Molekulyar-kinetik nazariya

Gazning termodinamik xossalari, ushbu gazni tashkil qiluvchi atom yoki molekulalar harakatining o‘rtacha tezligiga bog‘liq.

Gaz tarkibidagi molekulalar bir-biridan ancha uzoq masofada erkin harakatlanadi va faqat o‘zaro to‘qnashgan lahzadagina o‘zaro ta’sirlashadi. Shu sababli molekula bunday to‘qnashuvlar orasida, to‘qnashuvdan keyin o‘z yo‘nalishini keskin o‘zgartirish sodir bo‘lgan holatlardagina qisqa muddat to‘g‘ri chiziqli harakat qiladi. Gaz molekulasining to‘g‘ri chiziqli harakat qiladigan qisqa masofasi o‘rtacha erkin masofa deyiladi. Gazning zichligi qancha katta bo‘lsa, tabiiyki, uning molekulari orasidagi masofa shunga monand ravishda qisqa bo‘ladi.

Qator fiziklarning sayi-harakatlari natijasida, XIX-asrning ikkinchi yarmida gazlarning strukturasiga oid atom-molekulyar nazariya anchayin rivojlanib, universial nazariyaga aylanishga ulgurdi. Yangi va universial nazariyaning asosida, gazlarning harorati, bosimi va hajmi singari makroskopik xossalarining, ushbu gazni tashkil qiluvchi molekulalarning soni, massasi va harakat tezliklari, ya’ni, mikroskopik xossalari bilan bog‘lab o‘rganish g‘oyasi yotardi. Molekulalar doimiy va muntazam harakatda bo‘lgani sababli, ular albatta molekulalar kinetik energiyaga ega bo‘ladi. Mazkur tasdiq tufayli, yangi nazariya molekulyar-kinetik nazariya nomini olgan.

Misol tariqasida bosimni olamiz. Istalgan vaqt lahzasida, gaz molekulalari o‘zi turgan idish devorlariga kelib urilib turadi. Har bir molekula kelib urilganida, o‘zining urilishi natijasidan idish devoriga juda kichik qiymatda bo‘lsa-da, harholda muayyan impuls beradi. Biroq, gazni tashil qiluvchi molekulalar millionlab sonda bo‘lgani uchun, ularning idish devoriga kelib urilishidan beradigan umumiy impulsi devorlarga sezilarli darajadagi kuch bilan ta’sir qiladi. Ushbu kuchni biz gaz molekulalarining idish devoriga bosimi tarzida qabul qilamiz. Masalan, avtomobil shinalari ichiga havo damlash orqali, atmosfera havosi molekulalarini shina ichida avvaldan mavjud bo‘lgan molekulalarga qo‘shimcha ravishda kiritib yuboramiz. Natijada, shina ichkarisidagi zich yopiq hajmda ko‘p sonli havo molekulalari to‘planadi. Ichkaridagi zichlik tashqi atmosfera havosi zichligidan katta bo‘ladi. Tor joyda turgan ko‘p sonli molekulalarning bir-biriga va shina devorlariga kelib urilishi ham tezlashadi. Shina tarang damlangan bo‘lib qoladi.

Nazariyaning mohiyati shundan iboratki, molekulalarning o‘rtacha erkin masofasiga asoslanib, ularning idish devorlari bilan to‘qnashish chastotasini hisoblashimiz mumkin bo‘lishi kerak. Ya’ni, molekulaning harakat tezligini bilgan holda, gazning o‘lchash mumkin bo‘lgan boshqa xossalarini aniqlash mumkin bo‘lsin. Boshqacha aytganda, molekulyar-kinetik nazariya bizga atom molekulalar olami va biz his qila oladigan makrodunyo orasida ko‘prik bo‘lib xizmat qilishi ko‘zda tutilgan.

Ushbu nazariya doirasida harorat tushunchasi ham xuddi shunday talqin qilinadi. Harorat qancha yuqori bo‘lsa, gaz molekulasining o‘rtacha tezligi ham shuncha baland bo‘ladi. Ushbu o‘zaro bog‘liqlik quyidagi formula yordamida ifodalanadi:

bu o‘rinda m — gazning bir dona molekulasi massasi; v — molekulaning issiqlik harakati o‘rtacha tezligi; T — gazning harorati (Kelvinda); k esa — Bolsman doimiysi.

Mazkur tenglama molekulyar-kinetik nazariyaning asosiy tenglamasi hisoblanadi va uning chap tarafi — molekulyar xossalarni, o‘ng tarafi esa makroskopik (o‘lchasa bo‘ladigan) xossalarini namoyon qiladi. Ya’ni, tenglama, gazning mikroskopik va makroskopik xossalari orasida to‘g‘ridan-to‘g‘ri bog‘liqlikni belgilaydi. Unga ko‘ra xulosa qiladigan bo‘lsak, gazning harorati gaz molekulalarining o‘rtacha tezligi kvadratiga teskari proporsional.

Molekulyar-kinetik nazariya shuningdek alohida olingan ayrim molekulalarning tezligini o‘rtacha qiymatdan faqr qilishi masalasiga ham yetarlicha batafsil javob beradi. Molekulalarning har bir o‘zaro to‘qnashuvi ular orasida energiyaning qayta taqsimlanishiga olib keladi. Ya’ni, to‘qnashuv natijasida, tezligi baland molekula sekinlashadi va aksincha, tezligi sust molekula tezlashadi. Bu esa, tezlikning o‘rtacha qiymatga yaqinlashishiga olib keladi. Har bir vaqt lahzasida gaz tarkibida molekulalarning shunday to‘qnashuvlari son-sanoqsiz millionlab marta sodir bo‘ladi. Shunga qaramay, ushbu nazariya bo‘yicha aniqlanishicha, belgilangan haroratda barqaror turgan gazda v tezlik va E energiyaga ega bo‘lgan molekulalarning o‘rtacha miqdori o‘zgarmas ekan. Buning sababi shundaki, statistik nuqtai nazardan qaralganda, E energiyaga ega bo‘lgan molekulaning o‘z energiyasini o‘zgartirib, boshqa energetik darajaga o‘tishi ehtimolligi, boshqa bir molekulaning o‘z energiyasini o‘zgartirib, aynan E energiyaga ega bo‘lish ehtimolligiga teng ekan. Shunga ko‘ra, E energiyaga ega bo‘lgan molekulalarning soni o‘zgarishsiz qolaveradi. Buni shunday misol bilan o‘xshatib tushuntirish mumkin: aytaylik o‘rta maktabda 10 yoshli bolalar soni bu yil 100 nafarni tashkil qiladi. Lekin, ushbu joriy yilda 10 yashar bo‘lgan bolalarning hech biri keyingi yili ham 10 yoshli bo‘lmaydi. Ularning hammasi keyingi yili 11 yoshga to‘ladi. Biroq, bu bilan maktabdagi 10 yoshli bolalarning umumiy soni keskin o‘zgarib qolmaydi. Chunki, keyingi yili ham albatta taxminan shu sondagi (misolimizda yuz nafar) 10 yoshli bolalar maktabda mavjud bo‘ladi.

Molekulalarning tezliklari bo‘yicha o‘rtacha taqsimlanishi haqidagi ushbu g‘oya va uning ta’rifi mashhur fizik olim — Jeyms Klark Maksvellga tegishlidir. Xabaringiz bo‘lsa, elektromagnit maydonlarni nazariy jihatdan mukammal tushuntirib bergan ilk olim ham aynan Maksvell bo‘lgan. Shuningdek Maksvell berilgan haroratdagi gaz molekulalarining tezligi qanday bo‘lishini hisoblashni ham yo‘lga qo‘ygan. Bunday taqsimotni Maksvell taqsimoti deyiladi. Unga ko‘ra, molekulalar asosan ushbu taqsimotning eng yuqori nuqtasiga muvofiq keluvchi energetik holatda bo‘ladi. Amalda esa, molekulalarning tezligi anchayin katta diapazonda o‘zgaradi.