І тарау. Физика және астрономия –табиғаты туралы ғылымдар
ТАРАУ ТЕРМОДИНАМИКА НЕГІЗДЕРІ
жүктеу/скачать 0,91 Mb.
|
Физика 7 сынып анықтамалар
| 3 ТАРАУ ТЕРМОДИНАМИКА НЕГІЗДЕРІ
«Термодинамика» сөзі гректің «therme» – «жылу» және «dynamis» – «күш» сөздерінен құралған. Кез келген теориялық ілім сияқты термодинамиканың да өзіне тән зерттеу пәні бар. Термодинамика табиғаты әртүрлі құбылыстарда орын алатын энергия түрленуінің жалпыға ортақ заңдылықтарын зерттейді. Ондай құбылыстарға механикалық, жылулық, электрлік, сәулелік т.б. құбылыстар жатады. Жүйенің энергиясын өзгертетін сыртқы күштердің А′ жұмысы мен оған берілген Q жылудың қосындысы жүйенің ішкі энергиясының өсімшесіне тең: ∆U = А′ + Q. Денеге берілген Q жылу және жүйенің істеген А жұмысы оң таңбамен алынады да, ал сыртқы күштердің А′ жұмысы теріс таңбаланады (А′ = –А). Олай болса, жоғарыдағы теңдікті мына түрде жаза аламыз: ∆U = –А + Q немесе Q =∆U + А. Соңғы теңдік бойынша термодинамиканың бірінші заңы былайша тұжырымдалады: Жүйеге берілген жылу жүйенің ішкі энергиясын молайтуға және сыртқы күштерге қарсы жұмыс істеуге шығындалады: Q =∆U + А. Жүйе жұмыс істемесе (А = 0), онда барлық берілген жылу жүйенің ішкі энергиясын молайтуға жұмсалады (Q = ∆U). Ал егер жылу сырттан берілмесе (Q = 0), онда А = –∆U. Мұндай жағдай сыртқы күштердің жұмыс істейтінін және газдың көлемінің кішірейетінін білдіреді. Термодинамиканың бірінші заңына сәйкес, жанған отынның энергиясы газдың ішкі энергиясын өсіруге және сыртқы күштерге қарсы істелетін газдың жұмысына шығындалады: А = Fl. Газдың қысымы тұрақты (р = const) болғандықтан, поршеньге әрекет ететін күш мына формула бойынша табылады: F = pS, мұндағы S – поршеннің ауданы. Ендеше, газдың істеген жұмысы: А = pSl, мұндағы Sl – ұлғайған көлем өсімшесі. Газдың бастапқы және соңғы көлемдерін V1 және V2 деп белгілеп, төмендегі түрлендіруді аламыз: Sl = V2 – V1 = ∆V. Сөйтіп, газдың істеген жұмысы мына формуламен анықталады: А = p(V2 – V1) = p∆V. Бұл формула тұрақты қысымда (р = const) өтетін изобаралық деп аталатын процесті сипаттайды. Сонымен, газдың істеген жұмысы былайша тұжырымдалады: Газдың тұрақты қысымда температурасы өсіп, көлемі изобаралық ұлғайғанда сыртқы күштерге қарсы істейтін жұмысы оның көлемінің өсімшесі мен қысымының көбейтіндісіне тең: А = p∆V. Изобаралық процесс үшін термодинамиканың бірінші заңы мына формуламен өрнектеледі: Q = ∆U + А = ∆U + p∆V. Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу және айналу заңын сипаттайды. Нақтырақ айтар болсақ, бұл заң: 1) энергияның өзгеріссіз сақталатындығын, 2) жоқтан пайда болмайтындығын, 3) жоғалып кетпейтіндігін және 4) бір түрден екінші түрге айнала алатынын сипаттайды. Алайда термодинамиканың бірінші заңы жылудың (энергияның) бір денеден екінші денеге өту бағытына ешқандай шектеу қоймайды. Ал бақылаулар мен тәжірибелер табиғаттағы процестердің өту бағыттарында белгілі бір шектеулердің бар екендігін көрсетеді. Тәжірибе мыналарды айғақтайды: энергия жылу алмасу жолымен ыстық денеден салқын денеге қарай өз бетімен өте алады; ал кері бағытта өз бетімен өте алмайды. Бұдан жылу алмасу процесі қайтымсыз деген қорытынды жасаймыз. Термодинамиканың екінші заңы деп қайтымсыздық процестеріне негізделген табиғат заңдарын айтады. Р. Клаузиус 1850 жылы өз қорытындысын қысқаша постулат түрінде тұжырымдады. Клаузиус постулаты деп аталып кеткен бұл тәжірибелік қорытынды термодинамиканың екінші заңын тұжырымдаудың алғашқы тарихи нұсқасы болатын. Ол былайша оқылады: Жалғыз ғана нәтижесі – энергияны салқын денеден жылырақ денеге өткізе алатын процестің жүзеге асуы мүмкін емес. Екінші заңға негізделіп жоққа шығарылатын қозғалтқышты екінші текті «мәңгі» қозғалтқыш деп атайды. Екінші заң бір денені салқындату жолымен ғана жұмыс жасайтын машиналар шығаруға болмайтындығын көрсетеді. Сонымен, көп жағдайда термодинамиканың екінші заңын қысқа түрде былайша тұжырымдайды: Екінші текті «мәңгі» қозғалтқыш жасау мүмкін емес. Жылу қозғалтқыштары деп отынның ішкі энергиясын механикалық энергияға айналдырып, сол арқылы жұмыс жасайтын қондырғыларды айтады. Барлық жылу қозғалтқыштарының құрылымдары үш негізгі бөліктен тұрады. Оларды қыздырғыш, жұмыстық дене және суытқыш деп атайды. Қыздырғышта отын энергиясы босайды; жұмыстық дене ретінде бу немесе газ пайдаланылады, босаған энергияның біраз бөлігі будың (газдың) істейтін жұмысына шығындалады; суытқыш пайдаланусыз қалған артық энергияны қабылдайды. Осылайша, термодинамиканың бірінші заңы (Q1 = A + Q2) жылу қозғалтқыштарында нақты көрініс табады. Жылу қозғалтқыштарына іштен жанатын қозғалтқыштар (ІЖҚ) жатады. Іштен жанатын қозғалтқыштар деп цилиндр немесе камера ішінде жанған отыннан шығатын газдың жәрдемімен жұмыс жасай алатын қозғалтқыштарды айтады. Қозғалтқышта газ жұмыс жасау үшін бір поршень төрт жүріс жасайды, яғни төрт такт қажет. Сондықтан мұндай қозғалтқыштар төрттактілі деп аталады. Сонымен, поршеннің төрт жүрісінің біреуінде ғана газ жұмыс істейді. Поршеннің мұндай жүрісін жұмыстық жүріс дейді. Поршеннің қалған үш жүрісінде жұмыс істелмейді, олар тек келесі жұмыстық жүріске даярлық жасайтын қосалқы жүрістер болып табылады. Қозғалтқыштың бір толық циклі мына төрт процестен: сору, сығу, жұмыс және шығару жүрістерінен тұрады. Әр поршень кезегімен осы жүрістерді (тактілерді) қайталап отырады. Әрбір толық цикл өткен сайын қозғалтқыштың әйтеуір бір цилиндріндегі газ кезектесіп жұмыс жасайды. Бу немесе газ турбиналары деп қызған будың (газдың) жәрдемімен поршень мен шатунсыз және иінді біліксіз айнала алатын қозғалтқыштарды айтады. Жылу машинасының пайдалы әрекет коэффициенті (ПӘК-і) деп оның жасаған пайдалы жұмысының жылытқыштан алған жылу мөлшеріне қатынасын айтады: η = (Q1 – Q2) /Q1 = Апай/ Q1 . Жоғарыдағы қорытындыға 1824 жылы француз ғалымы С. Карно келген болатын. Ол жылу машиналарының ПӘК-ін абсолют температуралар арқылы табудың оңтайлы жолын ұсынды. Егер ыстық дененің (қыздырғыштың) абсолют температурасы Т1, ал салқын дененің (суытқыштың) температурасы Т2 болса, онда машинаның ең үлкен (максимум) ПӘК-і мына формуламен анықталады: ηмакс = (Т1 – Т2) /Т1 . Қозғалтқыштардың ПӘК-ін көтерудің негізгі үш бағытын көрсетуге болады. Біріншіден, Карно формуласынан көрініп тұрғандай, газдың (будың) жұмыс атқаруға дейінгі (яғни ұлғайғанға дейінгі) Т1 температурасын мейлінше көтеріп, жұмыстан кейінгі (ұлғаю соңындағы) Т2 температурасын барынша кеміту амалдарын табу керек. Екінші сөзбен айтқанда, қыздырғыштың температурасын мейлінше көтеріп, суытқыштың температурасын мейлінше төмендету қажет. Екіншіден, пайдаланатын отынның камераларда (цилиндрлерде) толық жануын қамтамасыз ететін технологияларды тауып, өндіріске енгізу керек. Кері жағдайда отын шала жанып, босқа зиянға айналады; қара қошқыл түтін мен улы газдарды көптеп шығарып, қоршаған ортаны ластайды. Үшіншіден, энергияның үйкеліс күштерін жеңуге кететін шығындарын азайту жолдарын іздестіру керек. жүктеу/скачать 0,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|