Термодинамика бастамаларының дүниетанымдық мәні

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Термодинамика бастамаларының дүниетанымдық мәні
Термодинамика (грек. θέρμη - "жылу", δύναμις - "күш") - физика ғылымындағы жылудың жұмыс және басқа энергия түрлерімен арадағы қарым-қатынасын зерттейтін тармағы. Термодинамика -- тәжірибелерден жинақталған нәтижелерге сүйенетін феноменологиялық ғылым. Ол көптеген құрамдас бөліктерден тұратын макроскопиялық жүйелер - термодинамикалық жүйелерді зерттейді. Мұндай жүйелерде жүретін процестер макроскопиялық шамалар, мысалға қысым немесе температура арқылы сипатталады және олар молекулярлық деңгейде қолдануға келмейді.
Термодинамика заңдылықтары жалпы сипатта қолданылады және заттардың атомдық деңгейдегі құрылымына тәуелді емес. Сондықтан термодинамика ғылым мен техниканың энергетика, қозғалтқыштар, фазалық ауысу, химиялық реакциялар, секілді көптеген салаларында қолданылады. Термодинамиканың физика мен химияның бірқатар салаларында, химиялық технология, аэроғарыштық технология, машина жасау, жасушалық биология, биомедициналық инженерия секілді алуан түрлі салаларда алатын орны ерекше.
Адамдар ертеден суық пен ыстықтың ара-жігін айырып, температураны дененің жылыну дәрежесін сипаттайды деп есептеген. Жылу жайлы ғылымның дамуы температураны өлшеуге арналған құрал - термометрдің пайда болуымен басталады. Ең алғашқы термометрді 16 ғасырдың соңында Галилей жасады деп есептелінеді.
Термодинамика механикалық жұмыс жасауға дененің ішкі энергиясын пайдаланудың негізгі тәсілдерін зерттейтін эмпирикалық ғылым ретінде пайда болды. Алғашқы бу машиналары 18 ғасырдың екінші жартысында ойлап табылды және өнеркәсіптік төңкерістің негізгі алғышарты болды. Ғалымдар мен инженерлер оның тиімділігін арттыру тәсілдерін іздей бастады, 1924 жылы Сади Карно өзінің "Оттың қозғаушы күші және осы күшті дамытатын машиналар жайлы" шығармасында жылу машиналарының пайдалы әрекет коэффицентінің максималды көрсеткішін анықтады. Термодинамика осы шығарманың жазылуынан бастау алды деп есептеледі.
19 ғасырдың 40-жылдарында Майер мен Джоуль механикалық жұмыс пен жылудың арасындағы байланысты сипаттайтын энергияның сақталуы мен табиғаттағы айналымы заңын сандық түрде анықтады. Осы ғасырдың 50-жылдарында Клазиус пен Кельвин сол кезеңге дейін жинақталған деректерді жүйелеп, энтропия мен абсолют температура ұғымдарын енгізді.
19 ғасырдың соңында феноменологиялық термодинамика ғылымы термодинамикалық потенциалдар тəсілін енгізіп, термодинамикалық тепе-теңдіктің шарттарын, фазалардың тепе-теңдігі мен капиллярлық құбылыстарды зерттеген Гиббстың еңбектерінде дамытылды. 1906 жылы Нернст кейінірек "Термодинамиканың үшінші бастамасы" деп аталып, оның аты қойылған теореманы жариялады.
Термодинамиканың негізгі заңдары нақты түрде көрсетілген алғашқы еңбек 1909 ж. жазылған Каратеодоридің шығармасы еді.
Термодинамикалық поршень

Күй теңдеуі - термодинамикалық жүйенің температура, қысым, көлем және химиялық потенциал секілді макроскопиялық шамаларын өзара байланыстыратын теңдеу. Күй теңдеуі термодинамикалық құбылыстар орын алатын жүйелерде ақиқат болады. Алайда, шынайы өмірдегі құбылыстардың күй теңдеулері аса қиын болады.
Жүйенің күй теңдеуі термодинамика постулаттарының ішіне кірмейді және олардың салдары болып табылмайды. Ол өзге қайнарлардан (статистикалық физиканың зерттеулері нәтижесінде алынған тәжірибелерден, модельдерден) алынған болуы керек. Термодинамика, өз кезегінде, заттардың ішкі құрылысына қатысты сұрақтарды қарастырмайды.
Күй теңдеуінде белгіленген қатынастар тек термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында ғана ақиқат болады.
Термодинамиканың нөлінші бастамасы -- бұл заң бойынша үшінші жүйемен термиялық тепе-теңдікте болатын екі жүйе де өзара тепе-тендікте болуы тиіс.
Термодинамиканың бірінші бастамасы -- термодинамикалық жүйелер үшін керек энергияның сақталу заңы; бұл заң бойынша жүйеге берілетін жылу оның ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы күштерге қарсы жұмысына жұмсалады.
Дене күйінің барлық энергиясы - микроскопиялық қозғалысының толық түріндегі сыртқы кинетикалық энергиясы Ек және салмақ күші өрісі, электрлі немесе магнит өрісі жағдайындағы потенциалды энергия Еn, сонымен қатар, дене бөлшектерінің құрамдық әрекеттері мен қозғалу энергиясын жасаушы ішкі энергия U қосындыларынан тұрады:
E=Ek+En+U
{\displaystyle ~E={E_{k}}+{E_{n}}+{U}}Қаралып отырған жылу динамикалық 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, Ер=0 сонымен, бұл жерде толық энергия ішкімен бірдей (E=U), ал жүйе энергиясының өзгеруі - жұмыстық дененің, ішкі энергиясының өзгеруіне келтіреді. Жылу динамикасының 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
{\displaystyle ~Q=dU+dL}Сыртқы ортамен әрекеттестігі жоқ болғандағы кезінде (dQ=0 және dL=0), формуладағы dU=0, яғни жүйе энергиясы өзгеріссіз сақталады. Жүйелер қатнасының жекеленген жылулығы үшін, ондағы dQ=0 екені белгілі.
dU+dL=0
Теңдеу жұмыстық дененің еркінше алынған санды массасы m арналып жазылған, ал меншікті мәндері үшін былай жазылады:

dq=du+dl
мұндағы q - меншікті жылулық саны; l - меншікті жұмыс; u - меншікті ішкі энергия, q, u, l бірлік өлшемі Джкг.
Бұл теңдеу үшін, 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 жылу алмасуы 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:
dL=pdV
V1 ден V2 дейінгі көлемнің соңғы өзгеруі кезінде:
L1-2=V2V1pdv.
{\displaystyle ~dL=pdV}{\displaystyle ~{L_{1-2}}=\int \limits _{V_{2}}^{V_{1}}p\mathrm {d} v.}мұндағы V - көлем, м3.

Дене көлемінің өзгеру жұмысы
Газ жағдайының өзгеру процессін зерттеуде, графикалық әдістер (кеңінен пайдаланады) негізінің PV - диаграммасы деп, аталуын кеңінен қолданады.
Дене көлемінің, жұмыстан өзгеруін анықтау жағдайында 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.
Энергия -ғылымдағы өте маңызды физикалық түсінік болып табылады. Энергия деп физикада материяның қозғалысының әр түрлі формаларының жалпы шамасын көрсететін скалярлық физикалық өлшемді айтамыз.
Жүйенің энергиясы дегеніміз сол жүйенің белгілі бір жұмыс жасауға қабілеттілігі. Қандай да болмасын термодинамикалық күйде болатын кез келген термодинамикалық жүйенің толық энергиясы болады.
W - толық энергия
Толық энергия мынадай құраушы бөліктерден тұрады:
1. Жүйенің механикалық қозғалысынан кинетикалық энергиясынан Wмех
2. Сыртқы күш өрісіндегі(гравитациялық, электромагниттік) жүйенің потенциялық энергиясы Wn
3. Ішкі энергия U
W = Wмех + W n + U
Дененің немесе термодинамикалық жүйенің ішкі энериясы деп оның термодинамикалық күйіне байланысты ғана болатын энергияны айтады. Ішкі энергия жүйені құрайтын барлық бөлімдердің қозғалыс және әрекеттесу энергиясынан тұрады. Мыс, көп атомды молекуладан тұратын газдың ішкі энергиясы мынадай энергия жиынтығынан тұрады:
1. Молекуланың жылулық бағытталған және айналмалы қозғалысының кинетикалық энергиясы.
2. Молекуладағы атомның тербелмелі қозғалысының кинетикалық және потенциялық энергиясынан
3. Молекула аралық әрекеттесулерден туындаған потенциялық энергиядан
4. Атом дар мен иондардың, электрон қабықтарының энергиясынан
5. Атом ядроларындағы нуклондардың әрекеттесуінің кинетикалық, потенциялық энергиясынан.

1847жылы неміс физигі және физиологы Герман Фон Гельмгольц (1821 - 1894) энергияның сақталу заңын тұжырымдады. Изоляцияланған жүйенің толық энергиясы тұрақты болады ,энергия сақталады.Энергия бір формадан екінші формаға мыс, кинетикалық энергиядан потенциялық энерияға ,ешқандай шығынсыз ауыса алады.
Жүйенің ішкі энергиясын жұмыс арқылы немесе жылу беру арқылы өсіруге болады. Бөлшектердің қозғалысы дененің температурасымен байланысты болады. Температура жоғары болған сайын бөлшектер жылдам қозғалады. Жүйенің температурасының өсуі жылу берілу деп аталады.
Жылу деп денеге температура айырмашылығы салдарынан берілетін энергияны айтады.
ХІХ ғасырдың 40-жылдарында неміс дәрігері және физигі Юлиус Роберт Майер (1817-1879) жылудың жай ғана энергиясының басқа бір түрі екендігін анықтады.
Жылудың физикалық бірлігі Джоуль болып қабылданған. Ол механикалық энергияның да бірлігі. Демек жылу дегеніміз - механикалық энергия. Осы кезге дейін физиктер жылудың калория деп атаған бірлігін пайдаланып келген.
1Калория 1кг суды10С - қа13.,5 - 14,5 0 С дейін көтерілуге жұмсалатын жылу мөлшері. 1калория 1г суды10С көтерілуге кететін жылу мөлшері.
1Кал = 103кал = 1ккал
Джоуль мен каллорияның арасындағы карым - қатынасы.
1кал =4,186Дж
1 Кал = 4186кДж
Егер де біз денеге күш түсіріп оны ауыстырсақ онда жұмыс жасалады. Ауыр затты көтеру төмен қарай бағытталған гравитациялық күшті жеңіп, Һ биіктікке жеткізу үшін белгілі бір жұмыс жасалынады.Демек
А = F*S cosa = 1H * м= 1kг*м2 c2 = 1Дж
Жұмыс бірлігі (Дж) - ағылшын ғалымы Джеймс Прескот Джоульдің(1818 - ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.