Термодинамика негіздері. Жылу машиналары.

1.Газы бар цилиндрге жылу берілгенде газдың ішкі энергиясы артады және поршеньді көтеру үшін жұмыс   А  атқарылады, бұл тәжірибенің нәтижесінен: Q = + A - бұл термодинамиканың бірінші заңы.

« Жүйеге берілген жылу Q  оның ішкі энергиясының өзгерісіне және жүйенің сыртқы денелерге қарсы істейтін A  жұмысына жұмсалады» Егер Q жылу жүйеге, яғни газға берілсе, онда ол оң деп саналады. Егер жұмысты жүйе (газдың көлемі ұлғайғанда) атқарса, жұмыс оң болады.Шамалардың біреуі нөлге тең болатын жағдайлар да кездеседі. Егер жүйе жұмыс атқармаса А = 0, онда алынған барлық жылу жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге жұмсалады                     (Q= ). Егер газ қыздырылса, онда Q  және  газдың ішкі энергиясы артады. Газ салқындаған кезде оның ішкі энергиясы төмендейді.

Термодинамикада сырттан жылу алмай және машинаның (жүйенің) ішінде қандай да бір өзгеріссіз, шексіз ұзақ уақыт жұмыс істейтін машиналарды бірінші ретті мәңгі жылу қозғалтқыштары деп атайды. Егер жүйе жылу мөлшерін алмаса (Q=0), онда A= . Бұл жұмыстың ішкі энергияның азаюы есебінен атқарылатынын көрсетеді. Энергия қоры таусылса, онда машина жұмыс істеуін тоқтатады. Бұл дегеніміз:  = 0,  A= 0. Демек, энергия жұмсамай шексіз ұзақ уақыт жұмыс істейтін құрал жасап шығару мүмкін емес.Басқа сөзбен айтқанда, бірінші ретті мәңгі жылу қозғалтқыштарын жасау мүмкін емес: A = Q -

Кез келген машина тек сырттан алған жылу немесе ішкі энергияның кемуі есебінен сыртқы денелерге қарсы жұмыс істей алады.

2.Газ бен будың ұлғайғандағы жұмысы: Жыл жымалы поршень цилиндр ішіндегі газға біраз жылу мөлшерін берейік, сонда газ ұлғая бастайды және поршень бір h қашықтыққа жоғары көтеріледі. Термодинамиканың 1 заңына сәйкес бұл жағдайда берілген энергия газдың ішкі энергиясын ұлғайтуға және осының есебінен поршенді h  қашықтыққа қозғайтын А жұмысын атқаруға жұмсалады: A = F h. Қысымның өзгермеуінен, поршеньге әрекет газ қысымының күші F= PS, S – поршеньнің ауданы. Сонда газ атқарған жұмыс мынаған тең:   A = pS h Бірінші жағдай:Қысымы тұрақты, ал температурасы мен көлемі өзгеретін термодинамикалық процесті изобаралық процесс деп атайды. Егер поршень ауданының оның орын аустыруына көбейтіндісі газ көлемінің өзгерісіне тең, онда жұмыс A = p(V₂ – V₁) = p

Изобаралық ұлғаю кезінде (p=const) газдың сыртқы күштерге қарсы атқарған жұмысы газ қысымын оның соңғы және бастапқы көлемдерінің айырымына көбейткенге тең. Егер газ изобаралық сығылса, сыртқы күштер газдың потенциалдық энергиясын арттыратындай жұмыс атқарады.Термодинаминың 1 заңы изобаралық процесс үшін мына формуламен:

                                                  Q =  + A = + p

Изобаралық ұлғаю кезінде газға берілген жылу мөлшері ол атқаратын жұмыстан оның ішкі энергиясының өсуіне тең шамаға артық болады. Екінші жағдай: Газ поршенмен бекітілген цилиндрде болса, онда көлем тұрақты болады. Егер көлем тұрақты болса, ал температура мен қысым өзгеретін термодинамикалық процесті изохоралық процесс деп атайды. Газға біраз жылу мөлшерін берейік. Сонда газ көлемі тұрақты болғандықтан (V₂ – V₁) = 0, ұлғаю жұмысы  0-ге тең және термодинамиканың 1 заңы былай жазылады: Q=  . Газ күйінің изохоралық өзгеруінде оған берілген жылу оның ішкі энергиясының өзгерісіне кетеді, жұмыс атқарылмайды. Үшінші жағдай:

Тұрақты температурадағы газ күйінің өзгеру жағдайын қарастырсақ, онда температурасы тұрақты (t = const), ал қысым мен көлем өзгеретін термодинамикалық процесті изотермиялық процесс деп атайды. Ол үшін оны температурасы тұрақты сақталатын термостатқа енгізейік. Сонда ұлғаю кезінде газдың температурасы төмендеу үшін ол термостаттан жылу мөлшерін алу керек. Газдың температурасы өзгермейді,сондықтан жүйенің ішкі энергиясы тұрақты болып қалады:  кезде термодинамиканың 1 заңы мына түрге айналады: Q = A. Изотермиялық процесс кезінде газға берілген жылу мөлшері газдың жұмыс атқаруына жұмсалады.

Төртінші жағдай: Жылу алмасуы болмайтын процесс те болуы мүмкін. Жылу алмасусыз жүретін процесті адиабаталық процесс деп атайды. Газдың ішкі энергиясы оны сығатын сыртқы күштердің атқаратын жұмысы есебінен артады.Газдың тез ұлғаюы кезінде оның салқындау құбылысын бақылауға болады.Бұл процесс, газ ұлғайып, өзінің ішкі энергиясының кемуі есебінен жұмыс істейді. Мысалдарды қарастыра отырып: газдың тез сығылуы немесе ұлғаюы кезінде қоршаған ортамен жылу алмасу жүріп үлгермейді. Осы жағдайда аз уақыт аралығында   Q = 0 деп санап, бұл процестерді адиабаталық процестер ретінде қарастырады. Сонда т/д бірінші заңы былай өрнектеледі:  + А = 0 немесе Бұл адиабаталық процесс кезіндегі газдың сығылуы оның ішкі энергиясының артуын тудыратынын және теріс жұмыс атқарылатынын көрсетеді. Ұлғаю кезінде газдың ішкі энергиясы кемиді, соның есебінен оң  жұмыс атқарылады.

3.Термодинамиканың екінші заңы: Т/д екінші заңы ішкі энергияның механикалық энргияға айналуына шек қояды. Бұл қоршаған ортадан алынған жылу есебінен ғана, яғни бір дененің салқындауы есебінен ғана жұмыс істейтін машина жасау мүмкін еместігін білдіреді. Сондықтан Т/д екінші заңын көбіне былай тұжырымдайды: екінші ретті мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін емес. Сонымен т/д бірінші заңы жоқтан алынатын энергияның көмегімен жұмыс істейтін машинаның бар болуын жоққа шығарады. (бірінші ретті мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін емес.) Ол процестің жүретінін, материяның жойылмайтынын білдіреді.

Т/д екінші заңы -- бір дененің салқындауының есебінен ғана жұмыс істейтін машинаны жасау мүмкіндігіне тыйым салады. (Екінші ретті мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін емес.) Ол тек процестің бағытын білдіреді.

4.Жылу қозғалтқыштары: Жылу қозғалтқыштары ( жылу машиналары) деп жүйенің ішкі энергиясының бір бөлігін механикалық энергияға айналдыратын және соның есебінен жұмыс істейтін құрылғыларды айтады.Барлық жылу машиналарында отының ішкі энергиясының механикалық энергияға түрленуі жүреді. Шын мәніндегі жылу машинасында үш құрамды бөлік бар: қыздырғыш, жұмыстық  дене, тоңазытқыш. Жылу қозғалтқышының жұмыс процесінде жұмыстық дене (бу немесе газ) қыздырғыштан Q₁ жылу мөлшерін алады, оның бір бөлігі А механикалық жұмыс атқаруға жұмсайды, ал қалған Q₂ бөлігін тоңазытқышқа береді. A = Q₁- Q₂

 Q₁ = A + Q₂   

Іштен жанатын қозғалтқыш: Жылу қозғалтқыштарының  кеңінен таралған түрі – іштен жанатын қозғалтқышты (I ЖҚ) құрылғы. Іштен жанатын қарапайым қозғалтқыштың: Поршеньнің цилиндр ішіндегі ең шекті екі орнының арасындағы арақашықтықты поршень жүрісі немесе қозғалтқыш тактісі деп атайды. Поршеньнің бір жүрісінің нәтижесінде иінді білік жарты айналым жасайды. Қозғалтқыштағы бір жұмыс циклі поршеньнің төрт жүрісінің немесе төрт тактінің ішінде жүзеге асырылады. Сондықтан мұндай қозғалтқыштарды төрт тактілі қозғалтқыштар деп атайды.Сонымен қозғалтқыштың бір толық циклі төрт процестен тұрады: сору, сығу, жұмыстық жүріс, шығару.

6.Жылу қозғалтқышының ПӘК: Барлық жылу қозғалтқыштарының жұмыс істеу принципінен жұмыстық дене қыздырғыштан  Q₁ жылу мөлшерін ала отырып сол жылу мөлшерінің бір бөлігін Q₂ тоңазытқышқа беретіні белгілі. Сондықтан газ немесе бу ұлғай,анда істелетін механикалық жұмысқа қалған ішкі энергия ғана кетеді, яғни A = Q₁- Q₂. Ішкі энергияны механикалық энергияға айналдыратын жылу машинасының тиімділігін сипаттау үшін жылу машинасының пайдалы әрекет коэффициенті (ПӘК) деген ұғым енгізіледі. Жылу машиналарының пайдалы әрекет коэффициенті істелген жұмыстың қыздырғыштан алынған жылу мөлшеріне қатынасына тең :                 -  /  = А_тол /   A_тол = Q₁- Q₂.

Қозғалтқыштың ПӘК-і әрқашанда бірден кем, яғни 100% - дан кіші болады.

Ішкі энергияның механикалық энергияға айналуының идеал процесінде және жылу шығыны болмаған жағдайда, термодинамикада дәлелденгендей, машинаның ең үлкен ПӘК – і.

                                              Т₁ – Т₂ / Т₁

Т₁ – жұмыстықдененің (газ,бу) ең жоғары температурасы (қыздырғыштық).

Т₂ - тоңазытқыштың немесе жанудан шыққан өнімнің ең төменгі температурасы.

Негізі: Т – абсолют температура деп атайды.