8. Циклдық процестер. Карно циклы. Карно теоремалары.

Карно циклы екі изотермиядан 1-2 және 3-4 және екі адиабаттан 2-3 және 4-1 тұрады.

Карно, шексіз жай ағатын 1-2-3-4 процессті қарастырған, жұмыстық денемен температура көзі Т₁ арасындағы, 1-2 изотерма бойында және Т₂, 3-4 бойында шексіз аздаған температура айырмашылығы бар. Сонымен, термиялық тепе-теңдік сақталады. Сондықтан, цикл, қайтымды деп саналады. Бұл циклды, Карноның идеалды циклы деп атайды.

Kepi Карно циклын іске асыру үшін, барлығы екі жылулық көзі қажет – жылу

беруші және жылу қабылдағыш.

Карно машинасындағы жұмыс атқарушы дене, өз күйiнiң өзгеру циклiн периодты түрде қайталап тұратын, идеалды газ болып табылады. Бұл цикл Карно циклi болып табылады, осыған ұқсас процесстер айналмалы немесе циклдық процесстер деп аталады.

Карно машинасында үйкелiске және қоршаған ортамен жылу алмасуға кеткен энергиялардың шығындары ескерiлмейдi, сондықтан бұл машинаны Карноның идеалды жылу машинасы деп атайды.

Карноның қайтымды циклының ПӘК:

Бірінші теоремасы-жылулық қозғалтқыштың пайдалы әсер коэффициенті туралы теорема. Карно теоремасы бойынша Карно циклінің пайдалы әсер коэффициенті η_к =(T₁–T₂)/T₁, мұндағы T₁ – қыздырғыштың температурасы, T₂ – суытқыштың температурасы. жұмыстық дененің табиғатына және жылулық қозғалтқыштың құралымына тәуелді болмайды, ол тек қыздырғыш (T₁) пен суытқыштың (T₂) температураларымен ғана анықталады.

Екінші теоремасы-соққы теориясында – абсолют серпімсіз соққы кезіндегі кинетикалық энергияның кемуі жайлы теорема.Соққы кезіндегі жүйенің кинетикалық энергиясының кемуі, жүйе нүктелерінің кеміген жылдамдықпен қозғалған кезіндегі кинетикалық энергиясына тең.

9.Термодинамиканың екінші бастамасының статистикалық сипаты, күй ықтималдығымен байланысы. Больцман өрнегі.

Термодинамиканың екінші бастамасы қайтымсыз процестерде энтропия өсіп, жүйенің тепе-теңдік күйіне сәйкес максимал мәніне жететінін тағайындайды. Энтропияның өсуі жылулық процестің өтуі-мен байланысты. Мұнда шашыраған энергия ешқашан қайтарыл-майды, бұл энергияның шашырауының қайтымсыздығы макроскоп-тық деңгейдегі тәжірибенің нәтижесі.

   Дененің жылулық энергиясы оның құрамындағы молекулалардың ретсіз, хаосты қозғалысының энергиясымен анықталады. Олай болса, термодинамиканың екінші заңына бағынатын макроскоптық деңгей-дегі энергияның өзгерісінің қайтымсыздығы, микроскоптық деңгейде толығымен молекулалардың қайтымды әрекеттесуімен сипатталады. Сонымен, жылулық энергияның механикалыққа айналуы хаосты жылу-лық қозғалысты ретті қозғалысқа айналдырады. Керісінше, механикалық энергияны жылулыққа айналдыру деген реттік энергияны ретсіздік энергияға айналдыру деп айтуға болады.

Осы мәселенің шешімін тапқан атақты физик Людвиг Больцман. Ол энтропияның физикалық мағынасын ашып және энтропия мен ықтимал-дықтың байланысын анықтады. Больцманның тағайындауы бойынша, энтропияның қарапайым статистикалық түсініктемесі болады. Сөйтіп, оқшауланған жүйенің энтропиясы мен ықтималдығының қасиеті бірдей: олар не арта (өсе) алады, не өзгеріссіз қала береді өте-тін процестерге байланысты.

Келтірілген нәтижелер оқшауланған жүйенің энтропиясы мен ықтималдығының арасында нақты қатынасты тағайындауға мүмкін-дік берді. Больцман бойынша бұл қатыстың түрі мынадай болады:

 

 , (7.61)

 

мұндағы W – термодинамикалық ықтималдық макроскоптық күйдің статистикалық салмағымен анықталады,   ; k – Больцман тұрақ-тысы.

Сонымен энтропияның физикалық мағынасы термодинамикалық ықтималдықтың логарифмінің байланысы арқылы анықталады. Себебі термодинамикалық ықтималдықпен энтропия тікелей байланысты: екеуіде тепе-теңдік күйде максималмәндеріне жетеді және кез келген нақты жүйенің тепе-теңдікке өтуі энтропияның да және термодинами-калық ықтималдықтың өсуіне әкеледі, демек процестің өту бағытына сәйкес.

Термодинамикалық ықтималдық W математикалықпен P байла-нысты, бірақ P әрқашанда бірден кіші, ал W өте үлкен сандармен анықтлады. Біздің ойша өткізген тәжірибеміздегі (7.7-сурет) N бөл-шектен құралған газдың ыдыстың v бөлігінде орналасу ықтималдығы (7.1) бойынша мынаған тең:

 

 .

 

Термодинамикалық ықтималдық W осыған кері шамамен анықта-лады:

 

 . (7.62)

 

Сонымен, газдың бүкіл V көлемге таралу процесінің қайтымсыз-дығы, оған кері процестің ықтималдығының кіші болуынан екен.

Осыған орай, термодинамиканың екінші заңы барлық табиғаттағы өтетін процестерде жүйе термодинамикалық ықтималдығы жоғары күйлерге ауысып отыратынын тағайындайды.

Қорытындылай келе, энтропияның қасиеттерін тағы да ескерте кетейік:

 

 , (7.63)

 

 ,

 

мұндағы теңдік белгісі тепе-теңдік күйге қатысты; i–ішкі, е – сыртқы параметрлер белгісі;

 

d_iS = 0 (қайтымдыпроцестер),

 

d_iS> 0 (қайтымсызпроцестер).

 

Егер (7.63)-тегі өрнекте

 

d_eS = 0,

 

онда

 

dS ³ 0

 

термодинамиканың екінші заңының бір түрі.

Қоршаған ортамен тек энергиямен алмасатын жабық жүйелер үшін Карно-Клаузиус теоремасы бойынша:

 

 ,

 

мұндағы   – жүйеге сырттан берілетін жылу, Т – температура.

Сонымен, оқшауланған жүйелер үшін

 

 (7.64)

 

термодинамиканың екінші заңының белгілі түрі.

Энтропияның максимал мәні жүйенің тепе-теңдік күйіне сәйкес келеді, демек   энтропия жүйенің ретсіздігінің өлшеуіші болады.

Қайтымсыз процесте энтропияның өсуі жүйенің энергиясының механикалық жұмысқа айналуының қолайсыздау жақтарын белгілейді. Тепе-теңдік күйдегі жүйенің энергиясы, энтропия максимал мәніне жеткенде, тіпті жұмысқа айналдырылмайды.