Термодинамика – физиканың маңызды саласы. Оның жетістіктері технологиялық дәуірдің пайда болуына әкеліп соқты және негізінен соңғы 300 жылдағы адамзат тарихының бағытын анықтады деп сеніммен айта аламыз. Мақалада термодинамиканың бірінші, екінші және үшінші заңдары және олардың практикада қолданылуы қарастырылады.
Термодинамика дегеніміз не?
Термодинамика заңдарын тұжырымдамас бұрын физиканың бұл бөлімі не істейтінін анықтап алайық.
«Термодинамика» сөзі грек тілінен шыққан және «жылу әсерінен қозғалыс» дегенді білдіреді. Яғни, физиканың бұл бөлімі кез келген процестерді зерттеумен айналысады, нәтижесінде жылу энергиясы механикалық қозғалысқа және керісінше айналады.
Термодинамиканың негізгі заңдары 19 ғасырдың ортасында тұжырымдалған. «Қозғалыс және жылу» ғылымы оның макроскопиялық параметрлерінің - температураның, қысымның және көлемінің өзгеруін зерттей отырып, оның микроскопиялық құрылымына назар аудармай, бүкіл жүйенің әрекетін тұтастай қарастырады. Оның үстіне олардың біріншісі заңдарды тұжырымдауда іргелі рөл атқарадыфизикадағы термодинамика. Олардың тек эксперименттік бақылаулардан алынғанын атап өту қызық.
Термодинамикалық жүйе түсінігі
Бұл біртұтас ретінде қарастырылатын атомдардың, молекулалардың немесе басқа элементтердің кез келген тобын білдіреді. Барлық үш заң термодинамикалық деп аталатын жүйе үшін тұжырымдалған. Мысалдар: Жер атмосферасы, кез келген тірі организм, іштен жанатын қозғалтқыштағы газ қоспасы, т.б.
Термодинамикадағы барлық жүйелер үш түрдің біріне жатады:
- Ашық. Олар қоршаған ортамен жылумен де, затпен де алмасады. Мысалы, егер тамақ қазанда ашық отта пісірілсе, бұл ашық жүйенің жарқын мысалы, өйткені кастрюль сыртқы ортадан (оттан) энергия алады, ал өзі жылу түрінде энергия шығарады, және одан су да буланады (зат алмасу).
- Жабық. Мұндай жүйелерде энергия алмасу болғанымен, қоршаған ортамен зат алмасу болмайды. Алдыңғы жағдайға оралсақ: шәйнекті қақпақпен жауып қойсаңыз, жабық жүйені алуға болады.
- Оқшауланған. Бұл қоршаған кеңістікпен зат немесе энергия алмаспайтын термодинамикалық жүйелердің бір түрі. Мысалы, құрамында ыстық шай бар термос.
Термодинамикалық температура
Бұл ұғым қоршаған денелерді құрайтын бөлшектердің жылдамдықты көрсететін кинетикалық энергиясын білдіреді.бөлшектердің кездейсоқ қозғалысы. Ол неғұрлым үлкен болса, соғұрлым температура жоғары болады. Тиісінше, жүйенің кинетикалық энергиясын азайту арқылы біз оны салқындатамыз.
Бұл ұғым қоршаған денелерді құрайтын бөлшектердің кинетикалық энергиясын білдіреді, ол бөлшектердің ретсіз қозғалысының жылдамдығын көрсетеді. Ол неғұрлым үлкен болса, соғұрлым температура жоғары болады. Тиісінше, жүйенің кинетикалық энергиясын азайту арқылы біз оны салқындатамыз.
Термодинамикалық температура SI (Халықаралық бірліктер жүйесі) Кельвинмен өрнектеледі (бұл шкаланы алғаш ұсынған британ ғалымы Уильям Кельвиннің құрметіне). Температура анықтамасынсыз термодинамиканың бірінші, екінші және үшінші заңдарын түсіну мүмкін емес.
Кельвин шкаласы бойынша бір градусқа бөлу де Цельсий бойынша бір градусқа сәйкес келеді. Бұл бірліктер арасындағы түрлендіру мына формула бойынша жүзеге асырылады: TK =TC + 273, 15, мұнда TK және TC - тиісінше кельвин және Цельсий градусындағы температуралар.
Кельвин шкаласының ерекшелігі оның теріс мәндерінің болмауында. Ондағы нөл (TC=-273, 15 oC) жүйе бөлшектерінің жылулық қозғалысы толық болмаған кездегі күйге сәйкес келеді., олар "қатып қалған" сияқты.
Энергияның сақталуы және термодинамиканың 1-ші заңы
1824 жылы француз инженері және физигі Николя Леонард Сади Карно батыл ұсыныс жасады, ол физиканың дамуына әкеліп қана қоймай, сонымен бірге технологияны жетілдірудегі үлкен қадам болды. Оныңбылай тұжырымдауға болады: "Энергияны құру немесе жою мүмкін емес, оны тек бір күйден екінші күйге ауыстыруға болады."
Шындығында Сади Карноның фразасында термодинамиканың 1-ші заңының негізін құраған энергияның сақталу заңы қойылған: «Жүйе энергияны сырттан алған сайын оны басқа түрлерге айналдырады, негізгі термиялық және механикалық."
1-ші заңның математикалық формуласы былай жазылады:
Q=ΔU + A, мұнда Q – қоршаған ортаның жүйеге берген жылу мөлшері, ΔU – осы жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі, A – мінсіз механикалық жұмыс.
Адиабаталық процестер
Олардың жақсы мысалы - тау беткейлері бойынша ауа массаларының қозғалысы. Мұндай массалар өте үлкен (километр немесе одан да көп), ал ауа тамаша жылу изоляторы болып табылады. Көрсетілген қасиеттер қысқа уақыт ішінде болатын ауа массалары бар кез келген процестерді адиабаталық деп қарастыруға мүмкіндік береді. Ауа тау беткейіне көтерілгенде оның қысымы төмендейді, ол кеңейеді, яғни механикалық жұмыстарды орындайды, нәтижесінде салқындайды. Керісінше, ауа массасының төмен қарай қозғалысы ондағы қысымның жоғарылауымен бірге жүреді, ол қысылады және осыған байланысты қатты қызады.
Алдыңғы тақырыпшада қарастырылған термодинамика заңының қолданылуы адиабаталық процестің мысалы арқылы оңай көрсетілген.
Анықтама бойынша оның нәтижесінде энергия алмасу болмайды.орта, яғни жоғарыдағы теңдеуде Q=0. Бұл келесі өрнекке әкеледі: ΔU=-A. Мұндағы минус таңбасы жүйенің өзінің ішкі энергиясын азайту арқылы механикалық жұмыс атқаратынын білдіреді. Еске сала кетейік, ішкі энергия жүйенің температурасына тікелей тәуелді.
Жылу процестерінің бағыты
Бұл мәселе термодинамиканың 2-ші заңын қарастырады. Температурасы әр түрлі екі нысанды жанастырсаңыз, суық әрқашан қызып, ал ыстық суып кететінін бәрі байқады. Кері процесс термодинамиканың бірінші заңы аясында болуы мүмкін екенін ескеріңіз, бірақ ол іс жүзінде ешқашан жүзеге асырылмайды.
Бұл процестің (және Әлемдегі барлық белгілі процестердің) қайтымсыз болуының себебі - жүйенің ықтималды күйге ауысуы. Қарастырылған мысалда температуралары әртүрлі екі дененің жанасуымен жүйенің барлық бөлшектерінің кинетикалық энергиясы бірдей болатын күйі ең ықтимал күй болады.
Термодинамиканың екінші заңын былай тұжырымдауға болады: «Жылу ешқашан суық денеден ыстық денеге өздігінен ауыса алмайды». Егер энтропия ұғымын тәртіпсіздік өлшемі ретінде енгізетін болсақ, онда оны былай көрсетуге болады: «Кез келген термодинамикалық процесс энтропияның өсуімен жүреді».
Жылу қозғалтқышы
Бұл термин оған сыртқы энергияның берілуіне байланысты механикалық жұмыстарды орындай алатын жүйе деп түсініледі. Біріншіжылу машиналары бу машиналары болды және олар 17 ғасырдың аяғында ойлап табылды.
Термодинамиканың екінші заңы олардың тиімділігін анықтауда шешуші рөл атқарады. Сади Карно сонымен қатар бұл құрылғының ең жоғары тиімділігі мынаны анықтады: Тиімділік=(T2 - T1)/T2, мұнда T2 және T1 қыздырғыш пен тоңазытқыштың температуралары. Механикалық жұмысты тек ыстық денеден суық денеге жылу ағыны болғанда ғана орындауға болады және бұл ағынды пайдалы энергияға 100% айналдыру мүмкін емес.
Төмендегі суретте жылу қозғалтқышының жұмыс істеу принципі көрсетілген (Qabs - машинаға берілетін жылу, Qced - жылу шығыны, W - пайдалы жұмыс, P және V - поршеньдегі газдың қысымы мен көлемі).
Абсолюттік нөл және Нернст постулаты
Соңында термодинамиканың үшінші заңын қарастыруға көшейік. Оны Нерст постулаты деп те атайды (20 ғасырдың басында алғаш рет тұжырымдаған неміс физигі). Заңда былай делінген: «Абсолюттік нөлге процестердің шектеулі санымен жету мүмкін емес». Яғни, заттың молекулалары мен атомдарын толығымен «мұздату» ешбір жолмен мүмкін емес. Мұның себебі - қоршаған ортамен тұрақты жылу алмасу.
Термодинамиканың үшінші заңынан шығатын бір пайдалы қорытынды абсолютті нөлге қарай жылжыған сайын энтропия азаяды. Бұл жүйенің өзін-өзі ұйымдастыруға бейім екенін білдіреді. Бұл факт мүмкінмысалы, салқындатылған кезде парамагнетиктерді ферромагниттік күйге беру үшін пайдаланыңыз.
Бір қызығы, осы уақытқа дейін жеткен ең төменгі температура 5·10−10 К (2003, MIT зертханасы, АҚШ).
