Жылудинамиканың бірінші және екінші заңы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

ШӘКӘРІМ атындағы СЕМЕЙ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

Инженерлік-технологиялық факультеті

(факультет атауы)

«Техникалық физика және жылуэнергетика»кафедрасы

(кафедра атауы)

Мамандыққа кіріспе

(пән атауы)

СӨЖ

(жұмыс түрі)

Жылудинамиканың бірінші және екінші заңы

(жұмыстың тақырыбы)

Орындаған: Сералиева А. С

Топ: ТЭ-517

Тексерген: Сейсенбаева М. К.

Семей

2015

МАЗМҰНЫ:

КІРІСПЕ

1. ЖЫЛУДИНАМИКАСЫ4

1. 1Тарихы4

1. 2 Iшкi энергия туралы түсiнiк. Жылудинамикадағы жұмыс. 5

1. 3 Жылу мөлшерi. Жылу балансының теңдеуi6

1. 4 Идеал газдың iшкi энергиясы. 7

1. 5 Жылудинамиканың бiрiншi заңы. 8

1. 6 Жылудинамиканың бiрiншi заңын изопроцестерге қолдану8

1. 7 Жылудинамиканың екiншi заңы. 9

2. АЙНАЛМАЛЫ ПРОЦЕСС11

ҚОРЫТЫНДЫ13

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР:14

КІРІСПЕ

Жылу құбылысы табиғат әлемінде және техниканың әртүрлі саласында ең көп таралған жердегі ең басты энергия көзі күн болып саналады. Қоршаған құбылыстар мен қозғалыстар үлкен үш топқа бөлінеді. Бірінші топтағы жұмыстарды жүргізу үшін сырттан күш. Оларды жүргізу үшін күш жүмсау қажет. Бірінші топтағы жұмыстар өздігінен жүрмейді және оларды еріксіз жүргізілетін жұмыстар дейді екен. Екінші топқа өздігінен жүретін жұмыстар жатады. Мұндағы жұмыс нәти-жесінде сыртқы күшке қарсы жұмыс алынбайды. Оларға ешбір кедергісіздік жағдайларындағы горизонталь жазықтықтың үстін-де кішкене шардың дөңгелей қозғалуы, сағат маятнигінің тербел-мелі қозғалуы мысал. Ал үшінші топтағы жұмыстарға өздігінен, емін-еркін жүретін процестер жатады немесе мұндағы жұмыс нә-тижесінде пайда болатын өзгеріске, оған пропорционалды түрде сырттан күш жүмсалмайды. Оған көтерілген жүктің төмен түсуі, тастың құлауы, күшті қышқыл мен күшті негіздің өзара бірін-бірі нейтралдауы, жұмыс істеп түрған гальваникалық злементтегі кез келген химиялық реакциялар^ көмір, жанар май, газ сияқты отын-дардың жануы, қопарылғыш заттардың жарылуы, ылғалды атмос-ферадағы металдың (темірдің) тотықтануы сияқты өмір мен өнді-рісте жиі кездесетін құбылыстар мен процестер мысал. Үшінші топтағылар оң, ал бірінші топтағы, өздерінің жүруі үшін тыстан күш қажет ететіндер теріс жұмыс делінеді, екінші топтағыда жұмыс жоқ.

Табиғатта кездесетін процестер ешбір күш жұмсамаса да жүретін болса, оны табиғи немесе өздігінен жүретін процестер дейді. Ал сырттан күш жұмсап жұмыс жүргізу нәтижесінде пайда болатын процесті еріксіз немесе табиғи кері ағымдағы процестер дейді екен. Оқшауланған системалардағы процестер өздігінен жү-реді. Олай болса, оқшауланған системадағы процестер әркез тепе-теңдікте болады және сырттан күш жұмсап, системадагы энергия-ны өзгертпейінше, ол осы тепе-теңдік қалпын сақтайды. Система-дағы тепе-теңдік жағдайын анықтаудың теориялық та, қолданбалы да маңызы зор.

1. ЖЫЛУДИНАМИКАСЫ

Жылудинамикасы - физика ғылымындағы жылудың жұмыс және басқа энергия түрлерімен арадағы қарым-қатынасын зерттейтін тармағы. Жылудинамика - тәжірибелерден жинақталған нәтижелерге сүйенетін феноменологиялық ғылым. Ол көптеген құрамдас бөліктерден тұратын макроскопиялық жүйелер - жылудинамикалық жүйелерді зерттейді. Мұндай жүйелерде жүретін процестер макроскопиялық шамалар, мысалға қысым немесе температура арқылы сипатталады және олар молекулярлық деңгейде қолдануға келмейді.

Жылудинамика заңдылықтары жалпы сипатта қолданылады және заттардың атомдық деңгейдегі құрылымына тәуелді емес. Сондықтан жылудинамика ғылым мен техниканың энергетика, қозғалтқыштар, фазалық ауысу, химиялық реакциялар, секілді көптеген салаларда қолданылады. Жылудинамиканың физика мен химияның бірқатар салаларында, химиялық технология, аэроғарыштық технология, машина жасау, жасушалық биология, биомедициналық инженерия секілді алуан түрлі салаларда алатын орны ерекше.

1. 1Тарихы

Жылудинамика механикалық жұмыс жасауға дененің ішкі энергиясын пайдаланудың негізгі тәсілдерін зерттейтін эмпирикалық ғылым ретінде пайда болды. Алғашқы бу машиналары 18 ғасырдың екінші жартысында ойлап табылды және өнеркәсіптік төңкерістің негізгі алғышарты болды. Ғалымдар мен инженерлер оның тиімділігін арттыру тәсілдерін іздей бастады, 1924 жылы Сади Карно өзінің "Оттың қозғаушы күші және осы күшті дамытатын машиналар жайлы" шығармасында жылу машиналарының пайдалы әрекет коэффицентінің максималды көрсеткішін анықтады. Термодинамика осы шығарманың жазылуынан бастау алды деп есептеледі.

19 ғасырдың 40-жылдарында Майер мен Джоуль механикалық жұмыс пен жылудың арасындағы байланысты сипаттайтын энергияның сақталуы мен табиғаттағы айналымы заңын сандық түрде анықтады. Осы ғасырдың 50-жылдарында Клазиус пен Кельвин сол кезеңге дейін жинақталған деректерді жүйелеп, энтропия мен абсолют температура ұғымдарын енгізді.

19ғасырдың соңында феноменологиялық жылудинамика ғылымы жылудинамикалық потенциалдар тəсілін енгізіп, жылудинамикалық тепе-теңдіктің шарттарын, фазалардың тепе-теңдігі мен капиллярлық құбылыстарды зерттеген Гиббстың еңбектерінде дамытылды. 1906 жылы Нернст кейінірек "Жылудинамиканың үшінші бастамасы" деп аталып, оның аты қойылған теореманы жариялады.

Жылудинамиканың негізгі заңдары нақты түрде көрсетілген алғашқы еңбек 1909 ж. жазылған Каратеодоридің шығармасы еді.

1. 2 Iшкi энергия туралы түсiнiк. Жылудинамикадағы жұмыс.

Iшкi энергия туралы түсiнiк. Макроденелерд механикалық энергиямен қатар, өздерiнiң iштерiне тұйықталған энергияға ие. Ол - iшкi энергия. Ол барлық энергетикалық түрленулердiң балансына кiредi. Механикалық жұмыс жасамай-ақ денелердi қыздырғанда, олардың iшкi энергиясы ұлғаяды. Iшкi энергияның механикалық энергияға айналуының керi процесi болатыны сөзсiз. Молекулалық-кинетикалық теория көзқарасынан макроскопиялық дененiң iшкi энергиясы барлық молекулалардың ретсiз қозғалыстарының кинетикалық энергиялары мен олардың бiр-бiрiмен өзара әсерiнiң потенциалдық энергияларының қосындысына тең.

Жылудинамикадағы жұмыс. Жылудинамикада қозғалыстағы ортаның аз бөлшектерiнiң бiр-бiрiне қатысты орын ауыстыруы ғана қарастырылады. Нәтижесiнде дене көлемi, оның iшкi энергиясы өзгередi. Дене жылдамдығы тұтасымен алғанда нөлге тең болып қалады. Жұмыс классикалық механикадағы сияқты анықталады, бiрақ ол дененiң кинетикалық энергисының өзгеруiне емес, оның iшкi энергиясының өзгеруiне тең болады. Мысалы, газдардың сығылуы кезiнде поршень өзiнiң механикалық энергиясының бiр бөлiгiн газдарға бергендiктен, молекулалардың кинетикалық энергиясы ұлғаяды, газ қызады. Керiсiнше, егер газ ұлғайса, онда алыстаған поршенмен соқтығысқаннан кейiн молекулалардың жылдамдығы азайып, газ суиды.

. Қозғалмалы ортаның көлемi өзгергендегi iстелген жұмыс мынаған тең болады:

А ′ = p · (V ₂ -V ₁ ) = p · ΔV . (1)

Ұлғаю кезiнде ( V ₂ > V ₁ ) газ оң жұмыс жасайды: А′ >0. Сығылу кезiнде V ₂ < V ₁ , сондықтан оның жұмысы терiс болады: А′ <0. Керiсiнше, газ сығылған кездегi сыртқы күштердiң жұмысы оң болады да, газ қыза бастайды. Ұлғаю кезiнде сыртқы күштердiң жұмысы терiс болады - газ суиды.

Тұрақты қысым жағдайында, газдың жұмысы геометриялық тұрғыдан түсiндiргенде ( P-V ) графигiндегi V ₁ АВV ₂ тiк төртбұрышының ауданына дәлме-дәл тең екендiгiн оңай көруге болады. Жалпы жағдайда газ қысымы көлемге байланысты функция болып табылады. Бiрақ, газ жұмысы бұрынғысынша сандық түрде бастапқы және соңғы күйлердегi p ₁ және p ₂ қысымдарына тең AV ₁ және AV ₂ кесiндiлерiмен және P -ның V -ға байланысты графигiмен шектелген фигураның ауданына тең болады

1. 3 Жылу мөлшерi. Жылу балансының теңдеуi

Жұмыс жасалынбай-ақ , бiр денеден екiншi денеге энергияның берiлу процесi жылу алмасу немесе жылу берiлу деп аталады. Жылу алмасу кезiндегi iшкi энергияның өзгеруiнiң мөлшерлiк шамасын жылу мөлшерi деп атайды. Жылу алмасудың үш түрi бар - жылуөткiзгiштiк, конвекция және сәуле шашу (сәулелi жылу алмасу

Массасы m дененi t ₁ температурадан t ₁ температураға дейiн қыздыру үшiн оған мынадай жылу мөлшерiн беру қажет. Бұл қатынас дененiң сууы кезiнде де орындалады, бiрақ ол жағдайда жылу мөлшерi терiс болады, себебi Δt<0 . Пропорционалдық коэффициент с меншiктi жылу сыйымдылығы деп аталады.

Меншiктi жылу сыйымдылығы деп температурасы 1 ^o К -ге өзгергендегi массасы 1 кг дененiң алған немесе берген жылу мөлшерiн айтамыз.

Меншiктi жылу сыйымдылығы c заттың физикалық қасиеттерiне қалай байланысты болса, жылу алмасуы жүретiн процестiң түрiне де солай байланысты болады. Буға айналудың меншiктi жылуы. Сұйықты буға айналдыру үшiн оған белгiлi бiр жылу мөлшерiн беру қажет. 1 кг сұйықты тұрақты температурада буға айналдыру үшiн қажет болатын жылу мөлшерiн заттың буға айналуының меншiктi жылуы деп атайды. Бұл шама r символымен белгiленедi және СИ жүйесiнде Дж/кг -мен өлшенедi.

Балқудың меншiктi жылуы. Дене тұрақты температурада балқиды. Молекулалардың кинетикалық энергиясы өзгермейдi, барлық берiлетiн жылу олардың потенциалдық энергиясын ұлғайтуға шығындалады.

1 кг затты сол температурадағы сұйыққа айналдыруға қажет болатын жылу мөлшерiн балқудың меншiктi жылуы λ ( Дж/кг ) деп атайды.

Массасы m болатын кристаллдық дененi балқыту үшiн мынадай жылу мөлшерi қажет:

Жылу балансының теңдеуi . Тұйық жүйедегi жылу алмасу кезiнде, оның iшкi энергиясының қосындысы өзгермейдi. Кез келген жеке алынған дененiң энергиясының өзгерiсi жылулық тепе-теңдiк басталғанға дейiнгi дененiң берген немесе алған жылу мөлшерiне тең: ΔU _i = Q _i . Барлық денелер үшiн бұл шамаларды қосып және жүйенiң жинақталған iшкi энергисы тұрақты екенiн ескерiп, мынаны аламыз: ΔU ₁ + ΔU ₂ + ΔU ₃ + . . . = 0. Бұдан мына теңдеу шығады:

1. 4 Идеал газдың iшкi энергиясы.

Идеал газдардың iшiнде өзiнiң физикалық қасиеттерi бойынша қарапайым болып табылатын газ - бiр атомды газ (гелий, неон, аргон және т. б. ) .

Бiр атомды газдың iшкi энергиясы. Идеал газдың барлық iшкi энергиясы оның молекулаларының қалыптаспаған қозғалысының кинетикалық энергиясы болып табылады. Массасы m бiр атомды газ үшiн ол бiр атомның орташа кинетикалық энергиясының E = 3kT/2 жалпы атомдар санына N = mN _a /M көбейткенге тең. kN _a = R екенiн ескерiп, мынаны табамыз:

Бiр атомды идеал газдың iшкi энергиясы, молекулаларының өзара әсерлесуiнiң потенциалдық энергиясы нөлге тең болғандықтан, көлемге (қысымға) байланысты емес. Тек газ температурасының өзгеруiнiң есебiнен ғана газдың энергиясы өзгередi. Нақты газдар және сұйықтар үшiн молекулалардың орташа потенциалдық энергиясы нөлден өзгеше. Газдарда ол кинетикалық энергиямен салыстырғанда өте аз, ал сұйықтар мен қатты денелер үшiн кинетикалық энергиямен шамалас болып келедi. Демек, жалпы жағдайда, iшкi энергия потенциалдық энергия сияқты қозғалмалы ортаның көлемiне, температурасына тәуелдi болады.

1. 5 Жылудинамиканың бiрiншi заңы.

Көптеген деректердi жинақтаудың негiзiнде энергияның сақталуының жалпылама заңы тұжырымдалды: табиғатта энергия U жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, ол тек бiр түрден екiншi түрге ауысады .

Жылу құбылыстарында таралған энергияның сақталу және айналу заңы жылудинамиканың бiрiншi заңы деп аталады.

Жалпы жағдайда, жүйенiң бiрiншi U ₁ күйден екiншi U ₂ күйге ауысуы кезiнде, iшкi энергия атқарылған жұмыстың есебiнен қалай өзгерсе, жүйеге сырттан берiлген жылудың әсерiнен де солай өзгере алады. Жылудинамиканың бiрiншi заңы нақ осылай тұжырымдалады: iшкi энергияның өзгерiсi жүйеге берiлген жылу мөлшерi мен сыртқы күштердiң жұмысының қосындысына тең :

Егер жүйе жылу өткiзбейтiн болса ( Q = 0) және ол механикалық жұмыс атқармаса ( А =0), онда ΔU = 0, немесе U ₁ = U ₂ : тұйық жүйенiң iшкi энергиясы өзгермейдi (сақталады) . Бұл дерек жылулық баланс теңдеуiн қорытқанда қолданылған болатын.

Жылудинамиканың бiрiншi заңынан, ешқандай энергетикалық шығынсыз шексiз мөлшерде жұмыс жасай алатын қондырғыны - мәңгiлiк двигательдi жасап шығару мүмкiндiгiнiң терiстiгi шығады. Шын мәнiнде, егер жүйеге жылу берiлмесе ( Q = 0 ), онда жұмыс A iшкi энергияның азаюы есебiнен ғана жүзеге асар едi: A = ΔU . Двигатель, энергия қоры таусылғаннан кейiн, жұмысын тоқтатады.

1. 6 Жылудинамиканың бiрiншi заңын изопроцестерге қолдану

Изохоралық процесс. Бұл процесте газ көлемi өзгермейдi: V = const . Газдың iшкi энергиясының өзгерiсi оған берiлген жылу мөлшерiне тең: ΔU = Q . Егер газ қыздырылса, онда Q > 0 және ΔU > 0 - iшкi энергия ұлғаяды. Газды суытқан кезде: Q < 0 және ΔU < 0, оның iшкi энергиясы азаяды.

Изотермалық процесс. Изотермалық процесс кезiнде газдың температурасы тұрақты болады ( Т = const ) және оның iшкi энергиясы өзгермейдi. Газға берiлген барлық жылу мөлшерi пайдалы жұмыс атқаруға жұмсалады: Q = А′ . Газ белгiлi жылу мөлшерiн ( Q > 0) алған кезде, ол оң жұмыс атқарады ( А′ > 0) . Керiсiнше, егер газ қоршаған ортаға жылу берсе, онда оның атқарған жұмысы терiс болып саналады.

Изобаралық процесс. Изобаралық процесс кезiндегi газға берiлген жылу мөлшерi оның iшкi энергиясының бiрге өзгеруiне және қысым тұрақты болған кездей P = const жұмысты атқаруға шығындалады.

Адиабаталық процесс. Қоршаған ортамен жылу алмасуы болмайтын жағдайда өтетiн жүйедегi изопроцесс адиабаталық процесс деп аталады.

Адиабаталық процесс кезiнде Q = 0 және жүйенiң iшкi энергиясының өзгеруi жұмыс атқару арқылы ғана жүредi: ΔU = А . ΔU = А теңдiгi белгiлi қорытынды жасауға мүмкiндiк бередi. Егер жүйеде оң жұмыс жасалса, мысалы газ сығылатын болса, онда оның iшкi энергиясы ұлғаяды және температурасы өседi. Керiсiнше, газ ұлғайған кезде, ол өзi оң жұмыс атқарады ( А _ұ > 0) . Оның iшкi энергиясы азаяды да, газ суиды.

Егер цилиндр түбiне эфирге батырылған мақтаны салып, дереу поршендi қозғалтсақ, онда мақтадағы эфир буы жалындайды. Бұл эффект Дизель двигателiнiң жұмыс iстеу принципiнiң негiзiне алынған.

Бұл жерде цилиндрге жанармай қоспасы емес, кәдiмгi атмосфералық ауа сорылады. Сығылу тактының соңында арнайы форсунка арқылы сұйық отын - солярка шашыратылады. Осы сәтте сығылған ауа температурасының жоғарлағаны сондай, тiптен жанармай тұтанады.

1. 7 Жылудинамиканың екiншi заңы.

Жылудинамиканың екiншi заңы энергетикалық түрленулердiң бар болу мүмкiндiгiнiң бағытын көрсетедi. Салқынырақ денеден ыстығырақ денеге жылуды тасымалдау, екi жүйеде де немесе қоршаған ортада бiр мезгiлде басқа өзгерiстер жасамайынша, мүмкiн емес.

Жылу двигателi. Iс-әрекетi жұмыс атқарушы дененiң механикалық энергиясын iшкi энергияға түрлендiруге негiзделген двигательдер жылу двигателдерi деп аталады.

Кез-келген дененiң (қыздырғыштың) iшкi энергиясын, қыздырғыштың жылуын басқа температурасы төменiрек денеге(тоңазтқышқа) бергенде ғана, яғни тек жылу алмасу процесi кезiнде ғана, iшiнара механикалық энергияға айналдыруға болады.

Ең алғаш рет бұл мәселенi, идеалды жылу машинасын ойлап тапқан француз ғалымы С. Карно зерттедi. Ондай машинаны құрастыру үшiн жоғарғы температурадағы қыздырғыш, мейлiнше төмен температурадағы тоңазтқыш және жұмыс атқарушы дене болуы керек. Барлық жылу машиналарындағы жұмыс атқаратын дене, өзi ұлғайған кезде жұмыс жасайтын, газ болып табылады. Тоңазтқыш ретiнде атмосфера, не болмаса конденсатор деп аталатын салқындатуға арналған арнайы қондырғылар алынады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.