Бақылау сұрақтары. 1. Бір атомды идеал газдың СР мәні неге тең?

1. Бір атомды идеал газдың СР мәні неге тең?

2. Бір атомды идеал газдың Сν мәні неге тең?

3. Екі атомды идеал газдар үшін Сү мәні неге тең?

4. Екі атомды идеал газдар үшін СР мәні неге тең?

5. Үш атомды газдар үшін Сν мәні неге тең?

6. Үш атомды газдар үшін СР мәні неге тең?

 

Лекция

Термодинамиканың екінші бастамасы.

Жоспар

1. Қайтарымды және қайтарымсыз процестер. Максимал жұмыс. Өздігінен жүретін және жүрмейтін процестер.

2. Карно циклі және максималды пайдалы коэффициенті.

3. Термодинамиканың ІІ-ші заңының математикалық теңдеуі. Энтропия функция күйі. Термодинамикалық түсініктің ықтималдығы.

 

 

1. Қайтарымды және қайтарымсыз процестер. Максимал жұмыс. Өздігінен жүретін және жүрмейтін процестер.

Термодинамиканың бірінші заңына табиғат құбылыстарының бәрі түгелімен бағынады, бірақ кейбір процестер практикада алынбауы мүмкін. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша процесс өткенімен оның бағыты көрсетілмейді, сонымен қатар температура ұғымының мағынасы ашылмайды. Күнделікті байқалатын реалды процестер белгілі бір бағытта өтеді, оларға әсер ететін сыртқы жағдайлар өзгермесе процесс өздігінен кері бағытта жүрмейді. Сондықтан процестің жүру бағытын алдын ала болжап білудің техника және ғылым салалары үшін маңызы өте зор. Процестің жүру бағыты және оның өздігінен өтуі, не өтпеуі үлкен техникалық проблема. Әр-түрлі жылу қозғалтқыштарына берілген жылу энергиясының қаншама бөлігі пайдалы жұмысқа айналады, демек мұндай жылу машиналарының тиімділігі қандай деген сұраққа жауап беруі өте қажетті нәрсе. Осы айтылған проблемаларды зерттейтін термодинамиканың екінші заңы.

Термодинамиканың екінші заңы 1747 ж. М. В. Ломоносов мынадай анықтама берді : Жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге ауыспайды. Термодинамиканың екінші заңының әрі қарай дамуы Сади Карно, Клаузиус, Максвелл, Томсон, Больцман дейтін ғалымдардың есімдерімен байланысты.

Термодинамиканың екінші заңының дамуы техникада жылу қозғалтқыштарды зерттеумен байланысты. Француз инженері Сади Карно өзінің “Оттың күші және осы күшті пайдаланатын машиналар туралы ойлар” дейтін еңбегінде мынадай үш мәселені қарастырады :

а/ жылудың жұмысқа айналуы ;

б/ жылудың жұмысқа максимал мөлшерде айналу жағдайлары ;

в/ жылу машинасының п.ә.к. мен жұмыскер дене арасындағы байланыс. Карно еңбектерінің алғашқы мақсаты – бу машиналарының пайдалы әсер коэфициентін көбейту, демек қайтсе де аз отыннан көп энергия алу жолдарын іздестіру болды. Карно мынадай ойша тәжірибе жүргізді. Мысалы, екі машина берілді дейік, олардың біреуі идеал, екіншісі – реал машина. Бұл машиналар бірдей жағдайда жұмыс істесін, яғни олардың пайдаланатын жылу көздері (қыздырғыштары және суытқыштары) бірдей дейік. Сонда қандай себептердің әсерінен идеал машинаның өндіретін жұмысы реал машинаға қарағанда көп болады ? Осы сұраққа жауап іздеуде Карно өте маңызды қорытындыларға келеді. Егер осы екі машинаны біріне-бірін тіркестіріп жұмыс істесек, идеал машина реал машинаның кемшіліктерін толтыруға тиіс. Егер бірінші машинаның тиімділігі екінші машинаға қарағанда екі есе артық болса, ол жарты энергиясын өзі өндіретін жұмысқа жұмсап, жартысын екінші машинаға беруі мүмкін. Олай болған жағдайда бұндай жүйе алғашында сырттан бір қозғау алғаннан кейін тоқтамай жұмыс істеу керек, демек бұл мәңгі қозғалтқышқа әкеледі.

Мәңгі қозғалтқышты жасау мүмкін болмайтындықтан мынадай қорытындыға келеміз : екі машинаның бір-бірінен артықшылығы жоқ, жылу көздері мен суытқыштары ортақ машиналардың тиімділігі бірдей.

Жылу машинасының п.ә.к. (пайдалы әсер коэффициенті) шексіз арттыра беруге болмайды. Ол заң бойынша жылуды түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес, жылудың бір бөлігі міндетті түрде қоршаған ортаға таралып кетеді. Сол кездегі теплород теориясына сүйене отырып, Карно маңызды екі қорытындыға кледі. Бірінші қорытынды қазір Карно принципі деп аталады. Ол бойынша жылу өз еркімен тек жылы денеден суық денеге ауысады. Екінші қорытынды идеал жылу машиналарының п.ә.к. тек жылу көзі мен суытқыштың температураларының айырымына тәуелділігі туралы. Сол заманға сәйкес бұл даналық пікірлерді Карно қайтыс болғаннан 15 жыл өткен соң Клаузиус математикалық түрде термодинамиканың екінші заңы ретінде жариялады.

Екінші заңда компенсациялау дейтін ұғым қолданылады. Бұл ұғымның мағынасы мынадай. Жүйеге берілген жылудың әсерінен пайдалы жұмыс беретін процестермен бірге басқа да процестердің өтуі қажет. Бұл басқа процестер жылуыдың жұмысқа айналмаған пайдасыз бөлігінің суытқышқа ауысуы, яғни жылудың компенсациялануы болып табылады. Осыдан екінші заңның тағы бір анықтамасы шығады : теңесу болмаса жылу машиналары жылуды жұмысқа айналдырмайды. Анықтаманың тағы бір түрі : процестің нәтижесі тек жылудың жұмысқа айналуы болса, ол іске аспайды.

Термодинамиканың екінші заңына Клаузиус тағы мынадай анықтама берді : жылу өздігінен, яғни ешқандай теңеусіз, суық денеден ыстық денеге ауыспайды. Сөйтіп теңесу дегеніміз жұмыскер дененің немесе жүйе бөліктерінің термодинамикалық өзгеріске ұшырауы. Демек, жылу суық денеден ыстық денеге ауыспайды, ал ауысатын болса, онда міндетті түрде жүйеде қосымша өзгерістер болады. Бұл анықтама кейін Клаузиус постулаты деп аталады.

В. Томсон анықтамасы бойынша жылудан жұмысты жұмыскер денені суыту арқылы ғана алуға болмайды. Яғни жоғарыда аталғандай суыту процесімен қатар компенсациялау процесінің өтуі де қажет.

Термодинамиканың бірінші заңы бойынша ешқандай энергия жұмсамай жұмыс істейтін машинаны жасау мүмкін болмайды, мұнда тек энергия бір түрден екінші түрге айналады. Мәселен жұмыс жылуға, ал жылу жұмысқа айналады, және бұл эквивалентті түрде болады. Бірақ практикада жылудың жұмысқа айналуымен қоса басқа да процестер өтеді. Оларды Клаузиус компенсациялау деп атады. Егер мұндай компенсациялау болмаса табиғатта кездесетін жылу көздерін (мұхит, жер, атмосфера) суытып, алынған жылудың есебінен жұмыс істейтін машиналарды жасап шығаруға болар еді. Ал жер, мұхит, атмосфера үнемі күн көзінен жылу алып тұрады, яғни бұл жылу таусылмайды. Мұндай машиналарды екінші текті Perpetuum Mobile деп атайды. Осыған байланысты Планк екінші заңға мынадай анықтама берді : тек қана жылу көзін суыту немесе жүкті жоғары көтеру нәтижесінде жұмыс істейтін машинаны жасап шығару мүмкін емес.

Жоғарыда айтылғандай жылу машиналарында қыздырғыштан алынған жылу түгелдей жұмысқа айналмайды, оның бір бөлігі пайдалы процеспен қатар пайдасыз компенсациялау процесі түрінде суытқытқышқа жұмсалады. Реалды процестер өтетін жүйені ешқандай шығынсыз өзінің бастапқы күйіне қайтаруға болмайды. Яғни, табиғаттағы реалды процестер термодинамикалық қайтымсыз процесс болып саналады.

Осы айтылғандардан тағы бір қорытынды шығады. Жылу түгелдей жұмысқа айналмайды, оның бір бөлігі сыртқы ортаға қайтымсыз түрде шашырап таралады, ал керісінше жұмыс түгелдей жылуға айналуы мүмкін. Бұл құбылыс жұмыс пен жылудың табиғатымен байланысты. Жылу микробөлшектердің тәртіпсіз қозғалысының нәтижесі болса, жұмыс тәртіпті, бағытты қозғалыстың нәтижесі.