|
III bob. Termodinamika birinchi qonunining tenglamasi
|
| bet | 10/11 | | Sana | 09.01.2024 | | Hajmi | 255,96 Kb. | | #133130 |
Bog'liq TERMODINAMIKANING BIRINCHI QONUNI
3.1 Termodinamika birinchi qonunining tenglamasi
Termodinamikaning 1-qonuni massa va energiya saqlanish va aylanish qonunining aylanish hodisalariga qo’llanishining hususiy holidir. CHunki, energiya bordan yo’q bo’lmaydi, yo’qdan bor bo’lmaydi, faqat bir turdan ikkinchi turga aylanadi.
Har qanday termodinamik tizimning parametrlari shu tizimga tashqaridan mahlum miqdordagi q issiqlik miqdori kiritilganda (yoki chiqarilganda) o’zgaradi. Tizim muvozanat holatidan chiqadi yoki muvozanat holatiga qaytadi.
Demak, energiyaning saqlash qonuni asosida termodinamikaning 1-qonunini quyidagicha tahriflash mumkin:
Tizimga uzatilgan issiqlik miqdori shu tizim ichki energiyasining o’zgarishiga va tashqi kuchlarga qarshi bajarilgan foydali ishga sarflanadi. Aytib o’tilganlarni quyidagi tenglama yordamida ifodalash mumkin:
Differentsial formada yozilgan shu munosabatning o’zi quyidagi ko’rinishda bo’ladi:
yoki
.
Bundan keyin tizimga beriladigan issiqlikni musbat (+) tizimdan olib kentiladigan issiqlikni (-) manfiy deb hisoblashni shartlashib olamiz. Tegishlicha tizim bajaradigan ishni musbat tizim ustida bajariladigan ishni manfiy deb shartlashib olamiz. Belgilar tizimsini tanlash mutloq ihtiyoriydir; albatta, huddi shu yo’sinda belgilarning teskari tizimsini tanlash ham mumkin. Bunda faqat keyingi barcha termodinamikaviy hisoblashlarda hillikka rioya qilishgina muhimdir. Termodinamika birinchi qonunining tenglamalarini (10) va (12) tenglamalarni eotiborga olib quyidagi ko’rinishda yozish mumkin:
(2.17)
(2.18)
3.2 Entalpiya
Entalppiya (yunoncha – enthalpo – isitaman) tizimning holat funktsiyasi bo’lib, u O yoki N harfi bilan belgidalanadi.
Tizim ichki energiyasining yig’indini U bilan tizimning bosimi R nining tizim hajmining kattaligi V ga ko’paytmasi yig’indisining kattaligi turli-tuman termodinamikaviy hisoblashlarda muhim rolp o’ynaydi; bu kattalik entalppiya deb ataladi.
N=U+pV.
Entalppiya ham ichki energiyaga o’hshab ekstentiv hossa ekanligi tushunarlidir:
,
.
Entalppiya ham issiqlik, ish va ichki energiya o’lchanadigan birliklarda o’lchanadi.
Entalppiya holat funktsiyalari (u,p,v) kattaliklarning kombinatsiyalaridan iborat bo’lganligidan, binobarin entalppiya ham holat funktsiyasi bo’ladi.
Termodinamikaning birinchi qonuni tenglamasi (2.21) ni ehtiborga olib quyidagicha yozish mumkin:
u holda
Bu tenglamadan shu narsakelib chiqadiki, agar tizimning bosimi o’zgarmasdan saqlansa, yaoni izobarik jarayon (dp=0) amalga oshirilayotgan bo’lsa, u holda
dqp=dh,
yahni tizimga izobarik jarayonda keltirilgan issiqlik faqat tizim entalppiyaning o’zgarishigagina sarflanadi.
Bundan izobarik issiqlik sig’imi quyidagiga teng:
Bu munosabatlardan shu narsa kelib chiqadiki, ideal gazning entalppiyasi ideal gazning ichki energiyasiga o’hshash, faqat temperaturagagina bog’liq.
dh=CpdT
Termodinamikada ichki energiya entalppiya, issiqlik sig’imi moddaning kalorik hossalari deb, solishtirma hajm, bosim va temperatura esa moddaning termik hossalari deb ataladi.
Turli hil bug’lar, gazlar va gazlar aralashmasining entalppiyalari tehnik adabiyotlarda berilgan. Bu mahlumotlardan foydalanib o’zgarmas bosimli jarayonda ishtirok etayotgan issiqlik miqdorini aniqlash mumkin. Ayniqsa, issiqlik va sovitish mashinalarining issiqlik hisobidan entalppiyani qo’llash, bu hisoblashlarni soddalashtirib, grafik usullarni qo’llash imkonini yaratadi.
Termodinamikaning birinchi bosh qonuni. Termodinamkianing birinchi bosh qonuni quyidagicha tariflanadi: termodinamik sistema bir holatdan ikkinchi holatga o`tganda uning ichki energiyasining o`zgarishi sistemaga berilgan issiqlik miqdori bilan tashki kuchlarning sistema ustida bajargan ishining yigindisiga teng, yani:
∆U = ∆A + ∆Q (63) bunda ∆U –sistema ichki energiyasining o`zgarishi; ∆Q –sistemaga berilgan issiqlik miqdori; ∆A′ –sistema ustida tashki kuchlarning bajargan ishi. Agar ishni sistema tomonidan bajarilgan deb qaralsa, u holda birinchi qonuni quyidagicha tariflanadib: sistemaga berilgan issiqlik miqdori sistema ichki energiyasining o`zgarishiga hamda sistemaning tashki kuchlarga qarshi bajargan ishiga sarflanadi, yani
∆Q = ∆U + ∆A (63a)
bunda ∆A–sistema tomonidan bajarilgan ish.
Agar sistema bir holatdan ikiknchi holatga o`tib, yana davriy ravishda birinchi holatga o`zgarishsiz qaytsa, sistema ichki energiyasining o`zgarishi ∆U = U2 −U1 ≈ 0bo`ladi. U holda tenglik quyidagi ko`rinishga keladi:
∆Q = ∆A (64)
Bundan o`zi olgan energiyadan ortiq ish bajara oladigan davriy harakatlanuvchi mehanizm yaratish mumkin emasligi kelib chiqadi. Shunday qilib, termodinamikaning birinchi bosh qonuni yana quyidagicha tariflash mumkin: o`zi olgan energiyadan ortiq ish bajara oladigan davriy harakatlanuvchi mehanzim (birinchi tur abadiy dvigatel) ko`rish mumkin emas.
Issiqlik mashinalari va ularning foydali ish koeffisienti. Ichki energiyani mehanik energiyaga aylantirib beruvchi mashinalar issiqlik mashinalari yoki issiqlik dvigatellari deb ataladi.
Barcha kurinishdagi issiqlik dvigatellarida yoqilgining energiyasi avval gazning (yoki bugning) energiyasiga aylanadi. So`ng gaz kengayib ish bajaradi va soviydi, uning ichki energiyasi harakatlanuvchi mehanizm (porshen) ning mehanik energiyasiga aylanadi. Issiqlik mashinalarida aylanma jarayon deb ataladigan jarayonlarda ichki energiyaning mehanik energiyaga aylanishi amalga oshadi.
Sistema qator holatlarni o`tish natijasida o`zining dastlabki holatiga qaytadigan jarayon aylanma jarayon deyiladi.
Aylanma jarayon sifatida quyidagi jarayonni ko`rib chiqaylik.Faraz qilaylik, biror massali gaz 1 → a → 2 egri chiziq bilan ifodalanuvchi qator holatlardan o`tib kengaygan bo`lsin. So`ng 2 → b →1 egri chiziq bilan ifodalanuvchi holatdan o`tib siqilgan va boshlangich holatiga qaytgan bo`lsin. Tarifga asosan, aylanma jarayon grafikda berk egri chiziq bilan ifodalanishini ko`ramiz. Aylanma jarayonda gaz bajargan A ish kengayishda bajarilgan A1 ish
(bu ish musbat, uni gaz bajaradi va son jihatdan 1a2dc1 shaklning yuziga teng) bilan siqilishida bajarilgan A2 ish (bu ish manfiy, uni tashki kuchlar bajaradi va son jihatdan 2b1cd2 shaklning yuziga teng) ayirmasiga teng bo`ladi: A = A1 − A2 va ikkala shakllar yuzlarini farqi bilan, yani berk 1a2b1 egri chiziq bilan chegaralangan shaklning yuzi bilan ifoadalanadi.
Issiqlik mashinalarida bunday aylanma jarayon davrii ravishda takrorlanib turadi va har bir aylanma jarayonda biror A ish bajariladi.
1824 yilda fransuz injeneri va olimi Sadi Karno issiqlik mashinasining ishlash prinsipini va samaradorligini nazariy o`rganib, har qanday issiqlik mashinasining ishlashi uchun ishchi jism, isitkich va sovitkich bo`lishi zarurligini ko`rsatdi. Karno tomondan tavsiya etilgan ideal mashinada ishchi jism sifatida silindr porsheni ostidagi 1 kilomol ideal gaz olingan. Mashina davriy ravishda Karno aylanma jarayoni deb ataladigan ikkita izotermik va ikkita adiabatik jarayonlardan iborat aylanma jarayonlarni bajaradi. Sistema holatining o`zgarishi quyidagi ketma–ketlikda amalga oshiriladi.
Termodinamika fani
Termodinamika turli jarayonlarda energiyaning bir turdan ikkinchi turga va sistemaning bir qismidan ikkinchi qismiga o’tishini, shuningdek, berilgan sharoitda jarayonlarning o’z – o’zicha borish yo’nalishi va chegarasini o’rganadigan fandir.
Termodinamikaviy sistemaning bir holatdan ikkinchi holatga o’tishi termodinamikada protsess yoki jarayon deyiladi. Termodinamika yunoncha «termi» va «dinamis», ya‘ni «issiqlik» va «ish» so’zlaridan olingan bo’lib, issiqlik va ishning bir – biriga aylanishi haqidagi fandir.
Demak, biz termodinamikani o’rganish uchun issiqlik va ishning o’zi nima ekanligini bilib olmog’imiz kerak.
Uzoq vaqtlarga qadar issiqlikning tabiati haqida ikki xil fikr hukm surib keladi. Birinchi gipotezaga ko’ra jism qizdirilganda u issiqlik oladi. Sovitilganda esa issiqlik beradi, ya‘ni qizigan jism shu jism moddasi bilan issiqlik aralashmasidan iborat.
Boshqacha aytganda, issiqlik ham modda. U istalgan jismga kira oladi va undan chiqa oladi. Bu fikrni 1613 yilda ilgari surgan Galiley issiqlik moddasiga flogiston, ya‘ni teplorod deb nom berdi. Uning fikriga ko’ra flogiston jismlar orasida turlicha taqsimlanadi. Jismda u qancha ko’p bo’lsa, jism harorati shuncha ko’p bo’ladi.
Ikkinchi gipotezani 1620 yilda ingliz faylasufi F. Bekon ilgari surdi. Uningcha, issiqlik jismdagi nihoyatda mayda zarrachalarning ichki harakatidan iborat va jism harorati undagi zarrachalarning harakat tezligigi bilan aniqlanadi, degan xulosaga keldi. Bu nazariya fanda issiqlikning mexanikaviy nazariyasi degan nom oldi. Keyinchalik bu nazariya ko’pchilik olimlar tomonidan tajriba yo’llari bilan tasdiqlandi.
Ish deganda nimani tushinish kerak? Mexanik ish bajarish – qarshilikni, molekulyar kuchlarni, og’irlik kuchini va boshqa kuchlarni yengish demakdir. Jismni qismlarga bo’lish, yukni ko’tarish, relslardan poezdlarni tortish, prujinani siqish – bularning hammasi ish bajarish, ma‘lum vaqt oralig’ida qarshilikni yengish demakdir. Gazni, suyuqlikni, qattiq jismni siqish – ish bajarishdir. Bu ishlar bir – biriga o’xshamasa ham, ularda birta umumiylik bor, ish harakat bilan bog’liqdir; yuk ko’tariladi, poezd siljiydi va hokazo. Harakatsiz ish yo’q, lekin ish tartibili harakat bilan bog’liq. Demak, ish tartibli harakatning bir sistemadan boshqa sistemaga uzatilishidan iborat. Issiqlik ham harakatning bir sistemadan boshqa sistemaga uzatilishidan iborat. Shu jihatdan ular bir – biriga o’xshaydi. Lekin ular orasida muhim farq bor. Issiqlik – molekulalarning tartibsiz harakatining uzatilishi. Ish – tartibli, bir tomonga yo’nalgan harakatning uzatilishidir.
Tartibsiz harakatning iloji boricha ko’p qismini qanday qilib tartibli harakatga aylantirish, issiqlik yordamida qanday qilib eng ko’p ish bajarish mumkin – termodinamikaning muhim vazifasi ana shu masalani hal etishdan iborat.
Xulosa
Termodinamikaning eng muhim tushunchalaridan biri qaytar va qaytmas jarayonlar haqidagi tushunchadir. Termodinamikaviy jarayon termodinamikaviy tizimning uzluksiz o’zgarib turadigan holatlari to’plamidan iborat. Tizimning har qanday ikkita holati 1 va 2 oralig’ida bitta yo’lning o’zidan o’tadigan ikkita jarayonni tasavvur etish mumkin: holat 1 dan holat 2 ga va aksincha, holat 2 dan holat 1 ga; bunday jarayonlar to’g’ri va teskari jarayonlar deb ataladi.
To’g’ri va teskari yo’nalishlardagi jarayon natijasida termodinamikaviy tizim dastlabki holatiga qaytaradigan jarayonlar qaytar jarayonlar deb ataladi; buning natijasida atrof muhitda hech qanday o’zgarish bo’lmaydi.
To’g’ri va teskari yo’nalishlarda jarayon o’tkazilganda tizim dastlabki holatiga qaytmaydigan jarayonlar qaytmas jarayon deb ataladi.
Amaliyotdan mahlumki, birinchidan o’z-o’zidan sodir bo’ladigan barcha tabiiy jarayonlar qaytmas bo’ladi; tabiatda qaytar jarayonlar bo’lmaydi; ikkinchidan, muvozanatga erishgan tizim keyinchalik shunday holatda qolaveradi, yaoni holatini o’zicha o’zgartira olmaydi, bu esa o’z-o’zidan sodir bo’ladigan har qanday jarayon qaytmasligi to’g’risidagi bundan oldin tahriflangan dahvoga mos keladi.
Yuqorida aytib o’tilganlar asosida quyidagi natijaga kelish qiyin emas: tizim faqat muvozanat holatiga kelmaganiga qadargina ish bajara oladi. Haqiqatan ham, har qanday issiqlik dvigatelida kamida ikkita issiqlik manbai – issiq va sovuq manbalar bo’lgandagina ish olish mumkin.
Agar issiq va sovuq manbalar temperaturalari tenglashsa, yaoni issiq manba, ish jismi va sovuq manbadan iborat tizim issiqlik muvozanatiga kelsa, u holda issiqlik ko’chish to’htaydi va ish bajarilmaydi.
|
| |
