Закон термодинамики

 

ЛЕКЦИЯ 

Мақсаты: Термодинамикадағы негізгі түсініктер мен термодинамиканың дамуына қысқа шолу жасап, термикалық коэффициенттер енгізіп,арасындағы байланысты меңгеру

1.  Термодинамика аксиомалық ғылым тәрізді. Жылудың табиғаты мен құрылымы туралы ол ешқандай жаңа арнайы гипотеза енгізбейді. Бүгінгі термодинамика – бұл түрлі энергиялар арасындағы байланыстарды оқытатын ғылым. Оның қорытындылары бастамалар мен принциптер негізінде тәжірибелер арқылы жалпыланған.Ол жылуды ішкі қозғалыстың тегі деп қарастырғанмен, қозғалыстың қандай түрі екендігін бөліп алмайды.

Жылулық қозғалыс деп  қарастыру тек физикалық жүйе макроскопиялық болғанда ғана айтуға болады. Жүйе бір немесе бірнеше  атомдардан тұрған жағдайда жылулық  қоғалыс туралы сөз қозғаудың  қажеті де жоқ.

Термодинамиканың бірінші бастамасы бұл энергияның сақталу және түрлену заңы.

Термодинамиканың екінші бастамасы термодинамикалық процестің  жүру бағытын сипаттайды.

Термодинамиканың үшінші бастамасы абсолют нөл температураға  жету мүмкін емес деп бекітеді.

Термодинамика аса баяу және тепе-теңдікте жүретін процестерді оқытады, себебі ол тепе-теңдік күйдегідей қалыпта болғандықтан.

 ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ БАСТАМАСЫН МЕҢГЕРІП, ТҮРЛІ ПРОЦЕСТЕР МЕН ҚҰБЫЛЫСТАРДА ҚОЛДАНА БІЛУ

Термодинамиканың бірінші  бастамасы – бұл энергияның сақталу және түрлену заңы. Термодинамиканың бірінші бастамасын кейде келесідей тұжырымдайды: бірінші ретті мәңгілік двигатель тұрғызу мүмкін емес, яғни энергияны шығынсыз жұмыс периодты жұмыс жасайтын машина. М.В.Ломоносов, ең бірінші болып көрсетілген заңның тұжырымдамасын бүгінгі күндегідей тұжырымдады.  Материяның және энергияның сақталу заңы Ломоносов ұсынғандай басқа ғалымдар да бекіткен. Академик Г.Г.Гесс 1840 ж. химиялық реакциялар үшін. Ленц  1844 ж. электр тогы үшін бөлінген жылуды энергияның түрлену және сақталу заңы негізінде түсіндірді..

Роберт Майером 1842 ж. ең бірінші сандық тұрғыда энергия түрленуі жұмыспен бағалауға борлатындығын айтты. Бұл принцип дұрыстығын дәлелдеуде тәжірибе негізінде Д.Джоуль (1843 г), жылудың механикалық эквивалентін өлшеген  және зерттеулерден Г.Гельмгольцтың «О сохранении силы» атты еңбегін атау керек.

ТЕРМОДИАМИКАНЫҢ ЕКІНШІ БАСТАМАСЫН МЕҢГЕРТУ, ҚОЛДАНЫМЫН КӨРСЕТУ

Термодинамиканың  екінші бастамасы, қысқаша жалпы физика курсында айтылған. Энтропияның өсуі туралы заң мен энергияның шашырауы туралы айтылған болса ол  ешқашан да термодинамиканың бірінші бастамасынан қортылған емес. Энергияның сақталу заңында тұйықталған жүйедегі процесс бағыты көрсетілмейді сондықтан термодинамиканың екінші бастамасында процесс бағыты бұл жүйеде көрсетілген болады. Бірақ процестерді қарастыруда жүйеде ол қайтымды немесе қайтымсыз екендігіне көңіл бөлу керек.

Энтропия және оның қасиеттерін  толық меңгеру, пайдалану

Кез келген қайтымды  циклде Клаузиус интегралы

                                                                                                                      (1).

Бұдан шығатыны келтірілген  жылу мөлшерінің кез келген қайтымды циклдегі шамасы нөлге тең. Мұндай жағдайды термодинамиканың екінші бастамасының жеке жағдайы деп қарастыруға болады. Тұйық контур бойынша алынған интеграл нөлге тең, олай болса, жылудың келтірілген мөлшері жол түріне байланысты емес, яғни процесс түріне, олай болса өте аз шама бірқатар күй функциясының толық дифференциалы  

                                                                                                          (2).

 Бүл күй функциясы S энтропия деп аталады. (2) өрнектен шығатыны

                                                                                            (3),

Мұндағы тұрақты интегралдау  нәтижесінде алынған..

Джоуль - Томсон эффектісі

байланысын анықтау үшін энтальпия  өрнегінен

                                                                                                           (1)

Этальпия дифференциалдап алатынымыз,

                                        ,                                                      

Ішкі энергияны дифференциалдап

                                        ,                                                      

Термодинамиканың бірінші  бастамасына қойып,

                                          .

Олай болса,          немесе        .           

 ескере отырып, сондай – ақ, толық дифференциал

,

алатынымыз

 немесе   .

Энтропияның толық дифференциалын соңында алатынымыз,

                           .                                           (2)

немесе

                                    .                                                (3)

Фаза ұғымын енгізіп, күйден ерекшелігін көрсету.Фазалық  ауысуды оқып үйрену

Фазалық өту немесе фазалық  ауысу деп заттың процесс кезінде,бір фазадан екінші фазаға өту құбылысын айтады. Термодинамикалық қасиетіне байланысты  ішкі энергия, жылу сыйымдылық, меншікті көлем, энтропия, сондай-ақ кез келген өзгерістің үлкен екі топқа бөліп қарастыруға болатынын көз жеткізуге болады: бірінші және екінші ретті фазалық ауысу. 

Бірінші ретті фазалық ауысуға  заттың бір күйден екінші күйге өту  құбылысын да жатқызуға болады: балқу және қатаю, булану және конденсация, сублимация.

Бірінші ретті ауысудың ерекшелігі төмендегідей:

-  ауысу кезінде белгілі мөлшерде энергия жұтылады немесе шығарылады;

-  жаңа фазаға өтуде меншікті көлем секірмелі өзгереді;

-  өту нүктесінің маңында зат орынықсыз күде болуында: аса қызған, асқын т.б.;

-  өту нүктесінде жылу сыйымдылық шексіздікке ұмтылады.

Клапейрон – Клаузиус өрнегін қортуда өту нүктесіндегі қысым мен температура байланысын бақылау да да көрінеді. Эренфест өрнегін жаңа фаза түзілуін түсіндіруде пайдалануға қолайлы.

Студенттер  білімін бекіту мен тексеруге  арналған сұрақтар:

1. термодинамикадағы негізгі түсініктер қандай?
2. .термодинамикалық жүйе және оның параметрлері қандай?
3. термодинамикалық тепе-теңдік қандай?
3. тепе-теңдікті және тепе-теңдіксіз процестер қандай?
4. ішкі энергия, жылу және жұмыс қалай анықталған?
5. термикалық және калориялық күй теңдеулері қандай?
6. термикалық коэффициенттер және арасындағы байланыстар қандай?
7. термодинамиканың бірінші бастамасы математикалық жазбасы?
8. бірінші бастаманың түрлі тұжырымдамалары қалай?
9. идеал және нақты газдардың жылу сыйымдылықтарын анықтау?
10. джоуль заңы тұжырымдамасы, математикалық жазбасы қандай?
11. термодинамиканың бірінші бастамасын изопроцестерге қолдану өрнектері, тұжырымы?
12. адиабаталық және және политроптық процестер?
13. изопроцестердегі жұмыс үшін өрнектерін қорытып көрсету?
14. термодинамиканың бірінші бастамасын механикалық, электромагниттік және химиялық процестерде қолдану?
15. қайтымды және қайтымсыз процестерге анықтама бер
16. термодинамиканың екінші бастамасының тұжырымы қандай?
17. карноның қайтымды машинасы және карно теоремасы қалай жұмыс істейді?
18. қайтымсыз процестер үшін клаузиус интегралының мағнасы не?
19. тұйықталған жүйедегі энтропия және энтропияның өсуі туралы теорема қандай?
20. термодинамиканың екінші бастамасының статистикалық сипаттамасы қандай?
21. термодинамиканың екінші бастамасының қолдану шегін көрсет?
22. клапейрон-клаузиус теңдеуін қорыту
23. ішкі энергияның көлемге тәуелділігін қорыту
24. стефан – больцман теңдеуін қорыту
25. джоуль –томсон эффектісін түсіндіру керек
1. клаузиус интегралы және энтропия байланысы қандай?
2. энтропияны есептеу қалай жүргізіледі?
26. энтропиялық диаграмма қалай тұрғызылған?
3. энтропия қасиеттерін атау керек
27. энтропия – жүйенің күй функциясы екенін көрсету керек
28. энтропияның аддитивтілігі қандай
29. ашық жүйедегі қайтымды процестер үшін энтропияны есептеуді көрсету керек
30. энтропияның өлшем бірлігі мен өлшемін бағалау керек
31. термодинамиканың негізгі теңдеулері
32. тұйықталған жүйеде энтропияның өсуі
33. энтропия және ықтималдылық арасындағы байланыс қандай?
34. энтропия - жүйе ретсіздігінің өлшемі екенін көрсету
35. энтропия - ақпарат болмау өлшемі екенін көрсету
36. тұрақты температурада энтальпияның қысымға байланыстылығын қортып шығару
37. джоуль - томсон эффектісін түсіндіру
38. бірінші ретті фазалық ауысу
39. клапейрон – клаузиус теңдеуін қортып шығару.
40. екінші ретті фазалық ауысу.
41. екінші ретті фазалық ауысу үшін эренфест формуласын қортып шығару.
42. жаңа фазаның қалыптасу термодинамикасы қандай?