Жылу табиғаты
1. Жылу табиғаты
2. Ішкі энергия
3. Термодинамиканың бірінші заңы
4. Термодинамиканың бірінші заңын термодинамикалық процестерге қолдану
5. Табиғаттағы жылу процестерінің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші заңы
6. Жылу қозғалтқыштары. Жылу қозғалтқыштарының ПӘК.і
7. Жылу қозғалтқыштарының рөлі және қоршаған ортаны қорғау
2. Ішкі энергия
3. Термодинамиканың бірінші заңы
4. Термодинамиканың бірінші заңын термодинамикалық процестерге қолдану
5. Табиғаттағы жылу процестерінің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші заңы
6. Жылу қозғалтқыштары. Жылу қозғалтқыштарының ПӘК.і
7. Жылу қозғалтқыштарының рөлі және қоршаған ортаны қорғау
Жылулық құбылыс тіпті ерте заманда-ақ адамдардың назарын аударған. XVII – XVIII ғасырлардағы ғылыми еңбектерден жоғарыдағы сұраққа жауап беру талпынысын байқауға болады. Алайда көп уақытқа дейін денелердің жылыну және салқындау процестерінің мәні туралы бірыңғай пікір болмады.
Жылу құбылыстарының қарапайымдылығы мен көрініп тұрған айқындылығына қарамастан, олардың мәнін түсіну үшін ғалымдарға бірнеше жүздеген жыл еңбектенуге тура келді. Күрделі, тіпті қарама-қайшы жолмен ғылыми ақиқатқа қол жеткізудің мысалы қандай десек, оған жылу процестерінің теориясын жасау тарихын алуға болады.
Тек термометрді ойлап тауып, оны жетілдіргеннен кейін ғана XVIII ғасырда тәжірибелік зерттеулер жылудың ғылыми теориясын құру жолында алғашқы табыстарға жетті. Осы уақытта жылу теориясында диаметральды түрде қарама-қарсы екі көзқарас ұсынылды. Жылудың заттық теориясы деп аталатын теория бойынша денені жылытқанда, оған жылутек деп аталатын тегі ерекше салмақсыз сұйықтың біршама мөлшері “құйылады”, ал салқындату кезінде жылутек денеден “ағып кетеді”. Жылусыйымдылық термині осылай пайда болды. Денеде неғұрлым жылутек көп болса, соғұрлым оның температурасы жоғары болады. Жылутек – жасалынбайтын және жойылмайтын зат деп саналады, сондықтан жылутектің мөлшері барлық процестерінде дененің берілген жүйесінде өзгерместен қалуы тиіс. Жылутек теориясы сол уақыттағы көптеген белгілі процестерді қанағаттанарлық дәрежеде түсіндіре алды.
Екінші көзқарас тұрғысынан алғанда, жылу дене бөлшектерінің – корпускуланың (corpusculum – бөлшек, латын сөзі) ішкі қозғалысы ретінде түсіндірілді. Сондықтан бұл теория алғашқыда жылудың корпускулалық теориясы деп аталады және ондағы құбылыстар ертедегі философтар айтып кеткен заттардың құрылысы туралы атомдық көзқарасымен байланыстырылды. Бұл теорияны жақтаушылар болып И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли және т.б. саналды.
Сол уақыттың көрнекті ғалымдары осы екі теорияның жақтаушылары қатарында болды. Жылутек теориясының батыл қарсыласы орыс ғалымы М. В. Ломоносов болды. Жылу теориясын қарастыра отырып, ол корпускулдар айналмалы қозғалыс жасайды деп ұйғарды. Өзінің түсініктемелерінің негізінде жылуөткізгіштік, балқу, булану сияқты жылу құбылыстарын түсіндірді. Ол зат бөлшектерінің қозғалысы тоқтағанда пайда болатын “суықтың ең үлкен немесе соңғы дәрежесінің бар екендігі туралы” қорытынды жасады. Алайда жылудың корпускулалық теориясы физиктер үшін жылулық процестерді сипаттайтын маңызды әр түрлі шамалардың арасындағы сандық байланысты орнатуға мүмкіндік бермеді. Ол уақытта бөлшектер қозғалысының кинетикалық энергиясы мен температураның арасындағы байланыс орнатылмаған еді, тіпті физикаға энергия ұғымы енгізілмеген болатын. Сондықтан жылудың корпускулалық теориясының тартымдылығы мен тереңдігіне қарамастан, XVIII ғасырдың ортасында жылутек теориясы уақытша жеңіске жетті. Осы теорияның көмегімен жылутектің сақталуы (жойылмайтындығы) туралы қорытынды жасалынды, денелердің жылу сыйымдылығы, будың пайда болуы мен балқудың меншікті жылуы сияқты ұғымдар енгізілді. Ол кезде жылутек теориясы озық теория болды.
Алайда екі теорияның қайсысы дұрыс болып саналатындығын тек көрнекі түрде, тәжірибе ғана дәлелдей алатын еді. Мұндай тәжірибелер XVIII ғасырдың соңында жасалды. Жылутек теориясын тәжірибе арқылы алғаш рет жоққа шығарған ағылшын ғалымы Бенджамин Томсон (граф Румфорд) болды. 1798 жылы қару ұңғысының арнасын бұрғылауды бақылай отырып, осы операция кезінде жылудың үлкен мөлшерде бөлінуіне таңғалды. Жылутек теориясының бар екендігіне күдіктенген Румфорд өзінің классикалық тәжірибесін жасады. Су астына орналастырылған металл келтекті екі аттың күшімен қозғалатын өтпес бұрғының көмегімен бұрғылады. Екі жарым сағаттан кейін су қайнады да, балқылап тұрғандарды таңдандырды. Өз тәжірибесін Румфорд ешқандай жылутек жоқ, жылудың пайда болуы қозғалысқа байланысты деген қорытынды жасады.
Жылу құбылыстарының қарапайымдылығы мен көрініп тұрған айқындылығына қарамастан, олардың мәнін түсіну үшін ғалымдарға бірнеше жүздеген жыл еңбектенуге тура келді. Күрделі, тіпті қарама-қайшы жолмен ғылыми ақиқатқа қол жеткізудің мысалы қандай десек, оған жылу процестерінің теориясын жасау тарихын алуға болады.
Тек термометрді ойлап тауып, оны жетілдіргеннен кейін ғана XVIII ғасырда тәжірибелік зерттеулер жылудың ғылыми теориясын құру жолында алғашқы табыстарға жетті. Осы уақытта жылу теориясында диаметральды түрде қарама-қарсы екі көзқарас ұсынылды. Жылудың заттық теориясы деп аталатын теория бойынша денені жылытқанда, оған жылутек деп аталатын тегі ерекше салмақсыз сұйықтың біршама мөлшері “құйылады”, ал салқындату кезінде жылутек денеден “ағып кетеді”. Жылусыйымдылық термині осылай пайда болды. Денеде неғұрлым жылутек көп болса, соғұрлым оның температурасы жоғары болады. Жылутек – жасалынбайтын және жойылмайтын зат деп саналады, сондықтан жылутектің мөлшері барлық процестерінде дененің берілген жүйесінде өзгерместен қалуы тиіс. Жылутек теориясы сол уақыттағы көптеген белгілі процестерді қанағаттанарлық дәрежеде түсіндіре алды.
Екінші көзқарас тұрғысынан алғанда, жылу дене бөлшектерінің – корпускуланың (corpusculum – бөлшек, латын сөзі) ішкі қозғалысы ретінде түсіндірілді. Сондықтан бұл теория алғашқыда жылудың корпускулалық теориясы деп аталады және ондағы құбылыстар ертедегі философтар айтып кеткен заттардың құрылысы туралы атомдық көзқарасымен байланыстырылды. Бұл теорияны жақтаушылар болып И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли және т.б. саналды.
Сол уақыттың көрнекті ғалымдары осы екі теорияның жақтаушылары қатарында болды. Жылутек теориясының батыл қарсыласы орыс ғалымы М. В. Ломоносов болды. Жылу теориясын қарастыра отырып, ол корпускулдар айналмалы қозғалыс жасайды деп ұйғарды. Өзінің түсініктемелерінің негізінде жылуөткізгіштік, балқу, булану сияқты жылу құбылыстарын түсіндірді. Ол зат бөлшектерінің қозғалысы тоқтағанда пайда болатын “суықтың ең үлкен немесе соңғы дәрежесінің бар екендігі туралы” қорытынды жасады. Алайда жылудың корпускулалық теориясы физиктер үшін жылулық процестерді сипаттайтын маңызды әр түрлі шамалардың арасындағы сандық байланысты орнатуға мүмкіндік бермеді. Ол уақытта бөлшектер қозғалысының кинетикалық энергиясы мен температураның арасындағы байланыс орнатылмаған еді, тіпті физикаға энергия ұғымы енгізілмеген болатын. Сондықтан жылудың корпускулалық теориясының тартымдылығы мен тереңдігіне қарамастан, XVIII ғасырдың ортасында жылутек теориясы уақытша жеңіске жетті. Осы теорияның көмегімен жылутектің сақталуы (жойылмайтындығы) туралы қорытынды жасалынды, денелердің жылу сыйымдылығы, будың пайда болуы мен балқудың меншікті жылуы сияқты ұғымдар енгізілді. Ол кезде жылутек теориясы озық теория болды.
Алайда екі теорияның қайсысы дұрыс болып саналатындығын тек көрнекі түрде, тәжірибе ғана дәлелдей алатын еді. Мұндай тәжірибелер XVIII ғасырдың соңында жасалды. Жылутек теориясын тәжірибе арқылы алғаш рет жоққа шығарған ағылшын ғалымы Бенджамин Томсон (граф Румфорд) болды. 1798 жылы қару ұңғысының арнасын бұрғылауды бақылай отырып, осы операция кезінде жылудың үлкен мөлшерде бөлінуіне таңғалды. Жылутек теориясының бар екендігіне күдіктенген Румфорд өзінің классикалық тәжірибесін жасады. Су астына орналастырылған металл келтекті екі аттың күшімен қозғалатын өтпес бұрғының көмегімен бұрғылады. Екі жарым сағаттан кейін су қайнады да, балқылап тұрғандарды таңдандырды. Өз тәжірибесін Румфорд ешқандай жылутек жоқ, жылудың пайда болуы қозғалысқа байланысты деген қорытынды жасады.
Алынған әдебиет: Физика 10 сынып (Қоғамдық-гуманитарлық бағыт).
Авторлары: Р. Башарұлы, Г. Байжасарова, У. Тоқбергенова
Авторлары: Р. Башарұлы, Г. Байжасарова, У. Тоқбергенова
Жоспар:
1. Жылу табиғаты
2. Ішкі энергия
3. Термодинамиканың бірінші заңы
4. Термодинамиканың бірінші заңын термодинамикалық процестерге қолдану
5. Табиғаттағы жылу процестерінің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші
заңы
6. Жылу қозғалтқыштары. Жылу қозғалтқыштарының ПӘК-і
7. Жылу қозғалтқыштарының рөлі және қоршаған ортаны қорғау
Денелер мен заттардың бөлшектерінің өзара әрекеттесуі мен қозғалыс
сипаты туралы түсініктемелерді қолданбай, олардың әр түрлі қасиеттері мен
күйлерінің өзгеруін зерттейтін физика бөлімін термодинамика деп атайды.
Термодинамика термодинамикалық жүйе және термодинамикалық
процестер ұғымы жиі пайдаланылады.
Термодинамикалық жүйе – бұл басқа денелердің әрекетінен
оқшауланған физикалық денелердің жиынтығы. Термодинамикалық процестер деп
термодинамикалық жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін айтады.
Термодинамика термодинамикалық жүйелердің жалпы қасиеттерін, бұл
жүйелерде болатын процестерді олардың өту механизмі тұрғысынан емес, осы
процестерде болатын энергиялардың түрленулері негізінде қарастырады.
Термодинамика тәжірибе деректерінің қорытындысы болып саналатын кейбір
жалпы заңдарға (“бастамаға”) сүйенеді.
ЖЫЛУ ТАБИҒАТЫ
Жылулық құбылыс тіпті ерте заманда-ақ адамдардың назарын аударған.
XVII – XVIII ғасырлардағы ғылыми еңбектерден жоғарыдағы сұраққа жауап беру
талпынысын байқауға болады. Алайда көп уақытқа дейін денелердің жылыну және
салқындау процестерінің мәні туралы бірыңғай пікір болмады.
Жылу құбылыстарының қарапайымдылығы мен көрініп тұрған
айқындылығына қарамастан, олардың мәнін түсіну үшін ғалымдарға бірнеше
жүздеген жыл еңбектенуге тура келді. Күрделі, тіпті қарама-қайшы жолмен
ғылыми ақиқатқа қол жеткізудің мысалы қандай десек, оған жылу процестерінің
теориясын жасау тарихын алуға болады.
Тек термометрді ойлап тауып, оны жетілдіргеннен кейін ғана XVIII
ғасырда тәжірибелік зерттеулер жылудың ғылыми теориясын құру жолында
алғашқы табыстарға жетті. Осы уақытта жылу теориясында диаметральды түрде
қарама-қарсы екі көзқарас ұсынылды. Жылудың заттық теориясы деп аталатын
теория бойынша денені жылытқанда, оған жылутек деп аталатын тегі ерекше
салмақсыз сұйықтың біршама мөлшері “құйылады”, ал салқындату кезінде
жылутек денеден “ағып кетеді”. Жылусыйымдылық термині осылай пайда болды.
Денеде неғұрлым жылутек көп болса, соғұрлым оның температурасы жоғары
болады. Жылутек – жасалынбайтын және жойылмайтын зат деп саналады,
сондықтан жылутектің мөлшері барлық процестерінде дененің берілген
жүйесінде өзгерместен қалуы тиіс. Жылутек теориясы сол уақыттағы көптеген
белгілі процестерді қанағаттанарлық дәрежеде түсіндіре алды.
Екінші көзқарас тұрғысынан алғанда, жылу дене бөлшектерінің –
корпускуланың (corpusculum – бөлшек, латын сөзі) ішкі қозғалысы ретінде
түсіндірілді. Сондықтан бұл теория алғашқыда жылудың корпускулалық теориясы
деп аталады және ондағы құбылыстар ертедегі философтар айтып кеткен
заттардың құрылысы туралы атомдық көзқарасымен байланыстырылды. Бұл
теорияны жақтаушылар болып И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли және
т.б. саналды.
Сол уақыттың көрнекті ғалымдары осы екі теорияның жақтаушылары
қатарында болды. Жылутек теориясының батыл қарсыласы орыс ғалымы М. В.
Ломоносов болды. Жылу теориясын қарастыра отырып, ол корпускулдар айналмалы
қозғалыс жасайды деп ұйғарды. Өзінің түсініктемелерінің негізінде
жылуөткізгіштік, балқу, булану сияқты жылу құбылыстарын түсіндірді. Ол зат
бөлшектерінің қозғалысы тоқтағанда пайда болатын “суықтың ең үлкен немесе
соңғы дәрежесінің бар екендігі туралы” қорытынды жасады. Алайда жылудың
корпускулалық теориясы физиктер үшін жылулық процестерді сипаттайтын
маңызды әр түрлі шамалардың арасындағы сандық байланысты орнатуға мүмкіндік
бермеді. Ол уақытта бөлшектер қозғалысының кинетикалық энергиясы мен
температураның арасындағы байланыс орнатылмаған еді, тіпті физикаға энергия
ұғымы енгізілмеген болатын. Сондықтан жылудың корпускулалық теориясының
тартымдылығы мен тереңдігіне қарамастан, XVIII ғасырдың ортасында жылутек
теориясы уақытша жеңіске жетті. Осы теорияның көмегімен жылутектің сақталуы
(жойылмайтындығы) туралы қорытынды жасалынды, денелердің жылу сыйымдылығы,
будың пайда болуы мен балқудың меншікті жылуы сияқты ұғымдар енгізілді. Ол
кезде жылутек теориясы озық теория болды.
Алайда екі теорияның қайсысы дұрыс болып саналатындығын тек
көрнекі түрде, тәжірибе ғана дәлелдей алатын еді. Мұндай тәжірибелер XVIII
ғасырдың соңында жасалды. Жылутек теориясын тәжірибе арқылы алғаш рет жоққа
шығарған ағылшын ғалымы Бенджамин Томсон (граф Румфорд) болды. 1798 жылы
қару ұңғысының арнасын бұрғылауды бақылай отырып, осы операция кезінде
жылудың үлкен мөлшерде бөлінуіне таңғалды. Жылутек теориясының бар
екендігіне күдіктенген Румфорд өзінің классикалық тәжірибесін жасады. Су
астына орналастырылған металл келтекті екі аттың күшімен қозғалатын өтпес
бұрғының көмегімен бұрғылады. Екі жарым сағаттан кейін су қайнады да,
балқылап тұрғандарды таңдандырды. Өз тәжірибесін Румфорд ешқандай жылутек
жоқ, жылудың пайда болуы қозғалысқа байланысты деген қорытынды жасады.
1799 жылы ағылшын физигі әрі химигі Гемфри Дэви жаңа тәжірибе
жүргізілді, ол да жылутек теориясына қарсы болды. Дэви тәжірибесі былайша
жасалды: темір шыбықтарға қатырылған екі мұз келтегі ерекше механизмнің
көмегімен бір-біріне бір минут бойы өте шапшаң үйкелді. Мұздың
температурасы -1,6˚С болатын. Мұздың еруі нәтижесінде пайда болған судың
температурасы қоршап тұрған ауаның температурасынан (1,8˚С) жоғары болып
шықты. Жылутек көзқарасы тұрғысынан бұл тәжірибе тіптен түсініксіз, өйткені
мұздың меншікті жылусыйымдылығы суға қарағанда аз, олай болса су мұзды
ерітетін жылу көзі ретінде қарастырылмайды. Осыдан Дэви: “Жылу қозғалыстың
нәтижесінде ғана пайда бола алады”, – деген қорытынды жасады. “Сонымен, –
деп жазды Дэви, – тәжірибенің өзі-ақ жылутек сұйығының жоқ екенін
дәлелдеді”.
Бұл тәжірибелер арқылы жылу мен жұмыстың арасындағы өзара сандық
байланысты түсіндіруге қол жеткізілгенімен, жұмыс және энергия сияқты
ұғымдардың дәл мән-мағынасы мен физикалық мазмұнын анықтау керек болды.
Румфорд пен Дэви тәжірибелері жылутек теориясына талқандаушы соққы болып
тиді. Бірақ қалыптасқан жылутектік түсінік ілімінен толық бас тарту үшін
тағы да біраз жылдар өтті.
ХІХ ғасырдың ортасында тәжірибе арқылы механикалық жұмыс пен
денеге берілген жылу мөлшерінің бір-біріне балама екендігі дәлелденді.
Дененің жылынуы немесе салқындауы ондағы жылутектің артуымен немесе
кемуімен емес, ол дененің энергиясымен байланысты екен. Жұмыс сияқты жылу
мөлшері де энергия өзгерісінің өлшемі болып саналады.
Энергиялардың алуан түрлерінің бір-біріне баламалығының сандық
дәлелдемесін неміс физигі Роберт Майер мен ағылшын физигі Джеймс Джоуль
жасады. 1842 жылы газдардың меншікті жылусыйымдылығының анықтамасы бойынша
баспада жарияланған мәліметтерді негізге ала отырып, Майер әр түрлі
жағдайлардағы газдың белгілі бір массасын бір градусқа жылытуға қажетті
жылу мөлшерін есептеді. Содан кейін ол газдың жұмысын есептеу тәсілін
тапты. Оны екі түрлі жағдайдағы газды жылытуға қажетті жылу мөлшерлерінің
айырымымен салыстырып, жұмыстың қандай мөлшері жылудың бір калориясына
шамалас екендігін анықтады.
Кейінірек 1845 жылы басылған өзінің кітабында Майер соған дейін
белгілі болған барлық энергияның түрленуін қарастырды және алғаш рет жалпы
түрдегі энергияның сақталу және түрлену заңын тұжырымдады. Сол кітапта
Майер Жердегі энергетикалық түрленулердің көзі Күн болып саналатынын
көрсетіп, табиғаттағы энергия айналымын сипаттап жазды.
Ағылшын ғалымы Джеймс Джоуль, Майер жұмысы туралы еш нәрсе
білместен, жұмыс істелінетін әр түрлі процестер кезінде жылу бөлінетінін
және бірлік жылу мөлшерін алу үшін бірдей жұмыс істелетіндігін дәлелдейтін
бірқатар тәжірибелер жасады. Джеймстің 1850 жылы жасаған тәжірибесі кеңінен
белгілі болды. Массасы мен температурасы белгілі суды калориметрге құйды.
Қорғасын жүк төмен түсе отырып, блокты қозғалысқа келтірді, ал ол
калориметр ішіндегі араластырғышты айналдырды. Құлайтын жүктің энергиясы
үйкеліс күшіне қарсы жұмыс істеуге жұмсалды. Қозғалыс кезіндегі істелінетін
жұмысты біле отырып және араластырғыш қалағының суға үйкелісі кезіндегі
температураны өлшей отырып, Джоуль мынадай қорытындыға келді: А = 4,2 Дж
жұмыс істегенде дене температурасы қаншалықты артса, денеге бір калорияға
тең (Q = 1 кал) жылу мөлшерін бергенде, оның температурасы сонша шамаға
артады. Сөйтіп, 4,2 Дж жұмыс 1 калория жылу мөлшеріне пара-пар болып шықты.
Көптеген өлшеулер осы қорытындыны растайды:
1 кал = 4,2 Дж
Тәжірибеде дәлелденген Q жылу мөлшері мен А жұмыстың бір-біріне
пара-парлығы физикада жылу мен жұмыстың баламалық (эквиваленттік) принципі
деп аталады.
АQ = 4,2 Джкал қатынасына тең шама жылудың механикалық
баламалығы деген атауға ие болды.
Сонымен, берілген жылу мөлшері жұмысқа баламалы болғандықтан, ол
энергия өзгерісіне байланысты болады. Сондықтан жылу мөлшерін, жұмыс
сияқты, жүйе энергиясы өзгерісінің өлшемі деп санап, оны сол жұмыстың өлшем
бірліктерімен, яғни джоульмен өрнектеу керек. Жылу алмасу кезінде, ерекше
зат – жылутек емес, энергия сақталады. Бұл дәлелдеме жылу табиғаты туралы
түсініктердің қалыптасып дамуына зор ықпал етті.
ІШКІ ЭНЕРГИЯ
Энергия ұғымы алғаш рет механикада енгізілген болатын. Үйкеліс
күштері мен серпімсіз деформациялары жоқ денелердің оқшауланған
жүйелеріндегі механикалық қозғалыс кезінде жүйе денелерінің кинетикалық
және потенциалдық энергияларының қосындысы тұрақты болып қалады:
Ек + Ер = const
Барлық микроскопиялық денелердің механикалық энергиясымен қатар,
олардың ішкі күйіне тәуелді тағы да энергиялар бар екендігі сендерге
белгілі. Осы энергияны ішкі энергиялар деп атайды да, U әрпімен белгілейді.
Ол термодинамикалық жүйенің маңызды параметрлерінің бірі болып саналады.
Молекулалы-кинетикалық теория көзқарасы тұрғысынан микроскопиялық
денелердің ішкі энергиясы барлық молекулалардың (немесе атомдардың)
бейберекет қозғалысының кинетикалық энергиялары мен олардың бір-бірімен
өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергияларының қосындысына тең.
Идеал газдың ішкі энергиясы оның молекулаларының тек жылулық
қозғалысының кинетикалық энергияларының қосындысы болып табылады, өйткені
идеал газ бөлшектерінің өзара әрекетін ескермеуге болады.
Бір атомды газдың гелий, неон, аргон және т.б. молекулаларының
орташа кинетикалық энергиясы мынаған тең:
Ēк = ( kТ.
Егер идеал газда N молекула бар болса, онда оның ішкі энергиясы
мынаған тең:
U = ( NkT.
Бұл формуладан идеал газдың ішкі энергиясы тек температура мен молекулалар
санына ғана тәуелді екені көрініп тұр. Идеал газдың ішкі энергиясы көлем
мен қысымға тәуелді емес, өйткені оның молекулаларының өзара әрекетінің
потенциалдық энергиясы нөлге тең деп есептеледі. Бұл идеал газдың ішкі
энергиясының өзгерісі ΔU тек температура өзгерісімен ғана анықталады және
газдың бір күйден екінші күйге өту процесінің сипатына тәуелді болмайды
дегенді білдіреді.
Мәселен, егер идеал газ температурасы Т1 күйден температурасы Т2
күйге өтсе, онда оның ішкі энергиясының өзгерісі мына өрнекпен табылады:
ΔU = U2 – U1 = ( NkT2 – (NkT1 = ( Nk(Т2 – Т1).
Сонымен, идеал газдың ішкі энергиясы оның күйінің функциясы болып
табылады:
U = f(T).
Нақты газдардың, сұйықтар мен қатты денелердің молекулаларының
өзара әрекеттесуінің орташа потенциалдық энергиясы нөлге тең болмайды.
Молекулалардың өзара әрекеттесуінің орташа потенциалдық энергиясы заттардың
көлеміне тәуелді болады, себебі көлем өзгергенде, молекулалардың арасындағы
орташа қашықтық өзгереді. Олай болса, ішкі энергия жалпы жағдайда тек Т
температураға ғана емес, V көлемге де тәуелді болады.
Сонымен, макроскопиялық денелердің ішкі энергиясы осы денелердің
күйін сипаттайтын параметрлермен анықталады:
U = U(T, V).
Оқшауланған термодинамикалық жүйенің ішкі энергиясын екі тәсілмен:
жылу алмасу (жылу беру) және жұмыс істеу жолымен өзгертуге болады. Егер осы
жүйені ыстықтау немесе салқындату денемен жанастырсақ, онда біршама
уақыттан кейін жүйе мен дененің арасында термодинамикалық тепе-теңдік
орнайды, яғни температуралары бірдей болады. Температуралардың қыздырылған
дене өзінің ішкі энергиясының белгілі бір бөлігін шамалы қыздырылған денеге
бергендігін айғақтайды.
Жылу алмасу деп температуралары әр түрлі жанасатын денелердің
жұмыс істемей, бір-бірінен ішкі энергияларымен алмасу прцесін атайды.
Жылу алмасу арқылы берілген энергияны жылу мөлшері деп атайды және
ол ішкі энергияның өзгерісіне тең болады:
Q = ΔU, егер A = 0.
Жылу беру процесінің мынадай үш түрі бар екендігін еске түсірейік:
жылуөткізгіштік (денелер жанасқан кезде ыстық денеден салқын денеге
энергияның берілуі); конвекция (сұйықтар мен газдардағы энергияның ағынымен
тасымалдануы); сәуле шығару (энергияның электромагниттік толқындар арқылы
тасымалдануы). Денені жылытуға қажетті жылу мөлшері мына формуламен
анықталады:
Q =стΔT,
мұндағы с – заттың меншікті жылусыйымдылығы, ΔT = T2 – Т1 – температура
өзгерісі.
Жүйені жұмыс істеуге мәжбүрлеп, дененің ішкі энергиясын өзгертуге
болады. Жұмыс – энергияның түрлену өлшемі екенін сендер білесіңдер.
Жұмыс – макроскопиялық процесс. Қозғалатын макроскопиялық денеге
күш немесе бірнеше күш әрекет істеледі және ол дененің кинетикалық
энергиясының өзгерісіне тең болатыны белгілі. Термодинамикада дене
қозғалысы механикадан біртұтас қарастырылмайды, әңгіме тек макроскопиялық
дене бөліктерінің бір-біріне қатысты орны ауыстыруы жйында болып отыр.
Жұмыс істегенде дененің көлемі мен молекулаларының жылдамдығы өзгереді,
сондықтан оның температурасы да өзгеріске ұшырайды.
Мына қарапайым тәжірибені қарастырайық: қабырғасы қалың ыдысқа
сорғы көмегімен жайлап ауаны айдайды. Ауаны айдау кезінде ыдыстың тығыны
атылады да ыдыста ауа температурасының төмендегенін айғақтайтын тұман пайда
болады. Бұл тығынды итеріп шығару арқылы жұмыс істейтін ауаның ішкі
энергиясы азаятындығын көрсетеді, өйткені оның белгілі бір бөлігі ұшып
шыққан тығынның механикалық энергиясына түрленеді. Жылу берілу жоқ, яғни Q
= 0 деп есептеп, мынаны жазуға болады:
ΔU = A.
Бұл жағдай цилиндрдегі поршеньнің астында тұрған газ үшін де
дұрыс. Егер цилиндр ішіндегі газ қысымы қоршаған ауа қысымынан жоғары
болатын болса, онда газ молекулаларының ретсіз қозғалысының энергиясы
есебінен цилиндрдегі поршеньнің орын ауыстыруы болады. Сонда газ ұлғаяды
да, оның көлемі артады және газдың поршеньге әрекет ету күші оң жұмыс
істейді (күш пен орын ауыстыру бағыты сәйкес келеді).
Егер газбен сыртқы күш арқылы жұмыс істелінсе, онда газдың ішкі
энергиясы артады. Ауа тұтатқышымен жасалған тәжірибені еске түсірейік.
Поршень газ молекулаларына қарсы қозғалып соқтығысқанда, ол өзінің
механикалық энергиясының бөлігін оларға беріп, нәтижесінде, газ қызады және
тіпті тұтанады. Осы жағдайда газдың ішкі энергиясының өзгерісі сыртқы
күштің жұмысына тең болады: ΔU = Aсырт.
Жұмысты газ көлемінің өзгерісімен өрнектеуге болады:
A = p(V2 – V1) = pΔV.
Сонымен, дененің ішкі энергиясы оның жылулық күйін анықтайды және
ол бір күйден екінші күйге өткен кезде өзгереді. Жүйенің ішкі энергия
өзгерісінің өлшемі істелген жұмыс пен берілген жылу мөлшері болып табылады.
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫ
Сонымен, ішкі энергияны жылу беру процесі немесе жұмыс істеу
арқылы өзгертуге болады. Нақты жағдайда жүйеге энергия берудің екі тәсілі
де бір мезгілде жүзеге асады.
Мысалы, ауа тұтатқышымен жасалған тәжірибені еске түсірейік. Егер
ауа тұтатқышының тұтқасын кенеттен қатты соқсақ, онда цилиндрдегі ауа
сығылады. Сыртқы күштің әрекеті тоқтағаннан кейін ауа ұлғаяды да, поршеньді
цилиндрден лақтырып жібереді.
Бұл тәжірибе әр түрлі энергияның өзара түрленуінің мүмкін
екендігін көрсетеді. Алдымен механикалық энергия сығылған газдың ішкі
энергиясына түрленеді, содан кейін газдың ішкі энергиясы поршеньнің
ілгерілемелі қозғалысының механикалық энергиясына түрленеді. Осыған ұқсас,
цилиндр поршенінің астындағы газ белгілі бір жылу мөлшерінің берілуінің
салдарынан қызады; бұл процестермен бір мезгілде газдың ұлғаюы немесе
сығылуы барысында жұмыс істелінеді.
ХІХ ғасырдың ортасында неміс ғалымы Р.Майер, ағылшын ғалымы Д.
Джоуль мен неміс ғалымы Г. Гельмгольц бір-бірлеріне тәуелсіз тәжірибелердің
нәтижелерін талдау мен табиғат құбылыстарын бақылау негізінде энергияның
сақталу заңының бар екендігі туралы жалпылама қорытындыға келді.
Энергияның сақталу және түрлену заңы: денелердің кез келген өзара
әрекеті кезінде табиғатта болатын барлық процестерде эенргия із-түссіз
жоғалмайды және жоқтан пайда болмайды. Энергия тек қана бір денеден екінші
денеге беріледі немесе бір түрден екінші түрге өзгереді.
Дененің ішкі энергиясының өзгеру процесі де осы заңға сәйкес
болатыны табиғи нәрсе.
Ішкі энергияның тек жұмыс істегенде ғана емес, жылу беру кезінде
де өзгеретіні анықталғаннан кейін, энергияның сақталу заңын жылу
процестеріне де қолдануға болады деген қорытынды жасалды.
Термодинамикалық жүйе бір күйден екінші күйге өткенде оның ішкі
энергиясының өзгерісі ΔU жүйеге берілген жылу мөлшері мен сыртқы күштің
істеген жұмыстың қосындысына тең және ол осы өту жүзеге асатын тәсілге
тәуелсіз болады.
ΔU = Q + A.
Термодинамикалық жүйе үшін энергияның сақталу және түрлену заңының
бұл жалпылама тұжырымдамасы термодинамиканың бірінші заңы деп аталады.
Сыртқы күштің жүйеде істейтін А жұмысының орнын термодинамикалық жүйенің
сыртқы денеде істейтін А' жұмысы жиі қарастырылады. Бұл жұмыстар модулі
бойынша тең, бірақ таңбасы бойынша қарама-қарсы, яғни А = - А'
болғандықтан, термодинамиканың бірінші заңын мына түрде жазуға болады:
ΔU = Q – A' немесе Q = ΔU + A'.
Жүйеге берілген Q жылу мөлшері оның ΔU ішкі энергиясын өзгертуге
және жүйенің сыртқы күшке қарсы А' жұмыс істеуіне жұмсалады.
Термодинамиканың бірінші заңы жалпы сипатқа ие, сондықтан оны
шектеусіз кез келген табиғат құбылыстарына қолдануға болады.
Бұл заңның тарихи тағайындалуы сырттан энергия алмастан және
машинаның өз ішінде қандай да бір өзгерісті тудырмастан шексіз ұзақ пайдалы
жұмыс істеуге қабілетті машинаны жасау талабына байланысты болды.
Термодинамикада мұндай қиялдағы машинаны бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш
(perpetuum mobile I) деп атайды. Мәңгілік қозғалтқыш жасауға талпыныстың
барлығы да сәтсіздікпен аяқталды. Бірінші текті машина жасаудың мүмкін
еместігі термодинамиканың бірінші заңынан шығады. Өйткені бұл жағдайда Q =
0, онда теңдеуіне сәйкес машина өндірген жұмыс тек ішкі энергияның азаюы
есебінен ғана жасалынады: А' = –ΔU. Ішкі энергия қоры таусылғаннан кейін
қозғалтқыш жұмыс істеуін доғарады. Осыдан бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш
жасаудың мүмкін еместігі шығады, өйткені қандай да бір жүйенің (машинаның)
ішкі энергиясының соңғы мәні есебінен шексіз ұзақ жұмыс істеуге болмайды.
Жүйе оқшауланған, яғни онда сыртқы күштің жұмысы жоқ (А = 0) және
ол қоршаған денелермен жылу алмаспайды (Q = 0) деп ұйғарайық. Бұл жағдайда
термодинамиканың бірінші заңы бойынша ішкі энергияның өзгерісі 0-ге тең,
яғни ΔU=U2 – U1 = 0 немесе U1 = U2. Денелердің оқшауланған жүйесінде ішкі
энергия өзгеріссіз қалады (сақталады).
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫН ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ПРОЦЕСТЕРГЕ ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
1. Жылу табиғаты
2. Ішкі энергия
3. Термодинамиканың бірінші заңы
4. Термодинамиканың бірінші заңын термодинамикалық процестерге қолдану
5. Табиғаттағы жылу процестерінің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші
заңы
6. Жылу қозғалтқыштары. Жылу қозғалтқыштарының ПӘК-і
7. Жылу қозғалтқыштарының рөлі және қоршаған ортаны қорғау
Денелер мен заттардың бөлшектерінің өзара әрекеттесуі мен қозғалыс
сипаты туралы түсініктемелерді қолданбай, олардың әр түрлі қасиеттері мен
күйлерінің өзгеруін зерттейтін физика бөлімін термодинамика деп атайды.
Термодинамика термодинамикалық жүйе және термодинамикалық
процестер ұғымы жиі пайдаланылады.
Термодинамикалық жүйе – бұл басқа денелердің әрекетінен
оқшауланған физикалық денелердің жиынтығы. Термодинамикалық процестер деп
термодинамикалық жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін айтады.
Термодинамика термодинамикалық жүйелердің жалпы қасиеттерін, бұл
жүйелерде болатын процестерді олардың өту механизмі тұрғысынан емес, осы
процестерде болатын энергиялардың түрленулері негізінде қарастырады.
Термодинамика тәжірибе деректерінің қорытындысы болып саналатын кейбір
жалпы заңдарға (“бастамаға”) сүйенеді.
ЖЫЛУ ТАБИҒАТЫ
Жылулық құбылыс тіпті ерте заманда-ақ адамдардың назарын аударған.
XVII – XVIII ғасырлардағы ғылыми еңбектерден жоғарыдағы сұраққа жауап беру
талпынысын байқауға болады. Алайда көп уақытқа дейін денелердің жылыну және
салқындау процестерінің мәні туралы бірыңғай пікір болмады.
Жылу құбылыстарының қарапайымдылығы мен көрініп тұрған
айқындылығына қарамастан, олардың мәнін түсіну үшін ғалымдарға бірнеше
жүздеген жыл еңбектенуге тура келді. Күрделі, тіпті қарама-қайшы жолмен
ғылыми ақиқатқа қол жеткізудің мысалы қандай десек, оған жылу процестерінің
теориясын жасау тарихын алуға болады.
Тек термометрді ойлап тауып, оны жетілдіргеннен кейін ғана XVIII
ғасырда тәжірибелік зерттеулер жылудың ғылыми теориясын құру жолында
алғашқы табыстарға жетті. Осы уақытта жылу теориясында диаметральды түрде
қарама-қарсы екі көзқарас ұсынылды. Жылудың заттық теориясы деп аталатын
теория бойынша денені жылытқанда, оған жылутек деп аталатын тегі ерекше
салмақсыз сұйықтың біршама мөлшері “құйылады”, ал салқындату кезінде
жылутек денеден “ағып кетеді”. Жылусыйымдылық термині осылай пайда болды.
Денеде неғұрлым жылутек көп болса, соғұрлым оның температурасы жоғары
болады. Жылутек – жасалынбайтын және жойылмайтын зат деп саналады,
сондықтан жылутектің мөлшері барлық процестерінде дененің берілген
жүйесінде өзгерместен қалуы тиіс. Жылутек теориясы сол уақыттағы көптеген
белгілі процестерді қанағаттанарлық дәрежеде түсіндіре алды.
Екінші көзқарас тұрғысынан алғанда, жылу дене бөлшектерінің –
корпускуланың (corpusculum – бөлшек, латын сөзі) ішкі қозғалысы ретінде
түсіндірілді. Сондықтан бұл теория алғашқыда жылудың корпускулалық теориясы
деп аталады және ондағы құбылыстар ертедегі философтар айтып кеткен
заттардың құрылысы туралы атомдық көзқарасымен байланыстырылды. Бұл
теорияны жақтаушылар болып И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли және
т.б. саналды.
Сол уақыттың көрнекті ғалымдары осы екі теорияның жақтаушылары
қатарында болды. Жылутек теориясының батыл қарсыласы орыс ғалымы М. В.
Ломоносов болды. Жылу теориясын қарастыра отырып, ол корпускулдар айналмалы
қозғалыс жасайды деп ұйғарды. Өзінің түсініктемелерінің негізінде
жылуөткізгіштік, балқу, булану сияқты жылу құбылыстарын түсіндірді. Ол зат
бөлшектерінің қозғалысы тоқтағанда пайда болатын “суықтың ең үлкен немесе
соңғы дәрежесінің бар екендігі туралы” қорытынды жасады. Алайда жылудың
корпускулалық теориясы физиктер үшін жылулық процестерді сипаттайтын
маңызды әр түрлі шамалардың арасындағы сандық байланысты орнатуға мүмкіндік
бермеді. Ол уақытта бөлшектер қозғалысының кинетикалық энергиясы мен
температураның арасындағы байланыс орнатылмаған еді, тіпті физикаға энергия
ұғымы енгізілмеген болатын. Сондықтан жылудың корпускулалық теориясының
тартымдылығы мен тереңдігіне қарамастан, XVIII ғасырдың ортасында жылутек
теориясы уақытша жеңіске жетті. Осы теорияның көмегімен жылутектің сақталуы
(жойылмайтындығы) туралы қорытынды жасалынды, денелердің жылу сыйымдылығы,
будың пайда болуы мен балқудың меншікті жылуы сияқты ұғымдар енгізілді. Ол
кезде жылутек теориясы озық теория болды.
Алайда екі теорияның қайсысы дұрыс болып саналатындығын тек
көрнекі түрде, тәжірибе ғана дәлелдей алатын еді. Мұндай тәжірибелер XVIII
ғасырдың соңында жасалды. Жылутек теориясын тәжірибе арқылы алғаш рет жоққа
шығарған ағылшын ғалымы Бенджамин Томсон (граф Румфорд) болды. 1798 жылы
қару ұңғысының арнасын бұрғылауды бақылай отырып, осы операция кезінде
жылудың үлкен мөлшерде бөлінуіне таңғалды. Жылутек теориясының бар
екендігіне күдіктенген Румфорд өзінің классикалық тәжірибесін жасады. Су
астына орналастырылған металл келтекті екі аттың күшімен қозғалатын өтпес
бұрғының көмегімен бұрғылады. Екі жарым сағаттан кейін су қайнады да,
балқылап тұрғандарды таңдандырды. Өз тәжірибесін Румфорд ешқандай жылутек
жоқ, жылудың пайда болуы қозғалысқа байланысты деген қорытынды жасады.
1799 жылы ағылшын физигі әрі химигі Гемфри Дэви жаңа тәжірибе
жүргізілді, ол да жылутек теориясына қарсы болды. Дэви тәжірибесі былайша
жасалды: темір шыбықтарға қатырылған екі мұз келтегі ерекше механизмнің
көмегімен бір-біріне бір минут бойы өте шапшаң үйкелді. Мұздың
температурасы -1,6˚С болатын. Мұздың еруі нәтижесінде пайда болған судың
температурасы қоршап тұрған ауаның температурасынан (1,8˚С) жоғары болып
шықты. Жылутек көзқарасы тұрғысынан бұл тәжірибе тіптен түсініксіз, өйткені
мұздың меншікті жылусыйымдылығы суға қарағанда аз, олай болса су мұзды
ерітетін жылу көзі ретінде қарастырылмайды. Осыдан Дэви: “Жылу қозғалыстың
нәтижесінде ғана пайда бола алады”, – деген қорытынды жасады. “Сонымен, –
деп жазды Дэви, – тәжірибенің өзі-ақ жылутек сұйығының жоқ екенін
дәлелдеді”.
Бұл тәжірибелер арқылы жылу мен жұмыстың арасындағы өзара сандық
байланысты түсіндіруге қол жеткізілгенімен, жұмыс және энергия сияқты
ұғымдардың дәл мән-мағынасы мен физикалық мазмұнын анықтау керек болды.
Румфорд пен Дэви тәжірибелері жылутек теориясына талқандаушы соққы болып
тиді. Бірақ қалыптасқан жылутектік түсінік ілімінен толық бас тарту үшін
тағы да біраз жылдар өтті.
ХІХ ғасырдың ортасында тәжірибе арқылы механикалық жұмыс пен
денеге берілген жылу мөлшерінің бір-біріне балама екендігі дәлелденді.
Дененің жылынуы немесе салқындауы ондағы жылутектің артуымен немесе
кемуімен емес, ол дененің энергиясымен байланысты екен. Жұмыс сияқты жылу
мөлшері де энергия өзгерісінің өлшемі болып саналады.
Энергиялардың алуан түрлерінің бір-біріне баламалығының сандық
дәлелдемесін неміс физигі Роберт Майер мен ағылшын физигі Джеймс Джоуль
жасады. 1842 жылы газдардың меншікті жылусыйымдылығының анықтамасы бойынша
баспада жарияланған мәліметтерді негізге ала отырып, Майер әр түрлі
жағдайлардағы газдың белгілі бір массасын бір градусқа жылытуға қажетті
жылу мөлшерін есептеді. Содан кейін ол газдың жұмысын есептеу тәсілін
тапты. Оны екі түрлі жағдайдағы газды жылытуға қажетті жылу мөлшерлерінің
айырымымен салыстырып, жұмыстың қандай мөлшері жылудың бір калориясына
шамалас екендігін анықтады.
Кейінірек 1845 жылы басылған өзінің кітабында Майер соған дейін
белгілі болған барлық энергияның түрленуін қарастырды және алғаш рет жалпы
түрдегі энергияның сақталу және түрлену заңын тұжырымдады. Сол кітапта
Майер Жердегі энергетикалық түрленулердің көзі Күн болып саналатынын
көрсетіп, табиғаттағы энергия айналымын сипаттап жазды.
Ағылшын ғалымы Джеймс Джоуль, Майер жұмысы туралы еш нәрсе
білместен, жұмыс істелінетін әр түрлі процестер кезінде жылу бөлінетінін
және бірлік жылу мөлшерін алу үшін бірдей жұмыс істелетіндігін дәлелдейтін
бірқатар тәжірибелер жасады. Джеймстің 1850 жылы жасаған тәжірибесі кеңінен
белгілі болды. Массасы мен температурасы белгілі суды калориметрге құйды.
Қорғасын жүк төмен түсе отырып, блокты қозғалысқа келтірді, ал ол
калориметр ішіндегі араластырғышты айналдырды. Құлайтын жүктің энергиясы
үйкеліс күшіне қарсы жұмыс істеуге жұмсалды. Қозғалыс кезіндегі істелінетін
жұмысты біле отырып және араластырғыш қалағының суға үйкелісі кезіндегі
температураны өлшей отырып, Джоуль мынадай қорытындыға келді: А = 4,2 Дж
жұмыс істегенде дене температурасы қаншалықты артса, денеге бір калорияға
тең (Q = 1 кал) жылу мөлшерін бергенде, оның температурасы сонша шамаға
артады. Сөйтіп, 4,2 Дж жұмыс 1 калория жылу мөлшеріне пара-пар болып шықты.
Көптеген өлшеулер осы қорытындыны растайды:
1 кал = 4,2 Дж
Тәжірибеде дәлелденген Q жылу мөлшері мен А жұмыстың бір-біріне
пара-парлығы физикада жылу мен жұмыстың баламалық (эквиваленттік) принципі
деп аталады.
АQ = 4,2 Джкал қатынасына тең шама жылудың механикалық
баламалығы деген атауға ие болды.
Сонымен, берілген жылу мөлшері жұмысқа баламалы болғандықтан, ол
энергия өзгерісіне байланысты болады. Сондықтан жылу мөлшерін, жұмыс
сияқты, жүйе энергиясы өзгерісінің өлшемі деп санап, оны сол жұмыстың өлшем
бірліктерімен, яғни джоульмен өрнектеу керек. Жылу алмасу кезінде, ерекше
зат – жылутек емес, энергия сақталады. Бұл дәлелдеме жылу табиғаты туралы
түсініктердің қалыптасып дамуына зор ықпал етті.
ІШКІ ЭНЕРГИЯ
Энергия ұғымы алғаш рет механикада енгізілген болатын. Үйкеліс
күштері мен серпімсіз деформациялары жоқ денелердің оқшауланған
жүйелеріндегі механикалық қозғалыс кезінде жүйе денелерінің кинетикалық
және потенциалдық энергияларының қосындысы тұрақты болып қалады:
Ек + Ер = const
Барлық микроскопиялық денелердің механикалық энергиясымен қатар,
олардың ішкі күйіне тәуелді тағы да энергиялар бар екендігі сендерге
белгілі. Осы энергияны ішкі энергиялар деп атайды да, U әрпімен белгілейді.
Ол термодинамикалық жүйенің маңызды параметрлерінің бірі болып саналады.
Молекулалы-кинетикалық теория көзқарасы тұрғысынан микроскопиялық
денелердің ішкі энергиясы барлық молекулалардың (немесе атомдардың)
бейберекет қозғалысының кинетикалық энергиялары мен олардың бір-бірімен
өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергияларының қосындысына тең.
Идеал газдың ішкі энергиясы оның молекулаларының тек жылулық
қозғалысының кинетикалық энергияларының қосындысы болып табылады, өйткені
идеал газ бөлшектерінің өзара әрекетін ескермеуге болады.
Бір атомды газдың гелий, неон, аргон және т.б. молекулаларының
орташа кинетикалық энергиясы мынаған тең:
Ēк = ( kТ.
Егер идеал газда N молекула бар болса, онда оның ішкі энергиясы
мынаған тең:
U = ( NkT.
Бұл формуладан идеал газдың ішкі энергиясы тек температура мен молекулалар
санына ғана тәуелді екені көрініп тұр. Идеал газдың ішкі энергиясы көлем
мен қысымға тәуелді емес, өйткені оның молекулаларының өзара әрекетінің
потенциалдық энергиясы нөлге тең деп есептеледі. Бұл идеал газдың ішкі
энергиясының өзгерісі ΔU тек температура өзгерісімен ғана анықталады және
газдың бір күйден екінші күйге өту процесінің сипатына тәуелді болмайды
дегенді білдіреді.
Мәселен, егер идеал газ температурасы Т1 күйден температурасы Т2
күйге өтсе, онда оның ішкі энергиясының өзгерісі мына өрнекпен табылады:
ΔU = U2 – U1 = ( NkT2 – (NkT1 = ( Nk(Т2 – Т1).
Сонымен, идеал газдың ішкі энергиясы оның күйінің функциясы болып
табылады:
U = f(T).
Нақты газдардың, сұйықтар мен қатты денелердің молекулаларының
өзара әрекеттесуінің орташа потенциалдық энергиясы нөлге тең болмайды.
Молекулалардың өзара әрекеттесуінің орташа потенциалдық энергиясы заттардың
көлеміне тәуелді болады, себебі көлем өзгергенде, молекулалардың арасындағы
орташа қашықтық өзгереді. Олай болса, ішкі энергия жалпы жағдайда тек Т
температураға ғана емес, V көлемге де тәуелді болады.
Сонымен, макроскопиялық денелердің ішкі энергиясы осы денелердің
күйін сипаттайтын параметрлермен анықталады:
U = U(T, V).
Оқшауланған термодинамикалық жүйенің ішкі энергиясын екі тәсілмен:
жылу алмасу (жылу беру) және жұмыс істеу жолымен өзгертуге болады. Егер осы
жүйені ыстықтау немесе салқындату денемен жанастырсақ, онда біршама
уақыттан кейін жүйе мен дененің арасында термодинамикалық тепе-теңдік
орнайды, яғни температуралары бірдей болады. Температуралардың қыздырылған
дене өзінің ішкі энергиясының белгілі бір бөлігін шамалы қыздырылған денеге
бергендігін айғақтайды.
Жылу алмасу деп температуралары әр түрлі жанасатын денелердің
жұмыс істемей, бір-бірінен ішкі энергияларымен алмасу прцесін атайды.
Жылу алмасу арқылы берілген энергияны жылу мөлшері деп атайды және
ол ішкі энергияның өзгерісіне тең болады:
Q = ΔU, егер A = 0.
Жылу беру процесінің мынадай үш түрі бар екендігін еске түсірейік:
жылуөткізгіштік (денелер жанасқан кезде ыстық денеден салқын денеге
энергияның берілуі); конвекция (сұйықтар мен газдардағы энергияның ағынымен
тасымалдануы); сәуле шығару (энергияның электромагниттік толқындар арқылы
тасымалдануы). Денені жылытуға қажетті жылу мөлшері мына формуламен
анықталады:
Q =стΔT,
мұндағы с – заттың меншікті жылусыйымдылығы, ΔT = T2 – Т1 – температура
өзгерісі.
Жүйені жұмыс істеуге мәжбүрлеп, дененің ішкі энергиясын өзгертуге
болады. Жұмыс – энергияның түрлену өлшемі екенін сендер білесіңдер.
Жұмыс – макроскопиялық процесс. Қозғалатын макроскопиялық денеге
күш немесе бірнеше күш әрекет істеледі және ол дененің кинетикалық
энергиясының өзгерісіне тең болатыны белгілі. Термодинамикада дене
қозғалысы механикадан біртұтас қарастырылмайды, әңгіме тек макроскопиялық
дене бөліктерінің бір-біріне қатысты орны ауыстыруы жйында болып отыр.
Жұмыс істегенде дененің көлемі мен молекулаларының жылдамдығы өзгереді,
сондықтан оның температурасы да өзгеріске ұшырайды.
Мына қарапайым тәжірибені қарастырайық: қабырғасы қалың ыдысқа
сорғы көмегімен жайлап ауаны айдайды. Ауаны айдау кезінде ыдыстың тығыны
атылады да ыдыста ауа температурасының төмендегенін айғақтайтын тұман пайда
болады. Бұл тығынды итеріп шығару арқылы жұмыс істейтін ауаның ішкі
энергиясы азаятындығын көрсетеді, өйткені оның белгілі бір бөлігі ұшып
шыққан тығынның механикалық энергиясына түрленеді. Жылу берілу жоқ, яғни Q
= 0 деп есептеп, мынаны жазуға болады:
ΔU = A.
Бұл жағдай цилиндрдегі поршеньнің астында тұрған газ үшін де
дұрыс. Егер цилиндр ішіндегі газ қысымы қоршаған ауа қысымынан жоғары
болатын болса, онда газ молекулаларының ретсіз қозғалысының энергиясы
есебінен цилиндрдегі поршеньнің орын ауыстыруы болады. Сонда газ ұлғаяды
да, оның көлемі артады және газдың поршеньге әрекет ету күші оң жұмыс
істейді (күш пен орын ауыстыру бағыты сәйкес келеді).
Егер газбен сыртқы күш арқылы жұмыс істелінсе, онда газдың ішкі
энергиясы артады. Ауа тұтатқышымен жасалған тәжірибені еске түсірейік.
Поршень газ молекулаларына қарсы қозғалып соқтығысқанда, ол өзінің
механикалық энергиясының бөлігін оларға беріп, нәтижесінде, газ қызады және
тіпті тұтанады. Осы жағдайда газдың ішкі энергиясының өзгерісі сыртқы
күштің жұмысына тең болады: ΔU = Aсырт.
Жұмысты газ көлемінің өзгерісімен өрнектеуге болады:
A = p(V2 – V1) = pΔV.
Сонымен, дененің ішкі энергиясы оның жылулық күйін анықтайды және
ол бір күйден екінші күйге өткен кезде өзгереді. Жүйенің ішкі энергия
өзгерісінің өлшемі істелген жұмыс пен берілген жылу мөлшері болып табылады.
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫ
Сонымен, ішкі энергияны жылу беру процесі немесе жұмыс істеу
арқылы өзгертуге болады. Нақты жағдайда жүйеге энергия берудің екі тәсілі
де бір мезгілде жүзеге асады.
Мысалы, ауа тұтатқышымен жасалған тәжірибені еске түсірейік. Егер
ауа тұтатқышының тұтқасын кенеттен қатты соқсақ, онда цилиндрдегі ауа
сығылады. Сыртқы күштің әрекеті тоқтағаннан кейін ауа ұлғаяды да, поршеньді
цилиндрден лақтырып жібереді.
Бұл тәжірибе әр түрлі энергияның өзара түрленуінің мүмкін
екендігін көрсетеді. Алдымен механикалық энергия сығылған газдың ішкі
энергиясына түрленеді, содан кейін газдың ішкі энергиясы поршеньнің
ілгерілемелі қозғалысының механикалық энергиясына түрленеді. Осыған ұқсас,
цилиндр поршенінің астындағы газ белгілі бір жылу мөлшерінің берілуінің
салдарынан қызады; бұл процестермен бір мезгілде газдың ұлғаюы немесе
сығылуы барысында жұмыс істелінеді.
ХІХ ғасырдың ортасында неміс ғалымы Р.Майер, ағылшын ғалымы Д.
Джоуль мен неміс ғалымы Г. Гельмгольц бір-бірлеріне тәуелсіз тәжірибелердің
нәтижелерін талдау мен табиғат құбылыстарын бақылау негізінде энергияның
сақталу заңының бар екендігі туралы жалпылама қорытындыға келді.
Энергияның сақталу және түрлену заңы: денелердің кез келген өзара
әрекеті кезінде табиғатта болатын барлық процестерде эенргия із-түссіз
жоғалмайды және жоқтан пайда болмайды. Энергия тек қана бір денеден екінші
денеге беріледі немесе бір түрден екінші түрге өзгереді.
Дененің ішкі энергиясының өзгеру процесі де осы заңға сәйкес
болатыны табиғи нәрсе.
Ішкі энергияның тек жұмыс істегенде ғана емес, жылу беру кезінде
де өзгеретіні анықталғаннан кейін, энергияның сақталу заңын жылу
процестеріне де қолдануға болады деген қорытынды жасалды.
Термодинамикалық жүйе бір күйден екінші күйге өткенде оның ішкі
энергиясының өзгерісі ΔU жүйеге берілген жылу мөлшері мен сыртқы күштің
істеген жұмыстың қосындысына тең және ол осы өту жүзеге асатын тәсілге
тәуелсіз болады.
ΔU = Q + A.
Термодинамикалық жүйе үшін энергияның сақталу және түрлену заңының
бұл жалпылама тұжырымдамасы термодинамиканың бірінші заңы деп аталады.
Сыртқы күштің жүйеде істейтін А жұмысының орнын термодинамикалық жүйенің
сыртқы денеде істейтін А' жұмысы жиі қарастырылады. Бұл жұмыстар модулі
бойынша тең, бірақ таңбасы бойынша қарама-қарсы, яғни А = - А'
болғандықтан, термодинамиканың бірінші заңын мына түрде жазуға болады:
ΔU = Q – A' немесе Q = ΔU + A'.
Жүйеге берілген Q жылу мөлшері оның ΔU ішкі энергиясын өзгертуге
және жүйенің сыртқы күшке қарсы А' жұмыс істеуіне жұмсалады.
Термодинамиканың бірінші заңы жалпы сипатқа ие, сондықтан оны
шектеусіз кез келген табиғат құбылыстарына қолдануға болады.
Бұл заңның тарихи тағайындалуы сырттан энергия алмастан және
машинаның өз ішінде қандай да бір өзгерісті тудырмастан шексіз ұзақ пайдалы
жұмыс істеуге қабілетті машинаны жасау талабына байланысты болды.
Термодинамикада мұндай қиялдағы машинаны бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш
(perpetuum mobile I) деп атайды. Мәңгілік қозғалтқыш жасауға талпыныстың
барлығы да сәтсіздікпен аяқталды. Бірінші текті машина жасаудың мүмкін
еместігі термодинамиканың бірінші заңынан шығады. Өйткені бұл жағдайда Q =
0, онда теңдеуіне сәйкес машина өндірген жұмыс тек ішкі энергияның азаюы
есебінен ғана жасалынады: А' = –ΔU. Ішкі энергия қоры таусылғаннан кейін
қозғалтқыш жұмыс істеуін доғарады. Осыдан бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш
жасаудың мүмкін еместігі шығады, өйткені қандай да бір жүйенің (машинаның)
ішкі энергиясының соңғы мәні есебінен шексіз ұзақ жұмыс істеуге болмайды.
Жүйе оқшауланған, яғни онда сыртқы күштің жұмысы жоқ (А = 0) және
ол қоршаған денелермен жылу алмаспайды (Q = 0) деп ұйғарайық. Бұл жағдайда
термодинамиканың бірінші заңы бойынша ішкі энергияның өзгерісі 0-ге тең,
яғни ΔU=U2 – U1 = 0 немесе U1 = U2. Денелердің оқшауланған жүйесінде ішкі
энергия өзгеріссіз қалады (сақталады).
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ ЗАҢЫН ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ПРОЦЕСТЕРГЕ ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz