Идеал газдың ішкі энергиясы. Термодинамикалық жұмыс. Жылу мөлшері. Жылусыйымдылық. Термодинамиканың бiрiншi заңы. Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану. Адиабаталық процесс, Пуассон теңдеуі. Термодинамика негіздері Термодинамика - механикалық және ішкі энергиялардың өзара түрленуін, ішкі энергияның бір денеден басқа денеге берілуін зерттейтін физика бөлімі. МКТ бойынша дененің ішкі энергиясы –денені құрайтын бөлшектердің өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясы мен олардың жылулық қозғалысысның орташа кинетикалық энергиясынының қосындысы.
Ішкі энергия температура мен көлемнің функциясы U (T, V) болып табылады, себебі бөлшек қозғалысының энергиясы дене температурасына тура пропорционал: ал өзара әректтесудің потенциалдық энергиясы олардың арасындағы арақашықтыққа, демек, дене көлеміне тәуелді. Дененің ішкі энергиясы оның барлық молекулаларының орташа кинетикалық энергиясының қосындысына тең:
Зат мөлшері:
Біратомды идеал газдың ішкі энергиясын есептеу формуласы:
Ішкі энергия газ бір күйден басқа күйге өткен кездегі өту процесіне тәуелді емес, ол тек p, V, T күй параметрлеріне тәуелді.
Газдың ішкі энергиясының өзгерісі дене температурасының өзгерісіне тура пропорционал. Егер температура тұрақты болса, онда газдың ішкі энергиясы өзгермейді.
Біратомды газдардың ішкі энергиясы i=3 үш еркіндік дәрежесімен сипатталатын атомдардың жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясымен анықталады, себебі кеңістік – үшөлшемді.
i- еркіндік дәрежесінің саны
Жылу мөлшері Q – жылу берілу кезіндегі ішкі энергияның өзгеруінің сандық өлшемі.
Жұмыс, ішкі энергия және жылу мөлшерінің баламалы екенін неміс физигі Р. Майер мен ағылшын физигі Д. Джоуль көрсете алды. Осы шамалардың өлшем бірлігі ағылшын ғалымының құрметіне джоуль деп аталды:
[А] = 1 Дж, [Q] = 1 Дж, [U] = 1 Дж Термодинамиканың бірінші заңы Бір күйден екінші күйге өткен кездегі дененің ішкі энергиясының өзгерісі ΔU сыртқы күштердің атқаратын жұмысы менденеге берілген жылу мөлшерінің Q қосындысына тең. Термодинамиканың бірінші заңы жылулық процестер үшін энергияның сақталу және түрлену заңы болып табылады. Егер бір немесе бірнеше дененің күйін өзгерту үшін энергия жұмсалса, онда олардың ішкі энергиясы артады. Газға берілген жылу мөлшері ішкі энергияның өзгерісіне және газдың жұмыс атқаруына жұмсалады. Ұлғаю кезінде қатты денелердің көлемі аз ғана өзгеретіндіктен, денеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясының өзгерісін анықтайды: Заттың бір килограмының температурасын бір градусқа жылыту үшін жұмсалатын жылу мөлшері, осы заттың меншікті жылу сыйымдылығы деп аталады. Және Дж/кг 0С-мен өлшенеді. Мольдік жылусыйымдылық – заттың бір молінің жылусыйымдылығы. Изобаралық процесс үшін термодинамиканың бірінші заңы Тұрақты қысым кезінде газдың мольдік жылусыйымдылығы: , -
Р.Майер тағайындаған.
Изопроцестер үшін термодинамиканың бірінші заңы Изотермалық процесс кезінде газдың қысымы мен көлемі өзгереді.
Адиабаталық процес – термодинамикалық жүйеде қоршаған денелермен жылу алмасу болмаған жағдайда орындалатын процесс. Адиабаталық процесс үшін Q=0, демек термодинамиканың бірінші заңы:
Адиабаталық процесс кезінде сыртқы күштердің жұмысы газдың ішкі энергиясының артуына тең. Адиабаталық процесс кезінде газ жұмысы тек ішкі энергияның кемуі есебінен орындалады.
Бірінші ретті мәңгі қозғалтқыш– сырттан энергия алмай, шексіз ұзақ уақыт бойы жұмыс жасай алатын қиялдағы машина.
Адиабаталық процесс үшін Пуассон теңдеуі орындалады: , , мұндағы
Кез келген жылулық қозғалтқыш үш бөліктен: қыздырғыштан, суытқыштан, ұлғаятын және сығылатын жұмыстық денеден (122-cурет) тұрады.
Айналмалы процесс немесе цикл – жүйе бірнеше аралық күйден өткен соң бастапқы күйіне қайтып келетін процесс. Егер айналмалы процесс тура цикл бойынша жүретін болса: 1-күйден 3-күйге өтіп, одан соң сағат тілінің бағытымен бастапқы 1-күйіне қайтып келсе, онда мәшинен жылумашинасы деп атайды. Онда қыздырғыштан жұмыстық денеге берілген энергия механикалық энергияға айналады, жұмыс атқарылады.
Жылу мәшинесі – газдың немесе будың ішкі энергиясын механикалық энергияға айналдыруға арналған құрылғы Француз инженері Сади Карно 1824 жылы жылулық қозғалтқыштардың негізгі жұмыс істеу заңдылықтарын бекітті және ПӘК мәні максимал болатын циклді ұсынды. Карно циклі бойынша жұмыс істейтін машинаны идеал машина деп атайды.
Жылу қозғалтқыштың ПӘК – газ жұмысының қыздырғыштан берілген жылу мөлшеріне қатынасына тең:
- қыздырғыштан газға берілген жылу мөлшері;
- газдан суытқышқа берілген жылу мөлшері.
Тапсырма: Бақылау сұрақтарына жауап беру және 24-жаттығудың №1, 2 есебін шығару
