Қайтымды және қайтымсыз процестер

Жоспар
Кіріспе

1 Тұйық процестер (цикл)
2 Термодинамиканың бірінші бастамасы
3 Термодинамиканың бірінші бастамасы
4 Термодинамиканың бірінші бастамасын
изопроцестерге қолдану
5 Адиабаталық процесс

Егер термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның бір түрден екінші түрге өзгергенінде байқалатын сандық қатынастарды көрсетср, екінші бастамасы осы энергияның өзгерістері қандай жағдайларда жүзеге асатынын анықтайды, яғни процестердің қандай бағытта өтуі мүмкін екенін көрсетеді. Сонымен қатар термодинамикада тепе – тең күй ұғымы сияқты, қайтымды процестер ұғымының да ролі зор.
Қайтымды процесс деп кері бағытта өткізуге болатын процесті тура бағытта өткізгенде және қандай күйлерден өтсе, кері бағытта сондай күйлер тізбегінен өтетін процесті айтады. Сөйтіп қайтымды процеске тек тепе-тең процестер жатады. Сонда қайтымды процесс әуелі бір бағытта, содан соң кері бағытта бірінен соң бірі болып отыратын тепе-тең күйлердің үздіксіз тізбегінен құрылуы, сөйтіп жүйені қоршаған денелерде ешқандай өзгеріс болмауы тиіс.
Тепе-тең емес процестер әрқашанда қайтымсыз процесс, дәл-деп айтқанда нақты процестер қайтымсыз процестер болады. Олар мейлінше баяу өте отырып, қайтымды процестерге тек жуықтай.
Қайтымды және қайтымсыз процестер. Қайтымды процесс деп екі бағытта да өте алатын процесті атағанбыз, бірақ процесс әуелі бір бағытта өтіп, сонан кейін кері бағытта өткен болса, онда система, айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер болмастан, бастапқы күйіне оралуға тиіс.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 17 бет
Таңдаулыға:

Қайтымды және қайтымсыз процестер.
Тұйық процестер (цикл)
Егер термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның бір түрден екінші
түрге өзгергенінде байқалатын сандық қатынастарды көрсетср, екінші
бастамасы осы энергияның өзгерістері қандай жағдайларда жүзеге асатынын
анықтайды, яғни процестердің қандай бағытта өтуі мүмкін екенін көрсетеді.
Сонымен қатар термодинамикада тепе – тең күй ұғымы сияқты, қайтымды
процестер ұғымының да ролі зор.
Қайтымды процесс деп кері бағытта өткізуге болатын процесті тура
бағытта өткізгенде және қандай күйлерден өтсе, кері бағытта сондай күйлер
тізбегінен өтетін процесті айтады. Сөйтіп қайтымды процеске тек тепе-тең
процестер жатады. Сонда қайтымды процесс әуелі бір бағытта, содан соң кері
бағытта бірінен соң бірі болып отыратын тепе-тең күйлердің үздіксіз
тізбегінен құрылуы, сөйтіп жүйені қоршаған денелерде ешқандай өзгеріс
болмауы тиіс.
Тепе-тең емес процестер әрқашанда қайтымсыз процесс, дәл-деп айтқанда
нақты процестер қайтымсыз процестер болады. Олар мейлінше баяу өте отырып,
қайтымды процестерге тек жуықтай.
Қайтымды және қайтымсыз процестер. Қайтымды процесс деп екі бағытта да
өте алатын процесті атағанбыз, бірақ процесс әуелі бір бағытта өтіп, сонан
кейін кері бағытта өткен болса, онда система, айналадағы денелерде қандай
да бір өзгерістер болмастан, бастапқы күйіне оралуға тиіс.
Қайтымды процеске мысал келтірейік. Абсолют серпімді ауыр шар көлбеу
жазықтыққа А нүктесінде бекітулі тұрған болсын (184-сурет). Көлбеу жазықтық
жиегіне қозғалмастай оған нормаль етіліп абсолют серпімді қабырға (қалқан)
орнатылған делік. Егер шарды босатып жіберсек, ол көлбеу жазықтықтың
бетімен домалап барып В қабырғасына соғылады да, ол қабырғадан серпіліп,
қайтадан көлбеу жазықтықпеп домалап, А нүктесіне келеді. Бұл жерде процесс
бүтіндей қайталап отыр: айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер
болмастан, шар қайтадан А нүктесіне
оралды. Үйкеліссіз тербеліп тұрған маят- никтің қозғалысын
да осындай қайтымды процестің мысалы деп қарастыруға болады:
маятник (185-сурет) өзінің жарты период ішінде А
нүктесінен В нүктесіне
дейін жүрген жолын екінші жарты, период ішінде кері бағытпен қайта жүріп
өтеді және А нүктесіне айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер
болмастан оралады. Жалпы алғанда, үйкеліссіз өтетін және серпімсіз
соқтығулар қатыспайтын нағыз (таза) механикалық процестердің барлығын да
қайтымды процесс деп айтуымызға болады.
Карноның идеал циклын қарастырғанда, қандай да бір Q1 — Q2 жылу
мөлшерін А жұмысқа қайтымды түрде айналдыруға болатындығын байқадық, бірақ
бұл айналдыру анағұрлым күрделі
бір процестің жеке ғана буыны (кезеңі)
болып табылады: ол айиалу кезінде қыздырғыш -
тан суытқышқа Q2 жылу мөлшері ауысады.
Суытқыш машипапы жасау үшін Карноның
сол қайтымды циклын пайдаланып, біз А
жұмысы есебінен Q1 — Q2 жылу мөлшерін қайта шығарып алуымызға және
суытқыштан қыздырғышқа Q2 жылу мөлшерін кері кешіруімізге болады. Алайда
мұны Карно циклы тепе-тең, яғни шексіз баяу өткенде ғана жүзеге асыруға
болатындығын атап көрсетеміз, ал Карно циклын практикада ондай түрде жүзеге
асыруға болмайды. Жұмыс жылуға айналатын нақты жағдайлардың қай-қайсысында
болса да бұл құбылыс қайтарымсыз түрде өтеді, өйткені жұмысты өздігінен,
басқа бір бөгде процестердің өтуімен байланыстырмай-ақ жылуға айналдыруға
болғанмен, жылуды жұмысқа айналдыру үшін қандай да бір басқа процестердің
өтуі қажет.
Қайтимсыз процесс деп оған кері процесс анағұрлым күрделі процестің
кезеңдерінің (буындарының) бірі ретінде ғана өте алатын процесті айтады.
Сөйтіп, қайтымсыз процестер үшін олардың қай бағытта өтетіндігінің
үлкен мәні бар. Бір бағытта, оны біз оң бағыт деп атайтын боламыз, бұл
процестер өздігінен өтсді, яғни тұйықталған системада өтіп отырған бірден-
бір ғана процесс бола алады. Екінші, қарама-қарсы бағытта, оны біз теріс
бағыт деп атайтып боламыз, ол процестер басқа бір оң процеспен селбесіп
қана өте алады. Мысалы, жұмыс қандай жағдайда болса да әрдайым өздігінсн
жылуға айаалады. Үйкеліс күштері қатысатын немесе денелер бір-біріне
серпімсіз әсер ететіп жағдайлар кездесетін процестердің барлығыпда да
істелген жұмыстың есебінен жылу пайда болады. Ал жылудың жұмысқа айналуын
тек анағұрлым күрделі процостің бөлігі (кезеңі) ретінде ғана байқауға
болады. Карно циклы немесе оған ұқсас басқа бір процесс орындалғанда,
жылудың жұмысқа айналуымен қабат жылу ыстық денеден (қыздырғыштан) суығырақ
денеге (суытқыщқа) ауысып, оң процесс те селбесе өтеді.
Жылудың ыстық денеден суық денеге көшуі де (жылу өткізгіштік құбылысы
да) қайтымсыз процесс болып табылады. Денелердің температураларының
теңделуіне келіп тірелетіп бұл процесс те өздігінен өтеді, яғни
тұйықталған системада өтетін бірден-бір процесс бола алады. Ал бұған кері
теріс процесс — суық денеден жылудың ыстық денеге көшуі — өздігінен
болмайды. Суытқыш машинаны пайдаланғанда жылу суығырақ денеден ыстығырақ
денеге көшу үшін мұнымен қатар оң процестің өтуі қажет, бұл процесте А
жұмыс істелініп, ол жұмыс қыздырғышқа берілетін Q1 жылу мөлшеріне
айналады.
Қайтымсыз түрде өтетін процестің тағы да бір мысалы ретінде газдың
бостықта ұлғаю құбылысын келтіруге болады. Бір ыдыс (186-сурет) аралық (С)
қабырғамен тец екі бөлікке (А мен В бөліктеріне) бөлінген делік. А
бөлігінде газ, В бөлігі бос болсын. Егер аралықты алып қойсақ, газ лезде
өздігінен ұлғаяды да, В бөлігіне өтіп, бүкіл ыдыстың ішіне бір қалыпты
тарайды. Ал осы газды қайтадан сығып А бөлігіне қамау үшін, сыртқы
күштердің жәрдемімен қандай да бір жұмыс істеу қажет. Бұл жұмыстың
нәтижесінде газ қызады, яғни газды сыққандағы теріс процесс жылудың
жұмысқа айналуындағы оң процеспен селбесе өтетін болады.
Газ ұлғайғандағы оң процесс жылу жұмысқа айналғандағы селбесе өтіп
отыратын процесс болып табылуы мүмкін. Мысалы, газ изотермиялық түрде
ұлғайғанда оған сырттан берілетін жылудың барлық Q мөлшері А жұмысқа
айналады; бұл құбылыста жылудың ыстық денеден суығырақ денеге көшуі деген
атымен жоқ, бірақ оның есесіне газдың қайтарымсыз (оң) ұлғаю құбылысы
байқалып отыр. Сөйтіп, теріс процестің қай-қайсысы болса да бір оң
процеспен өтеліп (компенсациланып) отыруы шарт.

Термодинамиканың бірінші бастамасы.
Берілген жылу мөлшері мен жұмыстың арасындағы эквиваленттік
механикалық энергияның сақталу заңын жалпылап топшылауға мүмкіндік береді.
28-параграфта айтқанымыздай, системаның механикалық энергиясының өзгеруі ол
системаға сырттан түсірілген күштер мен ішкі үйкеліс күштері өндірген
жұмысқа пропорционал болады. Сонда біз жылу әсерлерін қарастырмаған едік.
Жалпы жағдайды алғанда системаның знергиясы жұмыс өндіру нәтижесінде ғана
өзгермей, жылу берілу есебінен де, басқа да әсерлердің (мысалы, жарықты
сіңіру) есебінен де өзгеруі мүмкін.

Қандай да бір системаны қарастырайық және оны бір күйден екінші күйге
түсіретін болайық. Мысалы, газдың белгілі бір мөлшері сыртқы күштердің
әсерімен сығылуы мүмкін және сонымен қатар ол газға қандай да бір мөлшерде
жылу берілу нәтижесінде оның қызуы да мүмкін. Системаның әрбір күйін
сипаттайтын белгілі бір шамаларды тағайындап алу арқылы ол күйді
макроскопиялық тұрғыдан анықтауға болады. Мұндай шамалар параметрлер деп
аталады. Идеал газ үшін оның күйін анықтайтын мұндай параметрлер V көлем, р
қысым және Т температура үшеуінің кез келген екеуі болады, өйткені идеал
газдың берілген мөлшерінің күйін бұл үш шаманың кез келген екеуі (мысалы, р
қысым мен Т температура) анықтайды.
Система бір күйінен екінші күйіне сыртқы әсерлердің ықпалымен көшеді,
мұндай әсерлер болып табылатындар тек сыртқы күштердің жұмысы ғана
болып қоймай, жылудың қандай да бір мөлшері Q берілуі де, басқа да
әсерлер болады. Жылу берілісі мен жұмыс, жоғарыда байқағанымыздай, әрқашан
да бір-біріне эквивалентті болады. Тәжірибелерге қарағанда, басқа
әсерлердің барлығы үшін де тиісті механикалық эквиваленттер тағайындауға
болады. Ол - ол ма, тәжірибелерге қарағанда, сыртқы әсерлердің ықпалымен
система белгілі бір күйінен (I) басқа белгілі бір күйіне (II) көшетін
болса, онда мұндай көшулердің мүмкін тәсілдерінің барлығында да сыртқы
әсерлердің механикалық эквиваленттерінің қосындысы өзгермей тұрақты болып
қала береді.
Энергияның өзгерісін анықтайтын осы қосынды, яғни сыртқы әсерлердің
механикалық эквиваленттерінің қосындысы мен энергияның өзгерісі Uн —
U1 арасында мынадай қатыс болады:

мұндағы U1 мені U2 — системаның І және ІІ күйіндегі энергиялары, ал r —
пропорционалдық коэффициент.
Бұл айтылғанға қарағанда, физикалық мағынасы бар шама системаның екі
күйі энергияларының айырмасы болып табылады, ал энергияның өзін системаның
қандай да бір күйінің энергиясын шартты түрде ноль деп (немесе белгілі бір
мәні бар деп) алғанда ғана анықтауға болады. Ал егер системаның қандай да
бір күйінде оның энергиясының белгілі бір мәні бар деп алсақ, мысалы, І
күйінде энергия мәні U1 болса, онда ІІ күйінде системаның энергиясы Uн
(1) формула бойынша мынаған тең болады:

Жоғарыда айтқанымыздай, қосындысы системаның І күйінен ІІ
күйіне қандай тәсілмен көшетіндігіне байланысты болмайды, сонымен
системаиың күйінде энергияның да дәл анықталған Uн мәні болады. Бұл —
энергия күйдің бір мәнді функциясы болып табылады, яғни энергия да күйді
анықтайтын параметрлермен анықталады деген сөз. Егер қандай да бір
әсерлердің нәтижесінде система әуелі күйінен күйіне көшіп, сонан кейін
қайтадан күйіне түссе, онда системаның энергиясы бұрынғы мәніне ие
болады. Демек, энергияның өзгеру және сақталу заңын ең жалпы түрде былайша
тұжырымдап айтуға болады: система бір күйінен екінші күйіне көшкенде оның
энергиясының өзгеруі сол көшуді туғызатын барлық сыртқы әсерлердің
механикалық эквиваленттрінің қосындысына пропорционал болады. Дөңгелек
процесте, яғни система өзінің бастапқы күйіне қайта оралатын процесте,
барлық сыртқы әсерлердің механикалық эквиваленттерінің қосындысы нольге тең
болады да, энергия тұрақты болып қала береді.
Осындай жалпы түрде айтылған энергияның сақталу заңы термодинамиканың
бірінші бастдмасы деп аталады.
Нақтысында энергияның жылу өткізгіштік арқылы бсрілуінің маңызы
көбірек болатындықтан, біз жылудың Q мөлшерінің берілуіне әкеп соғатын
әсерлерді өз алдына жеке қарастыратын боламыз, сонда термодинамиканың
бірінші бастамасын мына түрде жазамыз:

мұндағы U— системаның шікі энергиясының өзгерісі, Q — системаға
берілген жылу мөлшері, ал А — басқа барлық сыртқы әсерлердің
механикалық эквиваленттерінің қосындысы. Егер басқа сыртқы әсерлердің өзі
механикалық әсер болса, онда А системаға түсірілген сыртқы күштердін
жұмысы болып табылады.
Берілген жылу мөлшері мен жұмыс өз ара эквивалентті болатындықтан,
жылудың берілген Q мөлшерін де жұмыс бірліктерімен (яғни эрг, джоуль,
кГм т. с.) өлшеуге болады, энергия да осы бірліктермен өлшенеді. Егер (2)
формулаға кіретін шамалардың барлығын да бір ғана бірлікпен өлшейтін
болсақ, онда k мен k' коэффициенттердің екеуі де бірге тең болады да, (2)
формула мынадай түрде жазылады:

Системаның ішкі энергиясының өзгерісін шектеусіз аз деп санап, (2а)
қатысты мынадай түрде жазамыз:

Система энергиясы ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.