Идеал газдың ішкі энергиясы. Ішкі энергияның өзгеруі.

6.2 Сабақ міндеті:

1. Сублимация және десублимация туралы ұғындыру.

2. Білімгерлердің білімдерін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа үйрету.

6.3 Дәріс тезисі:

Термодинамика – жылулық құбылыстардың теориясы. Онда денелердің атомдық–молекулалық құрылысы ескерілмейді. Термодинамикалық жүйеде жүретін кез келген процесс термодинамикалық процесс деп аталады.

Макроденелерде механикалық энергиямен қатар, өздерiнiң iштерiне тұйықталған энергияға ие. Ол – iшкi энергия. Ол барлық энергетикалық түрленулердiң балансына кiредi. Механикалық жұмыс жасамай-ақ денелердi қыздырғанда, олардың iшкi энергиясы ұлғаяды. Iшкi энергияның механикалық энергияға айналуының керi процесi болатыны сөзсiз. Ішкі энергия ұғымын 1851 жылы У.Томсон енгізген.

Молекула–кинетикалық теория тұрғысынан алғанда ішкі энергия денені құрайтын бөлшектердің өздік әсерлесуінің потенциалдық энергиясының және олардың бейберекет жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясының қосындысынан тұрады.Идеал газдардың iшiнде өзiнiң физикалық қасиеттерi бойынша қарапайым болып табылатын газ - бiр атомды газ (гелий, неон, аргон және т.б.).
Егер молекулалардың әсерлесуінің потенциалдық энергиясы нөлге тең болса, идеал газдың ішкі энергиясы оның барлық молекулаларының жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясының қосындысына тең:

Дененің ішкі энергиясын екі түрлі тәсіл – механикалық жұмыс істеу және жылу алмасу жолымен өзгертуге болады. Механикалық процестер кезінде бір денеден екінші денеге берілетін энергияның өлшемі А жұмыс болып табылады. Жылу алмасудың үш түрi бар - жылуөткiзгiштiк, конвекция және сәуле шашу (сәулелi жылу алмасу). Жылу алмасу кезінде дене энергиясының өзгерісін сипаттайтын физикалық шаманы жылу мөлшері деп атайды да, Q әріпімен белгілейді. Жылу мөлшері деп денеге жылу алмасу жолымен берілетін энергияны айтады, Q=1 Дж. Жылу сыйымдылық деп дененің температурасын бір градусқа өзгерту үшін қажетті жылу мөлшеріне сан жағынан тең шаманы айтады: .Дененің жылу сыйымдылығы оны массасына, химиялық құрамына және термодинамикалық күйіне байланысты. Бірлік массалы біртекті дененің жылу сыйымдылығын меншікті жылу сыйымдылығы деп атайды. . Меншікті жылу сыйымдылықтың бірлігі – 1Дж/кг*К

Идеал газ көлемін ұлғайтқан кездегі сыртқы қысымға қарсы істелінетін элементар жұмыс мына формула арқылы анықталады:

Қатты денелердің кебуі сублимация (лат. Sublimo – көтеріп тастау) немесе құрғау деп аталады. Сублимация кезінде молекулалар қатты дене бетінен тікелей «жұлынып шығып» газ тәріздес күйге өтеді. Көбіне газ күйінен тоқтамай, бірден қатты күйге өтетін кері процесті де бақылауға болады (десублимация).Сондай-ақ сублимация қатты және газ тәрізді фазалар қатар өмір сүретін температура мен қысымның барлық интервалында болатын буланудың бір түрі. Сублимация үшін қажетті энергия сублимация жылуы деп аталады. Металдық кристалдар сублимациясының нәтижесінде бір атомды булар пайда болады; иондық кристалдар буланып, газдық фазада полярлы молекулалар құрады; молекулалық кристалдар молекулалардан тұратын бу түзеді. Сублимацияның негізгі кинетикалық сипаттамасы – сублимация жылдамдығы. Сублимация жылдамдығы – уақыт бірлігі ішінде сублимацияланатын заттың массасы. Зат сублимациясының шекті жылдамдығының температура және газ тәрізді фаза қасиеттеріне тәуелділігі арқылы Жер маңындағы орбиталардан жерге түсетін ғарыштық аппараттарға жылуқорғанғыштығы үшін қолданылатын затты таңдауды анықтайды. Сублимация қатты заттарды тазалау үшін кеңінен қолданылады.Көптеген қатты денелердің, мысалы, камфора мен нафталиннің иісі болады. Бұл белгілі жағдайларда қатты дене сұйық күйге соқпай, бірден газ күйіне өте алады деген сөз. Шындығында, қатты дененің молекулалары біздің мұрнымызға жетпесе, біз оны сезбеген болар едік. Олай болса, ауада осы заттың молекулаларының болғаны. Азық түлікті және басқа даматериалдарды сублимацияның көмегімен кептіру өндірісте кең қолданылады. Тамақ өнеркәсібінде температураны төмендету үшін құр.ғақ мұзды жиі пайдаланылады, себебі, ол тікелей қатты күйден газға айналады.

6.4 Үлестірмелі материал: электрондық кітаптар, тесттер, карточкалар

6.5 Пайдаланған әдебиеттер:

1. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық/ Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев.-Өңд., толықт. 2-бас. Алматы: Мектеп, 2010-384 б., сур.

2. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық/ С.Тұяқбаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Алматы: “Мектеп” баспасы. -384 б., сур.

3. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. – Алматы, Мектеп, 1,2,3 том, 2000

4. Волькенштейн В.С. Жалпы физика курсының есептер жинағы. – М., Наука, 2000

5. Иродов И.Е. Жалпы физика курсының есептер жинағы. М: Наука, 2006

6.6.Бақылау сұрақтар:

1. Сублимация дегеніміз не?

2. Меншікті жылу сыйымдылығы дегеніміз не?

Тақырып №10. Термодинамиканың бірінші бастамасы. Термодинамиканың бірінші бастамасын түрлі жылулық процестерге қолдану. Табиғаттағы процестердің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші бастамасы туралы түсінік.

6.2 Сабақ міндеті:

1. Термодинамиканың бірінші, екінші бастамалары және табиғаттағы процестердің қайтымсыздығы туралы ұғындыру.

2. Білімгерлердің білімділігін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа тәрбиелеу.

6.3 Дәріс тезисі:

Бұл жерде біз системаның ішкі энергнясы түсінігін кең пайдаланатын боламыз: жүйенің ішкі энергиясы деп газдың барлық молекулаларының барлық энергияларының қосындысын түсінетін боламыз. Системаның ішкі энергиясының системаға жұмыс атқарудың арқасында немесе қайсы-бір жылу мөлшерін берудің арқасында артуы тиіс деп күтуге болады.

Джоульдың (және тағы басқа көптеген ғалымдардың) тәжірибелерінің аркасында аса маңызды заң тұжырымдалды, ол заң бойынша: тұйықталган жүйенің ішкі энергиясының өзгерісін мына түрде жазуға болады

(2.5)

Мұндагы Q системаға берілген жылу мөлшері, А - системаның атқарған жұмысы. Егер жұмыс системаға атқарылатън болса, онда ол теріс болады да, артады. Дәл осылай, егер жылу мөлшерін система беретін болса, онда бұл шама теріс болады. (2.5) тендеу термодинамиканың бірінші бастамасы деп аталады. Ол физиканың ұлы зандарының бірі, оньң дұрыстығын барлық тәжірибелер дерлік дәлелдейді. 2 жылу мөлшері де, А жұмыс та жүйеге энергия беру жөне одан ал у тәсілдері болып табылатындыктан, ішкі энергия да сәйкес өзгеріп отырады. Сондықтан да, термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның сақтаяу заңының басқаша тұжырымдамасы болып табылады.

(2.5) тендеу түйықталған системалар үшін орындалады. Оны түйықталған системаларға да қолдануға болады, ол үшін системадағы заттың артуынан немесе кемуінен болатын ішкі энергияның өзгерісін ескеру керек. Оқшауланған жүйе үшін

Болады демек

Жүйенің ішкі энергиясы да системаның күй функциясы болып табылады, себебі системаның кез-келген күйде, сол күйге сәйкес келетін, нақты ішкі энергиясы болады.

Егер термодинамиканың бірінші бастамасын днфференциалдық түрде жазатын болсақ, онда жылу мөлшері

Төмендегі шарттарды қанағаттандыратын термодинамикалық процесті қайтымды процесс деп атайды:

a) Оны қарама-қарсы бағыттарда бірдей жүргізуге болады;

b) Тура және кері процестер жүргеннен кейін дене және онымен әсерлесетін сыртқы денелер бастапқы күйге қайтып оралады.

Осы шарттардың ең болмағанда біреуін қанағаттандырмайтын кез келген процесс қайтымсыз процесс деп аталады. Термодинамикалық процестің қайтымдылығының қажетті және жеткілікті шарты оның тепе-теңдігі болып табылады.

Сонымен нақты жылулық процестерге бағыттылық тән. Шындығында да, олардың барлығы өз бетінше жүреді жәрі нәтижесінде қысым, температура, тығыздық, химиялық құрам және т.б. параметрлер теңеседі.

Нақты жылулық процестердің бағыты, сол сияқты қайтымсыздығы термодинамиканың екінші заңы деп аталатын табиғаттың іргелі заңдарының бірімен анықталады.

Термодинамиканың екінші заңы өзара үйлесімді бірнеше түрде айтылады:

1) Жылу ешқашан суығырақ денеден жылырақ денеге берілмейді.

2) Қыздырғыштан алынған жылу мөлшерін толығымен жұмысқа айналдыратындай процесті жүзеге асыру мүмкін емес.

Жылулық қозғалтқыш деп кәдімгі отын немесе ядролық отынның ішкі энергиясын механикалық энергияға айналдыратын құрылғыны айтады. Осы мақсат үшін отын жанған кездегі немесе ядролық реакциялар кезіндегі бөлінетін энергия жылу алмасу арқылы қайсібір газға немесе сұйыққа беріледі. Олар ұлғайғанда сыртқы күштерге қарсы жұмыс істеледі де қандай да болмасын механизм қозғалысқа келтіріледі.

Кез келген қозғалтқыш негізгі үш бөліктен: жұмыстық зат, қыздырғыш және суытқыштан тұрады. Жұмыстық зат – газ немесе бу қыздырғыштан Q₁ жылу мөлшерін алады да, көлемін ұлғайтып жұмыс істейді. Қыздырғыштың Т₁ температурасы отынның жану есебінен тұрақты ұсталады. Сығылғанда жұмыстық зат температурасы тұрақты Т₂ суытқышқа Q₂ жылу мөлшерін береді. Үнемі Т₁> Т₂ болғандықтан ұлғайғандағы газдың қысымы сығылғандағыдан артық болады. Бұл қозғалтқыштың пайдалы жұмыс атқаруын реттейді.

Іштен жану және реактивтік қозғалтқыштарда суытқыштың ролін қоршаған орта атқарады.

Қозғалтқыштың η пайдалы әсер коэффициенті төмендегі қатынаспен анықталады: η=1- Q₁/ Q₂

Соңғы қатынастан тіпті шығынсыз жұмыс істейтін идеал жылу қозғалтқышының өзінің ПӘК-і 100%-тен кем екендігі шығады.

1824 жылы француз инженері Садди Карно жылу машинасының ПӘК-інің ең үлкен мәні қыздырғыштың Т₁ температурасы мен суытқыштың Т₂ температурасына тәуелді және төмендегідей өрнекпен анықталатындығын тағайындады:

η=(Т₁- Т₂)/ Т₁