Дәрістің мақсаты: Термодинамиканың бірінші бастамасы, газ көлемі адиабаталық және изотермиялық түрде өзгерген жұмыс, газдардың жылу сыйымдылықтарын түсіндіру.
Дәрістің жоспары:
1. Термодинамиканың бірінші бастамасы.
2. Газдардың жылу сыйымдылықтары.
3. Адиабаталық процес.
Құбылыстарды термодинамикалық тұрғыдан қарастырған кезде өзара байланыстағы көптеген денелердің ішінен бір денені, яғни зертелетін жүйені бөліп аламыз да қалған денелерді сыртқы орта немесе сыртқы денелер деп қарастырамыз. Мұндай әдісте көңіл негізінен таңдалған жүйеге бөлінеді де, оның геометриялық шекарасы қарастырылатын есепті шешуге ыңғайлы болатын жағдайға сай шартта алынады. Жүйе тыныштық күйде деп алынады да,ондағы барлық энергетикалық өзгерістер оның ішкі энергиясының өзгеруіне әкеледі. Ал бұл жүйе мен сыртқы ортаның арасандағы энергия алмасу жылу берілу немесе жұмыс істеу арқылы жүргізіледі.
dQ=dU+dA (1)
Бұл теңдеу термодинамиканың бірінші бастамасын сипаттайды, яғни жүйенің айналысын қоршаған денелерден алған жылуы, оның ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы жасалған жұмысқа шығындалады.
Егер жүйе жылуды қабылдаса, dQ >0, ал жүйе сыртқы денелер үстінен жұмыс істеп, оларға энергия берсе, dA>0 болады. Жалпы жағдайда жүйе жылуды беруі мүмкін dQ<0 немесе сыртқы денелердің жұмыс істеуі нәтижесінде (dA<0) энергия қабылдануы мүмкін. Бұл айтылғаннан жылу берілген кезде әрқашанда жүйенің ішкі энергиясы артады екен деп түсінуге болмайды. Жүйеге жылу берілгенмен де оның ішкі энергиясы артпай, кемуі мүмкін. Бұл жағдайда (1) бойынша dA>dQ яғни жүйе жұмысты алынған dQ есебінен де, кемуі dU-ға тең ішкі энергия қорының есебінен де істеуі мүмкін.
Термодинамиканың бірінші бастамасын изопрцестерге қолдану
Енді термодинамиканың бірінші бастамасын идиал газдағы бірқатар процестерге, яғни газ күйін сипаттайтын макроскопиялық параметірлердің біреуі тұрақты болатын жағдайларда қолданып көрейік.Біз жоғарыда айтып кеткендей,мұндай процестер изопроцестер деп аталады.
Идеал газ күйінің теңдеуі (1 моль үшін) бізге белгілі
PV=RT (3)
1. Изотермиялық процесс (Т-const).Изотермиялық процесс кезінде (4.3)күй теңдеуі бойынша өзгермелі Р және V параметірлері мынандай байланыста болады:
PV=const (4)
Бойль-Мариотт заңын еске түсірейік. Температура тұрақты болғандықтан,бұл процесс кезінде газдың ішкі энергиясы өзгеріссіз қалады,яғни dU=0.Сонда термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша изотермиялық процесс үшін мынаған ие боламыз:
dU=dA (5)
яғни берілген жылу мөлшері толығымен сыртқы жұмыстың атқарылуына жұмсалады.
dA=PdV тең деп алып, күй теңдеуіндегі (P=RT/V) өрнегін, мұндағы Р-ның орнына қойып, бір моль идеал газдың көлемі V1 ден V2 -ге дейін өзгерген жағдайда атқарылатын жұмысты есептеп шығаруға болады:
A=RT∫ dV/V=RTlnV2 /V1 (6)
немесе V2/V1=P1/P2 ауыстыруға болады.
Cp мен Cv арасындағы байланысты аламыз:
Cp=Cv+R (7)
Система мен оның айналасындағы денелер арасында жылу алмасуы болмаған жағдайда система күйінің өзгеруін адиабаталық процессс деп атайды. Адиабаталық процесте система сырттан жылу алмайды және өзі де сыртқы денелерге жылу бермейді. Процесс адиабаталы түрде өту үшін система ешбір жылу өткізбейтін қабырғалармен қоршалған болу керек. Мұндай қабырғалар жасауға болмайтындықтан, әрбір нақты процесс адиабаталық процеске азды-көпті жақын түрде ғана өтуі мүмкін. Практика жүзінде адиабаталық процестерге жақын процестер деп соншалықты шапшаң өтіп, сыртқы денелермен жылу алмасу ескерерліктей дәрежеге жете алмайтын процестерді айтуға болады.
p V v = const, (8)
Адиабаталық процесте Бойль – Мариотт заңының орнына жүретін бұл (8) формула Пуассон формуласы деп аталады.
Энт р опия
Молекулалардың қозғалысы кезінде, оларды ретсіздіктерін ықтималдық теориясымен сипаттау өте тиімсіз. Сондықтан біз n бөліктен құралған жүйені қарастырайық, олардың ықтималдылықтарының саны N1·N2·N3·…·Nn болсын. Толық жүйе үшін оның ықтималдылығы
N= N1·N2·N3·…·Nn
Жүйені толық сипаттау үшін оны түзетін бөліктердің ықтималдылықтарының көбейтінділерін емес, олардың қосындасын алғанымыз дұрыс. Ол үшін, Больцман тағайындаған заң бойынша молекуланың жылулық қозғалысының ретсіздік мөлшерін белгілі бір функция арқылы сипаттауға болады S=k · ln · N, мұндағы N- берілген күйдің ықтималдылығы, k-Больцман тұрақтысы, S-берілген жүйе өзгнрісін сипаттайтын функция энтропия деп аталады.
Егер жүйе күйінің өзгерісі тек қана бір әдіспен жүзеге асатын боса, онда оның ықтималдылығы N=1, энтропиясы S=k ln N=0 болады. Шынында қатты дененің айналысы кезінде оның барлық молекулалары бірдей бұрыштық жылдамдықпен қозғалады.
Оқшауланған жүйеде қайтымсыз процесс кезінде жүйенің энтропиясы артады.
Дербес жағдайда жүйеде өтетін процестердің барлығы да қайтымды болғанда энтропия өзгермейді, соңғы екі өрнектерге сәйкес термодинамиканың екінші бастамасын басқаша тұжырымдауға болады: қарастырылып отырған процестер қайтымды болса, онда энтропия өзгермей тұрақты болады, ал қайтымды процестер үшін ылғи артып отырады.
Кез келген қайтымды тұйық процестер үшін келтірілген жылу мөлшерінің жалпы қосындысы нөлге тең.
Бұдан, бұл интеграл процестің жүріп өтетін жолына тәуелді болмайтындығын көреміз.
Энтропия, энергия сияқты жүйе күйін сипаттайтын шама болып табылады.
Жоғарыда айтылғандай энтропияның абсолюттік мәнін анықтауға мүмкіндік жоқ, тек 1- және 2-күй энтропияларының (S2-S1) айырмасын ғана тағайындауға болады.
Барлық оқшауланған жүйеде қайтымсыз процестер өткенде жүйе энтропиясы артады. Энтропия реттелмеген, ретсіз жүйе мөлшерін көрсетеді. Энтропияның абсолют мәндерін анықтау үшін оның ең болмағанда қандай да бір белгілі температура кезіндегі абсолют мәнін беруіміз керек. Энтропияның мұндай бір мәнін Пернот ұсынған термодинамиканық ІІІ бастамасы деп аталатын теорема анықтап береді. Нерст теоремасы бойынша температура абсолют нөл болғанда қандай дененің болмасын энтропиясы нөлге тең (S=0). Бұл қағиданы былайша түсіндіруге болады. Клаузиустың ұйғаруынша, егер бүкіл әлем кеңістігін оқшауланған жүйе деп қарастырып, оған термодинамиканың екінші бастамасын қолдансақ, онда оның энропиясы бара-бара өзінің ең жоғарғы максимум мәніне жетуі керек, сөйтіп барлық қозғалыс түрі келешекте жылуға ауысып, күллі ыстығырақ денелердің температуралары суығырақ денелерге өтіп, әлемде тепе-теңдік күй қалыптасады. Осының салдарынан Әлем кеңістігіндегі барлық процестер тоқталып, жылулық апат қаупі туады деді.
ХІХ ғасырда айтылған осы пікірдің бір кемшілігі термодинамиканың екінші бастамасын сол кездегі кейбір оқымыстылар (идеалистер) шегі жоқ және үздіксіз қозғалыста, дамуда болатын әлем кеңістігіне қолдануға болмайтынын түсінбеді. Кейінірек көптеген ғалымдар (материалистер) ХІХ ғасырдың аяғы мен ХХ ғасырдың басында бұл пікірді жоққа шығарды.
Өзін-өзі бақылау сұрақтары:
1. Процестерді молекула-кинетикалық және энергетикалық тұрғыдан зерттеу.
2. Дөңгелек процестер.
Қолданылған әдебиеттер:
1. Савельев И.В. Жалпы физика курсы, І том. Механика, тербелістер мен толқындар, молекулалық физика. Савельев И.В. «Наука» баспасы, физика-математика әдебиетінің бас редакциясы, М., 1970 ж. 339-347 б.
2. С.Э. Фриш және А.Б. Тиморева. Жалпы физика курсы, І том. «Мектеп» баспасы, А., 1971 ж. 278-297 б.
3. Абдулаев Ж. Жалпы физика курсы: Оқу құралы / Ж. Абдулаев.- Алматы: Ана тiлi, 1991.- 420-435 б
