұмыс шамасы теріс, сондықтан, бұл жағдайдағы сол бөлшектердің әсерлесуінің потенциялық энергиясы оң болады. Молекулалардың арақашықтығы болганда олардың өзара әсерлесу потенциялық энергиясы өзінің ең аз мәніне жетеді. Бұл кезде молекулалардың тебу күші мен тарту күштері өзара тең болады. Осы кездегі потенциялық энергияның мәнін потенциялық шұңқырдың тереңдігі дейді.

Екінші молекула бірінші молекулаға одан әрі жақындағанда кинетикалық энергиясы азаяды да, болганда қозғалыстағы молекула толық тоқтап, оның кинетикалық энергиясы толығымен молекулалардың әсерлесу потенциялық энергиясына айналады. Сөйтіп, потенциялық энергия толық энергияға тең болады. Осы кездегі молекулалардың бір-біріне өте жақын келетін арақашықтығын молекулалардың эффективті диаметрі дейді. Барлық заттардың молекулалары атомдардан тұрады. Атомдағы оң және теріс зарядтардың абсолют шамалары тең, сондықтан атомның электрлік қасиеті жоқ, олай болса сондай атомдардан тұратын молекуланың да электрлік қасиеті жоқ. Бірақ, бұдан молекулалардың арасында электрлік әсерлесу жоқ деуге болмайды. Барлық молекулаларды электрлік қасиетіне қарап дипольді, дипольсіз молекулалар деп екіге бөледі. Дипольді молекулаларда оң заряд пен теріс зарядтар бір-бірімен салыстырғанда ығысқан, екеуі молекуланың екі шетіне орналасқан. Бұған мысал ретінде судың (Н₂0) молекуласын алуға болады. Мұндай молекулалар кеңістікте орналасқанда бір-біріне қарама-қарсы таңбалы зарядтары сәйкес келетіндей болып орналасуға тырысады. Сөйтіп, ол зарядтардың арасында Кулондық тарту күші болады. Дипольсіз молекулаларда оң зарядтар мен теріс зарядтардың ауырлық центрлері өзара сәйкес келеді. Бірақ, сыртқы электр өрісінің әсерінен дипольсіз молекулалар поляризацияланады, сөйтіп сыртқы өрістің әсерінен бұл молекулаларда да дипольдік қасиет пайда болады. Сондықтан, ондай молекулалардың арасындағы әсерлесу күшінің табиғаты электрстатикалық күш. Олай болса, молекулалардың арасындағы әсерлесу - әсерлесудің электромагниттік түріне жатады.

Заттың түрлі агрегаттық күйінің критериі ретінде ең кіші потенциялық энергия мен алынады. - молекулалардың өзара әсерінің ең кіші потенциялық энергиясы - тепе- теңдік күйдегі ( = ) молекулаларды бір-бірінен ажырату үшін тарту күшіне қарсы жасалатын жұмысты анықтайды. - молекулалардың тәртіпсіз жылулық қозғалысының бір еркіндік дәрежесіне келетін екі еселенген орташа энергияны көрсетеді.

Егер « болса, онда зат газ күйінде болады. Себебі, молекулалардың жылулық қозғалысы олардың қашықтыққа дейін жақындап, қосылуына кедергі жасайды. Егер » болса, онда зат қатты күйде болады. Себебі, бір-біріне тартылып тұрған молекулалар қашыққа кете алмайды да, тепе- теңдік қалыптың айналасында тербеліп тұрады. Егер болса, онда зат сұйық күйінде болады, жылулық қозғалыс нәтижесінде молекулалар кеңістікте қозғалып жүреді, орын ауыстырады, бірақ -ден үлкен қашықтыққа кете алмайды.

Демек, кез-келген зат температураға байланысты газ, сұйық, қатты агрегат күйлерде бола алады екен. Бір агрегат күйден екінші агрегат күйге өту температурасы сол зат үшін шамасына тәуелді болады. Мысалы, инертті газдар үшін мәні аз, ал металдар үшін көп, сондықтан бөлме температурасында олар газ және қатты күйлерде болады.