Термодинамика жайлы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 7 бет
Таңдаулыға:

Термодинамикадағы негізгі ұғымдар

Термодинамикада зерттелетін объектіні жүйе деп атайды. Жүйе дегеніміз кеңістіктің бөліп алынған бір бөлігі. Бұл бөлік бір немесе бірнеше бөліктен тұрады. Жүйе айналадағы ортадан ойша немесе шын мәнінде алынған шектермен шектеліп бөлінеді. Жүйені құрайтын денелер қзара бір-бірімен және басқа денелермен энергия не зат алмасу арқылы әрекеттесуі мүмкін. Осындай жағдайда бұлар термодинамикалық жүйе болып саналады. Термодинамикақ жүйе айналадағы ортамен әрекеттескенд, олардың арасында жылу алмасуы байқалып, жұмыс өндіріледі.

Термодинамикада макроскопиялық денелер (жүйелер) қарастырылады. Олар саны көп, ең кемінде 10Іє-10І бөлшектен (атомдар, молекулалар) тұрады. Жүйедегі микробөлшектердің қасиеттерін мысалы, құрылысын ескермей, тіпті оларды білмей де, макроскопиялық денелердің көп қасиеттерін білуге болады. Ол үшін термодинамиканың әдістері қолданылады.

Денелерді құратын микробөлшектер жылу әсерінен ылғи да қозғалыста болады. Жүйедегі бөлшектердің жылу қозғалыс мөлшерін температура арқылы өлшенеді. Бұл жағдай термодинамиканың маңызды және негізгі тұжырымы болып, аксиома түрінде беріледі. Жылу тепе-теңдігінде барлық термодинамикалық денелерде температура бірдей болады. Мұны кейде термодинамиканың нольдік заңы деп атайды. Барлық денелер температуралы екені және оны өлшеуге болатындығын күнделікті тәжірибеден көреміз.

Молекулалар қозғалысы еш уақытта жойылмайды. Бұл материалистік көзқарас болып табылады. Демек температура денелердің, жүйенің маңызды қасиеттерінің бірі.

Жоғарыда айтылғандардан термодинамика макроскопиялық денелердің қасиеттерін зерттейтін ғылым екенін көреміз. Сонымен қатар термодинамика жүйеде өтетін процестерді қарастырады. Классикалық термодинамика жеке атомдар мен молекулалардың қасиеттерін (құрылысы, құрамы) қарастырмайтындықтан оны феноменологиялық ғылым деуге болады(феномен-құбылыс) . Термодинамика жүйенің макроқасиеттерін (температура, қысым, көлем, т. б. ), макропроцестерді зерттейді, бірақ процесс өтуінің себептерін ашпайды, олардың микро бөлшектер қасиеттерінің өзгерісіне байланысты екенін мүлде қарастырмайды. Мұны, әрине, термодинамиканың кемшілігі деуге болмайды. Феноменологиялық әдіс физиканың және химияның көп салаларында қолданылады. Мысалы, бұл әдіс жылу қозғалтқыштың

п. ә. к. анықтауда, химиялық реакциялардың жүру міндеттерін зеттеуде қолданылады. Термодинамикалық жүйе айналадағы ортамен жылу, не басқа энергия, зат алмасу арқылы әрекеттеспесе, ондай жүйені оқшау жүйе деп атаймыз. Жүйе өзіне тән қасиеттерімен, соған байланысты күйімен сипатталады. Егер жүйенің күйі өзгермей тұрақты болса, термодинамикалық тепе - теңдік орнаған болып табылады. Мұндай жағдайда жүйенің барлық бөлшектерінде температура, зат концентрациясы және қысымы бірдей болады. Сыртқы жағдай өзгермей жүйе тепе-теңдік күйден өздігінен шықпайды. Жүйенің термодинамикалық тепе-теңдікте болуын мынадай қарапайым мысалмен көрсетуге болады. Беті жабық ыдыстағы 100єС дейін қыздырылған суды алайық. Ыдыстағы су тепе-теңдік күйде емес, себебі бөлменің температурасы 20єС болуына байланысты су суый бастайды. Температураның әртүрлі болуынан түрліше процестер, мысалы, жылу алмасу, конвекция, сәуле шыңару процестері болуы мүмкін. Белгілі бір уақыттан кейін судың барлық қабатарының температурасы айналадағы ортамен бірдей болады. Суда процестер тоқтап, термодинамикалық тепе-теңдік орнайды.

Жүйе гетерогенді және гомогенді болып бөлінеде. Гетерогенді жүйелер бір-бірімен шектеліп бөлініп тұратын қасиеттері бірдей емес бірнеше бөліктерден тұрады. Әрбір бөлік фаза деп аталады. Гомогенді жүйе бір фазадан тұрады. Гомогенді жүйеге мысал ретінде тұздың қанықпаған ерітіндісін келтірсек, гетерогендінің мысалы ретінде тұздың аса қаныққан ерітіндісін алуға болады. Демек бұл жүйе екі фазадан - сұйық ерітінді мен тұздың кристалдарынан тұрады.

Жүйе айналадағы ортамен энергия және зат алмасу арқылы әрекеттесетін болса, оны ашық , ал тек энергия алмасу арқылы әрекеттесетіндерін жабық жүйелер дейміз.

Күй параметрлері. Квазистатистикалық процестер.

Жүйенің қасиетін және күйін сипаттайтын шамаларды параметрлер дейміз. Мысалы газ күйін анықтайтын параметрлер қысым (Р), көлем(V) және температура(Т) . Параметрлерді белгілеу үшін мынадай мысалды қарастырайық. Бір-бірімен қысқышпен бөлінген ауасы бар екі резинадан жасалған шарды алайық. Үлкен шардағы қысым кіші шардағы қысымнан артық(Рэ-Р2) . Қысқышты алып тастағанда ауа үлкен шардан кіші шарға ауысып, екі шардағы қысым теңеседі(Р1=Р2), ал екі шардағы ауаның көлемдері қосылады. Тағы бір мысал. Температурасы әр түрлі екі ыдыстағы суды араластырсақ, олардың температуралары теңеліп, массалары қосылады. Бұл екі

мысалдан жүйенің екі түрлі қасиеттерін байқаймыз. Процесс кезінде жүйенің кейбір қасиеттері(Р, Т) теңесетін болса, кейбіреулері (V, m) қосылады, яғыни қасиеттерін екі топқа бөліп қарастыруға болады. Теңесетін қаситтерді (Р, Т, Е-кернеу, м-химиялық потенциал, т. б. ) -интенсивтік параметрлер немесе потенциалдар деп, ал қосылатын қасиеттерді (V-көлем, m-масса, С- жылу сыйымдылық, q-электр заряды, т. б. ) - экстенсивтік параметрлер немесе координаталар деп атайды.

Жүйе тепе-теңдік қалыпқа келгенде оның күй параметрлері белгілі бір мәнге ие болады. Тепе-теңдік күйді сипаттайтындар термодинамикалық күй параметрлері болып табылады. Бұлар жүйенің макроскопиялық қасиеттері.

Күй параметрлері арқылы термодинамикалық тепе-теңдікті анықтауға болады. Тепе-теңдік қандай параметрлер арқылы сипатталатыны кейінгі тақырыптарда беріледі.

Макрожүйені молекулалық кинетикалық теория тұрғысынан да қарастыруға болады. Алайда бұл жағдайда жүйедегі барлық молекулалардың кеңістіктегі координаталары мен қозғалыс жылдамдықтарын білу қажет. Осы әдіспен жүйе күйін статистикалық термодинамика зерттейді. Ал жалпы феноменологиялық термодинамика болса, ол қысым, температура, т. б. макропараметрлерді қолданады. Макропараметрлер арқылы күрделі жүйенің орташа күйі сипатталады.

Күй параметрлері жүйенің күйі мен қатар ондағы өтетін процестерді де сипаттайды. Процесс деп күй параметрлерінің өзгеруін айтамыз. Әрбір күйгк параметрлердін белгілі бір мәндері сәйкес болатындықтан, кез келген емес, тек жүйеде орнаған термодинамикалық тепе-теңдікті бұзбай өтетін процесті қарастырамыз.

Идеал газдар

Идеал газды қарапайым термодинамикалық жүйе деп қарастыруға болады. Мұнда бөлшектер өзара әрекеттеспейді. Идеал газдың күйін сипаттау үшін үш параметрдің екеуі белгілі болғаны жеткілікті, үшінші параметр күй теңдеуі бойынша анықталады.

Көптеген газдардың қасиеттері белгілі жағдайларда идеал газға жақын болады. Осы газдарды сипаттайтын параметрлердің арасындағы байланыстар тәжірибе жүзінде табылған. Олар идеал газдардың заңдары болып саналады.

Бойль- Мариотт заңы. 1662 ж Роберт Бойль тұрақты температурада қысым мен көлемнің көбейтіндісі тұрақты шамаға тең болатындығын тапты :

Р V=const немесе P1/P2=V2/V1 (1)

Осыдан 10 жыл өткеннен кейін бұл заңды Мариотт қайталап ашқан (1676 ж) . Газдың тығыздығы оның көлеміне кері пропорционал, сондықтан жоғарыдағы заңды былай деп айтуға болады: түрақты температурада идеал газдардың тығыздықтары олардың қысымына пропорционал:

р 1/р2=P1/P2 (2)

Гей-Люссак және Шарль заңы. 1802 ж Гей-Люссак және Шарль тағы бір маңызды заңды ашты: тұрақты қысымда газдың көлемі температураға тәуелді өзгереді:

V=Vп(1+ ЬT) (3)

Гей-Люссак б- коэффицентінің тұрақты шама екенін тәжірибе жүзінде тапты. Газдың температурасы бір градусқа жоғарылағанда көлемі бастапқы көлемнің 1/273 бөлігіне ұлғаяды.

Олай болса газдың соңғы көлемі V=Vо(1+t/273), Vо-газдың0°C көлемі.

Бұл теңдеудегі температураны -273°С дейін төмендетсек, газ көлемі нольге тең, температураны одан әрі төмендеткенде көлем теріс болады. Томсон (лорд Кельвин) бұл температураны (-273єС) абсолютті ноль деп атауды ұсынды. Осы абсолюттік нольден бастап температуралық шкаланы Кельвин шкаласы деп айтады. Сонда температураны Кельвин шкаласына ауыстыру үшін:

ТК=tєС+273, 16 (4)

273, 16 деген сан қазіргі жаңа өлшемге байланысты. (3) -теңдеу мен (4) -теңдеуді салыстырсақ:

V=kT немесе V1/ V2=T1/T2 (5)

Жоғарыда қарастырылған екі заңнан мынадай теңдеу шығады:

PV/(273+t) =PoTo/273; 273+t=T (6)

Бұл теңдеу екі заңға да ортақ үш параметрдің (P, V, T) өзара байланысын береді. Оны XОX ғасырда француз ғалымы Клайпейрон ұсынған.

Клайпейрон теңдеуін түрлендіру арқылы 1874 ж орыстың ұлы ғалымы Д. И. Менделеев Авогадро заңын қолданды. Авогадро заңы бойынша қалыпты жағдайда түрлі газдардың бірдей көлемдерінде молекула саны бірдейболады. Сонда идеал газдың 1 моль үшін PV/T=R, ал n моль үшін PV/T=nR немесе PV=nRT.

R-газдың әбебап тұрақтысы, R=8, 3143Дж/моль·К. Клапейрон-Менделеев Теңдеуі идеал газдардың күй теңдеуі болып саналады.

Термодинамиканың бірінші заңы

Термодинамиканың бірінші заңы табиғаттың жалпы заңдарының бірі - энергияның сақталу заңыныңдербес бір түрі. Оны былай тұжырымдайды: энергияның түрлері бір-біріне эквивалентті және бірдей қатынаста (мөлшерде) ауысады.

Бұл изоляцияланған жүйеде энергияның жалпы қоры тұрақты болатынын аңғартады.

Энергияның сақталу заңы табиғаттың объективтік заңдарының бірі ретінде қозғалыстың мәңгілік екенін көрсетеді, өйтені Ф. Энгельстің анықтамасы бойынша энергия қозғалыстың бір түрінен екінші түріне айналуы болып табылады. Қозғалыстың материядан бөліп қарауға болайтындықтан, қозғалыс - материяның бар болуының бір түрі, материяның мәңгілік екендігін дәлелдейді.

Термодинамиканың бірінші заңы жұмыс, жылу және жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің арасындағы байланысты көрсетеді. Кез келген процесте жүйенің ішкі энергиясының өзгеруі ∆U=U2-U1 жүйеге берілген жылу Q мен жүйе жасаған жұмыстың A айырымы тең болады:

∆U=Q-A (7)

Егер жүйенің бастапқы және соңғы күйлері бірдей болса, процестің жүру жолдарына байланыссыз ∆U-дың мәні де бірдей болады. Бұл жоғарыда айтқандай, ішкі энергия күйдің функциясы екенін көрсетеді.

Алайда жылу мен жұмыс мұндай қасиет көрсете алмайды, өйткені олар процестің жүру жолына байланысты болады және олар күйдің функциясы емес. Сондықтан өзгерістеріөте аз процесс үшін теңдеуді (7) былайша жазамыз:

dU=δQ-δA (8)

Мұндағы тек ішкі энергияның өте аз өзгерісі ғана дифференциялға айналады. Осы теңдеулер - (7) және (8) термодинамиканың бірінші заңының математикалық өрнектері болып табылады. Оларды ХІХ ғасырдың орта шенінде Д. Джоуль мен Р. Майер бір-біріне қаттыссыз анықтағанын, кейінірек Г. Гельмгольц механикалық жұмыс орнына жұмыстың басқа түрін енгізіп тұжырымдады.

Термодинамиканың бірінші заңының көп тұжырымдарының бірі - бірінші текті мәңгілік двигатель жасауға болмайтындығы. Ондай двигатель - энергия жұмсамай жұмыс істейтін двигатель.

Термодинамика заңдары және химиялық

процестер

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.