Термодинамика заңдарын қолдану. Физика, 10 сынып, қосымша материал.

 Қосымша ақпарат

 Термодинамикалық түсініктер мен анықтамалар. Термодинамика денелер энергиясыньщ бір-біріне жылу мен жұмыс түрінде өзгеруін, айналуын зерттейді. Қоршаған ортадағы энергияның осылай алмасуы термодинамикада сандық сипаттама ретінде қарастырылады. Жылу, электрон, атом, молекула сияқты бөлшектердің ретсіз қозғалысын, яғни олардың кинетикалық энергиясының жылу түріндегі энергиямен алмасуын, ал жұмыс — сол бөлшектердің реттелген қозғалысын кинетикалық энергия түрінде сипаттайды.

 Термодинамика негізінен термодинамиканың бірінші және екінші заңдары деп аталатын екі заңдылыққа сүйенеді. Олардың екеуі де өмірдегі, өндірістегі тәжірибелерді жинақтап, қорытып, тұжырымдаудан пайда болған. Термодинамика мынадай тараулардан тұрады: энергияның бір түрден екіншіге түрленуіндегі жалпы заңдылықты зерттейтін жалпы немесе физикалық термоди-намика, жылу машиналарындағы жылу мен механикалық жұмыстың өзара айналуын, яғни жылудын, жұмысқа, жұмыстьщ жылуға ауысуын қарастыратын техникалық термодинамика, химиялық ре-акция, еру, кристалдану, адсорбция сияқты процестердегі энергия түрлерінің өзара алмасуын, айналуын анықтап, есептейтін химиялық термодинамика. Сол сияқты, химиялық термодинамика тек химиялық және басқа да энергиялардағы ара қатынасты зерттеп қана қоймай, белгілі жағдайдағы химиялық процестердің мүмкіндігі мен өздігінен жүру шегін айқындайды. Ендеше, химиялық термодинамика химиялық өндіріс пен технологиялык процестер негізі болып саналатын физикалық-химиялық құбылыстарды нақты түсініп, сауатты есептеп, ұтымды басқаруға көмектеседі.

 Термодинамикалық система (көбіне тек система) дсп қоршағак ортадан бөлініп алынган денені немесе денелер тобын айтады. Ал системадан тыс қалғандарды қоршаған орта дейді. Системаның фазааралық не ойша бөлшген шекарасы болады. Осылайша бөлініп алынған системадағы молекулалар саны көп болу қажет. Егер системадағы молекула саны аз болса, оны термодинамика карастырмайды.

 Системаның өзін қоршаған ортамен қатынасы энергияның ме-ханикалық, жылулық немесе басқа да түрлерімен және затпен алмасқан мезеттерде жүзеге асады. Егер осы айтылғандардьщ бірде-бірі жүзеге асгтаса, онда мүндай системаны оқшауланған система дейді. Ал система мен оны қоршаған орта арасындағы қатынас энергия түрлері арқылы жүзеге асып, онда зат катынаспаса (алмаспаса), системаны жабық, кейде тұйықталған деп атайды. Зат салынған жабық ыдыс, газы бар баллон және баскалар жабық системаларга мысал болады. Системадан шығатын зат та, энергия түрлері де оны қоршаған ортаға жетіп алмасса және бұл қубылыс кері бағытта да жүретін болса, оларды ашық система дейді. Өсімдіктер мен жануарлар дүниесі ашық системаға айқын мысал. Мұндағы система — өсімдік, жануар (тірі организм), оны қоршаған орта — атмосфера (ауа), қатынастырушы зат — қоректік заттар, энергия — химиялық реакциялар кезінде бөлінетін жылу, заттардың тотығуы.

 Системаның күйі көлем, қысым, температура, масса, химиялық құрам сияқты параметрлермен және химиялық қасиеттердің жиынтығымен сипатталады. Мұнымен қатар система күйін көрсететін бірнеше теңдеулер де бар. Система күйін анықтау үшін көрсетілген өлшемдердің бәрін білу шарт емес, өйткені олар теңдеу құра-мына енгендіктен, бірін-бірі толықтырады және өзара байланысты болады. Система күйін анықтау үшін таңдалып алынған бірнеше тәуелсіз ауыспалы шамадағы қасиет көрсеткішін күй параметрле-рі (өлшемі) дейді. Оларды белгілі бір жағдайда өтетін процеске орай таңдайды. Мәселен, газ күйін сипаттау үшін оның қысымы, көлемі және температурасы сияқты үш өлшемнің екеуін алсақ жеткілікті, себебі қалғаны осыларға әр уақытта да тәуелді болады.

 Система күйіндегі параметрлердің кез келген өзгерісі процесс деп аталады. Оқулықта жиі кездесетін процестердің кейбір түрлері мыналар:

 1. Изотермалық процесс (T = сопst). 2.Изобаралық процесс (р = сопst)

 3. Изохоралық процесс (V=сопst)

 4. Адиабаталық процесс (Q = 0)

 5. Изобара-изотермалық процесс (р = сопst T=сопst )

 6. Изохора-изотермалық процесс (V = сопst T=сопst).

 Система күйінің біраз параметрлері процесс нәтижесінде өзгеріп, соңында өздерінің бастапқы мәнше қайта оралса, онда мұндай процестерді тұйық процестер деп атайды.

 Термодинамиканың бірінші заңы

Заттарды құрайтын бөлшектердің қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының осы бөлшектердің өзара әсерлесу орташа потенциалдық энергиясына қосындысын ішкі энергия деп атайды. Өлшем бірлігі .

 Идеал газдың ішкі энергиясы абсолют температураға тура пропорционал болады:

Идеал газдың ішкі энергиясының өзгерісі  

Кез-келген газдардың ішкі энергиясы 

мұндағы:  – газ молекуласының еркіндік дәрежесі.

 Термодинамиканың бірінші бастамасын изопроцестерде қолдану.

 Термодинамикалық жүйелерде орын алатын тепе-тең процесстердің ішінде үнемі бір параметрі(шамасы) тұрақты болатын изопроцесстердің орны ерекше.Біз осы процесстерді термодинамиканың бірінші бастамасы арқылы қалай сипаттауға болатынын қарастырайық.

 ИЗОХОРАЛЫҚ ПРОЦЕСС

 Бұл кезде идеал газдың көлемі (V=const) тұрақты болады.(1-сурет.)

 Қыздырғанда газ ұлғаймас үшін, оның қысымын Р₀-ден Р-ға дейін арттрамыз.Р – V диаграммасында бұл процесс ордината осіне параллель  түзімен кескінделеді.Изохоралық  қыздыру 1-2 түзумен, изохоралық суыну 1-3 түзумен сипатталады (1-сурет).Изохоралық процессте («исос»-тең, «хорема»-сыйымдылық) газ жұмыс істемейді, олай болса берілген жылу толығымен газдың ішкі энергиясын арттыруға(өзгертуге) жұмасалады.

 Сонымен dA=PdV=0 болғандықтан, термодинамиканың бірінші бастамасынан Q=∆W немесе dQ=dW (7,1) деп жазамыз.(5,1) формуладан dQ=c_vmdT (7,1) өрнегін ескерсек, изохоралық процесс кезіндегі ішкі энергияның өзгерісін де жазуға болады:

 dW=c_vmdT (7,2)

 Бұл Джоуль заңының дифференциал түрі, c_v – изохоралық процесстегі газдың мольдік жылу сыйымдылығы.

 Газды Т₀-ден Т температураға бейін изохоралы қыздырғанда ішкі энергияның өзгерісін соңғы формуланы интегралдау арқылы табамыз:

 ∆W_1-2=W-W₀=c_vm(T-T₀)                (7,3)

 Температура абсолют ноль болғанда идеал газдың ішкі энергиясының  нольге айналатындығын ескерсек (T₀=0 болса, W₀=0):

 W=c_vm T                                (7,4) газдың ішкі энергиясы температуға тәуелді.

 ИЗОБАРАЛЫҚ ПРОЦЕСС

 Тұрақты қысымда өтетін процессті (Р=const) изобаралық деп атайды (грекше) («исос»-тең, «барос»-ауыр,салмақ).(10-9) өрнекті пайдаланып, изобаралық процесс кезіндегі жылу өзгерісін жазайық:

 dQ=c_рmdT                                  (7,5)

 Осыны және (7,2) формуланы термодинамиканың бірінші заңының (10-21) орнына қойсақ: c_рmdT=c_vmdT+ dA, бұдан бұрынырақ

 болатындығы айтылған еді, осыны ескерсек

 mdT шамасына қысқартқаннан кейін   =+  , енді меншікті және мольдік жылу сыйымдылықтар арасындағы байланысты (10-10) ескерсек, онда жоғарыдағы өрнекті мольдік жылу сыйымдылық арқылы төмендегіше жазамыз:

          C_P-C_V=R                             (7,6)

 Бұл мольдік изобаралық және изохоралық жылу сыйымдылықтар арасындағы байланысты беретін Роберт-Майер (1814-1878 ж.ж неміс дәрігері, физигі) формуласы.

 Изобаралық процессте газды қыздырғанда ол ұлғайып, берілген жылудың бір бөлігі газдың ішкі энергиясын арттыруға, қалғаны сыртқы күштерге қарсы газдың жұмыс істеуіне жұмсалады.

 Осы кездегі жұмысты есептейік. 

 Изобаралық процесске мысал ретіндегі цилиндрдегі газға қозғалмалы поршень арқылы эсер ететін тұрақты сыртқы қысымды алүға болады.

 2-суретте  қыздырғанда газдың изобаралық ұлғаюы(1-2 түзу) және изобаралық сығылуы (1-3 түзу ) көрсетілген.Сонымен изобаралық ұлғаюы кезіндегі жұмысты 2-сурет арқылы жазамыз:

             (7,7)

 ИЗОТЕРМИЯЛЫҚ ПРОЦЕСС

 Тұрақты температурада жүретін процессті изотермиялық деп атайды (грекше «термос»-жылу). (Т=const) болғандықтан, газдың ішкі энергиясы  өзгермейді,яғниdW=0.

 Онда термодинамиканың бірінші заңы dQ= dA болады,яғни газды изотермиялық қыздырғанда оған берілген барлық жылу сыртқы күштерге қарсы жұмыс істеуге кетеді.

 Газдың шексіз аз ұлғайған кезіндегігі жұмысын dA табайық,өйткені бұл кезде қысымның өзгерісін ескермей тұрақты деп алуға болады, (7,7) бойынша dA=PdV.

 Газдың кез-келген массасы үшін жазылған Клапейрон-Менделеев теңдеуіне қысымды тауып, жоғарыдағы формулаға қоямыз: PV=RT бойынша

 Газдың V₁-ден V₂-ге ұлғайған кездегі толық жұмысын табу үшін, соңғы өрнекті интегралдаймыз:

 A=    (7,10)

 Бойль-Мариотт заңы бойынша     болғандықтан        

 немесе dQ= dA  ескерсек

    (7,11)

 (7,10), (7,11) формулаларды салыстыра отырып мынадай физикалық қорытынды жасауға болады:

 газдың ұлғаюы кезінде температура төмендемес үшін, прцесстің өн бойында газға сыртқы ұлғаю жұмысына тең жылу беріп тұру қажет.

 Газ изотермиялық ұлғайғанда (V₂  > V₁графикте 1-2 қисығы), оған жылу беріледі де (Q>0), газдың жұмысы оң мәнді (A>0) болады, ол 3 суреттегі боялған ауданға тең.

 Газ изотермиялық сығылғанда (графикте 1-3 қисығы), оның жасаған жұмысы теріс мәнді (A_1-2<0), бұл кезде газдан осы сығылу жұмысына тең жылу алынады.Изотермиялық процесс кезіндедегі жылу сыйымдылық c_T= 

 өйткені dQ0, ал dT=0.

 Термодинамиканың 2-ші заңы

 Термодинамиканың 2-заңының маңыздылығын және ролін сипаттайтын мақсаттағы мысалдар келтіріледі де, оларға оқушылардан түсінік беру ұсынылады. Мысалы, Жылудың бір денеден екінші денеге берілу шарттарын талдау немесе тірі организмдердің дүниеге келуі және қартайып барып өлуі т.с.с.

 Термодинамиканың екінші заңы табиғаттағы процестердің жүру бағытын көрсетеді.

 Өзін қоршаған кеңістікте ешқандай қалдық өзгерістер болмайтындай түрде жүретін термодинамикалық процесті қайтымды процесс деп атайды. Қайтымды процесс кезінде термодинамикалық жүйе бастапқы күйіне қайта келеді.

 Сыртқы ортада өзгерістер қалатындай түрде жүретін процесті қайтымсыз процесс деп атайды. Қайтымсыз процесс кезінде жүйе бұрынғы күйіне қайтып келмейді. Үйкеліс, кедергі күштерімен жүретін процестер қайтымсыз процесс болып табылады.

 Жылу алмасу кезінде жүретін процесс қайтымсыз процесс болып табылады. Мұны термодинамиканың 2-ші заңы сипаттайды.

 Оқытушылар жұмыс істеу және қыздыру кезінде энергияны берудің айырмашылығының бар екендігіне назар аударуы тиіс.

 Осы ПӘК –ті шектейтін термодинамиканың 2-ші заңы енгізілетін контекст. Бірінші заңнан ерекше 2-ші заңның қайтымсыз процестерден тұратынын, табиғи жағдайларды сипаттайтыны көрсетіледі, мысалы, тығыздығы жоғары отын біртіңдеп төмен сұрыпты жылу түріне айналады. шашырайды. Ол реттіліктен ретсіздікке ауысуға байланысты болуы мүмкін.

 Мұны термодинамиканың 2-ші заңы сипаттайды және оны төмендегідей түрлерде тұжырымдап беруге болады:

 1.       Сыртқы ортада ешқандай өзгеріс болмаған жағдайда ешқашан салқын денеден ыстық денеге жылу берілмейді.

 2.       Дененің ішкі энергиясының есебінен шексіз жұмыс атқару мүмкін емес.              

 Яғни, бұл формуланың шын өмірде практикалық қолданысы мүмкін емес.

 (3.       Кез-келген процестерде жүйенің энтропиясы кемімейді.

 Энтропия термодинамикалық жүйенің күйін анықтайтын шаманың бірі болып табылады. Энтропия зат молекулаларының қозғалысының тәртіпсіздігінің мөлшері болып табылады.)

 Термодинамиканың екінші заңының тарихи қалыптасқан тұжырымдамалары:Клаузиус тұжырымдамасы: жылу өздігінен ыстық денеден суық денеге беріледі.Кельвин тұжырымдамасы: салқын жүйеден жылу алып, оны жұмысқа айналдыратын машина жасау мүмкін емес.Кельвиннің айтуы бойынша, жекелеген жүйені сол жүйенің температурасынан төмен температурада суыту арқылы үздіксіз жұмыс жасау мүмкін емес.Карноның қорытындысын жалпылай келіп, Кельвин мынадай тұжырымдама жасады: бір ғана жылу көзінен алынған жылу мөлшерінің есебінен периодты жұмыс істейтін жылу машинасын жасау мүмкін емес, яғни екінші ретті мәңгі қозғалтқыштың болуы мүмкін емес.Екінші ретті мәңгі қозғалтқыш дегеніміз – бір ғана резервуардан алынған жылуды толығымен жұмысқа айналдыратын машина. Қайтымды процестер табиғатта кездеспейді.Қорытынды:Термодинамиканың бірініші заңына сәйкес, сырттан энергия алмай жұмыс істейтін қозғалтқыш жасау мүмкін емес.Термодинамиканың екінші заңына сәйкес, денеге берілген жылу мөлшерін толығымен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.Термодинамиканың бірінші заңы абсолют, яғни оны барлық жерде қолдана беруге болады, ал термодинамиканың екінші заңы абсолют емес және статистикалық сипатқа ие болады.

 Қолданған материалдар төмендегі сілтемелерден алынды.

• http://lib.kstu.kz:8300/tb/books/Molekulal@ik_fizika_zh@ene_termodinamika_negizderi/teory/%D0%BB8.htm
• https://referattar.kazaksha.info/%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8B%D2%A3-%D0%B1%D1%96%D1%80%D1%96%D0%BD%D1%88%D1%96-%D0%B7%D0%B0%D2%A3%D1%8B
• https://phys.sarwar.kz/technical/frame/%C2%A710.html