Molekulyar fizikanın və termodinamikanm əsasları

Molekulyar fizikanın və termodinamikanm əsasları

Bizi əhatə edən bütün cisimlər – maddələr atom və molekullardan təşkil olunmuşlar. Atom və molekullar istilik hərəkətindədirlər və onlar arasında qarşılıqlı təsir vardır. Maddəni təşkil edən atomlar (molekullar) arasındakı məsafədən və onların qarşılıqlı təsir qüvvələrindən asılı olaraq maddələr qaz, maye və bərk halda ola bilər. Bu hallar maddənin aqreqat halları adlanır. Molekulyar fizika - bu halları, onların bir-birinə çevrilməsini, atom və molekulların hərəkətini, onlar arasındakı qarşılıqlı təsirin xarakterindən və daxili quruluşundan asılı olaraq öyrənən bölmədir. Molekulyar fizikanın öyrəndiyi obyekt çoxlu zərrəciklərdən ibarət olduğu üçün, onun halını mexanikanın qanunlarını bilavasitə tətbiq etməklə tapmaq mümkün deyildir. Bu obyektin vahid həcmdə olan zərrəciklərinin sayı təqribən 1025 tərtibdədir, onlar müxtəlif sürətlə hərəkət edirlər və 1 saniyədə bir-birilə milliyardlarla dəfə toqquşurlar. Hər qarşılıqlı təsirdə onların impulsunun qiyməti və istiqaməti dəyişir. Bütün bunları mexanikanın qanunlarında nəzərə alıb molekulyar fizikanın məsələsini bu şəkildə həll etmək qeyri-mümkündür. Molekulyar fizikada bir-birini tamamlayan iki üsuldan – statistik və termodinamik üsullardan istifadə edilir. Statistik üsulda qəbul edilir ki, makroskopik sistemin xassəsi onu təşkil edən zərrəciklərin xassəsinin hərəkət xarakterindən asılı olub, onların sürətinin, impulsunun və enerjisinin orta qiyməti ilə təyin edilir. Termodinamik üsul isə tutarlı təcrübi faktlara əsaslanan qanunlarla sistemdə gedən proseslər zamanı enerjinin dəyişməsini və dəyişmə şərtlərini təhlil edərək onun xassələrini öyrənir.

Statistik üsulun əsasında ehtimal nəzəriyyəsi durur. Bu nəzəriyyəyə görə maddəni təşkil edən atom və molekullar bir- birindən asılı olmayaraq ixtiyari halda ola bilər. Bu hallar birbirindən fərqlənmirlər və eyni hüquqludurlar. Sərbəst zərrəciyin verilmiş həcmin ixtiyari koordinatında olma ehtimalı eynidir. Bu fikiri sistemi təşkil edən bütün zərrəciklər üçün söyləmək olar. Buradan belə nəticə çıxır ki, verilmiş həcmdə zərrəciklər çoxluğunun paylanması bircins olacaqdır, yəni maddənin (zərrəciklər sisteminin) sıxlığı bütün həcmdə eyni qiymət alacaqdır. Bu həcmi eyni ölçülü xırda həcmlərə bölsək orada olan zərrəciklərin sayı təqribən eyni olacaqdır. Zərrəciklərin sayı sonsuz böyük olduqda zərrəciklərin bərabər paylanma ehtimalı ən böyük olur. Statistik üsul sonsuz böyük sayda zərrəciklərdən ibarət sistemə tətbiq oluna bilər. Molekulyar fizikanın öyrəndiyi sistem məhz belə sistemdir. Ona görə də statistik üsul molekulyar fizikanın əsas üsullarından biridir.

Ayrılıqda götürülmüş bir zərrəciyin müəyyən halda olması təsadüfi xarakter daşıyır. Lakin zərrəciklərin sayı çox olduqda bu təsadüflər müəyyən qanunauyğunluq yaradır. Bu isə statistik qanunauyğunluq adlanır.

Termodinamik üsulda bütün molekulyar proseslər üçün təsdiq olunmuş bir neçə təcrübi nəticələr əsas kimi qəbul edilir, sonra isə onlardan istifadə edərək ayrı-ayrı proseslərin qanunları alınır. Burada müxtəlif enerji növləri arasındakı qarşılıqlı əlaqə, makroskopik sistemin halları və bu hallar arasındakı proseslərin mümkünlüyü, reallaşa bilmə şərtləri və istiqaməti təyin edilir. Lakin proseslərin mexanizmi, onların səbəbi öyrənilmir. Proseslərin bu və ya digər tərzdə yaranma səbəbləri molekulyar-kinetik nəzəriyyədə tədqiq olunur.

Çox sayda hissəciklərdən ibarət olan qaz, maye, bərk cisim, ümumiyyətlə ixtiyari maddələr toplusu makroskopik və ya termodinamik sistem adlanır. Bu sistemi təşkil edən hissələr öz aralarında və xarici cisimlərlə qarşılıqlı təsirdə, enerji və maddə mübadiləsində ola bilər.

Termodinamika belə makroskopik sistemdə yaranan dəyişiklikləri enerji baxımından təhlil edir, onun halının dəyişməsinin şərtlərini müəyyənləşdirir. Makroskopik sistemin halını müəyyən edən parametrlər termodinamik parametrlər adlanır. Bu parametrlər sistemin sıxlığı, konsentrasiyası, həcmi, təzyiqi, enerjisi, temperaturu və s. kəmiyyətlərdir. Termodinamikada təzyiq, həcm və temperatur verildikdə sistemin halı tam təyin olunur. Bu parametrlərdən biri – temperatur təkcə termodinamikada yox, bütün fizikada əsas parametrdir. Temperatur fiziki sistemin qızma dərəcəsini göstərən kəmiyyətdir. Fiziki sistemin xassələri temperaturdan asılıdır. Məsələn, metalı qızdırdıqda genişlənir, xüsusi müqaviməti artır, yarımkeçiricininki isə azalır, müəyyən şəraitdə mayenin, qazın həcmi və təzyiqi dəyişir. Temperaturdan asılı olaraq cisimlərin başqa parametrləri dəyişir. Bu dəyişikliklərin hər biri temperaturun ölçülməsi üçün istifadə oluna bilər. Sistemin parametrini temperaturdan asılı olaraq ölçdükdə temperatur dəyişməsi haqqında fikir söyləmək olur, temperaturun özü kəmiyyətcə təyin olunmur. Onu təyin etmək üçün obyektiv fiziki hadisəyə əsaslanmaq lazımdır. Belə hadisə olaraq müəyyən şəraitdə suyun donması, onun qaynaması, kristalın əriməsi, sabit maqnitin maqnitsizləşməsi və s. götürülə bilər. Göstərilən hadisələr müəyyən şəraitdə sabit temperaturlarda baş verir. Bu temperaturları kəmiyyətcə bir-birilə müqayisə etmək olar. Bu məqsədlə götürülmüş ölçü cisminin xassələrinin temperaturdan asılılığı eyni tərzdə, monoton olmalıdır. Belə ölçü cismi termometrik cisim, onun temperaturdan asılı olan xassəsi isə termometrik kəmiyyət adlanır. Məsələn, civə termometrik cisim, onun həcmi isə termometrik kəmiyyətdir. Termometrik cisim özü ölçdüyü temperaturu dəyişməməlidir. Ona görə də onun ölçüsü və kütləsi çox kiçik olmalıdır. Məsələn, nazik borunun içərisinə tökülmüş az miqdarda civə temperaturu ölçüləcək nöqtənin halını dəyişə bilməz. Ona görə də o, temperaturu ölçmək üçün istifadə oluna bilər. Borunu donmaqda olan suyun içərisinə saldıqda civənin borudakı səviyyəsini 0 , qaynayan suyun içərisinə saldıqda civənin borudakı səviyyəsini 100o ilə işarə etməklə bu iki hadisənin temperaturu təyin olunur. 0o -la 100o arasındakı aralıq 100 bərabər hissəyə bölünür. Belə hazırlanmış cihaz civəli termometr, bu temperatur şkalası isə Selsi şkalası adlanır. Bu şkala praktikada ən çox işlədilən temperatur şkalasıdır. Bu şkala iki fiziki hadisənin baş vermə temperaturlarına əsasən hazırlanmışdır. Bu temperaturlar reper nöqtələri adlanır. Selsi şkalasının reper nöqtələri, yəni suyun normal şəraitdə donma və qaynama temperaturları yüksək dəqiqliklə təyin oluna bilmir. Təcrübələr göstərdi ki, suyun üçlük nöqtəsini daha dəqiq təyin etmək olur. Bu nöqtəyə, yəni bir reper nöqtəsinə əsasən qurulmuş temperatur şkalası Kelvin şkalası və ya mütləq temperatur şkalası adlanır. Bu şkalada reper nöqtəsi 273,16 Knə uyğun gəlir. Bu şkalada termometrik cisim olaraq ideal qaz, termometrik kəmiyyət olaraq qazın həcmi ilə onun təzyiqinin hasili götürülür. Boyl-Mariott qanununa görə bu hasil verilmiş qaz kütləsi üçün yalnız temperaturdan asılıdır və onunla düz mütənasibdir. Temperatur sıfır olduqda hasil sıfır olur. Həcm sıfır ola bilməz, ona görə də təzyiq sıfır olmalıdır. Təzyiq atom və molekulların hərəkəti ilə əlaqədar olduğu üçün demək olar ki, həmin temperaturda hərəkət olmur. Hərəkətin kəsildiyi temperatur mütləq sıfır nöqtəsi adlanır.

Deməli, mütləq sıfır nöqtəsində atom və molekulların istilik hərəkəti kəsilir, lakin hələ müəyyən növ hərəkət qalır. Bu hərəkətə uyğun enerji sıfırıncı enerji adlanır.

Mütləq sıfır ən aşağı temperatur qəbul edilir. Yuxarıda qeyd edildi ki, ən aşağı nöqtəsi mütləq sıfıra üyğun gələn şkala mütləq temperatur şkalası və ya Kelvin şkalası adlanır. Bu şkala ilə ölçülmüş temperatur həmişə müsbət qiymətlə ifadə olunur. Bu şkala dəqiq olaraq yalnız termodinamikanın ikinci qanunu əsasında qurula bilər. Düzdür, ideal qaz termometri müəyyən temperatur intervalında belə şkalanı ödəyir. Lakin çox aşağı (mütləq sıfıra yaxın) və çox yuxarı temperaturda qaz nə qədər seyrək olsa da ideal qaz qanunlarına tabe olmur. Aşağı temperaturlarda mayeləşir, yuxarı temperaturlarda dissosiasiya edir, ionlaşır və s.

Temperaturun ölçülməsi onun statistik xarakterli kəmiyyət olmasına əsaslanmışdır. Temperaturu təyin etdikdə gözləmək lazımdır ki, makroskopik sistemlə termometrik cisim arasında termodinamik tarazılıq yaransın. Zamandan asılı olmayaraq makroskopik sistemin halı sabit qalarsa, onun halı termodinamik tarazlıq halı adlanır. Makroskopik sistem termodinamik tarazlıqda olduqda onun bütün hissələrində temperatur və təzyiq eyni qiymətə malik olur. Termodinamik tarazlıqda olan makroskopik sistemin makroskopik parametrləri sabit qalır, mikroskopik parametrləri, məsələn, molekulların koordinatları, sürəti zaman keçdikcə dəyişə bilər.

Makroskopik sistemin bir termodinamik haldan digərinə keçməsi termodinamik proses adlanır. Bu keçid çox kiçik sürətlə baş verərsə, yəni elə sürətlə ki, ardıcıl keçidlərdə sistemin termodinamik parametrlərinin dəyişməsi sonsuz kiçik olsun, belə prosesə tarazlı proses deyilir. Tarazlı prosesin bütün mərhələlərində sistem termodinamik tarazlıq halında olmalıdır. Əgər bu şərt ödənməzsə sistemin bir haldan digər hala keçidi qeyri-tarazılı proses olur. Belə prosesdə sonlu müddətdə sistemin termodinamik parametrləri sonlu dəyişikliyə məruz qalır, yəni termodinamik tarazlıq pozulur. Böyük sürətlə gedən proseslərdə makroskopik sistem tarazlıq halı əldə etməyə vaxt tapmır. Məsələn, normal şəraitdə 1 m3 həcmində olan qazda təzyiqin bütün hissələrdə bərabərləşməsi üçün 10-3 san vaxt tələb olunursa (bu bərabərləşmə səsin qazda yayılma sürətilə baş verir), temperaturun bərabərləşməsi üçün 105 san vaxt tələb olunur. Bu misal göstərir ki, tarazlı proses əldə etmək üçün makroskopik sistem bir haldan digər hala nə qədər kiçik sürətlə keçməlidir.

Fizikanın başqa bölmələrində olduğu kimi molekulyar fizikada da öyrənilən obyektlərin və proseslərin modelindən istifadə edilir. Bu modellərdən biri ideal qaz modelidir. Aralarında qarşılıqlı təsir olmayan maddi nöqtələr toplusu ideal qaz adlanır. Çox seyrəldilmiş və temperaturu kifayət qədər yüksək olan ixtiyari qaz ideal qaz kimi qəbul edilə bilər. Əsas şərt ondan ibarətdir ki, qaz molekulları arasında qarşılıqlı təsir olmasın və ya çox az olsun. Məlumdur ki, qaz molekullarının effektiv diametri 10-10 m tərtibindədir, onlar arasında qarşılıqlı təsir məsafəsi də təqribən belədir. Qarşılıqlı təsir enerjisi məsafə artdıqda kəskin azalır. Məsələn, normal şəraitdə əksər qazların konsentrasiyası (vahid həcmə düşən molekulların sayı) 1025 m-3, onlar arasındakı məsafənin orta qiyməti isə 10-8 m-dir, yəni molekulların effektiv diametrindən təqribən 100 dəfə böyükdür. Birbirindən belə böyük məsafədə olan molekullar arasındakı qarşılıqlı təsiri nəzərə almamaq olar. Ona görə də atmosfer təzyiqində və temperaturu 273 K ətrafında olan ixtiyari real qaza ideal qaz kimi baxmaq olar.

İdeal qaz makroskopik sistem olduğu üçün onun halı termodinamik parametrlərlə xarakterizə olunur. Xarici təsir olmadıqda bu parametrlər təzyiq, həcm və temperaturdur. Bu parametrlərdən təzyiq və temperatur bilavasitə qazın daxili halını ifadə edir. Çünki onlar qazın enerjisi ilə təyin olunurlar. Həcm isə qazın xarici parametri adlanır. Qaz olan qabın divarlarının yerini dəyişdikdə onun həcmi dəyişir. Həcmin dəyişməsi qazın təzyiqinin və temperaturunun dəyişməsinə səbəb olur. Deməli, bu üç parametr bir-birilə əlaqədardır.

Seyrəldilmiş qazlarla aparılmış təcrübələr nəticəsində ideal qazları xarakterizə edən bu termodinamik parametrlər arasında əlaqələr müəyyən edilmişdir. Bu əlaqələr aşağıdakı qanunlar şəklində verilmişdir.