Пәннің ОҚУ-Әдістемелік қҰралы физикалық және коллоидтық химия
Лекция 2 ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ БАСТАМАСЫ
жүктеу/скачать 415,87 Kb.
|
УМКД физ химия (1)
- Бұл бет үшін навигация:
- Жылу мен жұмыстың эквиваленттілігі
| Лекция 2
ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ БІРІНШІ БАСТАМАСЫ Термодинамиканың негізгі түсініктері – термодинамиканың 1-ші бастамасы – Гесс заңы – Кирхгоф заңы Термодинамиканың 1-ші бастамасы постулат болып есептеледі – ол логикалық жолмендәлелденбейді немесе жалпы қағидалардан алынып шығарылмайды. Бұл постулаттың ақиқаттығы, оның бірде-бір салдарының тәжірибеге қарсы келмейтіндігімен дәлелденеді. Термодинамиканың 1-ші бастамасы жылу Q, жұмыс А және ішкі энергия өзгерісі ΔU арасындағы қатынасты қалыптастырады. Жылу мен жұмыстың эквиваленттілігі Жылу мен жұмыс арасындағы өзара ауысулары кезіндегі тұрақты эквиваленттік қатынас, Джоульдың классикалық тәжірибелерімен дәлелденеді. Джоульдың типтік тәжірибесі төмендегідей: белгілі бір биіктіктен құлайтын жүкті, суға батырылған калориметрге (жүк, араластырғыш және суы бар калориметр термодинамикалық жүйені құрайды) салып, араластырғышпен араластырады; бұл кезде ауырлық күш жұмысы жасалады А = mgh. Араластырғыш қалақтарының судағы айналуы калориметрдегі судың қызуына әкеледі; суға берілетін жылу, суы бар калориметр жылусыйымдылықтарының көбейтіндісіне тең: Q = cΔt. Осы процесс аяқталғаннан кейін, жүйе бастапқы күйіне қайта оралуы қажет. Мұны ойша тәжірибелік жолмен іске асыруға болады. Жүк бастапқы биіктікке көтеріледі, бұл кезде жүйенің үстінде сырттай жұмыс жасалады, ол жүйе энергиясын ұлғайтады. Мұнымен қатар, бастапқы температураға дейін салқындатқан кезде калориметрден жылу бөлінеді (қоршаған ортаға беріледі). Бұл операциялар жүйені бастапқы күйге қайтарады: жүйенің барлық өлшенетін қасиеттері бастапқы күйде қандай шамаға ие болса, соған қайтып келеді Осы процесс, яғни жүйенің өз қасиетін өзгертіп, бастапқы күйіне қайта оралуы циклдік процесс немесе жай ғана цикл деп аталады. Қарастырылған циклдегі бір ғана нәтиже жүйені қоршаған ортадан жұмысты алып, осы ортаға калориметрден алынған жылуды алмастыру. Жұмыс пен жылу шамаларын салыстыру олардың арасындағы тұрақты қатынасты көрсетеді, яғни ол шама жүкке, калориметр размеріне және әр түрлі тәжірибедегі жылу мен жұмыстың нақты мөлшеріне тәуелсіз болады. Циклдік процестегі жылу мен жұмысты шексіз аз (элементарлы) жылу δQ мен шексіз аз (элементарлы) жұмыстың δА интегралдық қосындысы ретінде жазуға болады: (1) Мұндағы J – пропорционалдық коэффициент, жылудың механикалық эквиваленті деп аталады; ол жылу мен жұмыс бірдей өлшем бірлікте болса, 1-ге тең болады. (1) теңдеу жұмыстың жылуға ауысуының жеке жағдайында энергияның сақталу заңы деп аталады. Келесі циклді қарастырайық: жүйе I күйден II күйге әр түрлі жолмен өтеді 1; бұл кезде жылу беріледі Q1 және жұмыс жасалады А1. Сосын жүйе бастапқы күйге қайтып оралады, қайтып оралу да сол жолмен жүзеге асады, яғни – Q1 жылуы беріліп –А1 жұмысы жасалады, сол сияқты басқа да жолмен –Q2 жылуы беріліп А2 жұмысы жасалады, Q3 жылуы беріліп - А3 жұмысы жасалады және т.б. Кез-келген жол үшін біз мынаны жаза аламыз: , , … (2) (3) "const" шамасы жүйе қасиетін сипаттайды; бұл айырма жүйенің бастапқы және соңғы күйіне ғана тәуелді, ал жүйенің бастапқы күйден соңғы күйге қандай жолмен жеткеніне тәуелсіз болады. Бұл тұрақты күй функциясы болып табылады, ол жүйенің ішкі энергиясы U деп аталады. Сонда (4) (5) (6) (4-5) теңдеулер термодинамиканың 1-ші бастамасының соңғы күй үшін, ал (6) теңдеу – шексіз аз өзгерісі үшін жазылған математикалық теңдеуі. Енді термодинамиканың 1-ші бастамасын төмендегідей қорытуға болады: Жүйеге берілетін жылу, сыртқы күштерге және жүйенің ішкі энергиясының өзгерісіне қарсы жасалатын жұмысқа жұмсалады. Жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі жүйеге берілген жылу мөлшерінен жүйенің сыртқы күштерге қарсы жасалған жұмысының мөлшерін алып тастағанға тең. (4-5) теңдеулер термодинамиканың 1-ші бастамасының математикалық өрнегі. (4) теңдеуді келесі түрде жазуға болады: (7) (8) Бұл кезде (1) теңдеуден: (9) Осыдан циклдік процессте жүйенің ішкі энергиясы өзгермейді деген қорытындыға келуге болады. Бұл шарт орындалмайды деп жорамалдасақ. Онда, циклдік процессті жүйе бастапқы қалпына қайта оралғанда, жүйенің ішкі энергиясы бастапқы мәнге ие болмайды, керісінше жоғарылайды. Бұл жағдайда, шеңберлік процесстерді қайталау, жүйеде энергия қорының жиналуына себеп болар еді. Сонда бұл жиналған энергияны жұмысқа айналдыру мүмкіндігі туады, сонымен қатар жұмысты жылу есебінен емес, жай ғана циклдік процестен алуға болады, себебі циклдік процесте жұмыс пен жылу бір-біріне эквивалентті екендігі қарапайым тәжірибелермен дәлелденген. Жоғарыда айтылғандардан термодинамиканың 1-ші бастамасын төмендегідей тұжырымдауға болады: Энергияның басқа түрінің эквивалентті мөлшерін жұмсамай жұмыс жасайтын 1-ші текті мәңгілік двигатель жасау мүмкін емес. Циклдік процесс нәтижесінде жүйенің ішкі энергиясының толық қоры бастапқы мәніне қайтып оралады, яғни, жүйенің ішкі энергиясы, осы күйде болғанда, бір ғана анықталған мәнге ие болады және осы күйге жеткенше жүйе қандай өзгерістерге ұшырағанына тәуелсіз. Басқаша айтқанда, жүйенің ішкі энергиясы бір мәнді, үздіксіз және жүйенің соңғы күй функциясы болып табылады. Негізінен жүйенің жалпы энергия қорын сипаттайтын ішкі энергия деп, молекуланың ілгерілемелі және айналмалы қозғалыс энергиясын, атом және атом топтарының молекула ішіндегі тербелмелі қозғалыс энергиясын, атомдағы электрондардың айналу энергиясын және басқа да энергияларды қоса алғандағы шаманы айтады, бірақ дененің кинетикалық және потенциалдық энергиялары есепке алынбайды. Қазіргі кезде қандай-да бір жүйенің ішкі энергиясының абсолютті шамасын анықтау мүмкін болмай отыр, себебі Т = 0 К кезінде ішкі энергия мәні өзгеріссіз қалады. Термодинамиканың 1-ші бастамасының оқшауланған жүйеге қолданылатын тағыда бір тұжырымдамасын (8) теңдеуден алуға болады, онда δQ = 0 және δА = 0: ; мұндағы (10) Оқшауланған жүйенің ішкі энергиясы тұрақты. Термодинамиканың 1-ші бастамасының бұл тұжырымдамасы энергия сақталу заңының жалпы ережесіне сәйкес келеді: Энергия жоғалмайды және жоқтан пайда болмайды; ол тек эквивалентті мөлшерде бір формадан екіншіге ауысады. Термодинамиканың 1-ші бастамасын әр түрлі термодинамикалық процесстерге қолданайық (идеалды газдың тепе-теңдіктегі қайтымды ұлғаю жұмысын қарастырамыз). жүктеу/скачать 415,87 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|