Qazların kinetik nəzəriyyəsi hər bir maddənin atomlardan və ya molekullardan ibarət olduğunu və bu atomların və ya molekulların davamlı, təsadüfi hərəkətdə olduğunu bildirir. Bu kinetik nəzəriyyə qazı təşkil edən atomların və ya molekulların vəziyyətinə və şərtlərinə uyğundur. Qazı təşkil edən atomlar və ya molekullar arasındakı cazibə qüvvələri çox zəifdir, buna görə də atomlar və ya molekullar sərbəst hərəkət edə bilərlər.
Hərəkət edərkən atomlar və ya molekullar sürətə malikdirlər. Atomlar və ya molekullar da kütləyə malikdirlər. Kütlələri (m) və sürətləri (v) olduğundan, atomlar və ya molekullar kinetik enerjiyə (EK) və impulslarına (p) malikdirlər. Kinetik enerji : EK = 1⁄2 mv2 Halbuki momentum : p = m v. Kinetik enerji və impulsdan əlavə, qüvvə də (F) mövcuddur. Sərbəst hərəkət edərkən toqquşmalar qaçılmaz olaraq baş verir. Beləliklə, toqquşma baş verdikdə impulsun dəyişməsi səbəbindən qüvvə yaranır. İmpuls və impuls haqqında müzakirəni xatırlayın. Kinetik enerji, impuls və impuls qüvvəsi dinamika materialında (Nyuton qanunları, impuls və impuls) müzakirəmizin əsasını təşkil edir. Deyə bilərik ki, qazların kinetik nəzəriyyəsi əslində qaz maddələrinin atom və ya molekulyar səviyyəsində dinamika elmini tətbiq edir.
İdeal Qaz Konsepsiyası (qazların makroskopik xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq)
Qaz qanunlarının müzakirəsində real qazların makroskopik xüsusiyyətlərini təsvir edən üç kəmiyyət izah edildi. Bu üç kəmiyyət Temperatur (T), Həcm (V) və Təzyiq (P)-dir. Bu üç makroskopik kəmiyyət arasındakı əlaqə Boyl qanunu, Çarlz qanunu və Gey-Lussak qanununda ifadə olunur. Qeyd etmək lazımdır ki, bu üç qanun yalnız nisbətən aşağı təzyiqə və sıxlığa (sıxlıq = kütlə / həcm) malik real qazlara aiddir. Bu üç qanun həmçinin yalnız temperaturu qaynama nöqtəsinə yaxınlaşmayan real qazlara da aiddir.
Boyl qanunu, Çarlz qanunu və Gey-Lussak qanunu bütün real qaz şəraitlərinə tətbiq olunmur, ona görə də ideal qaz modeli yarada bilərik. İdeal qazlar gündəlik həyatda mövcud deyil; onlar sadəcə sərt cisimlərə və ideal mayelərə bənzər şəkildə təhlilimizə kömək etmək üçün qəsdən yaradılmış mükəmməl formalardır. Buna görə də, Boyl qanununun, Çarlz qanununun və Gey-Lussak qanununun bütün ideal qaz şəraitlərinə tətbiq olunduğunu fərz edirik. İdeal qaz modelinin mövcudluğu bizə makroskopik qaz miqdarları arasındakı əlaqəni araşdırmağa kömək edir.
İdeal qaz qanunu iki tənliklə ifadə olunur: PV = nRT (mollarda ideal qaz qanunu) və PV = NkT (molekullarda ideal qaz qanunu). Fərz edirik ki, ideal qaz bu tənliklərin hər ikisini ödəyir. Başqa sözlə, ideal qaz qanunu bütün ideal qaz şərtlərinə, həm ideal qazın təzyiqi və ya sıxlığı çox böyük olduqda, həm də ideal qazın temperaturu qaynama nöqtəsinə yaxın olduqda tətbiq olunur. Əksinə, ideal qaz qanunu bütün real qaz şərtlərinə tətbiq olunmur. İdeal qaz qanunu yalnız real qazın təzyiqi və sıxlığı çox böyük olmadıqda tətbiq olunur. İdeal qaz qanunu da yalnız real qazın temperaturu qaynama nöqtəsinə yaxın olmadıqda tətbiq olunur. Bu qısa təsvirə əsasən deyə bilərik ki, real qazlar ideal qazlara bənzər xüsusiyyətlərə yalnız real qazın sıxlığı və təzyiqi çox böyük olmadıqda və real qazın temperaturu qaynama nöqtəsinə yaxın olmadıqda malikdir.
Yuxarıda izah edilən ideal qaz anlayışı makroskopik baxımdan araşdırılır. İdeal qaz yalnız ideal model olsa da, yenə də sərbəst hərəkət edən atomlardan və ya molekullardan ibarət qaz hesab olunur. Buna görə də, ideal qaz anlayışını mikroskopik baxımdan da müzakirə etmək faydalı olardı.
İdeal Qaz Konsepsiyası (qazların mikroskopik xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq)
Aşağıda Qazların Kinetik Nəzəriyyəsinə əsaslanan ideal qazın mikroskopik şərtlərini təsvir edən qısa təsvir verilmişdir:
1. İdeal qaz molekul adlanan hissəciklərdən ibarətdir. Molekulların sayı çox böyükdür. İdeal qaz molekulları bir və ya bir neçə atomdan ibarət ola bilər. Hər bir molekulun kütləsi (m) var və müəyyən bir sürətlə (v) bütün istiqamətlərdə təsadüfi hərəkət edir.
2. Hər molekul arasındakı məsafə hər molekulun diametrindən böyükdür.
3. Bu molekullar hərəkət qanunlarına tabe olur və toqquşma baş verdikdə bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərir.
4. Molekullar və ya molekullar ilə qabın divarları arasında toqquşmalar mükəmməl elastik toqquşmalardır və hər toqquşma çox qısa müddətdə baş verir.
Mükəmməl elastik toqquşmada enerjinin qorunması qanunu (toqquşmadan əvvəlki enerji = toqquşmadan sonrakı enerji) və impulsun qorunması qanunu (toqquşmadan əvvəlki impuls = toqquşmadan sonrakı impuls) tətbiq olunur.
Qazların Kinetik Nəzəriyyəsi üçün İmpuls-Toqquşma İcmalı
Qazın makroskopik və mikroskopik miqdarları arasındakı kəmiyyət əlaqəsini nəzərdən keçirin. Qazın makroskopik xüsusiyyətlərini təsvir edən kəmiyyətlər temperatur (T), həcm (V) və təzyiq (P)-dir. Bu arada, qazın mikroskopik xüsusiyyətlərini təsvir edən kəmiyyətlər qazı təşkil edən atomların və ya molekulların sürəti və ya sürəti (v), impulsu (p), qüvvəsi (F) və kinetik enerjisidir (EK).
Bu əlaqəni əldə etməyə kömək etmək üçün qapalı qabda bir sıra qaz molekullarını nəzərdən keçirək. Qutunun yan uzunluğu l, en kəsiyinin sahəsi isə A-dır.
Molekulların kütləsi (m), hərəkət etdikdə isə sürəti (v) olur. Qab bağlı olduğundan, səth sahəsi A olan molekullarla qabın divarları arasında toqquşma ehtimalı var.
Təhlili sadələşdirmək üçün sadəcə sol divarda (z oxuna paralel divar) baş verən toqquşmaları nəzərdən keçirək. Əvvəlcə tək bir molekulun yaşadığı toqquşmaları nəzərdən keçirək. Buna molekul 1 deyək. molekul 1-in kütləsi = m1 və hərəkət sürəti = v1Sola doğru hərəkət istiqaməti mənfi, sağa doğru hərəkət istiqaməti isə müsbət dəyərə təyin edilmişdir.
Konteynerin divarına dəyməzdən əvvəl molekulun hərəkətinin x oxuna paralel və hərəkət istiqamətinin sola olduğunu fərz edə bilərik. Buna görə də, x oxunda mənfi qiymətə (-v) malik sürət komponenti mövcuddur.1x ). Çünki kütləsi (m) var1) və sürət (-v1x), onda molekulun impulsu var (p1 = ‐m1 v1x). Bu, ilkin impulsdur. Molekul divara dəyəndə divara təsir qüvvəsi tətbiq edir. Təsir qüvvəsi olduğundan, divar reaksiya qüvvəsi tətbiq edir. Divardan gələn reaksiya qüvvəsi molekulun sağa sıçramasına səbəb olur. Hərəkət istiqaməti sağa doğru olduğundan, molekulun sürət komponenti müsbətdir (v1x). Toqquşmadan sonra molekulun impulsu: p-dir.2 = m1 v1xBu, son impulsdur.
Toqquşma nəticəsində impulsun dəyişməsinin böyüklüyü:
Ümumi impuls = son impuls - ilkin impuls
p cəmi = p2 - səh1
p cəmi = m1 v1x - (-m1 v1x )
p cəmi = 2m1 v1x
2m1 v1x = tək bir toqquşma üçün ümumi impuls. Molekulyar toqquşmalar mükəmməl elastik olduğundan, onlar yalnız bir dəfə deyil, dəfələrlə baş verir. Mükəmməl elastik toqquşmalarda enerjinin qorunması və impulsun qorunması qanunları tətbiq olunur. Toqquşmadan əvvəlki enerji və impuls = toqquşmadan sonrakı enerji və impuls. Buna görə də, molekullar heç vaxt hərəkətini dayandırmayacaqlar (enerji qorunur). Molekulların sürəti də heç vaxt azalmır (impuls qorunur).
Sol divarla toqquşduqdan sonra molekul sağ divarla toqquşana qədər sağa doğru hərəkət edir. Sağ divarla toqquşduqdan sonra molekul yenidən sol divarla toqquşmaq üçün sola qayıdır. Qutunun tərəfinin uzunluğu = l olduğundan, sol divarla ilk dəfə toqquşduqdan sonra molekul sol divarla ikinci dəfə toqquşmadan əvvəl 2l məsafə qət edəcək (2l = gediş-dönüş məsafəsi). 2l məsafəni hərəkət etdirərkən molekulun mütləq müəyyən bir zaman intervalına ehtiyacı olacaq (bunu delta t adlandıraq). Molekulun 2l məsafəni hərəkət etdirməsi üçün tələb olunan zaman intervalının miqdarı (delta t) riyazi olaraq belə yazılır:
Delta t hər toqquşma arasındakı zaman intervalıdır. Molekul divarla toqquşduqda, divara təsir qüvvəsi tətbiq edir. Təsir qüvvəsi yaşadığı üçün divar reaksiya qüvvəsi tətbiq edir. Bu reaksiya qüvvəsi molekulun yenidən sağa doğru hərəkət etməsinə səbəb olur. Bu halda molekulun hərəkət istiqaməti dəyişir. Əvvəlcə molekul sola (-v) hərəkət edir.1x), divara dəydikdən sonra molekul sağa doğru hərəkət edir (v1xHərəkət istiqamətindəki dəyişikliklər impulsda dəyişikliklərə səbəb olur (son impuls – ilkin impuls = m1 v1x – (‐m1 v1x) = 2m1 v1x). Deyə bilərik ki, impulsdakı dəyişiklik divarın təsir etdiyi ümumi qüvvə səbəbindən baş verir. Riyazi olaraq divarın təsir etdiyi ümumi qüvvənin böyüklüyü:
Yuxarıdakı qutuda yalnız bir molekul göstərilir. Bu, qutuda yalnız bir qaz molekulunun olması demək deyil. Əslində, çoxlu qaz molekulu var. Qutudakı bütün qaz molekullarına təsir edən ümumi qüvvənin böyüklüyü riyazi olaraq belədir:
F = F1 + F2 + F3 +….. + Fn
F1 = 1 molekulu üçün ümumi qüvvə
F2 = 2 molekulu üçün ümumi qüvvə
F3 = 3 molekulu üçün ümumi qüvvə
…… = və s.
Fn = 4 molekulu üçün ümumi qüvvə
Molekulların sayı çox böyükdür, ona görə də sadəcə n simvolu yazırıq. n = sonuncu molekul.
m1 = 1-ci molekulun kütləsi, m2 = 2-ci molekulun kütləsi, m3 = 3-cü molekulun kütləsi, mn = sonuncu molekulun kütləsi. m1 + m2 + m3 + ….. + mn = m (qutudakı qazın kütləsi). l = qutunun yan tərəfinin uzunluğu. Bütün molekullar eyni l məsafəni qət etməlidir.
v12x = 1 molekulunun sürəti, v22 x = 2 molekulunun sürəti, v33 x = 3 molekulunun sürəti, vn2 x = son molekulyar sürət. Hər bir molekulun sürəti fərqlidir, buna görə də bütün molekulların orta sürətini hesablamalıyıq. Molekulların orta sürətini hesablamaq üçün bütün molekulların sürətini molekulların sayına bölə bilərik. Qazların kinetik nəzəriyyəsində molekulların sayı adətən N simvolu ilə verilir. Riyazi olaraq, bütün molekulların orta sürəti aşağıdakı kimi yazılır:
Əvvəlki izahatda molekulların x oxuna paralel hərəkət etdiyi fərz edilirdi. Bu fərziyyə yalnız təhlili sadələşdirmək üçün irəli sürülmüşdür. Əslində, qutudakı bütün qaz molekulları bütün istiqamətlərdə təsadüfi hərəkət etmir. Hərəkətləri təsadüfi olaraq baş verdiyindən, x oxunda orta sürət komponentinə malik olmaqla yanaşı, molekulların y və ya z oxunda da orta sürət komponenti var. Beləliklə, qaz molekullarının orta sürəti = x oxu, y oxu və z oxundakı orta sürət komponentlərinin ümumi cəmidir. Riyazi olaraq, bu belə yazılır:
Molekullar təsadüfi hərəkət etdiyindən, x, y və z oxundakı sürət komponentləri eyni böyüklüyə malikdir. Riyazi olaraq, bu aşağıdakı kimi yazılır:
F = səth sahəsi A olan bir qabın divarlarına qaz molekulları tərəfindən tətbiq edilən qüvvənin böyüklüyü.
Təzyiq (P) və Mikroskopik Kəmiyyətlər Arasındakı Əlaqə
Təzyiq (P) qazın makroskopik xüsusiyyətlərini göstərən bir kəmiyyətdir. Qazın mikroskopik xüsusiyyətlərinə əsaslanan təzyiqi nəzərdən keçirin. Qaz molekullarının en kəsiyi sahəsi A olan bir divara göstərdiyi təzyiqin böyüklüyü:
Məlumat:
P = Təzyiq
N = Qaz molekullarının sayı
m = kütlə
v = Molekulların orta sürəti
V = qabın həcmi
