Термодинамиканың 1 –заңы

Термодинамиканың I –заңы – энергия сақталу заңы. Бұл заң дәлелденбейді, адамзат тәжірибесінің қорытындысы ретінде қаралады. Мұндай заңдарды табиғат заңы деп атайды.

1 –күйден 2-күйге көшу процесінде система өзін қоршаған ортамен жылу энергиясымен (q) және механикалық энергиямен (А) алмасады.

Термодинамиканың I –заңына сәйкес жылу және жұмыс түрінде бөлінетін немесе сіңірілетін энергия (q+A) кез-келген процесс үшін тұрақты. Энергия жоғалып та кетпейді, жоқтан пайда да болмайды, сондықтан (q+A) системаның толық энергиясының өзгерісіне тең. Ол толық энергияны ішкі энергия деп атайды.

Басқа да анықтамалар беруге болады.

I - заң мәңгілік двигатель (қозғағыш машина) болмайтынын көрсетеді. Ондай машина үнемі өзі жұмыс істеуі үшін қажетті энергиядан артық мөлшерде энергия беруі, яғни энергияны жасауға қабілетті болуы керек. Ол I- заңға қайшы келеді.

DU = q + А (1.18)

(1.18) - I- заңның математикалық өрнектелуі.

Оны былай айтуға болады: Системаның ішкі энергиясының өсуі системаға берілген жылу мен системаға қарсы істелген қоршаған ортаның жұмысының қосындысына тең.

DU – система 1 күйден 2 күйге көшкенде ішкі энергияның өзгеруі.

I – заңның бұл математикалық жазылуында А(+) болса, қоршаған орта системаның үстінен жұмыс жүргізеді. Егер А(-) болса, система қоршаған ортаға қарсы жұмыс жүргізеді. q-дың (+) мәні системаның жылу сіңіретінін, ал (-) мәні системадан қоршаған ортаға жылудың кететінін көрсетеді.

D символы макроскопиялық өзгерісті белгілеу үшін, ал d шексіз аз өзгерістерді белгілеу үшін қолданылады. Олай болса I – заңды мына түрде де жазуға болады:

dU=dq+dA (1.19)

dU – (толық дифференциал), себебі U күй функциясы DU= U₂- U₁, ал q мен A жолға тәуелді, сондықтан олардың шексіз аз өзгерісі үшін d символ қолданылады. Екі термин де – жұмыс пен жылу энергияның беру әдістерін сипаттайды.

dU толық дифференциал болғандықтан система 1 күйден 2 күйге өткендегі ішкі энергияның өзгеруі:

(1.20)

Термодинамиканың 1-з а ң ы н қарапайым процестерге қолдану

1) Изобарлық процесс. Тұрақты қысымға қарсы ұлғаю жұмысы:

(1.21)

DU = q + А (1.18) өрнектен: q_p = DU – А = U₂ - U₁ + P(V₂-V₁)H =U + PV екенін еске алып жазсақ, q_p = (U₂ + PV₂) - (U₁ + PV₁) = H₂ - H₁ = DH.

q_p = DH dq_p = dH (1.22)

q_p – жүйе өзгерісінің (процестің) тұрақты қысымдағы жылу энергиясы. Ол процесс кезіндегі энтальпияның өзгерісіне тең және энтальпия күй функциясы болғандықтан бастапқы және соңғы күйге ғана тәуелді.

2) Тұрақты көлемдегі процестер

Егер процесс кезінде жүйенің көлемі өзгермесе, жұмыс атқарылмайды:

dV = 0 болса, dА=-pdV = 0, осыдан

DU = q_v; dq_v = dU (1.23)

q_v –көлем тұрақты болғанды процестің жылу энергиясы. Ол ішкі энергияның өзгеруіне тең, олай болса қарастырылып отырған системаның бастапқы және соңғы күйіне ғана тәуелді.

3) Изотермиялық процесс. Айнымалы сыртқы қысымға қарсы ұлғаю. ¦лғаю кезінде сыртқы қысым ішкі қысымнан өте аз шамаға ажыратылатын болса (dP), жұмысты есептегенде Р_сыртқы- ның орнына Р_ішкі-ні қоюға болады.

Бұл күйде интеграл алуға болмайды, сондықтан екі айнымалының біреуінен құтылу керек. Егер газ идеал десек (көптеген газдар төменгі қысым мен жоғары температурада жуықтап алғанда идеал газдардың заңына бағынады), Р = RT/V. Т тұрақты болғанда

Ендеше (1.24)

Идеал газдардың заңы бойынша тұрақты температура үшін (1.24) мына теңдеуге эквивалентті болады:

(1.25)

Температура тұрақты болғандықтан DU = 0, q + А = 0 немесе

q = -А_м. (А_м – максималь жұмыс).

Адиабаттық процесс

Адиабаттық процесс қоршаған ортамен жылу алмаспайтындықтан q= 0, жұмыс ішкі энергияның азаюымен жүреді A = - DU DU = C_V DT, ендеше А = C_V (T₁ – T₂) (1.26)

Көлем тұрақты болғандағы реакция жылуы - q_v

Тұрақты қысымдағы реакция жылуы - q_p

Әдетте, көптеген химиялық реакциялар тұрақты атм.қысымда жүргізіледі. Тұрақты қысымдағы реакция жылуы q_p деп тұрақты қысымда реакция кезінде бөлінетін немесе сіңірілетін жылу энергиясын айтады. q_p = DН.

Ендеше q_p де q_v сияқты күй функциясы болады. Реакция жылуын есептегенде осы маңызды қасиетіне сүйенеді.