Термодинамика және динамика

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 6 бет
Таңдаулыға:

Термодинамика және динамика

Термодинамика негіздері

Дененің ішкі құрылымы және оны құрастыратын бөлшектердің әсерлесуі туралы ешбір түсініктерді пайдаланбай, денелердің қасиеттерін және оларда өтетін процестерді зерттейтін физика бөлімі термодинамика деп аталады. Термодинамикалық әдіс постулат ретінде қабылданған аз ғана, ең жалпыламалы табиғаттың заңдарына негізделеді.

Термодинамикалық жүйе

Басқа денелермен әсерлесуден оқшауланған физикалық денелер жүйесі термодинамикалық оқшауланған жүйе деп аталады.

Термодинамикалық процесс

Термодинамикалық жүйедегі кез келген өзгеріс термодинамикалық процесс деп аталады.

Ішкі энергия

Термодинамикада физикалық процестерді суреттеуге пайдаланылатын ең маңызды параметірлердің бірі - жүенің ішкі энергиясы. Тек қана жүйенің ішкі параметрлерімен анықталатын өзара әсерлесетін денерлер жүйесінің энергия бөлігін ішкі энергия деп атайды. Дененің ішкі энергиясы - оны құрастыратын атом және малекулалардың бейберекет жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясының және оларды өзара әсерлесу потенциялдық энергиялардың қосындысы.

Идеал газдың ішкі энергиясы

Идеал газдың молекулалары өзара соқтығысқанда ғана әсерлеседі. Сондықтан молекулалардың өзара әсерлесу потенциялдық энергиясы нөлге тең. Онда идеал газдың ішкі энергиясы молекулалардың кинетикалық энергиялар қосындысына тең:

U= NE=v∙N _A ∙3/2kT=3m/2M∙RT

(1) теңдеуі идеал газдың ішкі энергиясы температурасына тәуелділігін көрсетеді.

Нақты газ, сұйық, қатты денелерде атом және молекулалар арасында тарту-тебу күштері әсер етеді.

Молекулалар әсерлесуінің потенциялдық энергиясы олардың арақашықтықтарына тәуелді, ал молекулалар арақашықтығы дененің көлемімен бірге өзгереді. Сондықтан нақты газ, сұйық, қатты денелердің ішкі энергиясы температурамен қатар дененің көлеміне де тәуелді:

U=ƒ(T, V)

Жылу мөлшері

Жылу берілісте алмасқан энергия Q жылу мөлшері деп аталады. Егер дене жылу беру әдісімен басқа денелерге Q жылу мөлшерін берсе, оның ішкі энергиясы азаяды. Ішкі энергияның өзгерісі дененің массасына және температура өзгерісіне пропорционалды. Сондықтан берілген жылудың мөлшері Q дененің m массасына және ΔT температурасының өзгерісіне пропорционалды:

Q=сm ΔT

Заттың меншікті жылу сыйымдылығы

теңдеудегі коэффицент заттың меншікті жылу сыйымдылығы деп аталады. Ол 1 кг дене температурасын 1 градусқа көтеру үшін жұмсалатын энергияға тең. Әр түрлі заттардың меншікті жылу сыйымдылықтары әр түрлі. Дененің ішкі энергиясының өзгерісі атомдардың жылу қозқалысы кинетикалық энергиясының өзгерісі есебінен басқа олардың өзара әсерлесу потенциялдық энергиясының өзгерісі есебінен де болуы мүмкін. Зат бір агрегаттық күйден екінші күйге түрленгенде, осындай өзгерістер болады. Қатты зат сұйыққа немесе сұйық газға түрленгенде температура тұрақты болады.

Меншікті балқу жылуы

Кристалл дене балқу температурасында сұйыққа түрленуге қажетті Q жылулық дененің m массасына қатынасы λ меншікті балқу жылу деп аталады.

λ =O/m

Меншікті балқу жылу Дж/кг- мен өлшенеді. Массасы m кристалл сұйыққа айналғанда жұтылатын Q жылу мөлшері m килограмм сұйық зат кристалл күйіне түрленгенде шығарылатын Q ₂ жылу мөлшеріне тең:

Q ₁ =Q ₂ =Q= λ m

Меншікті булану жылуы

Сұйықты булану температурасында буға түрлендіруге қажетті Q жылу мөлшерінің сұйықтың m массасына қатынасы r меншікті булану жылуы деп аталады.

r ₌ Q/m

Өлшем бірлігі - Дж/кг.

Массасы m сұйық буға түрленгенде, жұтылатын Q ₁ жылу мөлшері m килограмм бу сұйыққа айналғанға шығарылатын Q ₂ жылу мөлшеріне тең.

Q ₁ =Q ₂ =Q= rm

Қуаты 1 кВт қыздырғышпен 0, 1 кг суды қыздырғанда Т температураның t уақыттан тәуелдік графигі.

Энергия

ХIХ ғасырдың ортасында табиғат құбылыстарына өткізілген тәржірбиелер мен байқаулар нәтижесінде неміс ғалымдары Р. Майер, Г. Гельмгольц және ағылшын ғалымы Д. Джоуль энергияның сақталу заңын тұжырымдады. Энергия сақталу заңының мағынасы мынадай:барлық материялық қозғалыс формаларының ортақ бір сандық мөлшері бар. Материяның кез келген формасының сандық өлшемі - энергия

Энергияның сақталу заңы

Денелердің кез келген өзара әсерлесуінде энергия ізсіз жойылмайды және жоқтан өз бетімен туындамайды. Энергия тек бір денеден екінші денеге беріледі немесе бір формасынан басқа формасына түрленеді. Оқшауланған жүйеде кез келген денелердің ішінара әсерлесуінде ішкі энергия өзгермейді:

U= const немесе ΔU=0

Термодинамиканың бірінші заңы

Оқшауланбаған термодинамикалық жүйе үшін энергияның сақталу және айналу заңын термодинамиканың бірінші заңы деп аталады.

Оқшауланбаған термодинамикалық жүйеде ішкі энергияның өзгерісі ΔU берілген жылу Q және сыртқы күштер жұмысының А қосындысына тең.

ΔU=Q+A

Термодинамиканың бірінші заңының мағынасы: басқа денелермен әсерлескен дененің ішкі энергиясы тұрақты болмайды.

Бірақ дененің ішкі энергиясының кез келген өсімі, сандық өлшемі онымен бірдей, басқа әсерлесетін денелер энергиясының кемуін тудырады. Сыртқы күштердің жұмысыА - басқа денелермен механикалық әсерлесудің нәтижесінде денеге берілген энергияның өлшемі, ал жылу мөлшері Q - басқа денелерден денеге берілген ішкі энергияның өлшемі. Термодинамикалық жүйенің сыртқы денелерге істеген жұмыстың А ^' абсолют шамасы А жұмысқа тең, бірақ таңбасы кері:

А= - А ^'

Сондықтан А ^' -сын қолданғанда, термодинамиканың бірінші заңының жазылуы:

ΔU=Q - A'

Оқшауланған термодинамикалық жүйеде ішкі энергияның өзгерісі ΔU алынған жылу Q және жүйенің істеген A' жұмысының айырымына тең.

Термодинамиканың бірінші заңына сай машинаның істеген жұмысы:

A'=Q-ΔU

Термодинамикалық параметрлер.

Бізді қоршаған әлемнің қыры мен сырының соншалықты көп екенін қайсымызға болса да тынсық емес. Бізді сан алуан денелердің орасан зор мөлшері қоршап тұр және олардың өлшемдері мен пішіндерінің сантүрлілігі таңдай қақатырады. Бұл денелерді физикада микроскоптық денелер немесе жай ғана микроденелер деп атайды. Микроденелерді сипаттау үшін физикада айрықша физикалық шамаларды пайдаланады. Бұл шамалар термодинамикада термодинамикалық параметрлер деп аталады. Термодинамикалық параметр деп микродненнің күйін сипаттайтын физикалық шаманы айтады. Оған қысым, көлем, температура түрлер жатады. Дене бір күйден екінші күйге өткенде, оның термодинамикалық парпметрлері өзгереді. Мұндай кезде денегің белгілі бір күйі жайлы емес, өтетін процесс жайлы сөз етеді. Сонымен термодинамикалық процесс дегеніміз - қандай да бір термопараметрдің өзгеру құбылысы немесе жүйенің бір күйден екінші күйге өтуі.

Барлық макроденелер микроденелерден (атомдар мен молекулалардан) тұрады. Микро денелердің де өз сипаттамалары (микропараметрі) бар. Оларға молекуланың (атомның) V _º көлемі, молекуланың (атомның) m _º массасы, молекуланың (атомның) ū _º жылдамдығы, молекулалардың конццентрациясы жатады. Макро денелерде өтіп жатқан процестердің осы макро денені түзетін микро денелердің параметрлерінің өзгерісінен туатыны анық.

Әрбір физикалық шаманың белгілі информатция беретінін, яғни оның физикалық мағынасы болатынын еске сала кетейік. Мысалы, макро дененің массасы - денеде заттың қандай мөлшері бар екенін, көлем дененің кеңістікте қандай орын алатынын білдіреді, газ қысымы газдың бірлік ауданға қандай күшпен әрекет ететінін сипаттайды.

Динамика негіздері

Кинематикада денелердің әр түрлі механикалық қозғалыстардың мысалдары олардың қозғалысының себептері ескерілмей қарастырылды. Тәжірибеде кез келген уақыт мезетіндегі дененің координаталары мен жылдамдықтарын табу үшін, әдетте, алдымен оның белгісіз үдеуін табу қажет болады. Денелердің үдеуі олардың өзара әрекеттесуі кезінде туындайды.

Денелердің өзара әрекеттесу заңдарын зерттейтін механиканың бөлімі динамика деп атайды. Динамиканың негізгі заңдарын ұлы ағылшын ғалымы Исаак Ньютон тұжырымдаған және бұл заңдар оның атымен аталады. Динамиканың негізгі заңдарының ашылуы ғылым тарихындағы ең бір келелі кезең болып табылады. Оның 1687ж шыққан «Натурал философияның математикалық бастамалары» кітабында тұжырымдалған үш заңының көмегімен кез келген дененің жүйткіген машиналардың, теңізде жүзген кемелердің, ауада ұшқан ұшақтардың, ғарыш кемелері мен жасанды серіктердің, құламалардан аққан сулардың, соққан желдің және т. с. с. қозғалыс сипаты түсіндіріледі.

Термодинамикааның екінші заңы

Бір денеден алынан жылу мөлшері есебінен жұмыс істеп және басқа қоршаған денелерде ешқандай өзгеріс тудырмай периодты жұмыс істейтін жылу машинаны жасау мүмкін емес.

Термодинамиканың екінші заңының нәтижесінде атомдар және молекулалар жылулық қлзғалыс энергиясының басқа энергия (механикалық, электр, ядролық т. б) түрлерінен сапалық айырмашылығы бар. Молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясына басқа энегия түрлері толығынан өзара айнала алады. Молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясы басқа энергия түрлеріне тек қана жартылай айнала алады. Басқа кез келген қозғалыс түрі жылу қозғалысына айналғанда, реттелген қозғалыс бейберекет қозғалысқа түрленеді. Табиғатта бейберекеттіліктен реттілік өз бетімен туындамайды. Кез келген энергияның жылулық қозғалыс энергиясына айналуы- қайтымсыз процесс, ол процесті толығынан кері бағытта өткізу мүмкін емес.

Егер тас жерге, оның кенетикалық жер атомдарының бейберекет қозғаплыс энергиясына айналады, ал миллиардтаған жылдар тоссаңыз да атомдардың бйберекет қозғалыс энергиясы жыйналып, тасты бастапқы кенетикалық энергиямен жоғарыға итермелейді.

Барлық термодинамикалық процестер жылулық процестер үшін энергияның айналу және сақталу заңы болып табылатын термодинамиканың бірінші заңына бағынады. Бірақ бұл заң процестердің өту бағытын анықтамайды. Ол термодинамикалық жүйе эасайтын жұмыс пен жылу мөлшері және жүйенің ішкі энергиясы арасындағы саандық қатынасты анықтайды. Термодинамиканың бірінші заңына сәйкес энергия мөлшері өзгеріссіз қалатын кез келген процесс болуы мүмкін. Мысалы, температурасы сәйкесінше Т ₁ және Т ₂ болатын екі денені жанастырсақ, денелер арасында жыолулық тепе-теңдік орнайды, яғни энергияның бір бөлігі температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге өтеді. Егер жүйенің толық энергиясы сақталса, онда температурасы төмен денеден температурасы жоғары денеге жылудың берілуін термодинамиканың бірінші заңы теріске шығармайды. Күнделікті өмірде жылудың өздігінен ыстық денеден салқын денеге ғана берілетіні, яғни тек бір бағытта өтетіні белгілі. Дәл осылай иіс судың иісі бөлмеге таралып кеткен соң қайтадан ыдысына жыйналмайды.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.