Стефан-Больцман заңы

        Стефан-Больцман заңы– тепе-тең сәуле шығарудың толық көлемдік тығыздығының тұрақты шама және соған байланысты дененің толық сәуле шығарғыштық қабілетінің абсолют температураның төртінші дәрежесіне пропорционал екендігін тұжырымдайтын заң. Бұл заңды 1879 жылы австриялық физик Й.Стефан тәжірибелік деректерге сүйеніп, кез келген дененің сәуле шығарғыштық қабілеті үшін өрнектеп берді. Бірақ кейінгі жүргізген өлшеулер қорытындысы Стефан-Больцман заңының тек абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті үшін ғана орындалатындығын көрсетті. 1884 жылы Стефан-Больцман заңын Л.Больцман (1844 – 1906) теория жолмен қорытып шығарды. Алайда және тұрақтыларының мәнін теория жолмен тек Планк заңының негізінде ғалына анықтауға болады, өйткені Стефан-Больцман заңы Планк заңының салдары ретінде шығады. Стефан-Больцман заңы жоғары температураны өлшеу кезінде пайдаланылады.

          Стефан - Больцман және Винн заңдары 1879 жылы австриялық физик И. Стефан тәжірибелердің нәтижелерін зерделей отырып, ал 1884жылы А. Больцман теориялық зерттеуге термодинамикалық тәсілді қолдана отырып, мынаны тағайындады: абсолют қара дененің интегралдың энергетикалық жарқырауы абсолют температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал: R = σT4,

        Бұл — Стефан-Больцман заңы. Мұнда σ = 5,67 • 10-8Вт/м2К4 - Стефан-Больцман тұрақтысы деп аталады. өрнегінен абсолют қара дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы тек температураға тәуелді екеінін көреміз. Бірақ, бұл заң абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік құрамы туралы ештеңе айтпайды. Сондықтан алдымен тәжірибе жүзінде арнайы зерттеулер жүргізілді.

           Суреттен абсолют қара дененің сәулелену спектрінде энергияның таралуы біркелкі емес екені байқалады. Барлық қисықтарда айқын максимум бар, ол температура өскен сайын қысқа толқындар (үлкен жиіліктер) жайына қарай ығыса береді. Осы себепті де металл кесегін қыздырғанда, ол алдымен, қызыл, содан соң қызғылт сары, содан кейін ақ сары жарық шығарады. Әрбір қисық пен абсциссалар осінің арасында жатқан аудан берілген Т температурадағы интегралдық энергетикалық жарқырау R- ға тең. Бұл аудан (яғни R) Стефан-Больцман заңы бойынша температураның 4-дәрежесіне тәуелді (Т4 - не пропорционал) өседі.

      Неміс физигі Винн абсолют қара дененің сәулелену қабілетінің максимумы сәйкес келетін жиіліктің температураға тәуелділігін тағайындайды:

       Абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауының спектпрлік тығыздығының максимумына сәйкес келетін жиілік дененің абсолют температурасына тура пропорционал. Әдетте, Винн заңын жиілік емес, толқын ұзындығы арқылы мына түрде жазады:

мұндағы b=2,9 -103 м•К — Винн тұрақтысы деп аталады.

       Абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік заңдылықтарын алғаш рет теориялық түрде дұрыс негіздеген Макс Планк. Ол үшін оған кванттық гипотезаны енгізуге тура келді. Бұл классикалық физикаға мүлде жат тұжырымдама еді. Классикалық физикада кез келген жүйенің энергиясы үздіксіз өзгереді. Ал Планктің кванттық гипотезасы бойынша энергия "үлестермен", дискретті түрде ғана шығарылады. Энергия "үлесін" квант деп атайды. Әр кванттың энергиясы жиілікке пропорционал:  E = hν

мұндағы һ = 6,626 1034Дж*с — Планк тұрақтысы деп аталатын фундаментал (жарық жылдамдығы, элементар заряд секілді) тұрақты шама.

       Қатты қызған денелердің сәулеленуі түрлі жарықтандыру құралдарын жасауда қолданылады. Мысалы, кәдімгі электр шамының вольфрам қылы өте жоғары температураға (-3000К) дейін қыздырылуы нәтижесінде жарық шығарады. Түрлі техникалық қажеттіліктер үшін доғалық шамдар пайдаланылады.

         Қатты қызып тұрған денелердің температурасын Стефан-Больцман заңының негізінде жасалған құралдармен өлшейді. Мұндай тәсілді оптикалық пирометрия, ал аспаптарды пирометрлер дейді.

      Жылудидар (тепловизор) деп аталатын құралдардың көмегімен денелердің инфрақызыл сәулелерін "көруге" болады. Осы сәулелердің көмегімен түрлі заттардағы өте ұсақ сызаттарды, ақауларды анықтайды және бұл тәсілдер өндірісте, түрлі технологиялық процестерде, автосервисте сапаны анықтауға мүмкіндік береді. Медицинада ИК (инфрақызыл) — термография әдісімен адам ағзасындағы қабыну, ісіктер немесе қан айналуының бұзылуы сияқты көптеген ауруларды анықтаптауып, оны емдейді.

         Физика - табиғат туралы ғылым ретінде «бірінші ұстаз» атанған гректің ұлы ойшылы Аристотельдің шығармаларында баяндалды.

        «Физика» грекше фюзис-табиғат дегенді білдіреді. Бұл сөздің ғылыми мағынасын байытуда тарихта «екінші ұстаз» атанған біздің ұлы бабамыз - Әбу Насыр әл-Фарабидің еңбегі зор. Ал орыс тіліне «физика» деген сөзді алғаш енгізген ұлы ғалым М.В. Ломоносов болатын. Физиканың негізгі мақсаты - табиғатта болып жатқан әр түрлі физикалық құбылыстарды зерттеп, оларды өзара байланыстыратын заңдарды ашу. Мысалы, дененің жерге құлап түсуі Жердің оны өзіне тартуына байланысты туындайды. Жылдың төрт мезгілінің (қыс, көктем, жаз, күз) ауысуы Жердің Күнді айнала эллипс бойымен қозғалуы арқылы түсіндіріледі. Бұл мысалда төрт түрлі табиғат құбылыстары (дененің құлауы, Жердің тартуы, жыл мезгілдерінің ауысуы, Жердің Кунді айнала қозғалуы) аталып отыр. Осындай құбылыстардың арасындағы байланыстарды зерттей келе, физикада Ньютон заңдары, астрономияда Кеплер заңдары ашылды. Осылайша табиғат құбылыстары арасындағы байланыстарды табу арқылы физика заңдары ашылады.  Физиканың ғылыми тілін игеріп, заңдарын оқып үйрену үшін қолданылатын арнайы сөздерді терминдер деп атайды. Мысалы, жол, жылдамдық, куиі сияқты сөздер физика тілінде жиі қолданылатын терминдер болып табылады. Физикалық құбылыстар мен заңдылықтардың мағынасын терең ашып беретін арнайы терминдер физикалық ұғымдар деп аталады. Мысалы, физикада материя, дене, зат сияқты ұғымдар жиі қолданылады. Әлемде не бар болса, соның бәрі материя деп аталады. Мысалы, материяға өсімдіктер мен жануарлар, Ай мен Күн, жұлдыздар мен планеталар, сондай-ақ жарық және басқа да сәулелер жатады. Кеңістікте белгілі пішіні және нақты көлемі бар жеке тұрған нәрсе дене деп аталады. Мысалы, Ай, қасық, өшіргіш, үстел, судың тамшысы денелер болып табылады. Дене белгілі бір заттардан тұрады. Дененің шығу табиғатын және сапалық қасиеттерін сипаттайтын материя түрін зат деп айтады. Мысалы, затқа күміс, су және ауа жатады. Үстел - дене болса, оны құрайтын ағаш - зат. Шеге - дене, шегені құрайтын темір - зат. Ағаш та, темір де дененің сапалық қасиеттерін сипаттайды.

Дене бір ғана заттан түзілуі мүмкін. Мысалы, су, оның буы және мүз - бұлардың барлығы да бір ғана заттан тұрады. Алайда, бір тамшы су мен мүз кесегі дене деп қарастырылады да, бу тек зат болып есептеледі. Өйткені будың денеге тән нақты көлемі және пішіні жоқ.

Молекулалық Физика

       Молекулалық физика – физиканың әр түрлі агрегаттық күйдегі заттардың физикалық қасиеттерін олардың молекулалық құрылысы негізінде зерттейтін саласы. Молекулалық физиканың ең алғаш қалыптасқан бөлімі – газдардың молекулалық-кинетикалық теориясы. Бұл теория 1858 – 60 жылдары Дж.Максвеллдің, 1868 жылы Л.Больцман және 1871 – 1902 жылдары Дж.Гиббс еңбектерінің нәтижесінде классикалық - статистикалық физика болып қалыптасты. Молекулалардың өзара әсері (молекулалық күштер) жөніндегі сандық мәліметтер капиллярлық құбылыстар теориясында: 1743 жылы А. Клероның, 1805 жылы Т.Юнгтың, 1806 жылы П.Лапластың, С.Пуассонның, т.б-дың классикалық еңбектерінде дамытылып, беттік құбылыстар теориясының жасалуына негіз болды. Голланд физигі Я.Ван-дер-Ваальс нақты газдар мен сұйықтықтардың физ. қасиеттерін түсіндіру үшін молекула аралық өзара әсер ұғымын (1873) пайдаланып нақты газдардың күй теңдеуін (Ван-дер-Ваальс теңдеуі) қорытып шығарды. 1906 жылы француз физигі Ж.Перрен мен швед ғалымы Т.Сведбергтің, 1904 – 06 жылы поляк физигі М.Смолуховский мен А.Эйнштейннің микробөлшектердің броундық қозғалысына және заттардың молекулалық құрылысына арналған зерттеу жұмыстары кез келген заттың молекулалардан тұратындығының айғағы болды. Осы мақсатта көптеген ғалымдар алғашқыда заттарға түсірілген рентген сәулесінің дифракциясын, кейіннен электрондар мен нейтрондар дифракциясын пайдаланып, нәтижесінде қатты денелер мен сұйықтықтардың құрылысы жөнінде нақты мәліметтер алды. Кванттық механикада молекула аралық өзара әсер туралы ілім 1927 жылы Ф.Лондонның, 1927 жылы В.Гейтлердің, 1930 жылы П. Дебайдың, 1937 – 39 жылы М.Борнның еңбектерінде дамытылды. 19 ғасырда Я.Ван-дер-Ваальс пен У.Томсон (Кельвин) байқаған және Дж.Гиббс пен 1937 жылы Л.Ландаудың еңбектерінде дамытылған бір агрегаттық күйден екінші агрегаттық күйге ауысу теориясы фаза түзілудің қазіргі теориясына айналды; сөйтіп ол молекулалық физиканың маңызды жеке тарауы болып қалыптасты. Я.И. Френкельдің, Дж.Берналдың, т.б. еңбектерінде статистик. әдістің заттардың құрылымы жөніндегі көзқараспен біріктірілуі сұйықтықтар мен қатты денелердің молекулалық физикасының дамуына үлкен әсер етті.

Молекулалық физика нені қамтиды ?

        Мұнда газдардың, сұйықтықтардың және қатты денелердің құрылысы, олардың сыртқы әсерлердің (қысым, темп-ра, электр және магнит өрістері) нәтижесінде өзгеруі, тасымалдау құбылысы (диффузия, жылуөткізгіштік, ішкі үйкеліс), фазалық тепе-теңдік және ауысу процестері (кристалдану және балқу, булану және конденсация, т.б.) заттардың кризистік күйі, әр түрлі фазалардың бөліну шекараларындағы беттік құбылыстар қарастырылады. 20 ғасырда молекулалық физиканың жедел қарқынмен дамуы нәтижесінде одан статистикалық физика, физ. кинетика, қатты денелер физикасы, физ. химия тәрізді ірі, өз алдына дербес салалар бөлініп шықты. Қазіргі ғылым мен техниканың жаңа заттар мен материалдарды кеңінен пайдалануының нәтижесінде заттар құрылысын зерттеудің сан алуан әдістері пайда болды. Заттардың және олардың зерттеу әдістерінің әр түрлі болуына қарамастан молекулалық физика заттар құрылысының микроскопиялық (молекулалық) сипатына негізделе отырып, олардың макроскопиялық қасиеттерін зерттейді.

        Идеал газ – бөлшектерінің өзара әсері ескерілмейтін газдың теориялық моделі.Ол классикалық идеал газ және кванттық идеал газ болып ажыратылады. Классикалық идеал газдың қасиеттері классикалық физика заңдарымен – Клапейрон теңдеуімен, сондай-ақ оның дербес түрлері Бойль – Мариотт заңы және Гей-Люссак заңымен сипатталады. Классикалық идеал газ бөлшектерінің энергиясы Больцман үлестірілуіне сәйкес болып үлестіріледі. Жеткілікті дәрежеде сиретілген реал газдар классикалық идеал газдың моделімен жақсы түсіндіріледі. Газдың температурасы төмендеген немесе оның тығыздығы артқан кезде идеал газ бөлшектерінің толқындық (кванттық) қасиеттері елеулі рөл атқара бастайды. Бүтін санды спинді бөлшектерден құралған кванттық идеал газдың қалпы (күйі) Бозе – Эйнштейн статистикасымен, ал жарты бүтін санды спинді бөлшектерден құралған кванттық идеал газдың қалпы (күйі) Ферми – Дирак статистикасымен сипатталады.

мұндағы R - меншікті газ тұрақтылығы. Мұндағы шамалар мына бірлікте: Р - Н/м2, v - м3/кг; Т - К, R - Дж/(кгК). Теңдеу біртекті газдардың қалай болса солай алынған санына m арналғанын, басқа түріндегі теңдеуін пайдалана отырып жазуға болады:

Бұл теңдеу, идеалды газдарға арналған Клапейрон-Менделеев теңдеуі деп аталады. Мейлі, М газдың молярлы массасы, кг/моль, өлшенеді. Авогадро заңы бойынша, идеалды газдың 10-3 көлемі - қандай да химиялық құрамындағы р және t бірдей кезінде, дәл өзі болады. Белгілі, қысым кезінде р0 = 101,33 Па (760 мм.сын.бағ.) және температурада T0=273,16К (нормалы физикалық күйде), газ көлемі 10-3 моль кезінде, Vm = 22.4116 м3. р0, Vm, Т0 және M=m мәндерін теңдеуіне ауыстырып қойып табамыз:

Мұндағы R* барлық газдар үшін бірдей және оны, эмбебапты газ тұрақтылығы деп атайды.

Идеалды газдар қоспасы

       Жылулықты қолданатын машиналардың жұмыстық денесі ретінде, әртүрлі газдардың қоспасын қолданады.

     Олар үшін, Rқос болуы қажет. Әрбір құрамды бөлікке кіретін қоспалар, қоспаның толық көлемімен толады, бірақ, онда олар өзінің парциалды қысымында болады:

      Газды қоспаның т массасы үшін, дұрысында дәл осындай түріндегі теңдеу түрі:

      Бірақта, меншікті газ тұрақтылығы R, мұндағы қоспалар құрамына байланысты және бір және сол газдар қоспалары, олардың құрамдары өзгерген кезде, әртүрлі мәндерінде болады. Қоспалардың, меншікті газ тұрақтыларын былай анықтайды. Қоспалар п, әртүрлі құрамды бөлікті газдардан тұрғандағы, әрқайсысының m1, m2, m3, ...., mn массасында болғанда, қоспа массасын, мына түрінде шешеді:

        Жеке құрамды (газдар) парциалды қысымдарды Р1, Р2, Рз,…, Рn деп белгілейді. Газды қоспалардың, жеке газдардағы парциалды қысымы ұғымындағы қысым сол санында, сол көлемде және сондай температура кезінде, қоспа жағдайымен бірдей болуы тиіс. Сондықтан, біртекті газдар үшін мына теңдікте жүреді

................................

Осы теңдіктердің оң және сол бөліктерін мүшелеп қосып, табамыз:

m1R1 + m2R2 + m3R3 + ... + mnRn = mR деп белгілеп табамыз.

Газ қоспаларының техникалық көрсеткіштерін, сонымен қатар, оның көлемдік құрамының көмегімен жиі анықтайды, оны анықтау былай қабылданған. Қоспа қысымы Р мен Т температурасы кезіндегі, әрбір қоспаның құрамды бөлшектерін жеке түрінде қарастырамыз. Сонымен, құрамды бөлшектердің парциалды көлемдері V1, V2, V3, ,...Vn жағдай теңдеуіне сәйкес, қатаң түрде белгілі мәндерде болуы тиіс:

................................

           Осы теңдеулерді қосып мүшелеп табамыз:

Формула газ қоспасының көлемдік құрамын анықтау негізіне жатады. Одан:

Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы

             Денелердің жылу сыйымдылығы дегеніміз, оның температурасын 1°К өзгертуге арналған, қажетті жылу санын айтады. Заттардың санына байланысты, мына меншікті жылу сыйымдылығын пайдаланады: С - массалы жылу сыйымдылығы, бір килограмм массаның Дж/(кгК) жатуы; МС - молярлы жылу сыйымдылығы, 1 мольдың Дж/(к мольК) жатуы;

С’ - көлемдік жылу сыйымдылығы, 1 м3 Дж/(м3К) нормалы жағдайда жатуы

      P=const кезіндегі, массалы жылу сыйымдылығы, Ср - белгілейді және оны изобарлы деп атайды, ал V=const кезіндегісін Cv - белгілеп және оны изохорлы деп атайды. Ср және Cv аралық байланысын Майер теңдеуі арқылы беріледі:

Молярлы жылу сыйымдылығы үшін Майер теңдеуі, мына түрде болады:

8,314 - әмбебапты газ тұрақтылығы, кДж/(к мольК)

        K - адиабаттар көрсеткіші.

         Қысым бір дене екінші дене бетіне (мысалы, ғимарат іргетасының грунтқа, сұйықтықтың ыдыс қабырғасына, қозғалтқыш цилиндріндегі газдың піспекке, т.б.) әсер еткенде пайда болатын қалыпты күштің (дене бетіне перпендикуляр) қарқындылығын сипаттайтын физикалық шама. Егер денеге әсер ететін күш оның бетіне біркелкі таралса, онда қысым (р) былай өрнектеледі:

Мұндағы S – дене бетінің күш түсетін бөлігінің ауданы, F – сол бөлікке перпендикуляр түсірілген күштердің қосындысы. Күш біркелкі таралған жағдайда қысым дене бетінің барлық нүктесінде бірдей болады, ал күш біркелкі таралмаса, онда қысым бір нүктеден екінші нүктеге өткен сайын өзгеріп отырады. Тұтас, үздіксіз орта үшін сол ортаның әрбір нүктесінің қысымы туралы ұғым енгізіледі. Бұл ұғым сұйықтық пен газ механикасында маңызды рөл атқарады.Тыныштықтағы сұйықтықтың кез келген нүктесінің барлық бағытындағы қысымы бірдей болады. Бұл жағдай қозғалыстағы идеал (үйкеліссіз қозғалатыс) сұйық пен газ үшін де орындалады. Тұтқыр сұйықтықтың берілген нүктедегі қысымы ретінде өзара перпендикуляр үш бағыттағы (х, у, z – осьтері бағытындағы) қысымның орташа мәні р = (рх+ру+рz)/3 алынады. Газдардың кинетикалық теориясы бойынша, газды ортадағы қысым жылулық қозғалыстағы газ молекулаларының бір-бірімен, газдағы денелермен және ыдыс қабырғаларымен соқтығысуы кезінде импульстың берілуімен байланысты болғандықтан мұны “жылулық” қысым деп атайды. Ол газдың абсолют температурасы (Т) мен бірлік көлемдегі газ молекулаларының санына (n) пропорционал: р = nkT, мұндағы k = 1,38.10–23 Дж/К – Больцман тұрақтысы. Сұйықтықтар мен қатты денелердің қысымы денелердің бір-біріне жақындауы кезінде олардың атомдарының бірін-бірі тебуі нәтижесінде пайда болады. Мұны “суық” қысым дейді. Тыныштықтағы сұйықтық салмағының әсерінен оның ішінде h тереңдікте пайда болатын қысымды гидростатикалық қысым деп атайды: р = rgh, мұндағы r – сұйықтықтың тығыздығы, g – еркін түсу үдеуі. Егер сұйық бетіне сырттан р0 қысымы түсірілетін болса, онда h тереңдіктегі сұйық қысымы: р = р0+ rgh өрнегімен анықталады. Қысым физикалық, химиялық, механикалық, биологиялық, т.б. құбылыстарда елеулі рөл атқарады; манометр, барометр, вакуумметр тәрізді құрылғылардың және әр түрлі қысым датчиктерінің көмегімен өлшенеді. Қысымның Бірліктердің халықаралық жүйесіндегі өлшем бірлігі – Паскаль (Па). 1 Па = Н/м2. Бірліктердің МКГСС жүйесінде кгс/см2, сондай-ақ жүйеден тыс өлшем бірліктері: атмосфералық (физикалық атмосфера), мм сынап бағанасы, мм су бағанасы.