Наты газды ішкі энергиясы
Наты газды ішкі энергиясы оны молекулаларыны жылулы озалысыны кинетикалы энергиясынан жне молекулааралы серлесуді потенциялы энергиясынан трады. Наты газдарды потенциялы энергиясы молекула аралы тарту кштерімен аныталады. тарту кшіні болуы газда ішкі ысымны пайда болуына келеді (19.1):
Газ молекулаларыны арасындаы тарту кшін жеу шін жасалатын жмыс, механикадан білетініміздей, жйені потенциялы энергиясыны артуына кетеді, сонда
бдан
интегралдану тратысын нольге те деп аламыз. «-» табасы ішкі ысымды туызатын молекулалы кштерді тарту кштері екенін крсетеді. Бдан наты газды ішкі энергиясы температура мен клемге туелді сетінін креміз:
(21.1)
Егер газ оршаан ортамен жылу алмаспай лаятын болса (адиабатты процесс, Q=0) жне сырты кштерге арсы жмыс жасамаса (газды бостыа лаюы, A=0), онда термодинамиканы бірінші заы бойынша (Q = (U2 - U1) + A)
U1= U2 (21.2)
Сырты жмыс жасамай адиабатты лайанда, газды ішкі энергиясы згермейді.
(21.2) рнегіндегі ішкі энергияны тедігі идеал газ шін де наты газ шін де орынды, біра физикалы трыдан екі жадай шін де ртрлі. Идеал газ шін ішкі энергияны тедігі температураны тедігін білдіреді, яни идеал газ бостыа адиабатты лайса, оны температурасы згермейді, траты болады. Ал наты газды бір молі шін (21.2) тедігінен
(21.3)
температураны айырымыны формуласын аламыз:
V1 > V2 боландытан T1 > T2, демек, наты газ бостыа адиабатты лайанда суиды, ал адиабатты сыыланда ызады.
Джоуль – Томсон эффектісі
Егер идеал газ адиабатты лаю кезінде жмыс жасайтын болса, ол суиды, себебі жмыс бл жадайда газды ішкі энергиясыны есебінен жасалады. Наты газды адиабатты лаюы кезінде сырты кштерді жасайтын жмысы о болатын процесті тжірибе жзінде аылшын физиктері Дж. Джоуль мен У. Томсон жасады.
Енді Джоуль мен Томсонны тжірибесін арастырайы (сурет 27). са тесікті кеуекпен блінген жылу ткізбейтін ттікті ішінде екі поршень йкеліссіз озалады. Бастапы жадайда сол жатаы бірінші поршень мен кеуек арасындаы газды ысымын p1, клемін V1, температурасын T1 деп белгілейік. Ал о жатаы екінші поршень кеуекке тіреліп трандытан, ол жата газ болмасын.
Сурет 27
Бірінші поршеньді жылжытанда газ кеуекті тесіктерінен тіп, о жаа барады. Енді оны параметрлері p2, V2, T2 болады. Тжірибе барысында p1 жне p2 ысымдарын траты етіп, стап трады (p1 > p2).
Газ адиабатты жолмен лайандытан (сырты ортамен жылу алмаспайды), термодинамиканы бірінші заы мына трде жазылады:
(22.1)
Газды жасайтын сырты жмысы екінші поршень жылжыандаы о жмыстан (A2 = p2V2) жне бірінші поршень озалан кездегі теріс жмыстан (A1 = p1V1) трады. Демек, A = A2 – A1. Бл тедікті (22.1) формуласына ойып, тмендегі рнекті аламыз:
(22.2)
Сонымен Джоуль - Томсон тжірибесінен U + pV шамасыны згермейтінін, траты болып алатынын крдік. Кй функциясы болып табылатын бл шаманы энтальпия деп атайды.
арапайымдылы шін газды бір молін алып арастырайы. (22.2) формуласына газды ішкі энергиясыны рнегін (21.3) жне Ван- дер – Ваальс тедеуінен (19.2) p1V1 жне p2 V2 шамаларыны мндерін алып («m» символын жазбаймыз) оямыз. Элементар трлендірулер жасай отырып, температураны айырымын анытаймыз.
(22.3)
(22.3) рнегіндегі температуралар айырымыны (T2–T1) табасы Ван-дер-Ваальс тзетулеріне байланысты згереді. p2 « p1 жне V2 » V1 деп алып, рнекке анализ жасайы.
1. a 0 – молекулаларды лшемі ескеріледі де, оларды арасындаы тарту кштерін есепке алынбайды. Сонда температуралар айырымы былай жазылады:
яни газ бл жадайда ызады екен.
2. b 0 – газ молекулаларыны лшемін ескермейміз, тек ана молекула аралы тарту кштерін есепке аламыз. Сонда
температуралар айырымы теріс мнге ие, демек газ суиды.
3. Енді екі тзетуді де ескерелік. Ван- дер-Ваальс тедеуінен (19.2) табылан p1 ысымны шамасын (22.3) рнегіне ойып, келесі формуланы аламыз:
. (22.4)
Демек, температуралар айырымыны табасы бастапы клем мен бастапы температураны шамасына туелді екен.
Адиабатты лаю нтижесінде немесе адиабатты дроссельдеу кезінде наты газды температурасыны згеруін Джоуль – Томсон эффектісі деп атайды. Адиабатты дроссельдеу деп наты газды ысымны згеруі нтижесінде дроссель (мысала, кеуек) арылы аырын туін айтады. Дроссельдеу кезінде газ суитын болса (T < 0), онда Джоуль – Томсон эффектісін о деп алады, ал газ ызатын жадайда (T > 0) теріс деп алады. Дроссельдеу шартына байланысты бір газ шін Джоуль - Томсон эффектісі о болуы да, теріс болуы да ммкін. Берілген ысым шін Джоуль – Томсон эффектісіні табасы згеретін температураны инверсия температурасы деп атайды. (22.4) рнегін нольге тееу арылы инверсия температурасыны клемге туелділігін алуа болады:
.
Осы тедеумен аныталатын инверсия исыы 28 суретте келтірілген.
Сурет 28
исыты стіндегі айма теріс табалы Джоуль – Томсон эффектісіне сйкес келеді, ал исыты астына орналасан айма о табалы Джоуль – Томсон эффектісіне сйкес келеді. Егер дроссельдегі ысым лкен шамаа згеретін болса, онда газды температурасы да лкен шамаа згереді. Мысалы, дроссельдеу кезінде ысым 20 МПа-дан 0,1 МПа-а дейін згерсе, бастапы температурасы 170С ауа 350С- а дейін суиды.
Джоуль – Томсон эффектісі газды идеалды задарынан ауытыанын крсетеді. Себебі идеал газды 1 молі шін pVm = RT. Сондытан энтальпияны формуласы (22.2) мына трде жазылады:
,
бдан температураларды те екендігіне келеміз: 
.