Термодинамиканың 1 бастамасы

13 ғасырдан бастап бірінші  текті мәңгілік қозғалтқышты  жасайдың нәтижесіз әрекеттерін  тию үшін 1775ж. Париждің Ғылыми  Академиясы арнайы қаулы қабылдады.  Бұл қаулы мәңгілік қозғалтқышты  жасау мүмкін емес, сондықтан  мұндай жобалар қолданбасын делінді.  Себебі, бірінші текті мәңгілік  қозғалтқыш жасау энергияның  сақталу және айналу заңына  қайшы, демек термодинамиканың бірінші бастамасына қайшы болып шығады. Термодинамиканың бірінші бастамасының бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш жасауға тиым салуы-термодинамиканың бірінші бастамасының тұжырымдарының бірі болды.

3 Жылудың механикалық  жұмысқа айналуы

Тепе-теңдік, қайтымды және қайтымсыз деген ұғымдар табиғатта  өтетін барлық процестреге бірдей қатысты.

Табиғаттағы жүйелердің тепе-теңдік күйге өту кезіндегі жиі кездесетін процестің біреуі механикалық энергияның жылуға айналуы. Мысалы, денелердің үйкелісі кезінде жылудың бөлінуі. Айталық, механикалық энергия деп біз макроскоптық энергияны, демек тұтас жүйе ретінде қарастырылатын денелердің қозғалысының кинетикалық және өзара немесе сыртқы өрістермен әсерлесетін потенциалдық энергиясын айтамыз. Ал осы денелердің құрамындағы молекулалардың жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясы мен өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясын ішкі энергия дейміз. Олай болса, механикалық энергия есебінен бөлінген жылуды макроскоптық энергияның жылулық қозғалыстың микроскоптық энергиясына айналу процесі деуге болады.

ХVII ғ. және XVIII ғ. Жылулық  қозғалтқыштар дәуірі басталды. Жылулық  қозғалтқыштарды пайдалану жылу мен механикалық жұмыстың өзара  айналу проблемаларын шешуін, оның теориялық негізін қалауды талап  етті. Механикалық жұмысты жылу арқылы алу тәсілдері өркениеттің тарихында термодинамика деген ғылымның дамуына әкелді. Мысалы, ядролық энергияны жұмыс істеуге қолдану біздің дәуірдің өте маңызды белгісі. Бірақ, ядролық энергия механикалық жұмысқа тікелей ауыспайды, тек жылу арқылы жүзеге асады. Осыған байланысты механикалық жұмыс пен жылулық энергияның өзара айналу заңдарын зерттеу өте маңызды мәселелерге жатады.

Механикалық және жылулық  заңдарын зерттейтін физика бөлімі ретінде  термодинамика тарихта дымыды. Қазіргі  заманда термодинамика жылулық  энергия мен энергияның басқа  түрлерімен (химиялық электрлік ядролық  және т.б.) байланысын зерттейтін жалпы  заңдарын қарастырады.

Механикалық және жылулық  энергияны термодинамиканың бірінші  бастамасы (энергияның сақталу заңы) байланыстырады. Жүйеге dQ жылу мөлшерін бергенде оның күйі өзгередіжәне ол dA жұмыс атқарады. Онда энергияның сақталу заңы ((2.1) өрнек) бойынша істелген жұмыс пен жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің қосындысы берілген жылу мөлшеріне тең болады:

,

Мұндағы dA=pdV.

Бұл формуланы мына түрде  жазуға болады:

.

Егер жүйенің күйі макроскоптық өзгеріске ұшыраса, онда барлық dQ мен dA-ның қосындысын алу қажет, сондықтан  жүйе бірінші күйден екіншіге өткенде  ішкі энергиясының өзгерісін былай  есептейді:

                                      (3.1)

Мұнда берілген жылу мөлшері  мен жүйенің істеген (немесе үстінен  істелген) жұмысы жүйенің бірінші  күйден екінші күйге өту жолына тәуелді  болады. Ал ішкі энергияның dU өзгеруі  өту жолына тәуелді емес, тек бастапқы және соңғы күйлерімен анықталады. Сондықтан, (3.1)-теңдеуді былай жазуға болады:

 ,

Бірақ бұл теңдеуді

 

деп жазуға болмайды.

Осыған орай, әр күйдегі  жүйе ішкі энергияның белгілі бір  мәніне ие, бірақ ол белгілі жылу мөлшері мен жұмысқа ие екен деуге  болмайды. Сондықтан, Q жылу және A жұмыс  жүйенің өзгеру процесінің функциясы  болады, күйінің функциясы болмайды. Математикалық dQ мен dA толық дифференциал болмайтынын көрсетеді, ал dU толық  дифференциал болады.

Енді кері процесті, жылудың  механикалық жұмысқа айналуын қарастырайық. Температурасы жоғарғы денеден температурасы төменгі денеге берілетін энергияны, мысалы, денелердің түйіскенінде немесе сәулеленуінде- жылу мөлшері деп аталатынын айтып кеттік. Бұлай энергияның берілуінде жұмыс атқарылмайды, себебі денелердің қозғалысы болмайды. Мұнда жылу берілген дененің тек ішкі энергиясы өседі, сонымен температуралары теңелгеннен кейін, жылу-алмасу процесі тоқталады. Бірақ жылу берілгенде дене ұлғаятын болса, онда ол жұмыс істейді. Энергияның сақталу заңы бойынша бұл жұмыс мынаған тең болады:

,

Мұндағы dU-ішкі энергияның өзгерісі.

Жұмыстың ең үлкен мәні изотермдік процесте істеледі, сонда  ғана dA=dQ. Бұдан артық жұмыстың істелуі  мүмкін емес. Сондықтан, максимал жұмыс  атқару үшін, ұлғаятын денемен және жылу көзінің арасында температура  айырмасы болмауы керек. Егер жылу көзі мен дене арасында температура айырмасы болмаса, онда жылу берілмейтіні мәлім. Бірақ жылудың берілуі үшін температураның өте кіші, мәні шексіз аз айырымы  жеткілікті, сонда ғана изотермдік шарттар сақталады. Бұндай шарттар  жылу берілу процесінің шексіз баяу өтуін талап етеді, демек процесс қайтымды болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Циклдік процестер.  Цикл жұмысы

Бірсыпыра күйлері өзгерістерге ұшырағаннан кейін жүйе алғашқы  күйіне қайтып оралатын процестердің маңызы зор. Бұл процестерді циклдік  немесе дөңгелек деп атайды, онда ішкі энергияның өзгерісі нолге тең:

 

Бірақ бұл Q мен A-ның ноль болатынын дәлелдемейді. Циклдік  процесте дене біраз мөлшерде жылуды алып немесе беріп, жұмыс істеуі мүмкін, бірақ ішкі энергияның өзгерісі болмайды.

Бұл жағдайда термодинамиканың бірінші бастамасы былай жазылады:

,

Мұндағы -тұйықталған контур бойынша интегралдың белгісі.

Термодинамиканың бірінші  заңы тепе-теңдік және теңдіксіз процестерге бірдей қолданылады. Бірақ термодинамиканың бірінші бастамасы жүйенің күйінің өзгеру процесінің бағытын анықтамайды. Бірінші бастаманың көзқарасы бойынша, мысалы, жылу ыстығырақ денеден суығыраққа да, суық денеден ыстыққа да өздігінен (сыртқы әсерсіз) берілуі мүмкін. Әйтеуір, бір денеден алынып екіншіге берілген жылу мөлшері бір-біріне тең болса болды. Сондықтан, термодинамиканың бірінші бастамасынан табиғаттағы процестердің қайтымсыздығы анықталмайды. Жоғарыда айтылғандардан жылудың механикалық жұмысқа айналуы жұмыс істейтін денеге жылудың бір қайтара берілуінде орындалуы мүмкін. Бірақ, техникалық қолдануға бұлай жылуды механикалық жұмысқа айналдыру тәсілі жарамайды. Жылуды жұмысқа айналдыратын нақты қондырғылар циклді істеуі қажет, себебі ондағы жылу беру және оны жұмысқа түрлендірілуі периодты қайталанады. Бұл үшін жұмыс атқаратын дене , жылу алғаннан  кейін, алғашқы күйіне қайтып, қайтадан процеті бастауы керек. Демек ол дөңгелек процестер жасауы қажет.

Нәтижесінде бірсыпыра өзгерістерге ұшырағаннан кейін алғашқы күйі қайталанатын, жүйенің күйінің өзгерістерінің жиынтығы цикл деп аталады.

Өте маңызды сұрақ: жылу көзінен  алынған жылу мөлшеріне тең жұмыс  циклдік процесте істеле ме? Бір  қарағанда бұл сұраққа «иа» деп  жауап беруге болатындай. Себебі, цикл нәтижесінде жұмыс істеген дене алғашқы күйіне қайтып оралады, оның ішкі энергиясы өзгермейді және жұмысы жұтылған жылуға тең болуы керек. Шындығында, көптеген тәжірибелер бұған теріс жауап бергізеді.

Осыған жауапты 1854 жылы В.Томсон (Кельвин) мына түрде берді. «Басқа денеде немесе денелерде қандай да бір өзгерістер болмай, жалғыз-ақ нәтижесі кез келген денеден алынған жылуды толығынан  механикалық жұмысқа айналдыратынциклдік  процесті жүзеге асыру мүмкін емес». Бұл жауапты Кельвин принципі дейді.

Олай болса, циклдік процесте жылу қорынан алынған жылу мөлшерінің жұмысқа айналуының міндетті шарты, осы айналу кезінде төңірегіндегі басқа денелердің күйінің өзгеруі болады.Мұнсыз жылу жұмысқа айналуы мүмкін емес екен. Ендеше, жылуды жұмысқа айналдыратын процесте жылу қоры мен жұмыс істейтін денеден басқа үшінші дененің де қатысуы қажет.

Мұндағы Q₀  жылуды жұмысқа айналдыру үшін, оны температурасы T₀  жылу қорынан алып, одан температурасы (T<T₀) төменгі денеге беру керек. Бірақ мұндай тікелей жылу алмасу жұмыс істетпейтінін біз білеміз. Сондықтан мұндай алмасу процесі тікелей емес, ұлғая, жол-жөнекей механикалық жұмыс істеп, қайтадан алғашқы күйіне қайтып оралатын басқа дене арқылы жүзеге асырылады. Осы денені жұмыстық дене, жылу қорын-қыздырғыш, ал жылу берілетін температурасы төменгі денені тоңазытқыш деп атайды (4.1-сурет) . Осы тоңазытқыш Кельвин принципінде айтылған «басқа дене» болады. Тоңазытқыш өзінше ешқандай жұмыс істемейді, бірақ ол өте қажетті, себебі оған жұмыстық дене Q жылу беруі керек.

Циклдік процесс бойынша  жұмыс істейтін машинада температуралары әр түрлі екі дененің қатысуының қажеттігі Карно принципі деп аталады.

Циклдік, дөңгелек процесте жұмыстық дене қыздырғыштан алған жылуы  есебінен ұлғайып, жұмыс істеп, алғашқы  күйіне оралуы қажет. Ондай болса, жұмыстық дене ұлғая және жұмыс істеп, бірнеше  күйлерден өтеді. Бірақ оны алғашқы  күйіне келтіру ұшін, сығу қажет.Онда жұмыстық дененің үстінен жұмыс  істелуі керек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Термодинамиканың  екінші бастамасы

Термодинамиканың бірінші  бастамасы энергияның сақталу занынан  туындайды, бірақ процестің жүру бағыттың түсіндірмейді. 

Термодинамиканың екінші заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағұлмат береді. Бұл заңның негізін салған француз физигі Сади Карно. 1884 жылы ол жылудың  жұмысқа  айналуы туралы ғылыми еңбек жазды. Термодинамиканың екінші заңының  мәнін  түсіну үшін мысал қарастырайық. Мысалы, тұз бен су алып, одан қоспа алуға  мүмкіндік туады. Ал енді тұзды судан  ажырату үшін суды буға айналдырып жіберу керек. Оған энергия қажет. Оның үстіне бұл кезде тұзды су қоспасын қоршаған ортаның да жағдайы өзгеріске  ұшырайды. Сонымен диффузия бір бағытта  жүретін процесс екен. Сол сияқты жылу алмасу да бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық денені суық денемен  түйістірсек, онда біраздан кейін ол екі дене  температурасының теңесетінін  байқаймыз. Ыстық дене суиды, ал суық дене жылиды. Сонда энергия ыстық денеден суық денеге беріледі. Осыған кері процесс болуы мүмкін емес. Олай болса жылу алмасу да бір бағытта жүретін процесс. Осы бағытты және өмірде болатын жылу процестерінің қайтымсыздығы термодинамиканың екінші заңымен анықталады. Бұл заңды сипаттайтын бірнеше анықтама бар, олар біріне-бірі эквивалентті. Соларға тоқталайық.

Клаузиус анықтамасы. Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.

Томсон-Планк анықтамасы. Қыздырғышты суыту арқасында онан алынған жылу мөлшерін түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.

Оствальд анықтамасы. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес. Кейде термодинамиканың бұл екі заңын мәңгі двигательдер жасауға болмайтынын дәлелдейтін заңдар деп те атайды.

Бірінші заң. Мәңгі двигательдің бірінші түрін жасау, яғни сырттан энергия алмай жұмыс атқаратын машина жасау мүмкін емес.

Екінші заң. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау, яғни тек бір дененің сууы нәтижесінде жұмыс жасайтын машина жасау мүмкін емес.

Жылу машинасы (двигатель)

Жылу машинасы деп отының ішкі энергиясын механикалық энергияға  айналдыратын, яғни отын молекуласының  ретсіз (хаосты) қозғалысын тәртіпті қозғалысқа түсіретін құралды айтады.

Жылу машинасындағы жұмыс жылу есебінде берілу арқылы жасалады, бірақ жылудың бөлігі міндетті түрде тоңазытқышқа беріледі.

Суретте- мүмкін емес (а) және мүмкін (б) болатын периодты процестер  схема түрде көрсетілген.

Жылу машинасы мынадай  бөліктерден тұрады: 1) жұмысшы дене (машинаның жұмысшы бөлігінде, механикалық  жұмыс атқарады); 2) қыздырғыш (жұмысшы  дененің ішкі энергиясын өсіруге  көмектесетін құрал); 3) тоңазытқыш (жұмысшы  денеден жылу бөліп алады). Жұмысшы  дене (мысалы газ) қыздырғыштан Q₁ жылуын алады. Жұмысшы дене көлемін ұлғайтады (газ поршеньді итереді). Жұмысшы дене сығылған кезде Q₂ энергиясын тоңазытқышқа береді.

Мұндай жылу машинасының  пайдалы әсер коэффиценті (п.ә.к.) былай  есептеледі:

                                               (5.2)

Жылу  машинасының пайдалы әсер коэффиценті  деп атқаратын жұмыстын қыздырғыштан жұмысшы дене алған жылуға қатынасын  айтады.

                                                           (5.3)

Сонымен, жылу машинасының  ПӘК бірге тең бола алмайды, яғни машина тоңазытқышсыз жұмыс істей  алмайды. Бұл да термодинамика–ның  екінші заңының айтылуының бір түрі.

Енді термодинамиканың екінші бастамасын түсіндіретін кейбір мысалдарды қарастырайық.

Поршень бар цилиндр алайық. Цилиндрдің  ішінде, поршеньнің астында  бір моль идеал газ бар екен делік. Енді осы цилиндрге қыздырғышты  әкеліп түйістірсек, онда қыздырғыштың жылуы газға беріледі де, газ энергиясы  артып, ол поршеньді жоғары көтере бастайды. Бұл кезде газ изотермиялық түрде  кеңейеді де, оның көлемі V₂  -ге жетеді. Суретте ол 1-2 изотермамен бейнеленеді. Бұл процесті изотермиялық кеңею деп атайды. Газ көлемі V₂ –жеткенде, қыздырғышты газдан бөліп алып кетеміз. Газ сонда да кеңеюін тоқтатпайды. Ол кеңейе отырып V₃ –көлемге жетеді. Бұл адиабаттық кеңею деп аталады, яғни газ сырттан жылу алмайды және сыртқа жылу бермейді. Суретте ол 2-3 бейнеленген. Енді цилиндрге мұздатқышты әкеліп жабыстрамыз. Сонда газдың біраз жылуы мұздатқышқа өтеді. Ол жылуды Q₂ деп белгілейік. Поршень төмен түсе бастайды. Сөйтіп поршень 3 нүктеге келгенде, газдан мұздатқышты ажыратамыз. Сонымен 2-3 бөлікте газ изотермиялық түрдесығылады. Мұздатқыштан ажыратылған поршень тоқтап қалмай төмен қарай түсе береді. Бұл кезде газ сыртқа жылу бермейді және сырттан жылу алмайды. Мұны адиабаттық сығылу деп атайды. Бұл процесс 4-1 бейнелейді. Сөйтіп поршень бастапқы (1 жағдайға) қайтып келеді.