Техникалық жылудинамикасының әдістері
Негізгі
1 Драганов Б.Х., Кузнецов А.В., Рудопашта С.П. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве. . М.: ВО Агропромиздат, 1990.
2 Бахмачевский Б.И., Зах Р.Г., Сушкин И.Н., Щукин А.А. Теплотехника . М.: Металлургия, 1964.
3 Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. . М.: Высшая школа, 1980.
4 Ларикова Н.Н. Теплотехника. . М.: Стройиздат, 1985.
5 Теплотехника/под ред. Г.А. Матвеева . М.: Высшая школа, 1981.
6 Теплотехника/под ред. А.П. Баскакова . М.: Энергоатомиздат.
Қосымша
1 Термодинамиканың бірінші заңы
1.1 Жылу динамикасының негізгі заңдары
1.1.1 Техникалық жылудинамикасының әдістері
1.1.2 Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
1.1.3 Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
1.1.4 Идеалды газдар қоспасы
1.1.5 Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
1.2.1 Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
1.2.2 Қайтымды және қайтымсыз процесстер
1.3 Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
1.4 Жылу мөлшері
1.5 Заңдар
1.5.1 Газ заңдары
1.5.2 Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
1.5.3 Идеал газ күйінің теңдеуі
2 Термодинамиканың екінші заңы. Карно циклі
2.1 Айналмалы және циклдік процестер
2.2 Карно циклі
2.3 Энтропия туралы ұғым
2.4 Қайтымсыз процесс кезіндегі энтропияның өзгеруі
2.5 Тs . диаграмма
3 Сығымдағыш машинамен сығу процессі
3.1 Бірсатылы сығымдағыштар
3.2 Газдарды көпсатылы қондыргылармен сығу
3.3 Турбосығымдаушыдағы сығу процессі
4 Жылу маңыз алмасу
4.1 Конвективті жылуалмасу
4.2 Сәлелік жылу алмасу
5 Қазандық агрегаттар
5.1 Қазандық агрегаттардың топтасуы
5.2 Қазандық қондырғы
5.3 Іштен жанатын піспекті қозғалтқыштардың циклдары
5.4 Газды турбина
5.5 Регенеративті цикл
6 Ауыл шаруашылықта жылуды қолдану
6.1 Отындар
6.2 Жағушы құралдардың топтасуы
6.3 Тоңазытқышты қолдану
6.4 Пеш жағу
6.5 Кептіру технологиясы
6.5.1 Кебудің мағынасы және кебу түрлері
6.5.2 Материалдардың ылғалдылығы
1 Драганов Б.Х., Кузнецов А.В., Рудопашта С.П. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве. . М.: ВО Агропромиздат, 1990.
2 Бахмачевский Б.И., Зах Р.Г., Сушкин И.Н., Щукин А.А. Теплотехника . М.: Металлургия, 1964.
3 Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. . М.: Высшая школа, 1980.
4 Ларикова Н.Н. Теплотехника. . М.: Стройиздат, 1985.
5 Теплотехника/под ред. Г.А. Матвеева . М.: Высшая школа, 1981.
6 Теплотехника/под ред. А.П. Баскакова . М.: Энергоатомиздат.
Қосымша
1 Термодинамиканың бірінші заңы
1.1 Жылу динамикасының негізгі заңдары
1.1.1 Техникалық жылудинамикасының әдістері
1.1.2 Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
1.1.3 Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
1.1.4 Идеалды газдар қоспасы
1.1.5 Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
1.2.1 Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
1.2.2 Қайтымды және қайтымсыз процесстер
1.3 Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
1.4 Жылу мөлшері
1.5 Заңдар
1.5.1 Газ заңдары
1.5.2 Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
1.5.3 Идеал газ күйінің теңдеуі
2 Термодинамиканың екінші заңы. Карно циклі
2.1 Айналмалы және циклдік процестер
2.2 Карно циклі
2.3 Энтропия туралы ұғым
2.4 Қайтымсыз процесс кезіндегі энтропияның өзгеруі
2.5 Тs . диаграмма
3 Сығымдағыш машинамен сығу процессі
3.1 Бірсатылы сығымдағыштар
3.2 Газдарды көпсатылы қондыргылармен сығу
3.3 Турбосығымдаушыдағы сығу процессі
4 Жылу маңыз алмасу
4.1 Конвективті жылуалмасу
4.2 Сәлелік жылу алмасу
5 Қазандық агрегаттар
5.1 Қазандық агрегаттардың топтасуы
5.2 Қазандық қондырғы
5.3 Іштен жанатын піспекті қозғалтқыштардың циклдары
5.4 Газды турбина
5.5 Регенеративті цикл
6 Ауыл шаруашылықта жылуды қолдану
6.1 Отындар
6.2 Жағушы құралдардың топтасуы
6.3 Тоңазытқышты қолдану
6.4 Пеш жағу
6.5 Кептіру технологиясы
6.5.1 Кебудің мағынасы және кебу түрлері
6.5.2 Материалдардың ылғалдылығы
«Жылудинамикасы» - грек сөзінен шыққан: «терме» - жылу, ыстьқ, от деген ceздepдi білдіреді, «динамикос» - күш, козғалыс, ал барлығы бipre - жылу (от) қозғалтушы күш. Сонымен, жылудинамикасы - жылу қозғалтқышының теориясы пайда болды. Техникалық жылудинамикасы - жылу мен механикалықэнергиялардың өзара алмасуының заңдылығын зерттейді, ал, сонымен катар, осыған қатнасатын алмасуындағы дененің касиетінде зерттейді. Жылуалмасу теориясымен бipre, ол жылутехникасының теориялық негізі болады.
Денелердің жиынтығын, өзара әрекетте болуын, жүйелер деп атайды. Осы денелердің арасында, жұмыстық, дене, ерекше белгілерді, ол жылу мен жұмыстың өзара алмасу процессін жүргізеді. Қалғаны - коршаған орта кездері (немесе жылу сіңіргіштер).
Жұмыстық, дене есебіне газдар мен булар жатады. Сұйыктармен салыстырғанда, газдар және булар, кыздыру және салкындату кезінде, кысымымен көлемі едәуір езгертіледі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері үшін негізгі өзгешелігі жылудинамиканың процесстері мен жүйелерінің идеализацияда болуынан, процесстегі жұмыс жүйелерінің кебеюіне келтіреді. Мысалы, теңсалмақты жүйелер деп аталуын, оның уақыт аралығындағы өзгермеу касиетін немесе оның күйін зерттейді. Мұндай жүйелер, қоршаған ортадан бөлектендіріледі және сонымен катар, сыртқы күштің әсерінсіз, оның күйі сонша ұзақ, сакталуы мумкн. Мұндай жүйелерде, температураның барлықнүктелерінде бірдей, яғни жүйелердің жылу тепе-теңдігі орын алады. Егер жүйенің жеке бөлшектері бip - біріне қарағандағы алмасуы болмаса, онда, ол кезде кысымы мен тығыздығы жүйенің әр нүктелерінде бірдей болып механикалық тепе-теңдігі болады.
Сонымен қатар, тепе-теңдік жағдайының үздіксіз кезектілігінің түсініктілігі арқылы, оның күйінің өзгіруі кезіндігі, қаралып отырған жүйенің өтуінің тепе-теңдік процессі зерттеледі. Жеке жағдайда жорамалдау жолымен дәріптелінеді.
Процесстерді дәріптеу, жылудинамикасын зерттеуді оңайлатады. Сонымен бipгe, идеалды процесс -үлгі ретінде есептелінеді, оған практикалық, түрінде жетуге тырысу керек. Нақтылы процессте жүргізілетін жұмыстың істелуін, идеалды процесске сәйкес, жұмысты салыстырумен, сол процесстің жылудинамикалықбағалануының мүлтіксіздігінше мүмкіндік береді. Техникалық, жылудинамикасына, нақтылы жағдайында, негізгі процесстерінің өтуінің каралуы eнгізіледі де, жылу техникасы курсының теориялық және практикалық бөлігі арасын байланыстырушы болып, шешуші рөл атқарады.
Жылудинамикасының негізін тәжірибемен анықталған екі заңы кұрайды - жылудинамикасының бірінші және екінші заңдары, олар техникалық жылудинамикасында жылу мен жұмыстың жеке күшінде колданылады.
Денелердің жиынтығын, өзара әрекетте болуын, жүйелер деп атайды. Осы денелердің арасында, жұмыстық, дене, ерекше белгілерді, ол жылу мен жұмыстың өзара алмасу процессін жүргізеді. Қалғаны - коршаған орта кездері (немесе жылу сіңіргіштер).
Жұмыстық, дене есебіне газдар мен булар жатады. Сұйыктармен салыстырғанда, газдар және булар, кыздыру және салкындату кезінде, кысымымен көлемі едәуір езгертіледі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері үшін негізгі өзгешелігі жылудинамиканың процесстері мен жүйелерінің идеализацияда болуынан, процесстегі жұмыс жүйелерінің кебеюіне келтіреді. Мысалы, теңсалмақты жүйелер деп аталуын, оның уақыт аралығындағы өзгермеу касиетін немесе оның күйін зерттейді. Мұндай жүйелер, қоршаған ортадан бөлектендіріледі және сонымен катар, сыртқы күштің әсерінсіз, оның күйі сонша ұзақ, сакталуы мумкн. Мұндай жүйелерде, температураның барлықнүктелерінде бірдей, яғни жүйелердің жылу тепе-теңдігі орын алады. Егер жүйенің жеке бөлшектері бip - біріне қарағандағы алмасуы болмаса, онда, ол кезде кысымы мен тығыздығы жүйенің әр нүктелерінде бірдей болып механикалық тепе-теңдігі болады.
Сонымен қатар, тепе-теңдік жағдайының үздіксіз кезектілігінің түсініктілігі арқылы, оның күйінің өзгіруі кезіндігі, қаралып отырған жүйенің өтуінің тепе-теңдік процессі зерттеледі. Жеке жағдайда жорамалдау жолымен дәріптелінеді.
Процесстерді дәріптеу, жылудинамикасын зерттеуді оңайлатады. Сонымен бipгe, идеалды процесс -үлгі ретінде есептелінеді, оған практикалық, түрінде жетуге тырысу керек. Нақтылы процессте жүргізілетін жұмыстың істелуін, идеалды процесске сәйкес, жұмысты салыстырумен, сол процесстің жылудинамикалықбағалануының мүлтіксіздігінше мүмкіндік береді. Техникалық, жылудинамикасына, нақтылы жағдайында, негізгі процесстерінің өтуінің каралуы eнгізіледі де, жылу техникасы курсының теориялық және практикалық бөлігі арасын байланыстырушы болып, шешуші рөл атқарады.
Жылудинамикасының негізін тәжірибемен анықталған екі заңы кұрайды - жылудинамикасының бірінші және екінші заңдары, олар техникалық жылудинамикасында жылу мен жұмыстың жеке күшінде колданылады.
1 Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. – М.: Энергоатомиздат.
2 Алаи С.И., Ежевская Р.А., Антоненко Е.И. Практикум по машиноведению/Под общ. ред. Р.А Ежевской. – М.: Просвещение, 1985.
3 Ярхо С.А. Теплотехника. Тепловые машины. – М.: 1986.
2 Алаи С.И., Ежевская Р.А., Антоненко Е.И. Практикум по машиноведению/Под общ. ред. Р.А Ежевской. – М.: Просвещение, 1985.
3 Ярхо С.А. Теплотехника. Тепловые машины. – М.: 1986.
Мазмұны
Әдебиеттер
1 Термодинамиканың бірінші заңы
1.1 Жылу динамикасының негізгі заңдары
1.1.1 Техникалық жылудинамикасын ың әдістері
1.1.2 Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
1.1.3 Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
1.1.4 Идеалды газдар қоспасы
1.1.5 Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
1.2.1 Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
1.2.2 Қайтымды және қайтымсыз процесстер
1.3 Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
1.4 Жылу мөлшері
1.5 Заңдар
1.5.1 Газ заңдары
1.5.2 Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
1.5.3 Идеал газ күйінің теңдеуі
2 Термодинамиканың екінші заңы. Карно циклі
2.1 Айналмалы және циклдік процестер
2.2 Карно циклі
2.3 Энтропия туралы ұғым
2.4 Қайтымсыз процесс кезіндегі энтропияның өзгеруі
2.5 Тs - диаграмма
3 Сығымдағыш машинамен сығу процессі
3.1 Бірсатылы сығымдағыштар
3.2 Газдарды көпсатылы қондыргылармен сығу
3.3 Турбосығымдаушыдағы сығу процессі
4 Жылу маңыз алмасу
4.1 Конвективті жылуалмасу
4.2 Сәлелік жылу алмасу
5 Қазандық агрегаттар
5.1 Қазандық агрегаттардың топтасуы
5.2 Қазандық қондырғы
5.3 Іштен жанатын піспекті қозғалтқыштардың циклдары
5.4 Газды турбина
5.5 Регенеративті цикл
6 Ауыл шаруашылықта жылуды қолдану
6.1 Отындар
6.2 Жағушы құралдардың топтасуы
6.3 Тоңазытқышты қолдану
6.4 Пеш жағу
6.5 Кептіру технологиясы
6.5.1 Кебудің мағынасы және кебу түрлері
6.5.2 Материалдардың ылғалдылығы
Глоссарий
Жұмысшы дене . Механикалы және термиялық жұмысшы денесі ( газдың
)– негізгі параметрлер ( p, V, T) уақыттардың әрбір кезегіне көлемі
барлық жерде бірдейді айтады.
Жылу техникасы – энергияны алу және қолдану ғылымын айтады.
Термодинамика – физиканың бір бөлімі, онда энергия механикалық жұмысқа
немесе керісінше ауысуды айтады.
Температура (Т) - газдың орташа кинетикалық энергиясы.
Ішкі энергия – кез-келген денедегі барлық энергия.
Термодинамиканың бірінші заңы – энергияның сақталу немесе алмасу заңы.
Изохоралық процесс – көлем тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Изобаралық процесс – қысым тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Изотермиялық процесс – температура тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері
Жылудинамикасы - грек сөзінен шыққан: терме - жылу, ыстьқ, от
деген ceздepдi білдіреді, динамикос - күш, козғалыс, ал барлығы бipre -
жылу (от) қозғалтушы күш. Сонымен, жылудинамикасы - жылу қозғалтқышының
теориясы пайда болды. Техникалық жылудинамикасы - жылу мен
механикалықэнергиялардың өзара алмасуының заңдылығын зерттейді, ал, сонымен
катар, осыған қатнасатын алмасуындағы дененің касиетінде зерттейді.
Жылуалмасу теориясымен бipre, ол жылутехникасының теориялық негізі болады.
Денелердің жиынтығын, өзара әрекетте болуын, жүйелер деп атайды. Осы
денелердің арасында, жұмыстық, дене, ерекше белгілерді, ол жылу мен
жұмыстың өзара алмасу процессін жүргізеді. Қалғаны - коршаған орта кездері
(немесе жылу сіңіргіштер).
Жұмыстық, дене есебіне газдар мен булар жатады. Сұйыктармен салыстырғанда,
газдар және булар, кыздыру және салкындату кезінде, кысымымен көлемі
едәуір езгертіледі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері үшін негізгі өзгешелігі
жылудинамиканың процесстері мен жүйелерінің идеализацияда болуынан,
процесстегі жұмыс жүйелерінің кебеюіне келтіреді. Мысалы, теңсалмақты
жүйелер деп аталуын, оның уақыт аралығындағы өзгермеу касиетін немесе оның
күйін зерттейді. Мұндай жүйелер, қоршаған ортадан бөлектендіріледі және
сонымен катар, сыртқы күштің әсерінсіз, оның күйі сонша ұзақ, сакталуы
мумкн. Мұндай жүйелерде, температураның барлықнүктелерінде бірдей, яғни
жүйелердің жылу тепе-теңдігі орын алады. Егер жүйенің жеке бөлшектері бip -
біріне қарағандағы алмасуы болмаса, онда, ол кезде кысымы мен тығыздығы
жүйенің әр нүктелерінде бірдей болып механикалық тепе-теңдігі болады.
Сонымен қатар, тепе-теңдік жағдайының үздіксіз кезектілігінің түсініктілігі
арқылы, оның күйінің өзгіруі кезіндігі, қаралып отырған жүйенің өтуінің
тепе-теңдік процессі зерттеледі. Жеке жағдайда жорамалдау жолымен
дәріптелінеді.
Процесстерді дәріптеу, жылудинамикасын зерттеуді оңайлатады. Сонымен бipгe,
идеалды процесс -үлгі ретінде есептелінеді, оған практикалық, түрінде
жетуге тырысу керек. Нақтылы процессте жүргізілетін жұмыстың істелуін,
идеалды процесске сәйкес, жұмысты салыстырумен, сол
процесстің жылудинамикалықбағалануы ның мүлтіксіздігінше мүмкіндік береді.
Техникалық, жылудинамикасына, нақтылы жағдайында, негізгі процесстерінің
өтуінің каралуы eнгізіледі де, жылу техникасы курсының теориялық және
практикалық бөлігі арасын байланыстырушы болып, шешуші рөл атқарады.
Жылудинамикасының негізін тәжірибемен анықталған екі заңы кұрайды -
жылудинамикасының бірінші және екінші заңдары, олар техникалық
жылудинамикасында жылу мен жұмыстың жеке күшінде колданылады.
Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
Біртекті жұмыстық дененің тепе-теңдікте тұрғандағы физикалық күйімен
анықталатын, жиынтықты жылудинамикалың көрсеткіштерің негізіне
- қысым Р, температура Т және меншікті көлемі V жатады. Олардың арасында
байланыстары бар, оны аныктау үшін, әрбір жұмыстық денені тәжірибе жолымен
немесе материяның кинетикальқ теориясы негізіндегі дененің салыстырмалы
ішкі кұрылымын, кейбір жорамал түрінде анықтайды. Жалпы турінде көрсетілген
керсеткіштердің аральқ қатынасы немесе теңдеу күйі мына түрінде болуы
мумін:
f(P,V,T) = 0.
(1.1)
Тецдеу (1,1) мына түрінде жазылады:
Р = f,( V,T), V=f 2(P, T ), T= f 3(P,V ).
(1.2)
Теңдеудің (1.2) шығуы, бip мағыналы күйін
анықтау үшін, барлық көрсеткіштері кажет емес. Оның үш
шамасының Р, V, Т берілген екеуімен аныктауға болады. Осыған
қарағанда, жұмыстық дене екі өстікординат жүйесімен
бейнеленуі мүмкін, жиі Р ордината ө сі бойынша және V өсі бойынша
салынады;диаграммадағы әрбір нүктеге, оның бір белгілі күйіне сәйкес
келеді. Қысым Р Паскалмен (Па) белг іленеді.Паскаль - қысым, 1м2 аудан
бетіне нормаланған, бір қалыпты бөлінген 1 Н (Ньютон) күштің түсуін айтады
немесе Па = Нм2, мұндағы Н = 1 кг-мс2. Қысым бірлігіне паскалдың еселі
және бөлшекті сандарының жазылуы:
1 кПа (килопаскаль) = 103 Па;
1 МПа (мегапаскаль) = 106 Па;
1 мПа (миллипаскаль) = ІСГ3 Па және
басқалар.
Бұрын қолданылған кейбір теңдіктерді, ал қазіргі кездегі қолданылатын
қысымдардың және СИ бірліктері:
1 кгсм2 = 1мм су бағанасы = 9,8066 Па ~ 10
Па;
1 кгсм2 = 98,0665 кПа ~ 100 кПа = 0,1 МПа;
1 атм = 101,325 кПа = 760 мм
сынап бағанасы (сын.бағ);
1 мм сын.бағ = 133,322 Па ~ 133 Па;
1 бар. = 0,1 МПа; ІМбар = 100 Па.
Қазіргі кездегі өлшеу техникаларындағы, сұйық қысымы мен газдар саласында
қолданылатын өлшеу диапазоны өте кең - 1 пПа (пикопаскаль = 10~12 Па)
дан 1ГПа (гигапаскаль = 109 Па) дейін.
Абсолютты қысым саласы - нөлден (абсалютты вакуум) және артық қысымға
бөлінеді, яғни сұйық қысымы немесе газдардың қоршаған орта қысымының
Ратм аралық айырмасы.
Практикалық жағдай нәтижелері бойынша, манометрдің көмегімен қысымды өлшеу
мына формуламен анықталады;
р = р+ р
мұндағы Рарт - атмосфера қысымынан артығы, манометрмен өлшенеді; Ратм -
қоршаған орта қысымы (атмосфералық) Егер қысым Р атмосфералық қысымнан
төмен болса:
р = р+ р
мүлдағы Рвак - ауаның сиретілуі, вакуумметрмен өлшенеді.
Есте сақтау керек, атмосфералық қысым - ауыспалы шама, сондықтан техника
саласында нормалы қысымды қолданады:
Р0=0,101325 МПа.
Егер заттың көлемі V (м3), ал массасы m (кг), онда теңдеу:
Vm= (1.3)
оны, заттардың меншікті көлемі деп атайды, (дене), оны м3кг белгілейді.
Дене (заттың) тығыздығы р деп, оның массасының m, көлеміне V қатынасы
арқылы анықталу шамасын:
р=mV. (1.4)
Формуладағы т, кг; V - м3, р - кг м3. Формулалардағы (1.3) және
(1.4) меншікті көлем мен тығыздығы арасында кері байланыс бар, яғни:
=1р, немесе р=1. (1.5)
Бұл шамалардың мәндері жылудинамикасының жағдайына байланысты.
Жылудинамикалық температура Т, негізгі температуралық шама Кельвин (К)
бойынша өлшенеді.
Сонымен қатар, жылудинамикалық температураны 1968 ж. Халықаралық
практикалық температуралық шкала бойынша өлшейді де және оны Цельси (°С)
градусы t белгілейді.
Жылудинамикасындағы жылудинамикасының көрсеткіштерінің
күйін Т, жылудинамикасының температурасымен қабыл-дайды, және де әртүрлі
нүктедегі есептеліну байланыстығын мына теңдеумен шешеді:
T=t + 273,16. Практикалық есептеулер үшін T=t + 273 қабылдайды.
Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
Газдарды қолдану практикасын шартына қарай, техникалық жылудинамикасында
нақтылы идеалды газдар үшін, тәжірибелік заңдылықты кеңінен қолданады.
Сонымен, идеалды газ-шартты түрде газ болып есептелінеді де, олардың
молекулаларының арасында, әрекеттестік күштер болмайды, ал молекулаларды
көлемсіз ретінде қарастырады, дегенмен олар материалды бөлшектер. Идеалды
газ ұғымы, жылудинамикалық зерттеулерді оңайлатады және төменгі қысымда
(алмағайып қысыммен салыстырғанда) және жоғарғы температурада (алмағайып
температурамен салыстырғанда), практикалық нәтижелердің тиімді дәлелдігін
қамтамасыздандырады.
Одан кейінгі қарастырылатын, газдардың жылудинамикасы заңдылығына
негізделгенде, нақтылы идеалды газдарға арналған.
Біртекті идеалды газдарға арналған теңдеулер, мына түрінде:
PТ=Р2Т2 = РТ= const =
R, (1.6)
мұндағы R - меншікті газ түрақтылығы. Мұндағы шамалар мына бірлікте: Р
- Нм2, - м3кг; Г-К, R- Дж(кг-К).
Теңдеу (1.6) біртекті газдардың қалай болса солай алынған
санына m арналғанын, басқа түріндегі (1.3) теңдеуін пайдалана отырып жазуға
бодады:
PV=mRT. (1.7)
Бүл теңдеу, идеалды газдарға арналған Клайперон-Менделеев теңдеуі деп
аталады. Мейлі, М газдың молярлы массасы, кгмоль, өлшенеді.
Авогадро заңы бойынша, идеалды газдың 103 көлемі - қандай да химиялық
қүрамындағы р және tбірдей кезінде, дәл өзі болады. Белгілі, қысым кезінде
= 101,33 Па (760 мм.сын.бағ.) және темпе-ратурадаT0=273,16К (нормалы
физикалық куйде), газ көлемі 10" моль кезінде, Vm = 22.4116 м3. р^ Vm,
Т0 жәнеМ=т мәндерін (1.7) теңдеуіне ауыстырып қойып табамыз:
R* = MR =101,33-22,41 16273,16 = 8,825- 103Дж(моль-К). (1.8)
Мұндағы R барлық газдар үшін бірдей және оны, әмбебапты газ тұрақтылығы деп
атайды. Сонымен:
R =R*m. (1.9)
Идеалды газдар қоспасы.
Жылулықты қолданатын машиналардьң жүмыстық денесі ретінде, әртүрлі
газдардың қоспасын қолданады. Олар үшін, Rқос болуы қажет. Әрбір құрамды
бөлікке кіретін қоспалар, қоспаның толық көлемімен толады, бірақ, онда олар
өзінің парциалды қысымында болады:
Далътон заңы бойынша
P=P
Газды қоспаның т массасы үшін, дұрысында дәл осындай түріндегі теңдеу түрі
(1.7):
PV = mRT.
Бірақта, меншікті газ түрақтылығы R, мұндағы қоспалар құрамына байланысты
және бір және сол газдар қоспалары, олардың құрамдары өзгерген
кезде, әртүрлі мәндерінде болады.
Қоспалардың, меншікті газ тұрақтыларын былай анықтайды. Қоспалар п, әртүрлі
қүрамды бөлікті газдардан түрғандағы, әрқай-сысыньщ т\, т2, тз, ... ,
тп массасында болғанда, қоспа массасын, мына түрінде шешеді:
т = т + т2 + m+ ... + тп = m (1-10)
Жеке құрамды (газдар) парциалды қысымдарды Р, Р2, Р, —•,
Р деп белгілейді. Есте болу керек, газды қоспалардың, жеке газдардағы
парциалды қысымы ұғымындағы қысым Рі; сол санында, сол көлемде және сондай
температура кезінде, қоспа жағдайымен бірдей болуы тиіс. Сондықтан,
біртекті газдар үшін мына теңдікте жүреді
РV=тRТ. (1 .11)
Мұндағы Р, т, R - қаралып отырған газды
қоспалардың парциалды қысымы, массасы, меншікті газ тұрақтылығы; V, Т-
қоспаның көлемі мен температурасы.
Газды қоспаның әрбір құрамды бөлігіне жағдай теңдеулерін жазамыз:
P1V=m1R1T;
P2V=m2R2T;
PnV=mnRnT.
Осы теңдіктердің оң және сол бөліктерін мүшелеп қосып, табамыз:
(Р + Р2 + Р3+ ... + Рп) V = (mR + m2R2 +
m3R3 + ... ...+ тnR) T.
Дальтон заңы негізіндегі, барлық құрамды бөліктегі парциалды қысымы газды
қоспа қысымына тең:
Р = Р1 + Р2 + Р3+ ... + Рn. (1.12)
Солай болғандықтан, табамыз:
FV = (mR + m2R2 + m3R3 + ... ...+ mnRn) T,
mR + m2R2 + m3R3 + ... ...+ mnRn = mR деп белгілеп табамыз:
PV=mRT, (1.13)
мүндағі
R = mR m + m2R2m + ... ... + mRm. (1.14)
Қатынастар т\т = g, niim = g2, ... ... т„т = gn - газды
қоспалардың жеке кұрамды бөлш ектерінің үлесі, сондықтан олардың
жиынтығы:
g+g+ ... ...+g=1
Бұдан, қоспаның меншікті газ тұрақтылығын, мына формуламен жазады:
R = g1R1+g2R2 + ... .+gR (1.16)
Газды қоспаларды құрамды бөлшектерін молярлы үлеспен де жазады:
Nl + N2 + N3+ ... + Na = N=miM = mM. (1.16а)
Бұдан қоспаның орташа молярлы массасын М= 1g\M. Газ
қоспаларының техникалық көрсеткіштерін, сонымен қатар, оның көлемдік
құрамның көмегімен жиі анықтайды, оны анықтау былай қабылданған. Қоспа
қысымы Р мен Т температурасы кезіндегі, әрбір қоспаның құрамды бөлшектерін
жеке түрінде қарастырамыз. Сонымен, құрамды бөлшектердің парциалды
көлемдері VVV, ... Vn жағдай теңдеуіне сәйкес, қатаң түрде
белгілі мәндерде болуы тиіс:
PV= mRT;
PV=mRT;
... ... ... ... ... ...
PVn = maRnT.
Осы теңдеулерді қосып, мүшелеп табамыз:
P(Vl+V2+V3+ ... +V) =
= (mlR1+m2R2 +m3R3 + ... .+ mnRn)T=mRT . (1.17)
Сонымен газды қоспа үшін PV=mRT, онда:
PV=P(Vl+V2+V3+ ... +Vn) (1.18)
немесе
V=V1+V2+V3+.:..+Vn = Vi. (1.19)
Формула (1.19), газ қоспасының көлемдік құрамын анықтау негізіне
жатады. Одан
VV+ V2V+ ... +VV= r1+r2 +r3 + ... +r = r = 1,
мұндағы VV = r, V2V = r ... ... , VV=r - газды
қоспалардың жеке құрамды бөлшектерінің көлемдік үлесі.
Сонымен r = NN (Vm = idem
кезінде), M=rM және g = rММ.
Газдың көлемдік құрамы, оның парциалдық қысымын тез анықтауға мүмкіндік
береді. Қоспаның температурасы мен қысы-мын сақтағанда:
PV = mRT, .
ал қоспаның температурасы мен көлемін сақтаған кезде
PiV=miRT. Сондықтан P=V(Vp) =
rp. ( 1.20)
Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
Денелердің жылу сыйымдылығы дегеніміз, оның температурасын 1°К өзгертуге
арналған, қажетті жылу санын айтады. Заттардың санына
байланысты, мына меншікті жылу сыйымдылығын пайдаланады: С -массал ы жылу
сыйымдылығы, бір килограмм массаның Дж(кгК) жатуы; МС - молярлы жылу
сыйымдылығы, I мольдың Дж(к мольК) жатуы;
С- көлемдік жылу сыйымдылығы, 1 м3 Дж(м3К) нормалы жағдайда жатуы:
С = С = С'
P=const кезіндегі, массалы жылу сыйымдылығы, Ср - белгілейді жэне оны
изобарлы деп атайды, ал V=constкезіндегісіи Cv -белгілеп және оны изохорлы
деп атайды. Ср және Cv аралық байланысын Майер теңдеуі арқылы беріледі:
Ср-Су = R (1.21)
Молярлы жылу сыйымдылығы үшін Майер теңдеуі, мына түрде болады:
Ср -Су=8,314.
(1.22)
8,314 - әмбебапты газ тұрақтылығы, кДж(к мольК)
CC=K
К- адиабаттар көрсеткіші.
Cv = RK-1; Ср=K-1.R. (1.23)
Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
Жылудинамикасының бірінші заңы - энергияньң айналу және сақталуының жалпы
заңдылығының жеке бір күйі, ол жылу мен механикалық жүмыстың, өзара өзгеріп
айналу құбылысы кезіндегі, түрақты санды байланыстылығын анықтайды. Бүл
формула жылу мен жұмыстың эквиваленттік принципі. Бірінші рет, энергияның
сақталу заңы мен энергияның, айналу құбылысын 1748 жылы орыс ғалымы
М.В.Ломоносов тұжырымдаған. Жүмыс пен жылулық арасындағы қатынастың бар
екендігін, мына теңдеу көрсетеді.
0,427 кгс.м = 4,1868 Дж 4,19 Дж. (2.1)
Жұмыс және жылулық сандары Дж белгіленеді және оның
еселі және үлесті шамаларын - кДж (103Вт), МДж (106Дж); МДж
(10-3) және т.б; қуатты ватпен (Вт), кВт (1(Г3Вт), МВт (106Вт)
белгілейді.
қарастыралық. Жылулық эквиваленттің 1 кВт-сағ. 1ккал. санды мәндерін
анықтау керек:
1. 1 кВт-сағ.=3600 қДж 4,1868 = 860 ккал.
2. 340 г.(кВт-сағ) тең меншікті отын шығынын бірлік СИ арқылы білдіру:
3403600 = 0,94 гкДж.
3. Жылулық шығын 1 кВт-сағ. немесе меншікті жылулық шығыны 2500
ккал.(кВт-сағ.) тең. 1кВт-сағ. Жатқызылған СИ бірлігіне сәйкес шығынын
анықтау керек: 2500-4,1868 = 10475 кДж(кВт-сағ.).
Меншікті жылулық шығынды қатынас түрінде шығарады: ; 2500-4,18683600 =
2,91 (кДж жылулық)( кДж жүмыс).
4. Қозғалтқыштан шыққан жұмыстық будың жылуын пайдалану кезінде, алынған
электр энергияеының өндірілуі, әрбір мегакалория жылулығы е=0,6кВт-
сағ.Мккал.-ға тең, кВТ-сағМДж ауыстыру керек:
е = 0,64,1868 [кВт-сағМкал-МкалмДж] = 0,143 кВт-сағМДж. 1 Дж жылулықтың
электр энергиясын өндіру мына түрінде жазылуы мүмкін:
= 0,64,1868-3600103 [кВт-сағМкал-М калмДж-МДж кВт-сағ]= = 0,372
МДж жұмысМДж жылулық.
Қайтымды және қайтымсыз процесстер.
Механикалық энергияны жылуға (үйкеліс жолымен, соғу және басқа) тез
айналдыру белгілі, бірақ жылулықты механикалық энер-гияға айналдыру оңай
емес. Ол үшін күрделі қүрылғымен, инженерлік қондырғы қажет. Одан, жүйеден
жылу бөлігін алып кетіп, оны түрлендірусіз жүмысқа айналдыру. Бұл жердегі,
теңсіз бағалы жылулық, кері бағытпен ағуы - сыртқы күйіне
байланыстылығы, қайтымсыздыцпроцесс імен сипатталады.
Мұндай түрдегі қайтымсыздық, дәл осындай болуы, соңғы температуралары
кезіндегі, дене аралық жылу алмасу процессінде өтеді. Жылу өтуі, әр уақытта
ыстық денеден аз қызған денеге, өзінен өзі тез өтеді, бірақ, кері процесс
үшін қосымша жұмыс шығынын қажет ететін, салқынатқыш қондырғы керек.
Жұмыстық дененің тепе-теңдік күйін өзгерту үшін, жылулық теңдігін (газдың
барлық массаларындағы температураларының, әрбір нүктелерінің процессінде
бірдей болуы) және механикалық (әрбір нүктедегі процесстері газдың барлық
массаларындағы қысым, бірдей болуы шарт) жағдайын сақтау керек.
Бүл, идеалды жағдайға жетуі мүмкін, мысалы, цилиндрдегі піспектің шексіз
баяу қозғалыс кезінде, олардың қысымы барлық газдар көлемінде түрақталып
үлгеруі тиіс. Піспекке тез немесе секірмелі түрде түсуінен, қысымның
өзеруі, піспек жанындағы газ қысымы көп болғанмен, одан қашықтаған сайын
азаяды.
Жылулықтың тепе-теңдікке жетуі үшін, болжау қажет, жылу көзімен, газдың
аралығындағы температураның, шексіз аз айырмашылығы кезіндегі, процесстің
әр нүктесіне жылу берілуі жүргізіледі. Сонымен, сірә, әртүрлі температураға
өтуін қайтарымды процесстерді жүргізу үшін, кезінде, әртүрлі
температуралардағы шексіз өте көп, санды жылу көзінің шегін - қажет етеді.
Механикалық және жылулықтағы Р, V, Т - негізгі көрсеткіш-терінің тепе-
теңдігі жағдайының өзгеруіне қарай, олар уақыт аралығында ауыспалы, бірақ
газдардың орналасуындағы әрбір, моменттегі барлық көлемі бойынша бірдей
болады. Егер, тепе-теңдік процессінің не мына, не басқа багытта пайда
болмауы, сол жумыстық денеде қалған соңғы өзгеруін қошаган ортадагы
қайтымдылыгы деп аталады. Осы жагдайларды қанагаттандырмаса,
онда қайтымсыз деп аталады. Тепе-теңдік процесс, қайтымсыз болуы мүмкін,
мысалы үйкеліс бар болғанда, қоршаған ортадағы жылудың жоғалуы кезінде
өтеді.
dL=pdh=pFdh. (2.2)
Тепе-теңдік жағдайындағы жүйелер көрсеткіштерін бір мағыналы сыртқы
жағдайымен анықтайды. Егер, жүйе өзінің жағдайын өзгерткен кезде, сыртқы
жұмысты атқарады. Олай болса, тепе-теңдік жағдайындағы ол, жүмысты сол
жүйенің көрсеткіштері арқылы білдіріледі. Целиндрдің ауданы F болғандағы
газдың піспекке, Р қысымымен қамтамасыз етілуіндегі Р = р.F тең болады (2.1
сурет), онда, піспектің dh аздап жылжуы кезіндегі, газдың жасаған жү-мысын,
мына теңдеумен анықтайды.
2.1-сурет. Піспектің эрекетімен жасалынатын сыртқы жүмыс.
Бірақ, Fdh=dV көлемнің ұлғайуы болады. Сонымен жасалынған жұмыс:
dL = pdV. (2.3)
Егер, тепе-теңдік жағдайы өзгеретін болса, онда dL жүйенің, көрсеткіштері
арқылы жазуға болмайды.Р= pF сендіруге негіз жоқ, себебі, әрбір бөлігіндегі
газ көрсеткіштері, әртүрлі және жүйенің тепе-теңдік жағдайындағы, оның
мәндері тең емес. Бүл жерде сыртқы жағдайда, басқа тағы да бір немесе
бірнеше қосымша көрсеткіштердің пайда болуы қажет (мысалы, тығыздықтың
бөлінуі). Тепе-теңдік процессті графикалық түрде түсіндірсек, себебі
сызықты процесстердің Р, V, Т нүкте координаталары, әрбір уақыт моментінде
дененің жылу динамикалық көрсеткіштерінің белгілі толық мәндеріне тең
болады.
Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
Дене күйінің барлық энергиясы - микроскопиялық қозғалысының толық түріндегі
сыртқы кинетикалық энергиясы Е және салмақ күші өрісі, электрлі немесе
магнит өрісі жағдайындағы потенциалды энергияЕп, сонымен қатар, дене
бөлшектерінің құрамдық әрекеттері мен қозғалу энергиясын жасаушы ішкі
энергияU қосындыларынан тұрады:
Е = Ек + Е+U. (2.4)
Қаралып отырған жылудинамикалық жүйе шамаланса, онда дененің орталық
салмақтық алмасу жылдамдығы өте аз (С=0), яғни қозғалыссыз жұмыстық дене
көлемінің өзгеруі туралы сөз болады, сондықтан Ек=0. Айталық, E=0
сонымен, бүл жерде толық энергия ішкімен бірдей (E=U), ал жүйе энергиясының
өзгеруі жұмыстық дененің, ішкі энергиясының өзгеруіне келтіреді.
Жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, жұмыстық дененің энергиясы
кезінде, қабылданған жағдайға тиісті кезіндегі жүйенің өтуі 1 бастапқы
күйінен 2 соңғы мәндеріне артуы, денеге берілген жылулық dQ және мәніне
келуі dL істелінген жүйе жұмысына тең:
dU=dQ-dL немесе әдетте былай жазу қабылданған - Q=dU+dL.
Сыртқы ортамен әрекеттестігі жоқ болғандағы
кезінде (dQ=0 және dL=0), формулада ғы (2.5) dU=0, яғни жүйе энергиясы
өзгеріссіз сақталады. Жүйелер қатнасының жекеленген жылулығы үшін,
ондағы dQ=0екені белгілі.
dU + dL = 0. (2.6)
Теңдеу (2.5) жұмыстық дененің еркінше алынған санды массасы m арналып
жазылған, ал меншікті мәндері үшін былай жазылады:
dq = du + dl, (2.7)
мұндығы q - меншікті жылулық саны; l- меншікті жұмыс; м-меншікті ішкі
энергия, q, и, 1 бірлік өлшемі Джкг.
Бұл теңдеу, жылудинамикасының бірінші заңының талдаушы тұжырымдалуын
көрсетеді, осыған сәйкес жүйеге жеткізілген жылу, жүйелердің ішкі
энергиясына жұмсалады және жұмыстың атқарылуына қарсы денеге түскен сыртқы
күш. Олар, қайтымдыға да және сыртқы қайтымсыз процесстер үшін де әділетті.
Себебі, қабылданған жағдайдағы жылуалмасуы кезінде, дене мен орта арасының
соңғы температура айырмашылығы кезінде, қайтымсыз жылуалмасуына сәйкес
келеді.
Қоршаған ортаның жұмыс жүйесін қарастыралық, сыртқы күштердің әрекетінен
дене көлемінің өзгеруі жүреді. Механиканың жалпы ережесі бойынша, бұл жұмыс
денеге түскен күш көбейтіндісімен, оның жылжуын анықтайды. Егер күш, бет
ауданының элементіне әрекет етсе, ол элемент, қысым болады, ал осы
элементтің ауданының көбейтіндісінің жылжуы, нормалы бағытпен бетке жатып,
сол элементтің беттік көлемі болса, онда элементарлы жұмыс қоршаған орта
жүйесімен жасалу кезіндегі, дене көлемінің шексіз аз өзгеруінің
көбейтіндісі ретінде анықталады (2.2 сур.):
dL = pdV. (2,8)
V ден V2 дейінгі көлемнің соңғы өзгеруі кезінде:
L= (2.9)
Мұндағы V - көлем, M
2-сурет. Дене көлемінің өзгеру жұмысы.
Келешекте, бұл жұмысты, көлемнің өзгеру жұмысы деп түсінеміз.
Өйткені, процесстің өзгеруі жағдайы, механикалық тепе-теңдігінде болады,
онда жұмысқа арналған (2.8) және (2.9) формулаларындағы қысым Р, сыртқы
ортаның әрбір момент уақытындағы дене қысымына тең. Сыртқы
қысымның әрекетінен, жүйенің атқаратын жұмысы кезіндегі, қысымның
үлғайуы dV0 оң болады (жұмыстан ұлғайуы). Жұмыстағы сыртқы күштің жүйе
үстіндегі кезінде, dV0 теріс болады (сығу жұмысы).Газ жағдайының өзгеру
процессін зерттеуде, графикалық әдістер (кеңінен пайдаланады) негізінің PV
-диаграммасы деп, аталуын кеңінен қолданады. (2.9) теңдеуінен
көрінгендей, Р көрсеткіші V функциясы болып есептеледі; PV диаграммасын
құру кезінде, Р шамаларын ордината өсі бойынша және V абцисс өсімен
тұрғызылады.
Дене көлемінің, жұмыстан өзгеруін анықтау жағдайынша абцисс өсі
бойынша, V шамаларын қояды. Мұндай бейнелерді қолдану, әдетте піспекті
қозғалтқыштардың процессін зерттеу кезінде қолданады, мұндағы цилиндр
ішіндегі дене көлемінің, піспек жолының жүріп өтуіне, пропорционалды
болады.
ЖЫЛУ МӨЛШЕРІ
Жылу берілу кезінде энергия бір денеден екінші денеге жылу өткізгіштік,
конвекция және сәуле шығару арңылы беріледі.
Жылу берілу кезінде дененің алған немесе жоғалтқан энергиясы жылу мөлшері
деп аталады.
Жылу мөлшері деген атау ішкі энергия тек жылу берілу арқылы өзгергенде
ғана қолданылады. Бұл атау жүмыс процесінде дене алатын және беретін ішкі
энергияның өзгеруіне қолданылмайды.
Жылу мөлшерін есептеп шығаруды үйрену үшін, оның қандай шамаларға тәуелді
болатынын анықтап алайық.
Егер шәйнектегі суды тек жылытып қана қойғымыз келсе, онда оған шамалы жылу
мөлшерін беріл, аздап қана қыздырамыз. Ал егер ондағы суды ысытпақшы
болсақ, онда жылу мөлшерін көбірек береміз. Демек, қыздыру кезінде
судың температурасы неғұрлым көбірек өзгерсін десек, оған соғұрлым көбірек
жылу мөлшерін беруіміз керек. Әрине, су суығанда айналасындағы денелерге
неғұрлым көбірек жылу мөлшерін берсе, салқындағанда оның температурасы
соғұрлым көбірек өзгереді.
Бірақ тек температураның өзгерісін ғана білу, дененің қызғанда алған немесе
суығанда берген жылуының мөлшерін аныңтауға жеткілікті болмайды, Расында
да, қол тигізбейтін болып қатты қызған үтік суық бөлмені жылыта алмайды, ал
жылы пеш немесе температурасы 60°С шамасындағы сумен жылыту радиаторы
беретін жылу мөлшері ауаның температурасын әжептәуір арттырады.
Бәріміз де су ысытып көргеміз, су жартылай қүйылған шайнекке қарағанда
толтыра құйылған шайнектегі суды ысыту үшін көбірек жылу мөлшері керек
болатынын жасы білеміз.
Демек, қыздырғанда денеге берілген жылудың мөлшері осы дененің массасына
тәуелді:судың массасы неғрлым көп болса, оның температурасын белгілі бір
градусқа езгерту үшін соғұрлым көп жылу мөлшерін жүмсау керек.
Дененің массасы неғұрлым үлкен болса, ол суығанда айналасындағы денелерге
жылу мөлшерін соғүрлым көп береді. Мысалы, жылыту радиаторының секциялары
неғұрлым көп болса, бөлмені ол соғұрлым жақсы жылытады.
Бірдей екі жанарғымен біреуіне 400 г су, екіншісіне 400 г өсімдік майы
қүйылған ыдыстарды қыздырайық, Сонымен, қыздырылатын денелердің массалары
бірдей. Бұлардың қыздырылу жағдайлары да бірдей, өйткені ыдыстар жылуды
бірдей жанарғылардан алады. Бұлардағы айырмашылық — тек екінші ыдысқа 400 г
судың орнына 400 г май құйылған.
Термометрлер екінші ыдыстағы майдың тезірек қызатынын көрсетеді. Судың
температурасы майдың температурасымен теңесу үшін суға қосымша жылу
мөлшерін беру керек.
Расында да, массалары бірдей су мен майдың температуралары бірдей өзгеру
үшін әр түрлі мөлшерде жылу керек болатындығы айқын: суға — кебірек, майға
азырақ жылу жұмсалады. Демек, денені қыздырғанда берілген жылудың мөлшері
осы дененің қандай заттанқұралғанына да тәуелді болады.
Сонымен, денені қыздыру үшін жүмсалатын немесе ол суығанда бөлініп шығатын
жылудың мөлшері оны қүрайтын заттың тегіне, осы дененің массасына және оның
температурасының өзгеру шамасына тәуелді болады.
Жоғарыда айтылғандай, жылу мөлшері деп жылу берілу кезінде дененің алатын
немесе жоғалтатын энергиясын атайды. Демек, жылу мөлшерін энергияның басқа
да кез келген түрі сияңты, джоульмен өлшейді. килоджоуль де қолданылады.
МЕНШІКТІ ЖЫЛУ СЫЙЫМДЫЛЫҚ
Біз денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері ол құралатын затқа тәуелді
болатынын анықтадық. Мысалы, массасы 1 кг судың температурасын 1° С-қа
арттыру үшін 4200 Дж-ге тең жылу мөлшері қажет. Ал, егер басқа бір затты,
мысалы, массасы 1 кг мысты қыздырып, оның температурасын 1° С-қа өзгерту
үшін 400 Дж-ге тең басқа бір жылу мөлшері қажет болады. Демек, массасы 1 кг
әрбір заттың температурасын 1° С-қа өзгерту үшін белгілі бір жылу мөлшері
қажет екен.
Массасы 1 кг заттың температурасын 1°С-қа езгерту үшін қандай жылу
мөлшері қажет болатынын көрсететін физикалық шама заттың меншікті жылу
сыйымдылығы деп аталады.
Заттың меншікті жылу сыйымдылығы с әрпімен белгіленеді. Заттың меншікті
жылу сыйымдылығының бірлігі —
1 Дж кг.°С
Бұл 1 кг қорғасынды 1°С-қа қыздыру үшін 140 джоульге тең жылу мөлшері керек
(немесе 1 кг қорғасын 1° С-қа суығанда 140 Дж жылу мөлшері бөлініп шығады),
яғни массасы 1 кг қорғасынның температурасын 1° С-қа өзгерткенде ол 140 Дж-
ге тең жылу мөлшерін сіңіреді немесе бөліп шығарады.
Заттың қатты, сұйық және газ тәрізді әр түрлі агрегаттық күйлерде
меншікті жылу сыйымдылығы әр түрлі болады.
Мысалы, судың меншікті жылу сыйымдылығы 4200
Кейбір заттардың меншікті жылу еыйьімдылығы.
кг-°С
Алтын 130 Темір 460 Күнбағыс 1700
майы
Сынап 140 Болат 500 Мұз 2100
қорғасын 140 Шойын 540 Керосин 2100
қалайы 230 Графит 750 Эфир 2350
Күміс 250 Лаборато-
риялық
Жез 400 шыны 840 Ағаш 2400
(емен)
Мыс 400 Кірпіш 880 Спирт 2500
Мырыш 400 Алюминий 920 Су 4200
Судың меншікті жылу сыйымдылығы өте көп екенін байқаймыз (1-кестені қара).
Сондықтан теңіздердегі және мүхиттардағы су жаздыгүні жылығанда жылуды көп
сіңіреді де, үлкен суқоймаларына жақын жерлерде, судан алыс жатқан жерлерге
қарағанда, онша ыстықболмайды. қыстыгүні су суып, көп жылу мөлшерін береді,
сондықтан ондай жерлердің қысы аса қатты болмайды. Судың меншікті жылу
сыйымдылығы көп болатындықтан, ол жылыту жүйелерінде (радиаторлар су мен
толтырылады), жылу двигательдерін суыту үшін, түрмыста және медицина
(мысалы, жылытңыштарда) кеңінен қолданылады.
Денелерді қыздыру үшін энергия қажет. Энергия көбінесе отыннан алынады, ол
үшін, мысалы, ағаш, тас көмір, бензин жағылады. Сонда ненің есебінен
энергия бөлініп шығады?
Молекулалардың атомдардан құралатыны белгілі. Мысалы, судың молекуласы
оттегінің бір атомы мен сутегінің екі атомынан құралады. Молекуланы
атомдарға беруге болады. Молекулалардың осылайша бөлінуін химиялық айрылу
реакциясы деп атайды. Молекуланы атомдарға бөлу үшін атомдардың бір-біріне
тартылу күшін жеңіп, жұмыс істеу керек, яғни энергия жұмсау керек.
Тәжірибелер, керісінше, атомдар бірігіп молекула қүрғағанда (отын
жанғанда), энергияның бөлініп шығатынын көрсетеді.
Отынды пайдалану осы атомдар қосылып молекула құрғағанда энергия бөлініп
шығатынына негізделген. Әдеткі отындардың (көмір, мұнай, бензин т.
б.) құрамында көміртегі бар. Отын жанғанда, ондағы көміртегінің атомы
ауадағы оттегінің атомымен қосылады, Көміртегінің әрбір атомы оттегінің екі
атомымен қосылады (20-сурет). Осыдан пайда болған молекула — көміртегі
океидінің (IV) ( көмір қышқыл газдың) молекуласы болады. Осы молекула
түзілгенде энергия бөлініп шығады.
Отынның әр түрі бар: көмір, шым тезек, ағаш отын, мұнай, сланец және табиғи
газ. Инженер әр түрлі двигательдердің жұмысын есептегенде, ол осы
двигательде жағылатың отынның қандай мөлшерде жылу беретінін дәл білуі
қажет. Ал мұны білу үшін отынның бірдей мөлшерде алынған әр түрі түгел
жанғанда қандай мөлшерде жылу бөлініп шығатынын тәжірибе жасап анықтау
керек.
Массасы 1 кг отын түгел жанғанда қандай жылу мөлшері бөлініп шығатынын
көрсететін физикалық шама отынның меншікті жану жылуы деп аталған.
Отынның меншікті жану жылуын а әрпімен белгілейді,
Отынның меншікті жану жылуы тәжірибе жүзінде
анықталады.
Тәжірибе жүзінде анықталған деректер 2-кестеде келтірілген,
Отынның кейбір түрлерінің менішкті жану жыдуы, ДЖ КГ
Оқ-дәрі 0,38-107 Ағаш 3,4-10'
құрқұғақ отын 1,0 -107 көмірі 4,4Х 107
Шы тезек 1,4 -107 Табигигаз 4,4-10'
Таскөмір 2,7107 Мұнай 4,6 • 10'
Спирт 2,7 • Бензин 4,6 -107
Аятрацит 1073,0- 107 Керосин 12 - 10'
Сутек
Бұл кестеден, мысалы, шым тезектің меншікті жану жылуы 1,4-107 екені
байқалады. Бұл — массасы 1 кг шым тезек толық жанғанда 1,4-10 энергия
бөлініп шығады деген сөз.
Отынның кез келген т массасы түгел жанғанда бөлініп шығатын жылудың
мөлшерін есептеп табу үшін оның меншікті жану жылуын жанған отынның
массасына көбейту керек:
Идеалды газдардың жылусыйымдылығы.
Денелердің жылу сыйымдылығы дегеніміз, оның температурасын 1 К өзгертуге
арналған, қажетті жылу санын айтады. Заттардың санына байланысты, мына
меншікті жылу сыйымдылығын пайаланады: С - массалы жылу сыйымдылығы, бір
килограмм массаның Дж(кгК) жатуы; МС - молярлы жылу сыйымдылығы,
; 1 молдың Дж(к мольК) жатуы;
С - көлемдік жылу сыйымдылығы, 1 м3 Дж(м3К) нормалы жағдайда жатуы:
С=
Р=соnst кезіндегі, массалы жылу сыйымдылығы, Ср - белгілейді және оны
изобарлы деп атайды, ал V= соnst кезіндегісін Сv -белгілеп және оны
изохорлы деп атайды. Ср және Суаралық байланысын Майер теңдеуі арқылы
беріледі:
СР-
Сv = R (1.21)
Молярлы жылу сыйымдылығы үшін Майер тендеуі, мына турде болады:
МСр-цСv = 8,314.
(1.22)
8,314 - әмбебапты газ тұрақтылығы, кДж(к мольК)
Сp Сv = К,
K- адиабаттар көрсеткіші.
Сv = RК-1; Сp= КК-1. R
ГАЗ ЗАҢДАРЫ
Идеал газ күйі теңдеуінің көмегімен газ массасы және үш параметрдің —
қысым, көлем немесе температура — біреуі өзгермей қалған жағдайдағы
процестерді зерттеуге болады. Газдың бір параметрінің1 мәні тағайындалып,
қалған ек1 мәні арасындағы сандық, тәуелділікті айқындайтын заңдарды газ
заңдары деп атайды.
Параметрлердің біреуінің мәні өзгермей қалған кезде
өтетін процестер изопроцестер деп аталады.Изопроцестер
табиғатта кең таралған және техникада жиі пайдаланылады.
Шынында да, ешбір процесс қандай да болмасын қатаң тағайындалған бір
параметрдің мәнінде жүрмейді. Температураның, қысымның, немесе көлемнің
тұрақтылығын бұзуға әсер ететін қандай да бір жағдайлар болады. Тек
лабораториялық жағдайларда ғана кайсыбір параметрлердің тұрақтылығын тым
дәлірек сақтағга болады, бірак жұмыс істейтін техникалық кұрылғылар-да және
табиғатта бұл іс жүзінде әсте мүмкін емес. Изопроцесс — бұл нақты процестің
идеалдандырылған моделі. Ол шындықты тек жуық қана бейнелейді.
Изотермиялық процесс. Температура тұрақты болғанда мак-роскопиялық,
денелердің термодинамикалық, жуйесі күйінің өзгеру процесін изотермиялық,
деп атайды. Газ температурасын тұрақты етіп ұстау ушін ол температурасы
тұрақты болып тұратын үлкен жүйемен — термостатпен — жылу алмасатындай
болуы қажет. Өйткені сығылғанда немесе ұлғайғанда газдың, температурасы
өзгеретін болады, Егер атмосфералық ауаның, температурасы бүкіл процесс
барысында елеулі өзгермесе, онда ол термостат қызыметін атқара алады.
Идеал газ күйінің теңдеуіне pV= сәйкес тұрақты
температурадағы кез келген күйде газ қысымының оның көлеміне көбейтіндісі
тұрақты болады, яғни Т=const болғанда.
pV=const.
Егер газдың температурасы өзгермесе, онда оның берілген массасы ушін газ
қысымының көлемге көбейтіндісі тұрақты болады.
Бұл заңды тәжірибе жүзінде ағылшын ғалымы Р. Бойль (1627—1691),
одан біраз кейінірек француз ғалымы Э. Мариотт (1620—1684) ашты. Сондықтан
ол Бойль — Мариотт заңы деп аталады.
Бойль — Мариотт заңы кез келген газ ушін, сондай-ақ олардың қоспасы үшін
де, мысалы, ауа ушін де дұрыс. Тек атмосфералық қысымнан бірнеше жүз есе
жоғары қысымдарда ғана бұл заңнан ауытқу елеулі түрде байқалады.
Атмосфералыққа жақын қысымдарда Бойль — Мариотт заңының дұрыстығына алдыңғы
параграфта сипатталған қондырғының көмегімен көз жеткізуге болады.
Тұрақты температурада газ қысымының көлемге тәуелділігі график
түрінде изотерма деп аталатын қисық сызық арқылы кескінделеді. Газдың
изотермасы қысым мен көлемнің арасындағы кері пропорционал тәуелділкті
өернектейді. Қйсык сызықтың мұндай түрін математикада гипербола деп атайды
(1-сурет)
Әр түрлі тұрақты температураға әр түрлі изотермалар сәйкес келеді. Егер
V=const болса, температура жоғарылағанда қысым күй
теңдеуіне pV= сәйкес артады. Сондықтан жоғарылау Т2температураға
сәйкес изотерма, төменірек Т1 температураға сәйкес келетін изотермадан
жоғары жатады
Компрессормен ауаны сығу процесін немесе ыдыстары ауаны сорып шығарғанда
поршень астындағы ауаның ұлғаюын — шамамен изотермиялық процесс деп
есептеуге болады. Шынында, бұлжағдайда температура өзгеретіні рас, алайда
алғашқы жуықтауда ондай өзгерісті елемеуге де болады.
Изобаралық процесс. Қысым тұрақты болғанда термодинамикалық, жүйе күйінің
өзгеру процессі изобаралық деп аталады.
pV= теңдеуіне сәйкес, қысымы өзгермесе газдың кез келген күйінде
көлемніңтемпературараға қатысы тұрақты болып қалады.
P=const болғанда,
Егер газ қысымы өзгермесе, берілген массалы газ ушін көлемнің температураға
қатысы тұрақты болады.
Бұл заңды 1802 жылы француз ғалымы Гей-Люссак (1778—1850) тәжірибе
жүзінде тағайындаған және сондықтан ол Гей-Люссак заңы деп аталады.
P=const болғанда, қатысқа сәйкес тұрақты қысымда газдың
көлемі температураға сызықтық тәуелді болады, яғни:
V=const. T
Бұл тәуелділік график түрінде изобара деп аталатын түзумен кескінделеді (2-
сурет).
Әр түрлі қысымға әр түрлі изобара сәйкес келеді. Қысым артқан
сайын, тұрақты температурада Бойль — Мариотт заңы бойынша газдың көлемі
кішірейеді. Сондықтан жоғарырақ Р2 қысымға сәйкес келетін изобара
төменірек Р1 қысымға сәйкес келетін изобарадан төменірек жатады.
Төменгі температуралар аймағында идеал газдың
барлық изобаралары Т=0 нүктесінде түйіседі. Бірақ, бұл реал (нақты) газдың
көлемі шынында да нөлге айналады деуге болмайды. Барлық газдар қатты
суынғанда сұйыққа айналады, ал күй тендеуі pV= сұйықтарға
қолданылмайды.
Жылжымалы поршеньді цилиндрдегі газды қыздырғанда оның, ұлғаюын изобаралық
процесс деуге болады. Онда цилиндрдегі қсымның тұрақтылығы поршеньнің
үстіңгі бетіне атмосфералық ауа қысымының әсері арқылы жүзеге асады.
1- Сурет
2- Сурет
Изохоралық процесс. Көлем тұрақты болғанда термодинамикалық жүйе
күйінің өзгеру процесін изохоралық деп атайды.
Күй теңдеуінен pV= газдьң көлемі өзгермеген кездегі кез келген
күйінде газ қысымының температураға қатысы тұрақты болатыны шығады:
pV=const болғанда,
Егер газ көлемі өзгермесе массасы берілген газ ушін
қысымның температураға қатысы тұрақты болады.
Бұл газ заңын 1787 жылы француз физигі Ж. Шарль (1746-1823)ашқан және
сондықтан олШарль заңы деп аталады. pV=const болғанда,теңдеуіне сәйкес
көлем тұрақты болғанда газ қысымы
температураға сызықтық тәуелді болады, яғни:
p=const T.
Бұл тәуелділік графикте түзумен кескінделеді де, ол изохора деп аталады (3-
сурет). Түрлі көлемге түрліше изохора сәйкес келеды. Температура тұрақты
болғанда, Бойль — Мариотт заңына сәйкес, газ көлемі ұлғайғанда оның қысымы
азаяды. Сондықтан ұлкен V2 көлемге сәйкес келетін изохора, кіші V1көлемге
сәйкес келетін изохорадан төмен жатады. p=const T тендеуге сәйкес
барлық изохоралар Т = 0нүктесінен басталады. Демек, абсолют нөлде идеал
газдың қысымы нөлге тең.
Кез келген жабық ыдыстағы немесе электр шамындағы газды қыздырғандағы
газ қысымының ұлғаюы изохоралық процесс болып табылады. Изохоралық процесс
көлемі тұрақты газ термометрлерінде пайдаланылады.
3- Сурет
Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
Заттың мөлшерін денедегі молекулалар немесе атомдар санымен өлшеген
әлдеқайда табиғи болған болар еді. Алайда кез келген макроскопиялық
денедегі молекулалар саны орасан көп, сондықтан есептеулерде
молекулалардың абсолюттік емес, салыстырмалы санын пайдаланылады.
Халқаралық біріліктер жұйесінде заттың мөлшері мольмен өрнектеледі. Бір
моль – бұл массасы 0,012 кг көміртегінде қанша атом болса, молекуласы
немесе атомы бар заттың мөлшері.
Демек, кез келген заттың 1 мөліндегі атомдар немесе молекулалар саны
бәрінде бірдей. Бұл атомдар санын NА деп белгілейді және оны итальян ғалымы
(ХІХ ғасыр) құрметіне Авогадро тұрақтысы деп атайды.
Авогадро тұрактысын анықтау үшін көміртегінің бір атомының массасын табу
керек. Массаны нобайлап өлшеуді, жоғарыда су молекуласы массасын калай
өлшеген болсак, нақ, солай жасауға болады. (ал массаны өлшеудің өте дәлірек
әдісі электромагнит өрісінің иондар шоғын бұруына негізделген).
Өлшеулер кеміртегі атомының массасы: тос= 1,995-1026 кг екендіг ін
көрсетеді.
Авогадро тұрақтысы NА -ны бір моль мөлшерінде алынған көміртегі массасын
бір атом көміртеі массасына бөліп анықтауға болады:
NА= 0.012.== 0.012.=6.02
Моль-1 атауы бір моль мөлшерінде алынған кез келген заттың атомдар санын
(NА) көрсетеді. Егер заттың мөлшері v= 2,5 моль болса, онда сол денедегі
молекулалар саны NА = v NА = 1,5-1024. Сонымен , заттың,
мөлшері v берілген денедегі N молекулалар санының NА Авогадро
тұрақтысына, яғни заттың 1 моліндегі молекулалар санының катынасына тең:
Авогадро тұрақтысы шамасы аса зор макроскопиялықпен са-лыстырранда
микроскопиялық масштабтардың каншалықты кішкентай екенін көрсетеді. Заттың,
мөлшері 1 моль дененің өзімізүйреншікті макроскопиялық өлшемдері және
бірнеше, ондаған грамм шамасында массасы болады.
ИДЕАЛ ГАЗ КҮЙІНІҢ ТЕҢДЕУІ
Газдың берілген массасының куйі үш макроскопиялық параметрмен сипатталады:
қысым р,көлем V және температура Т. Казір біз олардың арасында кандай
байланыс барлырын табамыз, ал содан сон ол байланыс не ушін керектігін
көреміз.
Күй теңдеуі. Біз идеал газдың жайын молекула-кинетикалық теория тұрғысынан
жүйелі карастырдық. Газ қысымының оның молекулаларының шоғырына және
температурасына тәуелді болатыны аныкталды.Осы тәуелділік негізінде
жеткілікті сиретілген газдың берілген массасының күйін сипаттайтын барлық
үш макроскопиялық параметр р, V жэне Т-т байланыстыратын теңдеуді алуға
болады. Бұл тендеу идеал газ күйінің теңдеуі деп аталады.
Мына р = пRТ тендеуіне газ молекулалары шоғырына арналған өрнекті қоямыз,
осы арқылы газ шоғырын мына түрде жазуға болады:
n=
мұндағы NА —Авогадро тұрақтысы, m — газдың массасы, М — оның мольдік
массасы.
Жоғардағы теңдеуді р = пRТ теңдеуінің орнына қойсақ мынандай
формола шығады:
PV=
Мұндағы Больцман тұрақтысы мен Авогадро тұрақтысы NА -
ның көбейтіндісін универсал(мольдік) газ тұрақтысы деп атайды және оны R
әрпімен белгілейді:
R=1.38ДжK1моль=8.3 1Дж( моль.К)
PV=
Бұл теңдеуде газдың тегіне тәуелді болатын бір ғана шама бар, ол — оның
мольдік массасы.
Жоғадағы күй тендеуінен кез келген екі күйдегі идеал газдың кысымы, келемі
және температурасы арасындағы байланыс келіп шығады.
Егер индекс 1-мен — екінші күйге катысты параметрлерді белгілесек, ал
индекс 2-мен — екінші күйге қатысты параметрлерді белгілесек, онда
жоғардағы теңдеуге сәйкес газдың берілген массасы ушін
және
теңдеулерін аламыз.
Бұл тендеулердің, оң бөліктері бірдей. Демек, олардың сол бөліктері де тең
болуға тиіс:
t
Бұл түрдегі күй тендеуі Клапейрон теңдеуі делінеді және бұл күй тендеуін
жазудың, бір түрі болып табылады.
және түріндегі күй теңдеуін бірінші рет ұлы орыс ғалымы Д. И.
Менделеев алған. Сондықтан оны Менделеев - Клапейрон тендеуі деп атайды.
Айналма немесе циклдылык процесстері.
Термодинамиканың екінші заңына Клаузиус Дене өздігінен жылуын екінші
денеге бере алмайды деген, кейіннен неміс ғалымы Клаузиус Периодты машина
жұмыс істеу үшін оған екі түрлі температура қажет және оның бреуі ыстық
екіншісі суық болу керек сол кезде ол әрдайым жұмыс істейді деген.
Ол үшін мысалы белгілі бір жұмыс істейтін циклді алайық (сурет 1).
Мысалы: насос арқылы су сорып аламызда оны қазандыққа жібереміз, қазандықта
су ысып буға айналады. Қазандықтан шыққан бу, бу ысытуға барады онда ол
белгілі бір температураға дейін ысытамыз. Бу ысытудан шыққан бу - бу
двигателіне барады, онда термодинамианың бірінші заңы орындалып жарты бу
механылық энергияға айналады, ал қалғаны суытқышқа барып, қайтадан суға
айналып насосқа қайта барады. Осылай бірнеше процестің бірінен соң бірі
қайталануын цикл деп атаймыз. Суретте көрсетілген көк сызық - судың
белгісі, ал қызыл - будың белгісі және жүретін жолдары.
Алдында белгілі болғандай, құнсыз сыртқы күй кезіндегі, тік және кері
бағыттағы қайтымсыз процесстер өтеді. Процесстердің
бағыттылығы және олардың
өтуінің жалпы түрін,жылудинамикасын ың екінші заңымен анықтайды.
Техникалық жылудинамикасында екінші заңды қолданады да, жылулық процесс
жағдайы кезіндегі, жылулықтың механикалық жұмысқа айналуын анықтайды.
Сонымен, жылудинамикасының бірінші заңынан шығатын жылулық пен жұмыс
аралық, санды қатынастары сақталуы тиіс. Жылулық қозғалтқышында, толассыз
жұмыс атқарылуы үшін, айналмалы процесс қажет. Жұмыстың дене А – В – С – Д
– А (4.1 сурет) тұйықталған қисық сызық бойынша, бірнеше есе өзінің
жағдайын өзгертеді және бастапқы жағдайына А қайтадан қайтып келеді.
Сонымен, жұмыстық дененің бастапқы және соңғы жағдайы бір біріне ұқсас. А -
В - С учаскесіндегі қаралып отырған айналмалы процессінде, жұмыстық дене
кеңейеді (тік жүріс) және ол кезде, АВСС1А1 ауданында оң кеңею жұмысы
атқарады.
Бұл жұмыстың атқарылуы, q1 меншікті жылулықты жеткізуде және
жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, өтетін UC - UA меншікті ішкі
энергияның өзгеруіне, сәйкес қатынасы:
q1=UC+UA+ℓкең (2.1)
Басқа учаскесінде, жұмыстық дене бастапқы жағыдайына А қайта
келеді (кері жүріс) (4.1 сурет) бұл жағдайда ол С-Д-А сызығы бойымен
сығылады да, сығылу жұмысының шығыны (ℓсығ), көрсетілген СДАА1С1 ауданы.
Ұқсастық бойынша, тік жүріске мына қатынаспен шығады:
q2'=(UC – UA) + ℓсығ
Сығылу жұмысы (ℓсығ) мем кеңею (ℓкең) жұмыстарының айырмасы, бір циклдағы
қозғалтқыштың пайдалы жұмысын (ℓ) көрсетеді:
ℓ=ℓкең - ℓсығ (2.3)
Бұл процесс, кайтымды ма немесе қайтымсыз процесс пе, оған бағынышсыз.
Қайтымды процесс кезінде, бұл меншікті жұмыс санды түрінде, тұйық қисық
сызықты А-В-С-Д-А ауданға тең.
Ішкі энергия (), жұмыстық дененың бастапқы жағдайына, қайта оралына
байланысты өзгереді.
Циклдың пайдалы жұмысын (ℓ) алу үшін, кеңею жұмысы (ℓкең) сығылу жұмысынан
(ℓсығ) көп болуы қажет.
(2.1), (2.2) және (2.3) формулаларынан анықтаймыз:
ℓ=q1 -
q2 (2.4)
мұндағы, q1 - кеңею сызығы А-В-С бойынша жеткізілетін меншіккті санды
жылу; q2 – сығылу сызығыС-Д-А бойынша, алып кетірілетін меншікті санды
жылулық.
Сонымен, айналмалы процессті жүзеге асыру үшін, жылулық – жұмыстық денеге
жеткізілуі және одан алып кетілуі тиіс. Жалпы түріндегі, учаскенің
айналмалы процессінде, жылулықты жеткізу, кеңею учаскесмен, ал сол сияқты
жылулықты алып кету учаскесінде - сығылу учаскесмен бірдей болмайды, себебі
жеткізу процессі мен жылулықты алып кету циклдары, сығлу кезінде өткізілуі
мүмкін, сол сияқты кеңеюде де солай.
Сірә, циклдың барлық пішініне жинақталып жеткізілген жылулықты мына
теңдеумен шешеді:
q=q1-q2=q1-q2 (2. 5)
Демек, циклда аткқарылған жұмыс (ℓ), айналмалы процесстегі жұмыстың денеге
жеткізілген санды жылулық пен осы процесстен алып кетілген санды жылулықтың
(q2) айырмасына тең, яғни:
ℓ=q1-
q2 (2.6)
Жылулықты жеткізуге және алып кету үшін, жылулық көздері қажет. Егер жылу
көзі жұмыстық денеге жылу берсе, онда оны, жылулық беруші немесе жылулықтың
жоғарғы температурасының Ткөзі деп атайды, ал егерде, жұмыстық денеден жылу
алатын болса, оны жылу қабылдаушы немесе төменгі температуралы Т2 жылулық
көзі деп атайды.
Сонымен, жылудинамикалық жүйе дегеніміз — айналмалы процессті атқарушы;
олар жұмыстың денеден, жұмыс объектісінен, жылулық беруші және жылулық
қабылдаушылардан құралады.
Жылулық циклының бағалануына арналған, алмағайып көрсеткіші болып - ПӘК
саналады да, санды жылулықтың пайдалы жұмысқа түрленуінің, жеткізілген
жылулық санына қатынасы жатады.Егер, циклдар қайтымды процесстерден түратын
болса, онда оны идеалды циклдар деп, ал оның ПӘК - термиялық деп аталады.
(2.7)
Сонымен, термиялық ПӘК циклы, әр уақытта бірден кем, себебі q20. Бұл
нақтылы жағдайдағы айналмалы процесс кезінде, сөзсіз болатын шығын, кейде
өте көп циклге жеткізілетін жылулықты (q1) 50...75% құрайды.
Егерде, жылу қабылдағыштан меншікті мөлшерлі жылу бөлінсе және жылубергішке
(q1) беретін болса және бұл кезде меншікті жұмыс () атқарылса, онда q1-q2 -
жылуды (q2) алып кетугежұмсалатын меншікті жұмыс.
Идеалды цикл үшін
(2.8)
Карно циклы
Карно циклы (2.2; а) екі изотермиядан 1-2 және 3-4 және екі адиабаттан 2-3
және 4-1 тұрады.
1-2 жолының жылуберуші тұрақты температураға T1, мөлшерлі жылулық (q1)
жеткізіледі, 3-4 жолымен (q2) жылулық Т2 тұрақты температурасымен жылу
алмастырушыға алып кетіледі.
Кері Карно циклын іске асыру үшін (4.2, б - сур.), барлығы екі
жылулық көзі қажет - жылу беруші және жылу қабылдағыш.
Изотермиялық процесстегі, меншікті жылулық мөлшері q1, (3.21) формулаға
сәйкес жазылды:
q1=RT1 ln(V2V1), (2.9)
q2= RT2 ln(V3V4).
(2.10)
2.2-сурет. Карно циклы: а)- тік; б)- кері.
Бұл теңдеуден 2-3 адиабаттар үшін
табамыз: T2T1 =(V2V3)K-1.
Ал, теңдеу 2-1 адиабаттар
үшін: T2T1=(V1V4)K-1
Бұдан, V2V1=V1V4 немесе V2V1=V3 V4.
(2.11)
Жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, алынған ℓ меншікті жұмыс
эквивалентті, яғни q1-q2=ℓ, ал (2.9), (2.10) және (2.11) формулалар Карно
пропорциясы деп аталуымен анықталады:
q1Т2 =q2Т2. (2.12)
Бұдан ℓ = q1(1-q2q1) = q1(1-
T2T1). (2.13)
Сондықтан, (4.7) формуласына сәйкес, Карноның қайтымды циклының
термиялық ПӘК:
ηк=1-
Т2Т1, (2.14)
(2.15)
Осыған қарағанда, Карноның қайтымды циклының термиялық ПӘК, санды мөлшерге
тең болады да, жылулық көзінің абсалютты температураларының (Т1-
Т2) айырмасы, оның жылулық көзініңабсалютты температурасының ең жоғарғы
температурасы Т1, қатынасына тең.
Карно, шексіз жай ағатын (үйкелістен жоғалуы) 1-2-3-4 процессті
қарастырған, сол себептен жұмысшы заттар механикалық тепе-теңдікте болады.
Бұдан басқа, жұмыстық денемен температуракөзі Т1 арасындағы, 1-2 изотерма
бойында және Т2, 3-4 бойында шексіз аздаған температура айырмашылығы бар.
Сонымен, термиялық тепе-теңдік сақталады. Сондықтан, цикл, қайтымды деп
саналады. Бұл циклды, Карноның идеалды циклы деп атайды.
Қалай болса солай алынған, циклды бөлеміз, адиабатты жақын орналасқандарын
қатар жүргізіп, көп мөлшерлі сандарды шексіз аз (элементарлы) Карно
циклымен (2.3 сурет) бейнелейді.
Онда, еркінше алынған цикл - Карноның жеке элементарлы циклдарының
термиялық ПӘКнің орташа шамасы болады.
Жылулықты жеткізу және алып кетудегі орташа температурасы үшін:
Т2ортТ1орт=(T2T1)орт
демек η2орт= 1- Т2ортТ1орт.
(2.18)
Мұндағы, ηерк - еркінше алынған циклдың ПӘК.
Өйткені Т2ортTmin, ал Т1ортTmax онда (1-Т2ортТ1орт)(1-TminTmax) және
еркінше алынған циклдың ПӘК, Карно циклының ПӘК-нен аз (ηеркηk). Сонымен,
берілген интервал температурасындағы термиялық ПӘК. Карно циклы ең
жоғарғы болып есептелінеді, практикалық жағдайда, оны шамамен алуға
қол жетпейді.
2.3- сурет. Еркінше айналмалы процессті түсіндірудегі карно циклдарының
шексіз аз суммасы түріндегісі.
(2.8), (2.9) және (2.10) формулаларға сәйкес, тоңазытқыш коэфициенті мына
түрде жазылады:
(2.19)
Т2 кеміген сайын Т1 ұлғаяды да, тоңазытқыш коэфициенті кем болады. Суықтық
көзінен, кейбір санды мөлшерлі жылулықты (q2) алу үшін, Т1 -
Т2 температурасы көп болған сайын өте үлкен жұмысшығынын (ℓ) қажет етеді.
Энтропия туралы ұғым
Еркінше алынған қайтымды циклды қарастыралық. Циклды бөлшектеу
көмегімен, элементарлы Карно циклын шексіз көп санды теңдікті (2.12), түрде
жазуға болады:
dq1T1=dq2T2
Тұйықталған пішін бойынша, интегралдау кезінде және dq2 теріс таңбаларын
есептеп табамыз.
(2.21)
Мұндағы, dqкайт - таңбасы кезіндегісі, қаралып отырған айналмалы
процесстегі қайтымды түріне, ерекше көңіл аудаылруы тиіс.
Сонымен, келтірілген жылулықтың интегралды суммасы үшін, қандай болса да,
қайтымды циклда нөлге тең. Бул Клаузиус теңдеуі деп аталады. Жылу
динамикасында (4.21) формуласынКлаузиус теңдеуі деп, ал (4.23)
формуласының оң жақ бөлігінің теңдеуін, Клаузиус интегралы деп атайды.
(4.21) теңдік, қандай да тұйық жол үшін, математикалық қажетті
және жеткілікті шарт, ол:
ds=dqT
(2.22)
толық дифференциал болады.
1-2 еркінше алынған жол бойындағы интеграл, әр уақытта тең:
S2 –
S1= (2.23)
Шарт бойынша, жылулықты dq жеткізу процессі қайтымды деп есептеледі.
Сонымен, S - функция жағдайы. Оны энтропия деп атайды. (2.22) формуладағы
1Т үстіңгі көрсеткішінде тұрған, толық емес дифференциал dq үшін
интегралдаушы көбейткіш болады.
Еркін қайтымды айналмалы процесс үшін алынған (2.21) формуладан, энтропия S
және абсолютты температура Т бар екендігі туралы тікелей қорытынды шығады
да, (2.22) теңдеумен анықталады, оны қайтымды процесстер үшін, жылу
динамикасының екінші заңының теңдеуі деп атайды.
Қайтымды изотермиялық процесс (Т=соnst) кезіндегісін (2.23) теңдеуден
табамыз:
S2-S1=q1-
2T (2.24)
Қайтымды адиабатты процесс кезіндегі, dq=0 болғанда:
ds=0; S2-S1=0;
S=const (2.25)
Қайтымды адиабатты процесс, энтропияның өзгеруін болдырмайды. Сондықтан,
оны, изоэнтропийлі процесс деп атайды.
Кайтымсыз процесс кезіндегі, энтропияның өзгеруі.
Карноның қайтымды циклы, қандай да қайтымсызда - сондай жылулық кезінде
және сондай жұмыста да, ПӘК-і өте үлкен болады; ол пайдалырақ,
себебі Т1'Т1 және Т2'Т2 дене температурасының термиялық тепе-теңдігі жоқ
кезінде өтеді. Механикалық тепе-теңдіктің жоқ болуынан, өз кезегінде,
косымша үйкеліс шығынына келтіреді. Сонымен, (2.11) және (2.17) формула-
ларға сай:
(1-q2q1)(1- q2q1)=1-T2T1
(штрихтар қайтымсыз жағдайларға жатады). Бұдан:
q'1q'2T1T2
(2.26)
Карноның шексіз өте аз циклы үшін, (4.26) теңдеуінің орнына:
dq'1T1dq'2T2
(2.26a)
Сонымен, жылудинамикасының екінші заңының мазмұны тәжірибе фактысына
негізделген және қайтымсыз процессте өтеді.
Бұл заңды, осы түрінде бірінші рет, (1850 ж.) Клаузиус
тұжырымдаған: жылулық, өз өзінен, дененің аз температуралығынан, басқа
дененің үлкен температурасына (компенсациясыз) еш уақытта өтпейді. Клаузиус
өзінің постулатында, амалсыз компенсация реттде қабылдап, ол кездегі жұмыс
шығынының жылулыққа алмасуын дәлелдеді.
Жылу динамикасының екінші заңының маңызы. Жылу-динамикасының екінші заңы,
жылудиамикасының дамуына үлкен рөл атқарды. Жылудинамикасының ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Әдебиеттер
1 Термодинамиканың бірінші заңы
1.1 Жылу динамикасының негізгі заңдары
1.1.1 Техникалық жылудинамикасын ың әдістері
1.1.2 Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
1.1.3 Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
1.1.4 Идеалды газдар қоспасы
1.1.5 Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
1.2.1 Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
1.2.2 Қайтымды және қайтымсыз процесстер
1.3 Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
1.4 Жылу мөлшері
1.5 Заңдар
1.5.1 Газ заңдары
1.5.2 Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
1.5.3 Идеал газ күйінің теңдеуі
2 Термодинамиканың екінші заңы. Карно циклі
2.1 Айналмалы және циклдік процестер
2.2 Карно циклі
2.3 Энтропия туралы ұғым
2.4 Қайтымсыз процесс кезіндегі энтропияның өзгеруі
2.5 Тs - диаграмма
3 Сығымдағыш машинамен сығу процессі
3.1 Бірсатылы сығымдағыштар
3.2 Газдарды көпсатылы қондыргылармен сығу
3.3 Турбосығымдаушыдағы сығу процессі
4 Жылу маңыз алмасу
4.1 Конвективті жылуалмасу
4.2 Сәлелік жылу алмасу
5 Қазандық агрегаттар
5.1 Қазандық агрегаттардың топтасуы
5.2 Қазандық қондырғы
5.3 Іштен жанатын піспекті қозғалтқыштардың циклдары
5.4 Газды турбина
5.5 Регенеративті цикл
6 Ауыл шаруашылықта жылуды қолдану
6.1 Отындар
6.2 Жағушы құралдардың топтасуы
6.3 Тоңазытқышты қолдану
6.4 Пеш жағу
6.5 Кептіру технологиясы
6.5.1 Кебудің мағынасы және кебу түрлері
6.5.2 Материалдардың ылғалдылығы
Глоссарий
Жұмысшы дене . Механикалы және термиялық жұмысшы денесі ( газдың
)– негізгі параметрлер ( p, V, T) уақыттардың әрбір кезегіне көлемі
барлық жерде бірдейді айтады.
Жылу техникасы – энергияны алу және қолдану ғылымын айтады.
Термодинамика – физиканың бір бөлімі, онда энергия механикалық жұмысқа
немесе керісінше ауысуды айтады.
Температура (Т) - газдың орташа кинетикалық энергиясы.
Ішкі энергия – кез-келген денедегі барлық энергия.
Термодинамиканың бірінші заңы – энергияның сақталу немесе алмасу заңы.
Изохоралық процесс – көлем тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Изобаралық процесс – қысым тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Изотермиялық процесс – температура тұрақты жағдайдағы газдың өзгерісі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері
Жылудинамикасы - грек сөзінен шыққан: терме - жылу, ыстьқ, от
деген ceздepдi білдіреді, динамикос - күш, козғалыс, ал барлығы бipre -
жылу (от) қозғалтушы күш. Сонымен, жылудинамикасы - жылу қозғалтқышының
теориясы пайда болды. Техникалық жылудинамикасы - жылу мен
механикалықэнергиялардың өзара алмасуының заңдылығын зерттейді, ал, сонымен
катар, осыған қатнасатын алмасуындағы дененің касиетінде зерттейді.
Жылуалмасу теориясымен бipre, ол жылутехникасының теориялық негізі болады.
Денелердің жиынтығын, өзара әрекетте болуын, жүйелер деп атайды. Осы
денелердің арасында, жұмыстық, дене, ерекше белгілерді, ол жылу мен
жұмыстың өзара алмасу процессін жүргізеді. Қалғаны - коршаған орта кездері
(немесе жылу сіңіргіштер).
Жұмыстық, дене есебіне газдар мен булар жатады. Сұйыктармен салыстырғанда,
газдар және булар, кыздыру және салкындату кезінде, кысымымен көлемі
едәуір езгертіледі.
Техникалық жылудинамикасының әдістері үшін негізгі өзгешелігі
жылудинамиканың процесстері мен жүйелерінің идеализацияда болуынан,
процесстегі жұмыс жүйелерінің кебеюіне келтіреді. Мысалы, теңсалмақты
жүйелер деп аталуын, оның уақыт аралығындағы өзгермеу касиетін немесе оның
күйін зерттейді. Мұндай жүйелер, қоршаған ортадан бөлектендіріледі және
сонымен катар, сыртқы күштің әсерінсіз, оның күйі сонша ұзақ, сакталуы
мумкн. Мұндай жүйелерде, температураның барлықнүктелерінде бірдей, яғни
жүйелердің жылу тепе-теңдігі орын алады. Егер жүйенің жеке бөлшектері бip -
біріне қарағандағы алмасуы болмаса, онда, ол кезде кысымы мен тығыздығы
жүйенің әр нүктелерінде бірдей болып механикалық тепе-теңдігі болады.
Сонымен қатар, тепе-теңдік жағдайының үздіксіз кезектілігінің түсініктілігі
арқылы, оның күйінің өзгіруі кезіндігі, қаралып отырған жүйенің өтуінің
тепе-теңдік процессі зерттеледі. Жеке жағдайда жорамалдау жолымен
дәріптелінеді.
Процесстерді дәріптеу, жылудинамикасын зерттеуді оңайлатады. Сонымен бipгe,
идеалды процесс -үлгі ретінде есептелінеді, оған практикалық, түрінде
жетуге тырысу керек. Нақтылы процессте жүргізілетін жұмыстың істелуін,
идеалды процесске сәйкес, жұмысты салыстырумен, сол
процесстің жылудинамикалықбағалануы ның мүлтіксіздігінше мүмкіндік береді.
Техникалық, жылудинамикасына, нақтылы жағдайында, негізгі процесстерінің
өтуінің каралуы eнгізіледі де, жылу техникасы курсының теориялық және
практикалық бөлігі арасын байланыстырушы болып, шешуші рөл атқарады.
Жылудинамикасының негізін тәжірибемен анықталған екі заңы кұрайды -
жылудинамикасының бірінші және екінші заңдары, олар техникалық
жылудинамикасында жылу мен жұмыстың жеке күшінде колданылады.
Жұмыстық дене күйінің көрсеткіші
Біртекті жұмыстық дененің тепе-теңдікте тұрғандағы физикалық күйімен
анықталатын, жиынтықты жылудинамикалың көрсеткіштерің негізіне
- қысым Р, температура Т және меншікті көлемі V жатады. Олардың арасында
байланыстары бар, оны аныктау үшін, әрбір жұмыстық денені тәжірибе жолымен
немесе материяның кинетикальқ теориясы негізіндегі дененің салыстырмалы
ішкі кұрылымын, кейбір жорамал түрінде анықтайды. Жалпы турінде көрсетілген
керсеткіштердің аральқ қатынасы немесе теңдеу күйі мына түрінде болуы
мумін:
f(P,V,T) = 0.
(1.1)
Тецдеу (1,1) мына түрінде жазылады:
Р = f,( V,T), V=f 2(P, T ), T= f 3(P,V ).
(1.2)
Теңдеудің (1.2) шығуы, бip мағыналы күйін
анықтау үшін, барлық көрсеткіштері кажет емес. Оның үш
шамасының Р, V, Т берілген екеуімен аныктауға болады. Осыған
қарағанда, жұмыстық дене екі өстікординат жүйесімен
бейнеленуі мүмкін, жиі Р ордината ө сі бойынша және V өсі бойынша
салынады;диаграммадағы әрбір нүктеге, оның бір белгілі күйіне сәйкес
келеді. Қысым Р Паскалмен (Па) белг іленеді.Паскаль - қысым, 1м2 аудан
бетіне нормаланған, бір қалыпты бөлінген 1 Н (Ньютон) күштің түсуін айтады
немесе Па = Нм2, мұндағы Н = 1 кг-мс2. Қысым бірлігіне паскалдың еселі
және бөлшекті сандарының жазылуы:
1 кПа (килопаскаль) = 103 Па;
1 МПа (мегапаскаль) = 106 Па;
1 мПа (миллипаскаль) = ІСГ3 Па және
басқалар.
Бұрын қолданылған кейбір теңдіктерді, ал қазіргі кездегі қолданылатын
қысымдардың және СИ бірліктері:
1 кгсм2 = 1мм су бағанасы = 9,8066 Па ~ 10
Па;
1 кгсм2 = 98,0665 кПа ~ 100 кПа = 0,1 МПа;
1 атм = 101,325 кПа = 760 мм
сынап бағанасы (сын.бағ);
1 мм сын.бағ = 133,322 Па ~ 133 Па;
1 бар. = 0,1 МПа; ІМбар = 100 Па.
Қазіргі кездегі өлшеу техникаларындағы, сұйық қысымы мен газдар саласында
қолданылатын өлшеу диапазоны өте кең - 1 пПа (пикопаскаль = 10~12 Па)
дан 1ГПа (гигапаскаль = 109 Па) дейін.
Абсолютты қысым саласы - нөлден (абсалютты вакуум) және артық қысымға
бөлінеді, яғни сұйық қысымы немесе газдардың қоршаған орта қысымының
Ратм аралық айырмасы.
Практикалық жағдай нәтижелері бойынша, манометрдің көмегімен қысымды өлшеу
мына формуламен анықталады;
р = р+ р
мұндағы Рарт - атмосфера қысымынан артығы, манометрмен өлшенеді; Ратм -
қоршаған орта қысымы (атмосфералық) Егер қысым Р атмосфералық қысымнан
төмен болса:
р = р+ р
мүлдағы Рвак - ауаның сиретілуі, вакуумметрмен өлшенеді.
Есте сақтау керек, атмосфералық қысым - ауыспалы шама, сондықтан техника
саласында нормалы қысымды қолданады:
Р0=0,101325 МПа.
Егер заттың көлемі V (м3), ал массасы m (кг), онда теңдеу:
Vm= (1.3)
оны, заттардың меншікті көлемі деп атайды, (дене), оны м3кг белгілейді.
Дене (заттың) тығыздығы р деп, оның массасының m, көлеміне V қатынасы
арқылы анықталу шамасын:
р=mV. (1.4)
Формуладағы т, кг; V - м3, р - кг м3. Формулалардағы (1.3) және
(1.4) меншікті көлем мен тығыздығы арасында кері байланыс бар, яғни:
=1р, немесе р=1. (1.5)
Бұл шамалардың мәндері жылудинамикасының жағдайына байланысты.
Жылудинамикалық температура Т, негізгі температуралық шама Кельвин (К)
бойынша өлшенеді.
Сонымен қатар, жылудинамикалық температураны 1968 ж. Халықаралық
практикалық температуралық шкала бойынша өлшейді де және оны Цельси (°С)
градусы t белгілейді.
Жылудинамикасындағы жылудинамикасының көрсеткіштерінің
күйін Т, жылудинамикасының температурасымен қабыл-дайды, және де әртүрлі
нүктедегі есептеліну байланыстығын мына теңдеумен шешеді:
T=t + 273,16. Практикалық есептеулер үшін T=t + 273 қабылдайды.
Біртекті идеалды газдарға арналған күй теңдеулер
Газдарды қолдану практикасын шартына қарай, техникалық жылудинамикасында
нақтылы идеалды газдар үшін, тәжірибелік заңдылықты кеңінен қолданады.
Сонымен, идеалды газ-шартты түрде газ болып есептелінеді де, олардың
молекулаларының арасында, әрекеттестік күштер болмайды, ал молекулаларды
көлемсіз ретінде қарастырады, дегенмен олар материалды бөлшектер. Идеалды
газ ұғымы, жылудинамикалық зерттеулерді оңайлатады және төменгі қысымда
(алмағайып қысыммен салыстырғанда) және жоғарғы температурада (алмағайып
температурамен салыстырғанда), практикалық нәтижелердің тиімді дәлелдігін
қамтамасыздандырады.
Одан кейінгі қарастырылатын, газдардың жылудинамикасы заңдылығына
негізделгенде, нақтылы идеалды газдарға арналған.
Біртекті идеалды газдарға арналған теңдеулер, мына түрінде:
PТ=Р2Т2 = РТ= const =
R, (1.6)
мұндағы R - меншікті газ түрақтылығы. Мұндағы шамалар мына бірлікте: Р
- Нм2, - м3кг; Г-К, R- Дж(кг-К).
Теңдеу (1.6) біртекті газдардың қалай болса солай алынған
санына m арналғанын, басқа түріндегі (1.3) теңдеуін пайдалана отырып жазуға
бодады:
PV=mRT. (1.7)
Бүл теңдеу, идеалды газдарға арналған Клайперон-Менделеев теңдеуі деп
аталады. Мейлі, М газдың молярлы массасы, кгмоль, өлшенеді.
Авогадро заңы бойынша, идеалды газдың 103 көлемі - қандай да химиялық
қүрамындағы р және tбірдей кезінде, дәл өзі болады. Белгілі, қысым кезінде
= 101,33 Па (760 мм.сын.бағ.) және темпе-ратурадаT0=273,16К (нормалы
физикалық куйде), газ көлемі 10" моль кезінде, Vm = 22.4116 м3. р^ Vm,
Т0 жәнеМ=т мәндерін (1.7) теңдеуіне ауыстырып қойып табамыз:
R* = MR =101,33-22,41 16273,16 = 8,825- 103Дж(моль-К). (1.8)
Мұндағы R барлық газдар үшін бірдей және оны, әмбебапты газ тұрақтылығы деп
атайды. Сонымен:
R =R*m. (1.9)
Идеалды газдар қоспасы.
Жылулықты қолданатын машиналардьң жүмыстық денесі ретінде, әртүрлі
газдардың қоспасын қолданады. Олар үшін, Rқос болуы қажет. Әрбір құрамды
бөлікке кіретін қоспалар, қоспаның толық көлемімен толады, бірақ, онда олар
өзінің парциалды қысымында болады:
Далътон заңы бойынша
P=P
Газды қоспаның т массасы үшін, дұрысында дәл осындай түріндегі теңдеу түрі
(1.7):
PV = mRT.
Бірақта, меншікті газ түрақтылығы R, мұндағы қоспалар құрамына байланысты
және бір және сол газдар қоспалары, олардың құрамдары өзгерген
кезде, әртүрлі мәндерінде болады.
Қоспалардың, меншікті газ тұрақтыларын былай анықтайды. Қоспалар п, әртүрлі
қүрамды бөлікті газдардан түрғандағы, әрқай-сысыньщ т\, т2, тз, ... ,
тп массасында болғанда, қоспа массасын, мына түрінде шешеді:
т = т + т2 + m+ ... + тп = m (1-10)
Жеке құрамды (газдар) парциалды қысымдарды Р, Р2, Р, —•,
Р деп белгілейді. Есте болу керек, газды қоспалардың, жеке газдардағы
парциалды қысымы ұғымындағы қысым Рі; сол санында, сол көлемде және сондай
температура кезінде, қоспа жағдайымен бірдей болуы тиіс. Сондықтан,
біртекті газдар үшін мына теңдікте жүреді
РV=тRТ. (1 .11)
Мұндағы Р, т, R - қаралып отырған газды
қоспалардың парциалды қысымы, массасы, меншікті газ тұрақтылығы; V, Т-
қоспаның көлемі мен температурасы.
Газды қоспаның әрбір құрамды бөлігіне жағдай теңдеулерін жазамыз:
P1V=m1R1T;
P2V=m2R2T;
PnV=mnRnT.
Осы теңдіктердің оң және сол бөліктерін мүшелеп қосып, табамыз:
(Р + Р2 + Р3+ ... + Рп) V = (mR + m2R2 +
m3R3 + ... ...+ тnR) T.
Дальтон заңы негізіндегі, барлық құрамды бөліктегі парциалды қысымы газды
қоспа қысымына тең:
Р = Р1 + Р2 + Р3+ ... + Рn. (1.12)
Солай болғандықтан, табамыз:
FV = (mR + m2R2 + m3R3 + ... ...+ mnRn) T,
mR + m2R2 + m3R3 + ... ...+ mnRn = mR деп белгілеп табамыз:
PV=mRT, (1.13)
мүндағі
R = mR m + m2R2m + ... ... + mRm. (1.14)
Қатынастар т\т = g, niim = g2, ... ... т„т = gn - газды
қоспалардың жеке кұрамды бөлш ектерінің үлесі, сондықтан олардың
жиынтығы:
g+g+ ... ...+g=1
Бұдан, қоспаның меншікті газ тұрақтылығын, мына формуламен жазады:
R = g1R1+g2R2 + ... .+gR (1.16)
Газды қоспаларды құрамды бөлшектерін молярлы үлеспен де жазады:
Nl + N2 + N3+ ... + Na = N=miM = mM. (1.16а)
Бұдан қоспаның орташа молярлы массасын М= 1g\M. Газ
қоспаларының техникалық көрсеткіштерін, сонымен қатар, оның көлемдік
құрамның көмегімен жиі анықтайды, оны анықтау былай қабылданған. Қоспа
қысымы Р мен Т температурасы кезіндегі, әрбір қоспаның құрамды бөлшектерін
жеке түрінде қарастырамыз. Сонымен, құрамды бөлшектердің парциалды
көлемдері VVV, ... Vn жағдай теңдеуіне сәйкес, қатаң түрде
белгілі мәндерде болуы тиіс:
PV= mRT;
PV=mRT;
... ... ... ... ... ...
PVn = maRnT.
Осы теңдеулерді қосып, мүшелеп табамыз:
P(Vl+V2+V3+ ... +V) =
= (mlR1+m2R2 +m3R3 + ... .+ mnRn)T=mRT . (1.17)
Сонымен газды қоспа үшін PV=mRT, онда:
PV=P(Vl+V2+V3+ ... +Vn) (1.18)
немесе
V=V1+V2+V3+.:..+Vn = Vi. (1.19)
Формула (1.19), газ қоспасының көлемдік құрамын анықтау негізіне
жатады. Одан
VV+ V2V+ ... +VV= r1+r2 +r3 + ... +r = r = 1,
мұндағы VV = r, V2V = r ... ... , VV=r - газды
қоспалардың жеке құрамды бөлшектерінің көлемдік үлесі.
Сонымен r = NN (Vm = idem
кезінде), M=rM және g = rММ.
Газдың көлемдік құрамы, оның парциалдық қысымын тез анықтауға мүмкіндік
береді. Қоспаның температурасы мен қысы-мын сақтағанда:
PV = mRT, .
ал қоспаның температурасы мен көлемін сақтаған кезде
PiV=miRT. Сондықтан P=V(Vp) =
rp. ( 1.20)
Идеалды газдар және олардың қоспаларының жылусыйымдылығы
Денелердің жылу сыйымдылығы дегеніміз, оның температурасын 1°К өзгертуге
арналған, қажетті жылу санын айтады. Заттардың санына
байланысты, мына меншікті жылу сыйымдылығын пайдаланады: С -массал ы жылу
сыйымдылығы, бір килограмм массаның Дж(кгК) жатуы; МС - молярлы жылу
сыйымдылығы, I мольдың Дж(к мольК) жатуы;
С- көлемдік жылу сыйымдылығы, 1 м3 Дж(м3К) нормалы жағдайда жатуы:
С = С = С'
P=const кезіндегі, массалы жылу сыйымдылығы, Ср - белгілейді жэне оны
изобарлы деп атайды, ал V=constкезіндегісіи Cv -белгілеп және оны изохорлы
деп атайды. Ср және Cv аралық байланысын Майер теңдеуі арқылы беріледі:
Ср-Су = R (1.21)
Молярлы жылу сыйымдылығы үшін Майер теңдеуі, мына түрде болады:
Ср -Су=8,314.
(1.22)
8,314 - әмбебапты газ тұрақтылығы, кДж(к мольК)
CC=K
К- адиабаттар көрсеткіші.
Cv = RK-1; Ср=K-1.R. (1.23)
Жылулык пен жұмыстың эквивалентті принципі
Жылудинамикасының бірінші заңы - энергияньң айналу және сақталуының жалпы
заңдылығының жеке бір күйі, ол жылу мен механикалық жүмыстың, өзара өзгеріп
айналу құбылысы кезіндегі, түрақты санды байланыстылығын анықтайды. Бүл
формула жылу мен жұмыстың эквиваленттік принципі. Бірінші рет, энергияның
сақталу заңы мен энергияның, айналу құбылысын 1748 жылы орыс ғалымы
М.В.Ломоносов тұжырымдаған. Жүмыс пен жылулық арасындағы қатынастың бар
екендігін, мына теңдеу көрсетеді.
0,427 кгс.м = 4,1868 Дж 4,19 Дж. (2.1)
Жұмыс және жылулық сандары Дж белгіленеді және оның
еселі және үлесті шамаларын - кДж (103Вт), МДж (106Дж); МДж
(10-3) және т.б; қуатты ватпен (Вт), кВт (1(Г3Вт), МВт (106Вт)
белгілейді.
қарастыралық. Жылулық эквиваленттің 1 кВт-сағ. 1ккал. санды мәндерін
анықтау керек:
1. 1 кВт-сағ.=3600 қДж 4,1868 = 860 ккал.
2. 340 г.(кВт-сағ) тең меншікті отын шығынын бірлік СИ арқылы білдіру:
3403600 = 0,94 гкДж.
3. Жылулық шығын 1 кВт-сағ. немесе меншікті жылулық шығыны 2500
ккал.(кВт-сағ.) тең. 1кВт-сағ. Жатқызылған СИ бірлігіне сәйкес шығынын
анықтау керек: 2500-4,1868 = 10475 кДж(кВт-сағ.).
Меншікті жылулық шығынды қатынас түрінде шығарады: ; 2500-4,18683600 =
2,91 (кДж жылулық)( кДж жүмыс).
4. Қозғалтқыштан шыққан жұмыстық будың жылуын пайдалану кезінде, алынған
электр энергияеының өндірілуі, әрбір мегакалория жылулығы е=0,6кВт-
сағ.Мккал.-ға тең, кВТ-сағМДж ауыстыру керек:
е = 0,64,1868 [кВт-сағМкал-МкалмДж] = 0,143 кВт-сағМДж. 1 Дж жылулықтың
электр энергиясын өндіру мына түрінде жазылуы мүмкін:
= 0,64,1868-3600103 [кВт-сағМкал-М калмДж-МДж кВт-сағ]= = 0,372
МДж жұмысМДж жылулық.
Қайтымды және қайтымсыз процесстер.
Механикалық энергияны жылуға (үйкеліс жолымен, соғу және басқа) тез
айналдыру белгілі, бірақ жылулықты механикалық энер-гияға айналдыру оңай
емес. Ол үшін күрделі қүрылғымен, инженерлік қондырғы қажет. Одан, жүйеден
жылу бөлігін алып кетіп, оны түрлендірусіз жүмысқа айналдыру. Бұл жердегі,
теңсіз бағалы жылулық, кері бағытпен ағуы - сыртқы күйіне
байланыстылығы, қайтымсыздыцпроцесс імен сипатталады.
Мұндай түрдегі қайтымсыздық, дәл осындай болуы, соңғы температуралары
кезіндегі, дене аралық жылу алмасу процессінде өтеді. Жылу өтуі, әр уақытта
ыстық денеден аз қызған денеге, өзінен өзі тез өтеді, бірақ, кері процесс
үшін қосымша жұмыс шығынын қажет ететін, салқынатқыш қондырғы керек.
Жұмыстық дененің тепе-теңдік күйін өзгерту үшін, жылулық теңдігін (газдың
барлық массаларындағы температураларының, әрбір нүктелерінің процессінде
бірдей болуы) және механикалық (әрбір нүктедегі процесстері газдың барлық
массаларындағы қысым, бірдей болуы шарт) жағдайын сақтау керек.
Бүл, идеалды жағдайға жетуі мүмкін, мысалы, цилиндрдегі піспектің шексіз
баяу қозғалыс кезінде, олардың қысымы барлық газдар көлемінде түрақталып
үлгеруі тиіс. Піспекке тез немесе секірмелі түрде түсуінен, қысымның
өзеруі, піспек жанындағы газ қысымы көп болғанмен, одан қашықтаған сайын
азаяды.
Жылулықтың тепе-теңдікке жетуі үшін, болжау қажет, жылу көзімен, газдың
аралығындағы температураның, шексіз аз айырмашылығы кезіндегі, процесстің
әр нүктесіне жылу берілуі жүргізіледі. Сонымен, сірә, әртүрлі температураға
өтуін қайтарымды процесстерді жүргізу үшін, кезінде, әртүрлі
температуралардағы шексіз өте көп, санды жылу көзінің шегін - қажет етеді.
Механикалық және жылулықтағы Р, V, Т - негізгі көрсеткіш-терінің тепе-
теңдігі жағдайының өзгеруіне қарай, олар уақыт аралығында ауыспалы, бірақ
газдардың орналасуындағы әрбір, моменттегі барлық көлемі бойынша бірдей
болады. Егер, тепе-теңдік процессінің не мына, не басқа багытта пайда
болмауы, сол жумыстық денеде қалған соңғы өзгеруін қошаган ортадагы
қайтымдылыгы деп аталады. Осы жагдайларды қанагаттандырмаса,
онда қайтымсыз деп аталады. Тепе-теңдік процесс, қайтымсыз болуы мүмкін,
мысалы үйкеліс бар болғанда, қоршаған ортадағы жылудың жоғалуы кезінде
өтеді.
dL=pdh=pFdh. (2.2)
Тепе-теңдік жағдайындағы жүйелер көрсеткіштерін бір мағыналы сыртқы
жағдайымен анықтайды. Егер, жүйе өзінің жағдайын өзгерткен кезде, сыртқы
жұмысты атқарады. Олай болса, тепе-теңдік жағдайындағы ол, жүмысты сол
жүйенің көрсеткіштері арқылы білдіріледі. Целиндрдің ауданы F болғандағы
газдың піспекке, Р қысымымен қамтамасыз етілуіндегі Р = р.F тең болады (2.1
сурет), онда, піспектің dh аздап жылжуы кезіндегі, газдың жасаған жү-мысын,
мына теңдеумен анықтайды.
2.1-сурет. Піспектің эрекетімен жасалынатын сыртқы жүмыс.
Бірақ, Fdh=dV көлемнің ұлғайуы болады. Сонымен жасалынған жұмыс:
dL = pdV. (2.3)
Егер, тепе-теңдік жағдайы өзгеретін болса, онда dL жүйенің, көрсеткіштері
арқылы жазуға болмайды.Р= pF сендіруге негіз жоқ, себебі, әрбір бөлігіндегі
газ көрсеткіштері, әртүрлі және жүйенің тепе-теңдік жағдайындағы, оның
мәндері тең емес. Бүл жерде сыртқы жағдайда, басқа тағы да бір немесе
бірнеше қосымша көрсеткіштердің пайда болуы қажет (мысалы, тығыздықтың
бөлінуі). Тепе-теңдік процессті графикалық түрде түсіндірсек, себебі
сызықты процесстердің Р, V, Т нүкте координаталары, әрбір уақыт моментінде
дененің жылу динамикалық көрсеткіштерінің белгілі толық мәндеріне тең
болады.
Жылудинамикасыньщ бірінші заңын талдау формулалары
Дене күйінің барлық энергиясы - микроскопиялық қозғалысының толық түріндегі
сыртқы кинетикалық энергиясы Е және салмақ күші өрісі, электрлі немесе
магнит өрісі жағдайындағы потенциалды энергияЕп, сонымен қатар, дене
бөлшектерінің құрамдық әрекеттері мен қозғалу энергиясын жасаушы ішкі
энергияU қосындыларынан тұрады:
Е = Ек + Е+U. (2.4)
Қаралып отырған жылудинамикалық жүйе шамаланса, онда дененің орталық
салмақтық алмасу жылдамдығы өте аз (С=0), яғни қозғалыссыз жұмыстық дене
көлемінің өзгеруі туралы сөз болады, сондықтан Ек=0. Айталық, E=0
сонымен, бүл жерде толық энергия ішкімен бірдей (E=U), ал жүйе энергиясының
өзгеруі жұмыстық дененің, ішкі энергиясының өзгеруіне келтіреді.
Жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, жұмыстық дененің энергиясы
кезінде, қабылданған жағдайға тиісті кезіндегі жүйенің өтуі 1 бастапқы
күйінен 2 соңғы мәндеріне артуы, денеге берілген жылулық dQ және мәніне
келуі dL істелінген жүйе жұмысына тең:
dU=dQ-dL немесе әдетте былай жазу қабылданған - Q=dU+dL.
Сыртқы ортамен әрекеттестігі жоқ болғандағы
кезінде (dQ=0 және dL=0), формулада ғы (2.5) dU=0, яғни жүйе энергиясы
өзгеріссіз сақталады. Жүйелер қатнасының жекеленген жылулығы үшін,
ондағы dQ=0екені белгілі.
dU + dL = 0. (2.6)
Теңдеу (2.5) жұмыстық дененің еркінше алынған санды массасы m арналып
жазылған, ал меншікті мәндері үшін былай жазылады:
dq = du + dl, (2.7)
мұндығы q - меншікті жылулық саны; l- меншікті жұмыс; м-меншікті ішкі
энергия, q, и, 1 бірлік өлшемі Джкг.
Бұл теңдеу, жылудинамикасының бірінші заңының талдаушы тұжырымдалуын
көрсетеді, осыған сәйкес жүйеге жеткізілген жылу, жүйелердің ішкі
энергиясына жұмсалады және жұмыстың атқарылуына қарсы денеге түскен сыртқы
күш. Олар, қайтымдыға да және сыртқы қайтымсыз процесстер үшін де әділетті.
Себебі, қабылданған жағдайдағы жылуалмасуы кезінде, дене мен орта арасының
соңғы температура айырмашылығы кезінде, қайтымсыз жылуалмасуына сәйкес
келеді.
Қоршаған ортаның жұмыс жүйесін қарастыралық, сыртқы күштердің әрекетінен
дене көлемінің өзгеруі жүреді. Механиканың жалпы ережесі бойынша, бұл жұмыс
денеге түскен күш көбейтіндісімен, оның жылжуын анықтайды. Егер күш, бет
ауданының элементіне әрекет етсе, ол элемент, қысым болады, ал осы
элементтің ауданының көбейтіндісінің жылжуы, нормалы бағытпен бетке жатып,
сол элементтің беттік көлемі болса, онда элементарлы жұмыс қоршаған орта
жүйесімен жасалу кезіндегі, дене көлемінің шексіз аз өзгеруінің
көбейтіндісі ретінде анықталады (2.2 сур.):
dL = pdV. (2,8)
V ден V2 дейінгі көлемнің соңғы өзгеруі кезінде:
L= (2.9)
Мұндағы V - көлем, M
2-сурет. Дене көлемінің өзгеру жұмысы.
Келешекте, бұл жұмысты, көлемнің өзгеру жұмысы деп түсінеміз.
Өйткені, процесстің өзгеруі жағдайы, механикалық тепе-теңдігінде болады,
онда жұмысқа арналған (2.8) және (2.9) формулаларындағы қысым Р, сыртқы
ортаның әрбір момент уақытындағы дене қысымына тең. Сыртқы
қысымның әрекетінен, жүйенің атқаратын жұмысы кезіндегі, қысымның
үлғайуы dV0 оң болады (жұмыстан ұлғайуы). Жұмыстағы сыртқы күштің жүйе
үстіндегі кезінде, dV0 теріс болады (сығу жұмысы).Газ жағдайының өзгеру
процессін зерттеуде, графикалық әдістер (кеңінен пайдаланады) негізінің PV
-диаграммасы деп, аталуын кеңінен қолданады. (2.9) теңдеуінен
көрінгендей, Р көрсеткіші V функциясы болып есептеледі; PV диаграммасын
құру кезінде, Р шамаларын ордината өсі бойынша және V абцисс өсімен
тұрғызылады.
Дене көлемінің, жұмыстан өзгеруін анықтау жағдайынша абцисс өсі
бойынша, V шамаларын қояды. Мұндай бейнелерді қолдану, әдетте піспекті
қозғалтқыштардың процессін зерттеу кезінде қолданады, мұндағы цилиндр
ішіндегі дене көлемінің, піспек жолының жүріп өтуіне, пропорционалды
болады.
ЖЫЛУ МӨЛШЕРІ
Жылу берілу кезінде энергия бір денеден екінші денеге жылу өткізгіштік,
конвекция және сәуле шығару арңылы беріледі.
Жылу берілу кезінде дененің алған немесе жоғалтқан энергиясы жылу мөлшері
деп аталады.
Жылу мөлшері деген атау ішкі энергия тек жылу берілу арқылы өзгергенде
ғана қолданылады. Бұл атау жүмыс процесінде дене алатын және беретін ішкі
энергияның өзгеруіне қолданылмайды.
Жылу мөлшерін есептеп шығаруды үйрену үшін, оның қандай шамаларға тәуелді
болатынын анықтап алайық.
Егер шәйнектегі суды тек жылытып қана қойғымыз келсе, онда оған шамалы жылу
мөлшерін беріл, аздап қана қыздырамыз. Ал егер ондағы суды ысытпақшы
болсақ, онда жылу мөлшерін көбірек береміз. Демек, қыздыру кезінде
судың температурасы неғұрлым көбірек өзгерсін десек, оған соғұрлым көбірек
жылу мөлшерін беруіміз керек. Әрине, су суығанда айналасындағы денелерге
неғұрлым көбірек жылу мөлшерін берсе, салқындағанда оның температурасы
соғұрлым көбірек өзгереді.
Бірақ тек температураның өзгерісін ғана білу, дененің қызғанда алған немесе
суығанда берген жылуының мөлшерін аныңтауға жеткілікті болмайды, Расында
да, қол тигізбейтін болып қатты қызған үтік суық бөлмені жылыта алмайды, ал
жылы пеш немесе температурасы 60°С шамасындағы сумен жылыту радиаторы
беретін жылу мөлшері ауаның температурасын әжептәуір арттырады.
Бәріміз де су ысытып көргеміз, су жартылай қүйылған шайнекке қарағанда
толтыра құйылған шайнектегі суды ысыту үшін көбірек жылу мөлшері керек
болатынын жасы білеміз.
Демек, қыздырғанда денеге берілген жылудың мөлшері осы дененің массасына
тәуелді:судың массасы неғрлым көп болса, оның температурасын белгілі бір
градусқа езгерту үшін соғұрлым көп жылу мөлшерін жүмсау керек.
Дененің массасы неғұрлым үлкен болса, ол суығанда айналасындағы денелерге
жылу мөлшерін соғүрлым көп береді. Мысалы, жылыту радиаторының секциялары
неғұрлым көп болса, бөлмені ол соғұрлым жақсы жылытады.
Бірдей екі жанарғымен біреуіне 400 г су, екіншісіне 400 г өсімдік майы
қүйылған ыдыстарды қыздырайық, Сонымен, қыздырылатын денелердің массалары
бірдей. Бұлардың қыздырылу жағдайлары да бірдей, өйткені ыдыстар жылуды
бірдей жанарғылардан алады. Бұлардағы айырмашылық — тек екінші ыдысқа 400 г
судың орнына 400 г май құйылған.
Термометрлер екінші ыдыстағы майдың тезірек қызатынын көрсетеді. Судың
температурасы майдың температурасымен теңесу үшін суға қосымша жылу
мөлшерін беру керек.
Расында да, массалары бірдей су мен майдың температуралары бірдей өзгеру
үшін әр түрлі мөлшерде жылу керек болатындығы айқын: суға — кебірек, майға
азырақ жылу жұмсалады. Демек, денені қыздырғанда берілген жылудың мөлшері
осы дененің қандай заттанқұралғанына да тәуелді болады.
Сонымен, денені қыздыру үшін жүмсалатын немесе ол суығанда бөлініп шығатын
жылудың мөлшері оны қүрайтын заттың тегіне, осы дененің массасына және оның
температурасының өзгеру шамасына тәуелді болады.
Жоғарыда айтылғандай, жылу мөлшері деп жылу берілу кезінде дененің алатын
немесе жоғалтатын энергиясын атайды. Демек, жылу мөлшерін энергияның басқа
да кез келген түрі сияңты, джоульмен өлшейді. килоджоуль де қолданылады.
МЕНШІКТІ ЖЫЛУ СЫЙЫМДЫЛЫҚ
Біз денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері ол құралатын затқа тәуелді
болатынын анықтадық. Мысалы, массасы 1 кг судың температурасын 1° С-қа
арттыру үшін 4200 Дж-ге тең жылу мөлшері қажет. Ал, егер басқа бір затты,
мысалы, массасы 1 кг мысты қыздырып, оның температурасын 1° С-қа өзгерту
үшін 400 Дж-ге тең басқа бір жылу мөлшері қажет болады. Демек, массасы 1 кг
әрбір заттың температурасын 1° С-қа өзгерту үшін белгілі бір жылу мөлшері
қажет екен.
Массасы 1 кг заттың температурасын 1°С-қа езгерту үшін қандай жылу
мөлшері қажет болатынын көрсететін физикалық шама заттың меншікті жылу
сыйымдылығы деп аталады.
Заттың меншікті жылу сыйымдылығы с әрпімен белгіленеді. Заттың меншікті
жылу сыйымдылығының бірлігі —
1 Дж кг.°С
Бұл 1 кг қорғасынды 1°С-қа қыздыру үшін 140 джоульге тең жылу мөлшері керек
(немесе 1 кг қорғасын 1° С-қа суығанда 140 Дж жылу мөлшері бөлініп шығады),
яғни массасы 1 кг қорғасынның температурасын 1° С-қа өзгерткенде ол 140 Дж-
ге тең жылу мөлшерін сіңіреді немесе бөліп шығарады.
Заттың қатты, сұйық және газ тәрізді әр түрлі агрегаттық күйлерде
меншікті жылу сыйымдылығы әр түрлі болады.
Мысалы, судың меншікті жылу сыйымдылығы 4200
Кейбір заттардың меншікті жылу еыйьімдылығы.
кг-°С
Алтын 130 Темір 460 Күнбағыс 1700
майы
Сынап 140 Болат 500 Мұз 2100
қорғасын 140 Шойын 540 Керосин 2100
қалайы 230 Графит 750 Эфир 2350
Күміс 250 Лаборато-
риялық
Жез 400 шыны 840 Ағаш 2400
(емен)
Мыс 400 Кірпіш 880 Спирт 2500
Мырыш 400 Алюминий 920 Су 4200
Судың меншікті жылу сыйымдылығы өте көп екенін байқаймыз (1-кестені қара).
Сондықтан теңіздердегі және мүхиттардағы су жаздыгүні жылығанда жылуды көп
сіңіреді де, үлкен суқоймаларына жақын жерлерде, судан алыс жатқан жерлерге
қарағанда, онша ыстықболмайды. қыстыгүні су суып, көп жылу мөлшерін береді,
сондықтан ондай жерлердің қысы аса қатты болмайды. Судың меншікті жылу
сыйымдылығы көп болатындықтан, ол жылыту жүйелерінде (радиаторлар су мен
толтырылады), жылу двигательдерін суыту үшін, түрмыста және медицина
(мысалы, жылытңыштарда) кеңінен қолданылады.
Денелерді қыздыру үшін энергия қажет. Энергия көбінесе отыннан алынады, ол
үшін, мысалы, ағаш, тас көмір, бензин жағылады. Сонда ненің есебінен
энергия бөлініп шығады?
Молекулалардың атомдардан құралатыны белгілі. Мысалы, судың молекуласы
оттегінің бір атомы мен сутегінің екі атомынан құралады. Молекуланы
атомдарға беруге болады. Молекулалардың осылайша бөлінуін химиялық айрылу
реакциясы деп атайды. Молекуланы атомдарға бөлу үшін атомдардың бір-біріне
тартылу күшін жеңіп, жұмыс істеу керек, яғни энергия жұмсау керек.
Тәжірибелер, керісінше, атомдар бірігіп молекула қүрғағанда (отын
жанғанда), энергияның бөлініп шығатынын көрсетеді.
Отынды пайдалану осы атомдар қосылып молекула құрғағанда энергия бөлініп
шығатынына негізделген. Әдеткі отындардың (көмір, мұнай, бензин т.
б.) құрамында көміртегі бар. Отын жанғанда, ондағы көміртегінің атомы
ауадағы оттегінің атомымен қосылады, Көміртегінің әрбір атомы оттегінің екі
атомымен қосылады (20-сурет). Осыдан пайда болған молекула — көміртегі
океидінің (IV) ( көмір қышқыл газдың) молекуласы болады. Осы молекула
түзілгенде энергия бөлініп шығады.
Отынның әр түрі бар: көмір, шым тезек, ағаш отын, мұнай, сланец және табиғи
газ. Инженер әр түрлі двигательдердің жұмысын есептегенде, ол осы
двигательде жағылатың отынның қандай мөлшерде жылу беретінін дәл білуі
қажет. Ал мұны білу үшін отынның бірдей мөлшерде алынған әр түрі түгел
жанғанда қандай мөлшерде жылу бөлініп шығатынын тәжірибе жасап анықтау
керек.
Массасы 1 кг отын түгел жанғанда қандай жылу мөлшері бөлініп шығатынын
көрсететін физикалық шама отынның меншікті жану жылуы деп аталған.
Отынның меншікті жану жылуын а әрпімен белгілейді,
Отынның меншікті жану жылуы тәжірибе жүзінде
анықталады.
Тәжірибе жүзінде анықталған деректер 2-кестеде келтірілген,
Отынның кейбір түрлерінің менішкті жану жыдуы, ДЖ КГ
Оқ-дәрі 0,38-107 Ағаш 3,4-10'
құрқұғақ отын 1,0 -107 көмірі 4,4Х 107
Шы тезек 1,4 -107 Табигигаз 4,4-10'
Таскөмір 2,7107 Мұнай 4,6 • 10'
Спирт 2,7 • Бензин 4,6 -107
Аятрацит 1073,0- 107 Керосин 12 - 10'
Сутек
Бұл кестеден, мысалы, шым тезектің меншікті жану жылуы 1,4-107 екені
байқалады. Бұл — массасы 1 кг шым тезек толық жанғанда 1,4-10 энергия
бөлініп шығады деген сөз.
Отынның кез келген т массасы түгел жанғанда бөлініп шығатын жылудың
мөлшерін есептеп табу үшін оның меншікті жану жылуын жанған отынның
массасына көбейту керек:
Идеалды газдардың жылусыйымдылығы.
Денелердің жылу сыйымдылығы дегеніміз, оның температурасын 1 К өзгертуге
арналған, қажетті жылу санын айтады. Заттардың санына байланысты, мына
меншікті жылу сыйымдылығын пайаланады: С - массалы жылу сыйымдылығы, бір
килограмм массаның Дж(кгК) жатуы; МС - молярлы жылу сыйымдылығы,
; 1 молдың Дж(к мольК) жатуы;
С - көлемдік жылу сыйымдылығы, 1 м3 Дж(м3К) нормалы жағдайда жатуы:
С=
Р=соnst кезіндегі, массалы жылу сыйымдылығы, Ср - белгілейді және оны
изобарлы деп атайды, ал V= соnst кезіндегісін Сv -белгілеп және оны
изохорлы деп атайды. Ср және Суаралық байланысын Майер теңдеуі арқылы
беріледі:
СР-
Сv = R (1.21)
Молярлы жылу сыйымдылығы үшін Майер тендеуі, мына турде болады:
МСр-цСv = 8,314.
(1.22)
8,314 - әмбебапты газ тұрақтылығы, кДж(к мольК)
Сp Сv = К,
K- адиабаттар көрсеткіші.
Сv = RК-1; Сp= КК-1. R
ГАЗ ЗАҢДАРЫ
Идеал газ күйі теңдеуінің көмегімен газ массасы және үш параметрдің —
қысым, көлем немесе температура — біреуі өзгермей қалған жағдайдағы
процестерді зерттеуге болады. Газдың бір параметрінің1 мәні тағайындалып,
қалған ек1 мәні арасындағы сандық, тәуелділікті айқындайтын заңдарды газ
заңдары деп атайды.
Параметрлердің біреуінің мәні өзгермей қалған кезде
өтетін процестер изопроцестер деп аталады.Изопроцестер
табиғатта кең таралған және техникада жиі пайдаланылады.
Шынында да, ешбір процесс қандай да болмасын қатаң тағайындалған бір
параметрдің мәнінде жүрмейді. Температураның, қысымның, немесе көлемнің
тұрақтылығын бұзуға әсер ететін қандай да бір жағдайлар болады. Тек
лабораториялық жағдайларда ғана кайсыбір параметрлердің тұрақтылығын тым
дәлірек сақтағга болады, бірак жұмыс істейтін техникалық кұрылғылар-да және
табиғатта бұл іс жүзінде әсте мүмкін емес. Изопроцесс — бұл нақты процестің
идеалдандырылған моделі. Ол шындықты тек жуық қана бейнелейді.
Изотермиялық процесс. Температура тұрақты болғанда мак-роскопиялық,
денелердің термодинамикалық, жуйесі күйінің өзгеру процесін изотермиялық,
деп атайды. Газ температурасын тұрақты етіп ұстау ушін ол температурасы
тұрақты болып тұратын үлкен жүйемен — термостатпен — жылу алмасатындай
болуы қажет. Өйткені сығылғанда немесе ұлғайғанда газдың, температурасы
өзгеретін болады, Егер атмосфералық ауаның, температурасы бүкіл процесс
барысында елеулі өзгермесе, онда ол термостат қызыметін атқара алады.
Идеал газ күйінің теңдеуіне pV= сәйкес тұрақты
температурадағы кез келген күйде газ қысымының оның көлеміне көбейтіндісі
тұрақты болады, яғни Т=const болғанда.
pV=const.
Егер газдың температурасы өзгермесе, онда оның берілген массасы ушін газ
қысымының көлемге көбейтіндісі тұрақты болады.
Бұл заңды тәжірибе жүзінде ағылшын ғалымы Р. Бойль (1627—1691),
одан біраз кейінірек француз ғалымы Э. Мариотт (1620—1684) ашты. Сондықтан
ол Бойль — Мариотт заңы деп аталады.
Бойль — Мариотт заңы кез келген газ ушін, сондай-ақ олардың қоспасы үшін
де, мысалы, ауа ушін де дұрыс. Тек атмосфералық қысымнан бірнеше жүз есе
жоғары қысымдарда ғана бұл заңнан ауытқу елеулі түрде байқалады.
Атмосфералыққа жақын қысымдарда Бойль — Мариотт заңының дұрыстығына алдыңғы
параграфта сипатталған қондырғының көмегімен көз жеткізуге болады.
Тұрақты температурада газ қысымының көлемге тәуелділігі график
түрінде изотерма деп аталатын қисық сызық арқылы кескінделеді. Газдың
изотермасы қысым мен көлемнің арасындағы кері пропорционал тәуелділкті
өернектейді. Қйсык сызықтың мұндай түрін математикада гипербола деп атайды
(1-сурет)
Әр түрлі тұрақты температураға әр түрлі изотермалар сәйкес келеді. Егер
V=const болса, температура жоғарылағанда қысым күй
теңдеуіне pV= сәйкес артады. Сондықтан жоғарылау Т2температураға
сәйкес изотерма, төменірек Т1 температураға сәйкес келетін изотермадан
жоғары жатады
Компрессормен ауаны сығу процесін немесе ыдыстары ауаны сорып шығарғанда
поршень астындағы ауаның ұлғаюын — шамамен изотермиялық процесс деп
есептеуге болады. Шынында, бұлжағдайда температура өзгеретіні рас, алайда
алғашқы жуықтауда ондай өзгерісті елемеуге де болады.
Изобаралық процесс. Қысым тұрақты болғанда термодинамикалық, жүйе күйінің
өзгеру процессі изобаралық деп аталады.
pV= теңдеуіне сәйкес, қысымы өзгермесе газдың кез келген күйінде
көлемніңтемпературараға қатысы тұрақты болып қалады.
P=const болғанда,
Егер газ қысымы өзгермесе, берілген массалы газ ушін көлемнің температураға
қатысы тұрақты болады.
Бұл заңды 1802 жылы француз ғалымы Гей-Люссак (1778—1850) тәжірибе
жүзінде тағайындаған және сондықтан ол Гей-Люссак заңы деп аталады.
P=const болғанда, қатысқа сәйкес тұрақты қысымда газдың
көлемі температураға сызықтық тәуелді болады, яғни:
V=const. T
Бұл тәуелділік график түрінде изобара деп аталатын түзумен кескінделеді (2-
сурет).
Әр түрлі қысымға әр түрлі изобара сәйкес келеді. Қысым артқан
сайын, тұрақты температурада Бойль — Мариотт заңы бойынша газдың көлемі
кішірейеді. Сондықтан жоғарырақ Р2 қысымға сәйкес келетін изобара
төменірек Р1 қысымға сәйкес келетін изобарадан төменірек жатады.
Төменгі температуралар аймағында идеал газдың
барлық изобаралары Т=0 нүктесінде түйіседі. Бірақ, бұл реал (нақты) газдың
көлемі шынында да нөлге айналады деуге болмайды. Барлық газдар қатты
суынғанда сұйыққа айналады, ал күй тендеуі pV= сұйықтарға
қолданылмайды.
Жылжымалы поршеньді цилиндрдегі газды қыздырғанда оның, ұлғаюын изобаралық
процесс деуге болады. Онда цилиндрдегі қсымның тұрақтылығы поршеньнің
үстіңгі бетіне атмосфералық ауа қысымының әсері арқылы жүзеге асады.
1- Сурет
2- Сурет
Изохоралық процесс. Көлем тұрақты болғанда термодинамикалық жүйе
күйінің өзгеру процесін изохоралық деп атайды.
Күй теңдеуінен pV= газдьң көлемі өзгермеген кездегі кез келген
күйінде газ қысымының температураға қатысы тұрақты болатыны шығады:
pV=const болғанда,
Егер газ көлемі өзгермесе массасы берілген газ ушін
қысымның температураға қатысы тұрақты болады.
Бұл газ заңын 1787 жылы француз физигі Ж. Шарль (1746-1823)ашқан және
сондықтан олШарль заңы деп аталады. pV=const болғанда,теңдеуіне сәйкес
көлем тұрақты болғанда газ қысымы
температураға сызықтық тәуелді болады, яғни:
p=const T.
Бұл тәуелділік графикте түзумен кескінделеді де, ол изохора деп аталады (3-
сурет). Түрлі көлемге түрліше изохора сәйкес келеды. Температура тұрақты
болғанда, Бойль — Мариотт заңына сәйкес, газ көлемі ұлғайғанда оның қысымы
азаяды. Сондықтан ұлкен V2 көлемге сәйкес келетін изохора, кіші V1көлемге
сәйкес келетін изохорадан төмен жатады. p=const T тендеуге сәйкес
барлық изохоралар Т = 0нүктесінен басталады. Демек, абсолют нөлде идеал
газдың қысымы нөлге тең.
Кез келген жабық ыдыстағы немесе электр шамындағы газды қыздырғандағы
газ қысымының ұлғаюы изохоралық процесс болып табылады. Изохоралық процесс
көлемі тұрақты газ термометрлерінде пайдаланылады.
3- Сурет
Зат мөлшері және Авогадро тұрақтысы
Заттың мөлшерін денедегі молекулалар немесе атомдар санымен өлшеген
әлдеқайда табиғи болған болар еді. Алайда кез келген макроскопиялық
денедегі молекулалар саны орасан көп, сондықтан есептеулерде
молекулалардың абсолюттік емес, салыстырмалы санын пайдаланылады.
Халқаралық біріліктер жұйесінде заттың мөлшері мольмен өрнектеледі. Бір
моль – бұл массасы 0,012 кг көміртегінде қанша атом болса, молекуласы
немесе атомы бар заттың мөлшері.
Демек, кез келген заттың 1 мөліндегі атомдар немесе молекулалар саны
бәрінде бірдей. Бұл атомдар санын NА деп белгілейді және оны итальян ғалымы
(ХІХ ғасыр) құрметіне Авогадро тұрақтысы деп атайды.
Авогадро тұрактысын анықтау үшін көміртегінің бір атомының массасын табу
керек. Массаны нобайлап өлшеуді, жоғарыда су молекуласы массасын калай
өлшеген болсак, нақ, солай жасауға болады. (ал массаны өлшеудің өте дәлірек
әдісі электромагнит өрісінің иондар шоғын бұруына негізделген).
Өлшеулер кеміртегі атомының массасы: тос= 1,995-1026 кг екендіг ін
көрсетеді.
Авогадро тұрақтысы NА -ны бір моль мөлшерінде алынған көміртегі массасын
бір атом көміртеі массасына бөліп анықтауға болады:
NА= 0.012.== 0.012.=6.02
Моль-1 атауы бір моль мөлшерінде алынған кез келген заттың атомдар санын
(NА) көрсетеді. Егер заттың мөлшері v= 2,5 моль болса, онда сол денедегі
молекулалар саны NА = v NА = 1,5-1024. Сонымен , заттың,
мөлшері v берілген денедегі N молекулалар санының NА Авогадро
тұрақтысына, яғни заттың 1 моліндегі молекулалар санының катынасына тең:
Авогадро тұрақтысы шамасы аса зор макроскопиялықпен са-лыстырранда
микроскопиялық масштабтардың каншалықты кішкентай екенін көрсетеді. Заттың,
мөлшері 1 моль дененің өзімізүйреншікті макроскопиялық өлшемдері және
бірнеше, ондаған грамм шамасында массасы болады.
ИДЕАЛ ГАЗ КҮЙІНІҢ ТЕҢДЕУІ
Газдың берілген массасының куйі үш макроскопиялық параметрмен сипатталады:
қысым р,көлем V және температура Т. Казір біз олардың арасында кандай
байланыс барлырын табамыз, ал содан сон ол байланыс не ушін керектігін
көреміз.
Күй теңдеуі. Біз идеал газдың жайын молекула-кинетикалық теория тұрғысынан
жүйелі карастырдық. Газ қысымының оның молекулаларының шоғырына және
температурасына тәуелді болатыны аныкталды.Осы тәуелділік негізінде
жеткілікті сиретілген газдың берілген массасының күйін сипаттайтын барлық
үш макроскопиялық параметр р, V жэне Т-т байланыстыратын теңдеуді алуға
болады. Бұл тендеу идеал газ күйінің теңдеуі деп аталады.
Мына р = пRТ тендеуіне газ молекулалары шоғырына арналған өрнекті қоямыз,
осы арқылы газ шоғырын мына түрде жазуға болады:
n=
мұндағы NА —Авогадро тұрақтысы, m — газдың массасы, М — оның мольдік
массасы.
Жоғардағы теңдеуді р = пRТ теңдеуінің орнына қойсақ мынандай
формола шығады:
PV=
Мұндағы Больцман тұрақтысы мен Авогадро тұрақтысы NА -
ның көбейтіндісін универсал(мольдік) газ тұрақтысы деп атайды және оны R
әрпімен белгілейді:
R=1.38ДжK1моль=8.3 1Дж( моль.К)
PV=
Бұл теңдеуде газдың тегіне тәуелді болатын бір ғана шама бар, ол — оның
мольдік массасы.
Жоғадағы күй тендеуінен кез келген екі күйдегі идеал газдың кысымы, келемі
және температурасы арасындағы байланыс келіп шығады.
Егер индекс 1-мен — екінші күйге катысты параметрлерді белгілесек, ал
индекс 2-мен — екінші күйге қатысты параметрлерді белгілесек, онда
жоғардағы теңдеуге сәйкес газдың берілген массасы ушін
және
теңдеулерін аламыз.
Бұл тендеулердің, оң бөліктері бірдей. Демек, олардың сол бөліктері де тең
болуға тиіс:
t
Бұл түрдегі күй тендеуі Клапейрон теңдеуі делінеді және бұл күй тендеуін
жазудың, бір түрі болып табылады.
және түріндегі күй теңдеуін бірінші рет ұлы орыс ғалымы Д. И.
Менделеев алған. Сондықтан оны Менделеев - Клапейрон тендеуі деп атайды.
Айналма немесе циклдылык процесстері.
Термодинамиканың екінші заңына Клаузиус Дене өздігінен жылуын екінші
денеге бере алмайды деген, кейіннен неміс ғалымы Клаузиус Периодты машина
жұмыс істеу үшін оған екі түрлі температура қажет және оның бреуі ыстық
екіншісі суық болу керек сол кезде ол әрдайым жұмыс істейді деген.
Ол үшін мысалы белгілі бір жұмыс істейтін циклді алайық (сурет 1).
Мысалы: насос арқылы су сорып аламызда оны қазандыққа жібереміз, қазандықта
су ысып буға айналады. Қазандықтан шыққан бу, бу ысытуға барады онда ол
белгілі бір температураға дейін ысытамыз. Бу ысытудан шыққан бу - бу
двигателіне барады, онда термодинамианың бірінші заңы орындалып жарты бу
механылық энергияға айналады, ал қалғаны суытқышқа барып, қайтадан суға
айналып насосқа қайта барады. Осылай бірнеше процестің бірінен соң бірі
қайталануын цикл деп атаймыз. Суретте көрсетілген көк сызық - судың
белгісі, ал қызыл - будың белгісі және жүретін жолдары.
Алдында белгілі болғандай, құнсыз сыртқы күй кезіндегі, тік және кері
бағыттағы қайтымсыз процесстер өтеді. Процесстердің
бағыттылығы және олардың
өтуінің жалпы түрін,жылудинамикасын ың екінші заңымен анықтайды.
Техникалық жылудинамикасында екінші заңды қолданады да, жылулық процесс
жағдайы кезіндегі, жылулықтың механикалық жұмысқа айналуын анықтайды.
Сонымен, жылудинамикасының бірінші заңынан шығатын жылулық пен жұмыс
аралық, санды қатынастары сақталуы тиіс. Жылулық қозғалтқышында, толассыз
жұмыс атқарылуы үшін, айналмалы процесс қажет. Жұмыстың дене А – В – С – Д
– А (4.1 сурет) тұйықталған қисық сызық бойынша, бірнеше есе өзінің
жағдайын өзгертеді және бастапқы жағдайына А қайтадан қайтып келеді.
Сонымен, жұмыстық дененің бастапқы және соңғы жағдайы бір біріне ұқсас. А -
В - С учаскесіндегі қаралып отырған айналмалы процессінде, жұмыстық дене
кеңейеді (тік жүріс) және ол кезде, АВСС1А1 ауданында оң кеңею жұмысы
атқарады.
Бұл жұмыстың атқарылуы, q1 меншікті жылулықты жеткізуде және
жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, өтетін UC - UA меншікті ішкі
энергияның өзгеруіне, сәйкес қатынасы:
q1=UC+UA+ℓкең (2.1)
Басқа учаскесінде, жұмыстық дене бастапқы жағыдайына А қайта
келеді (кері жүріс) (4.1 сурет) бұл жағдайда ол С-Д-А сызығы бойымен
сығылады да, сығылу жұмысының шығыны (ℓсығ), көрсетілген СДАА1С1 ауданы.
Ұқсастық бойынша, тік жүріске мына қатынаспен шығады:
q2'=(UC – UA) + ℓсығ
Сығылу жұмысы (ℓсығ) мем кеңею (ℓкең) жұмыстарының айырмасы, бір циклдағы
қозғалтқыштың пайдалы жұмысын (ℓ) көрсетеді:
ℓ=ℓкең - ℓсығ (2.3)
Бұл процесс, кайтымды ма немесе қайтымсыз процесс пе, оған бағынышсыз.
Қайтымды процесс кезінде, бұл меншікті жұмыс санды түрінде, тұйық қисық
сызықты А-В-С-Д-А ауданға тең.
Ішкі энергия (), жұмыстық дененың бастапқы жағдайына, қайта оралына
байланысты өзгереді.
Циклдың пайдалы жұмысын (ℓ) алу үшін, кеңею жұмысы (ℓкең) сығылу жұмысынан
(ℓсығ) көп болуы қажет.
(2.1), (2.2) және (2.3) формулаларынан анықтаймыз:
ℓ=q1 -
q2 (2.4)
мұндағы, q1 - кеңею сызығы А-В-С бойынша жеткізілетін меншіккті санды
жылу; q2 – сығылу сызығыС-Д-А бойынша, алып кетірілетін меншікті санды
жылулық.
Сонымен, айналмалы процессті жүзеге асыру үшін, жылулық – жұмыстық денеге
жеткізілуі және одан алып кетілуі тиіс. Жалпы түріндегі, учаскенің
айналмалы процессінде, жылулықты жеткізу, кеңею учаскесмен, ал сол сияқты
жылулықты алып кету учаскесінде - сығылу учаскесмен бірдей болмайды, себебі
жеткізу процессі мен жылулықты алып кету циклдары, сығлу кезінде өткізілуі
мүмкін, сол сияқты кеңеюде де солай.
Сірә, циклдың барлық пішініне жинақталып жеткізілген жылулықты мына
теңдеумен шешеді:
q=q1-q2=q1-q2 (2. 5)
Демек, циклда аткқарылған жұмыс (ℓ), айналмалы процесстегі жұмыстың денеге
жеткізілген санды жылулық пен осы процесстен алып кетілген санды жылулықтың
(q2) айырмасына тең, яғни:
ℓ=q1-
q2 (2.6)
Жылулықты жеткізуге және алып кету үшін, жылулық көздері қажет. Егер жылу
көзі жұмыстық денеге жылу берсе, онда оны, жылулық беруші немесе жылулықтың
жоғарғы температурасының Ткөзі деп атайды, ал егерде, жұмыстық денеден жылу
алатын болса, оны жылу қабылдаушы немесе төменгі температуралы Т2 жылулық
көзі деп атайды.
Сонымен, жылудинамикалық жүйе дегеніміз — айналмалы процессті атқарушы;
олар жұмыстың денеден, жұмыс объектісінен, жылулық беруші және жылулық
қабылдаушылардан құралады.
Жылулық циклының бағалануына арналған, алмағайып көрсеткіші болып - ПӘК
саналады да, санды жылулықтың пайдалы жұмысқа түрленуінің, жеткізілген
жылулық санына қатынасы жатады.Егер, циклдар қайтымды процесстерден түратын
болса, онда оны идеалды циклдар деп, ал оның ПӘК - термиялық деп аталады.
(2.7)
Сонымен, термиялық ПӘК циклы, әр уақытта бірден кем, себебі q20. Бұл
нақтылы жағдайдағы айналмалы процесс кезінде, сөзсіз болатын шығын, кейде
өте көп циклге жеткізілетін жылулықты (q1) 50...75% құрайды.
Егерде, жылу қабылдағыштан меншікті мөлшерлі жылу бөлінсе және жылубергішке
(q1) беретін болса және бұл кезде меншікті жұмыс () атқарылса, онда q1-q2 -
жылуды (q2) алып кетугежұмсалатын меншікті жұмыс.
Идеалды цикл үшін
(2.8)
Карно циклы
Карно циклы (2.2; а) екі изотермиядан 1-2 және 3-4 және екі адиабаттан 2-3
және 4-1 тұрады.
1-2 жолының жылуберуші тұрақты температураға T1, мөлшерлі жылулық (q1)
жеткізіледі, 3-4 жолымен (q2) жылулық Т2 тұрақты температурасымен жылу
алмастырушыға алып кетіледі.
Кері Карно циклын іске асыру үшін (4.2, б - сур.), барлығы екі
жылулық көзі қажет - жылу беруші және жылу қабылдағыш.
Изотермиялық процесстегі, меншікті жылулық мөлшері q1, (3.21) формулаға
сәйкес жазылды:
q1=RT1 ln(V2V1), (2.9)
q2= RT2 ln(V3V4).
(2.10)
2.2-сурет. Карно циклы: а)- тік; б)- кері.
Бұл теңдеуден 2-3 адиабаттар үшін
табамыз: T2T1 =(V2V3)K-1.
Ал, теңдеу 2-1 адиабаттар
үшін: T2T1=(V1V4)K-1
Бұдан, V2V1=V1V4 немесе V2V1=V3 V4.
(2.11)
Жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, алынған ℓ меншікті жұмыс
эквивалентті, яғни q1-q2=ℓ, ал (2.9), (2.10) және (2.11) формулалар Карно
пропорциясы деп аталуымен анықталады:
q1Т2 =q2Т2. (2.12)
Бұдан ℓ = q1(1-q2q1) = q1(1-
T2T1). (2.13)
Сондықтан, (4.7) формуласына сәйкес, Карноның қайтымды циклының
термиялық ПӘК:
ηк=1-
Т2Т1, (2.14)
(2.15)
Осыған қарағанда, Карноның қайтымды циклының термиялық ПӘК, санды мөлшерге
тең болады да, жылулық көзінің абсалютты температураларының (Т1-
Т2) айырмасы, оның жылулық көзініңабсалютты температурасының ең жоғарғы
температурасы Т1, қатынасына тең.
Карно, шексіз жай ағатын (үйкелістен жоғалуы) 1-2-3-4 процессті
қарастырған, сол себептен жұмысшы заттар механикалық тепе-теңдікте болады.
Бұдан басқа, жұмыстық денемен температуракөзі Т1 арасындағы, 1-2 изотерма
бойында және Т2, 3-4 бойында шексіз аздаған температура айырмашылығы бар.
Сонымен, термиялық тепе-теңдік сақталады. Сондықтан, цикл, қайтымды деп
саналады. Бұл циклды, Карноның идеалды циклы деп атайды.
Қалай болса солай алынған, циклды бөлеміз, адиабатты жақын орналасқандарын
қатар жүргізіп, көп мөлшерлі сандарды шексіз аз (элементарлы) Карно
циклымен (2.3 сурет) бейнелейді.
Онда, еркінше алынған цикл - Карноның жеке элементарлы циклдарының
термиялық ПӘКнің орташа шамасы болады.
Жылулықты жеткізу және алып кетудегі орташа температурасы үшін:
Т2ортТ1орт=(T2T1)орт
демек η2орт= 1- Т2ортТ1орт.
(2.18)
Мұндағы, ηерк - еркінше алынған циклдың ПӘК.
Өйткені Т2ортTmin, ал Т1ортTmax онда (1-Т2ортТ1орт)(1-TminTmax) және
еркінше алынған циклдың ПӘК, Карно циклының ПӘК-нен аз (ηеркηk). Сонымен,
берілген интервал температурасындағы термиялық ПӘК. Карно циклы ең
жоғарғы болып есептелінеді, практикалық жағдайда, оны шамамен алуға
қол жетпейді.
2.3- сурет. Еркінше айналмалы процессті түсіндірудегі карно циклдарының
шексіз аз суммасы түріндегісі.
(2.8), (2.9) және (2.10) формулаларға сәйкес, тоңазытқыш коэфициенті мына
түрде жазылады:
(2.19)
Т2 кеміген сайын Т1 ұлғаяды да, тоңазытқыш коэфициенті кем болады. Суықтық
көзінен, кейбір санды мөлшерлі жылулықты (q2) алу үшін, Т1 -
Т2 температурасы көп болған сайын өте үлкен жұмысшығынын (ℓ) қажет етеді.
Энтропия туралы ұғым
Еркінше алынған қайтымды циклды қарастыралық. Циклды бөлшектеу
көмегімен, элементарлы Карно циклын шексіз көп санды теңдікті (2.12), түрде
жазуға болады:
dq1T1=dq2T2
Тұйықталған пішін бойынша, интегралдау кезінде және dq2 теріс таңбаларын
есептеп табамыз.
(2.21)
Мұндағы, dqкайт - таңбасы кезіндегісі, қаралып отырған айналмалы
процесстегі қайтымды түріне, ерекше көңіл аудаылруы тиіс.
Сонымен, келтірілген жылулықтың интегралды суммасы үшін, қандай болса да,
қайтымды циклда нөлге тең. Бул Клаузиус теңдеуі деп аталады. Жылу
динамикасында (4.21) формуласынКлаузиус теңдеуі деп, ал (4.23)
формуласының оң жақ бөлігінің теңдеуін, Клаузиус интегралы деп атайды.
(4.21) теңдік, қандай да тұйық жол үшін, математикалық қажетті
және жеткілікті шарт, ол:
ds=dqT
(2.22)
толық дифференциал болады.
1-2 еркінше алынған жол бойындағы интеграл, әр уақытта тең:
S2 –
S1= (2.23)
Шарт бойынша, жылулықты dq жеткізу процессі қайтымды деп есептеледі.
Сонымен, S - функция жағдайы. Оны энтропия деп атайды. (2.22) формуладағы
1Т үстіңгі көрсеткішінде тұрған, толық емес дифференциал dq үшін
интегралдаушы көбейткіш болады.
Еркін қайтымды айналмалы процесс үшін алынған (2.21) формуладан, энтропия S
және абсолютты температура Т бар екендігі туралы тікелей қорытынды шығады
да, (2.22) теңдеумен анықталады, оны қайтымды процесстер үшін, жылу
динамикасының екінші заңының теңдеуі деп атайды.
Қайтымды изотермиялық процесс (Т=соnst) кезіндегісін (2.23) теңдеуден
табамыз:
S2-S1=q1-
2T (2.24)
Қайтымды адиабатты процесс кезіндегі, dq=0 болғанда:
ds=0; S2-S1=0;
S=const (2.25)
Қайтымды адиабатты процесс, энтропияның өзгеруін болдырмайды. Сондықтан,
оны, изоэнтропийлі процесс деп атайды.
Кайтымсыз процесс кезіндегі, энтропияның өзгеруі.
Карноның қайтымды циклы, қандай да қайтымсызда - сондай жылулық кезінде
және сондай жұмыста да, ПӘК-і өте үлкен болады; ол пайдалырақ,
себебі Т1'Т1 және Т2'Т2 дене температурасының термиялық тепе-теңдігі жоқ
кезінде өтеді. Механикалық тепе-теңдіктің жоқ болуынан, өз кезегінде,
косымша үйкеліс шығынына келтіреді. Сонымен, (2.11) және (2.17) формула-
ларға сай:
(1-q2q1)(1- q2q1)=1-T2T1
(штрихтар қайтымсыз жағдайларға жатады). Бұдан:
q'1q'2T1T2
(2.26)
Карноның шексіз өте аз циклы үшін, (4.26) теңдеуінің орнына:
dq'1T1dq'2T2
(2.26a)
Сонымен, жылудинамикасының екінші заңының мазмұны тәжірибе фактысына
негізделген және қайтымсыз процессте өтеді.
Бұл заңды, осы түрінде бірінші рет, (1850 ж.) Клаузиус
тұжырымдаған: жылулық, өз өзінен, дененің аз температуралығынан, басқа
дененің үлкен температурасына (компенсациясыз) еш уақытта өтпейді. Клаузиус
өзінің постулатында, амалсыз компенсация реттде қабылдап, ол кездегі жұмыс
шығынының жылулыққа алмасуын дәлелдеді.
Жылу динамикасының екінші заңының маңызы. Жылу-динамикасының екінші заңы,
жылудиамикасының дамуына үлкен рөл атқарды. Жылудинамикасының ... 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