Термодинамиканың бірінші бастамасы.

Термодинамикада макраскопиялық денелердің жылулық қасиеттері олардың микроскопиялық табиғатымен байланыстырылмай, көптеген тәжірибелер арқылы анықталған, бастамалар деп аталтын негізгі үш заңға сүйеніп зерттеледі.Термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның сақталу және түрлену заңдарынсипаттайды.

Жүйеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясының өзгерісі мен жүйенің сыртқы күштерге қарсы жасайтын жұмысына жұмсалады:

.(8.2)

Бұл термодинамикалық жүйе үшін энергияның сақталу және түрлену заңы. Жылу энергиясы тек ішкі энергия мен жұмысқа ғана түрленуі мүмкін: ішкі энергия – энергияның микроскопиялық, ал жұмыс – макроскопиялық түрі.

Жүйеге берілген жылудың аз мөлшерінің жүйе жасайтын элементар жұмыс пен ішкі энергияның аз өзгерісіне жұмсалатынын сипаттайтын бұл заңды әдетте мына түрде жазады:

. (8.3)

Жылу мен жұмыс және ішкі энергия өзгерісі жазылулары арасындағы өзгешеліктің, жоғарыда айтылғандай, терең физикалық мағынасы бар.

Термодинамиканың бірінші заңына енетін барлық шамалар оң, теріс немесе нөл болуы мүмкін. Егер жүйеге жылу берілсе , алынса .

Егер жүйе, мысалы жұмыс денесі, периодты жұмыс істейтін қозғалтқыш ішінде процесс бойынша бастапқы күйге қайта оралып отырса, онда ал осыдан . Олай болса, ешқандай периодты жұмыс істейтін қозғалтқыш оған берілген энергиядан артық жұмыс жасай алмайды. Бірінші текті мәңгі қозғалтқыш жасау мүмкін еместігін дәлелдейтін бұл тұжырымдама термодинамиканың бірінші заңы деп аталады.

Идеал газдың тепетеңдіктегі күйінің өзгерісі үшін термодинамиканың бірінші бастамасын мына түрде жазуға болады:

(8.7)

36-СҰРАҚ

Термодинамикадағы жұмыс – газбен жұмыс істегенде оның әр уақытта көлемі өзгереді: ΔV=V2-V1

A=PΔv A=P(v2-v1)

Газ тек көлемі өзгергенде жұмыс атқарады. Егер газдың көлемі ұлғайса, газ оң жұмыс атқарады, ал газ сығылса (көлемі азайса) теріс жұмыс атқарады. Егер газдың қысымы тұрақты болса, онда газдың көлемі v1-ден v2-ге өзгергенде атқарылатын жұмыс A=P(v2-v1) өрнегімен анықталады.

Термодинамикадағы 2 түрлі жұмыс:

Газдың жұмысы: A^ газ ұлғайса Сыртқы күщтержің жұмысы: А газ сығылса

Термодинамикадағы жұмыс P(v) графигі астындағы фигураның ауданына тең:

37-СҰРАҚ

Жылу сыйымдылығы — дене температурасын 1°С-ге немесе 1 калорияға жоғарылату үшін берілетін жылу мөлшері. Яғни, дененің (заттектің) қандай да бір процестегі күйінің мардымсыз шексіз өзгерісі кезінде алатын жөне оларға температураны жоғарылату үшін қажет болатын жылу мөлшері. Массаның жылу сыйымдылығының бірлігі меншікті жьлу сыйымдылығы деп аталады. Жылу сыйымдылығының қысымы тұрақты газдар үшін С және көлемі тұрақты газдар үшін С болып ерекшеленеді. Бірінші жағдайда дененің жьлулық ұлғаюына байланысты (дененің геометриялық өлшемдерінің өзгеруіне) сыртқы күштерге қарсы механикалық жұмыс жасалады, ал екінші жағдайда дененің жылуы кезінде оның геометриялық өлшемдері өзгермейді және энергиясын ұлғайтуға жұмсалады. Қысым тұрақты болған кездегі жылу сыйымдылығы көлемі тұрақты болған кездегі жылу сыйымдылығынан үнемі артық болады. Судың 15°С кезіндегі жылу сыйымдылығы Ся бірге тең деп алынады. Қалыпты қысым (1 атм.) Және температура 50°С болғанда ауаның меншікті жылу сыйымдьшығы 0,24 кал/ г.град. тең. Көлем тұрақты болған кезде С — 0,17 кал/г.град; су буы үшін (темпе-ратура 0°С болғанда) Ср = 0,44 кал/г.град және С = 0,34 кал/г.град. Меншікті жьшу сыйымдылығының дененің тығыздығына көбейтіндісі көлемдік жылу сыйымдылығы деп аталады.[1]

Мольдік жылу сыйымдылығы деп мөлшері бір моль заттың температурасын бір Кельвинге өзгертуге қажетті жылу мөлшерін айтады. Өлшем бірлігі – Дж/моль .К.

Изохоралық процесс.

Изохоралық процесс кезінде газ жұмыс нольге тең және жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге жұмсалады.

Ішкі энергия өзгерісі ,

мұндағы: - тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылығы.

Изобаралық процесс. P=const

Изобаралық процесс кезінде термодинамиканың жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы денелермен жұмыс атқаруына жұмсалады:

Жүйеге берілген жылу мөлшері: ,

мұндағы: - тұрақты қысымдағы мольдік жылу сыйымдылығы.

Газдың тұрақты қысымдағы және тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылықтарының айырмасы универсал газ тұрақтысына тең. Cp тұрақты қысымдағы мольдік жылу сыйымдылығы әрқашан CV тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылығынан үлкен болады

Қыздыру тұрақты қысым кезінде болса, онда газ ұлғаяды да сыртқы денелерге оң жұмыс жасайды. Демек, бұл жағдайда газдың температурасын 1 К–ге арттыруға тұрақты көлем кезіндегіге қарағанда жылу көбірек керек болады дедік, сондықтан CP>СV болды, дәлірек айтқанда газдың универсал тұрақтысына R артық болады. Енді термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша (8.12) өрнекті былайша жазайық: CP=(dUm/dT)+( рdVm/dT) (8.14) мұндағы dUm/dT=СV. Ал Менделеев-Клапейрон теңдеуін (рV=RТ, р=Const) деп есептеп, V және T арқылы дифференциалдап, рdV=RdТ алынған мәндерді (8.14) формулаға қойсақ: CP=СV+R (8.15)

Бұл Майер теңдеуі деп аталады. Соныменен, идеал газдың 1 молінің темпе-ратурасын тұрақты қысымда 1 К-ге арттырғанда оның жасайтын жұмысы газдың универсал газ тұрақтысына тең болады: A=R. (8.16)

Сонда меншікті жылу сыйымдылығы дененің тегін сипаттайды екен.

(8.2) және (8.13) өрнектерден СV =(i/2)R (8.17) аламыз.

Майер теңдеуіне (8.17) өрнекті қоятын болсақ, CP=(i/2)R+R=(i+2)/2)R

шығады. Жылу сыйымдылықтардың қатынасын g әрпімен белгілейміз, сонда шығатын формула: g=CP/СV=(i+2)/i (8.18)

Мұнда g>1 және газдың түрінен тәуелді болады.

38-СҰРАҚ