32,33,34,35,36. Термодинамиканың заңдары.

Термодинамикалық жүйе – термодинамиканың негізгі ұғымдарының бірі, яғни макроскоптық параметрлердің сандық сипатын беретін кез келген химиялық құрамдағы және кез келген физикалық денелердің жиынтығы.

Термодинамика дегеніміз – жылулық құбылыстарды заттың ішкі құрылысына назар аудармай, энергетикалық түрлендірулер негізінде зерттейтін физиканың бөлімі.

Ішкі энергия . Дененің ішкі энергиясы оның барлық микробөлшектерінің сол дененің массалар центріне қатысты хаостық қозғалысының кинетикалық энергиясы мен өзара әрекеттесу, яғни потенциалдық энергиясының қосындысына тең болады.

Жұмыс. Механикада макраскопиялық денелердің қозғалысы қарастырылады. Егер күштің әрекетінен дене орын ауыстырса, онда шамасы A формуласы бойынша анықталатын жұмыс атқарылатынын білеміз. Егер дене жұмыс атқарса, онда ол деформацияланады немесе қозғалыс жылдамдығын өзгереді.

Термодинамикада дененің тұтастай қозғалысы емес, макроскопиялық дененің ішіндегі жеке дара микробөлшектердің бір-біріне қатысты салыстырмалы орын ауыстырулары қарастырылады. Жұмыс атқарылғанда дененің көлемі өзгереді, ал оның жылдамдығы нөлге тең болып қалады. Оның есесіне дененің, мысалы, газ молекулаларының жылдамдығы өзгереді. Молекулалардың бейберекет қозғалысының жылдамдығы өзгергенде, дененің температурасы да өзгереді. Демек, термодинамикада жұмыс атқарылғанда макродененің күйі, оның макропараметрлері (көлемі мен температурасы) өзегереді, бірақ бұл макродененің жылдамдығын өзгертпейді. A=Fh=pS( .

Термодинамиканың бірінші бастамасы, оны изопроцестерге қолдану (изопроцестердің жылу сыйымдылығы, изопроцестердің жұмысын және жылуын есептеу). Бір күйден екінші күйге өткен кезде термодинамикалық жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі сыртқы күштердің жұмысы мен жүйеге берілген жылу мөлшерініңқосындысына тең және ол осы өтудің қалай іске асатынына тәуелсіз. немесе (1). Егер газға қайсыбір жылу мөлшерін берсе, онда ол ішкі энергияны өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы жұмыс атқаруға жұмсалады. (1) өрнек – жылу процестері үшін энергияның сақталу заңы болып табылатын термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнегі. Заңның мәнісі мынада: белгілі бір энергияның өзгерісі процеске тәуелсіз және тек жүйенің бастапқы және соңғы күйлерімен ғана анықталады. Термодинамиканың бірінші заңының көмегімен мәңгі қозғалтқыштың бірінші түрінің болмайтыны дәлелденді. Мұндай мәңгі қохзғалтқыш деп энергия жұмсамай-ақ шексіз ұзақ уақыт жұмыс істей алатын қондырғыны айтады.

Термодинамиканың бірінші заңы әртүрлі изопроцестерге қолданылады.

Изохоралық процесс.

Изохоралық процесс кезінде газға берілетін энергия:

Тұрақты көлемдегі газдың меншікті жылу сыйымдылығы:

Изохоралық процесс кезіндегі берілген жылу мөлшері:

Бір атомды идеал газ үшін:

Изобаралық процесс.

Изобаралық процесс үшін термодинамиканың бірініш заңы:

Изобаралық процесс кезіндегі берілген жылу мөлшері:

Бір атомды идеал газдың меншікті жылу сыйымдылығы:

Сонда изобаралық процесс кезінде берілген жылу мөлшері:

Екі атомды идеал газбен жұмыс істесек:

Изотермиялық процесс.

Изотермиялық процесс үшін термодинамиканың бірінші заңы:

Газдың осы процестегі жылу сыйымдылығы шексіздікке тең.

Идеал газдың изобаралық және изохоралық процестеріндегі меншікті жылу сыйымдылықтарының арасындағы байланыс:

-тұрақты қысым кезіндегі мольдік жылу сыйымдылық.

-тұрақты көлем кезіндегі мольдік жылу сыйымдылық.

-Майер формуласы.

Адиабаталық процесс.

Адиабаталық процесс үшін термодинамиканың бірінші заңы:

Адиаталық процесс Пуассон теңдеуімен сипатталады:

деп идеал газдың тұрақты қысым кезіндегі жылу сыйымдылығының идеал газдың тұрақты көлем кезіндегі жылу сыйымдылығына қатынасын түсінеді:

Қайтымды және қайтымсыз процестер. Табиғаттағы процестердің бағыты. Қайтымды процесс – кері бағытта өткізуге болатын процесті тура бағытта өткізгенде жүйе қандай күйлерден өтсе, кері бағыттағы сондай күйлер тізбегінен өтетін процесті айтады. Термодтинамиканың бірінші заңы энергияның бір түрден екінші түрге айналу бағыты мен жылудың бір денеден басқа денеге берілу бағытына ешқандау шектеу қоймайды. Ол тек тұйық жүйелердегі энергияның толық қорының сақталуын талап етеді. Солай бола тұрса да, табиғатта өтіп жатқан процестердің бағыттарына байланысты, белгілі бір шектеулердің бар екендігін тәжірибе көрсетіп отыр. Мысалы, жылу алмасу жолымен энергия өздігінен ыстық денеден анағұрлым салқын денеге өтеді, ал кері процесс өздігінен болмайды, яғни ол – қайтымсыз. Тас құлаған кезде механикалық энергияның ішкі энергияға айналуы, вакуумдегі газдың ұлғаюы – қайтымсызз процестер. Диффузия процесі де – қайтымсыз. Мысалы, тұз немесе қант өздігінен суда ериді, бірақ олар өздігінен ерітіндідіен бөліне алмайды және су тұщы бола алмайды. Табиғаттағы қайтымсыз процестерге мысал ретінде өсімдіктердің, ғаламдағы жұлдыздардың пайда болуын және сөнуін жатқыза аламыз. Табиғаттағы барлық процестер дерлік жылу алмасумен, үйкеліспен, диффузиямен қатар жүреді және сондықтан олар – қайтымсыз. Қайтымсыз процестер тура бағытта өз бетінше өтеді, ал оны кері бағытта жүзеге асыру үшін сыртқы денелерде оның орнын толтыратын процесс қажет.

Энтропия. Жүйенің күйінің параметрлерінің бір мәнді функциясы болып табылатын ішкі энергияданбасқа термодинамикада күйдің басқада функциялары ( еркін энергия, энтальпия, энтропия және т.б.) кеңінен пайдаланылады. Энропия күй функциясы ретінде басқа термодинамикалық функциялардың ішінен, табиғатының статистикалық, яғни ықтималдылығымен ажыратылады.

Термодинамикада энтропия ұғымы Q* келтірілген жылу мөлшері ұғымының көмегі арқылы енгізіледі. Изотермиялық үдерісте

Q*= (40)

тең болады.

Кез-келген үдеріс жағдайында ( const ) үдерісті шексіз аз учаскелерге бөліп, элементтар келтірілген жылу мөлшерін енгізу қажет. Үдерістің 1- 2 шекті учаскесінде келтірілген лген жылу 1-ден 2-ге дей 2-ге дейінгі аралықта интегралдау арқылы анықталады, яғни (41)