Термодинамиканың І – заңы

Жоспары:

1. Толық энергияның құраушы бөліктері
2. Жылу,жұмыс,қуат түсініктері және олардың өлшем бірліктері

3.Термодинамиканың І – заңының тұжырымдамасы.

4.Химиялық процесстердің термодинамикасы.

Лекция мәтіні:

Энергия -ғылымдағы өте маңызды физикалық түсінік болып табылады. Энергия деп физикада материяның қозғалысының әр түрлі формаларының жалпы шамасын көрсететін скалярлық физикалық өлшемді айтамыз.

Жүйенің энергиясы дегеніміз сол жүйенің белгілі бір жұмыс жасауға қабілеттілігі. Қандай да болмасын термодинамикалық күйде болатын кез келген термодинамикалық жүйенің толық энергиясы болады.

W– толық энергия

Толық энергия мынадай құраушы бөліктерден тұрады:

1. Жүйенің механикалық қозғалысынан кинетикалық энергиясынан W^мех
2. Сыртқы күш өрісіндегі(гравитациялық, электромагниттік) жүйенің потенциялық энергиясыW_n

3. Ішкі энергия U

W = W^мех+ W _n + U

Дененің немесе термодинамикалық жүйенің ішкі энериясы деп оның термодинамикалық күйіне байланысты ғана болатын энергияны айтады. Ішкі энергия жүйені құрайтын барлық бөлімдердің қозғалыс және әрекеттесу энергиясынан тұрады. Мыс, көп атомды молекуладан тұратын газдың ішкі энергиясы мынадай энергия жиынтығынан тұрады:

1. Молекуланың жылулық бағытталған және айналмалы қозғалысының кинетикалық энергиясы.
2. Молекуладағы атомның тербелмелі қозғалысының кинетикалық және потенциялық энергиясынан

3. Молекула аралық әрекеттесулерден туындаған потенциялық энергиядан

4.Атом дар мен иондардың, электрон қабықтарының энергиясынан

5. Атом ядроларындағы нуклондардың әрекеттесуінің кинетикалық, потенциялық энергиясынан.

 

1847жылы неміс физигі және физиологы Герман Фон Гельмгольц (1821 – 1894) энергияның сақталу заңын тұжырымдады. Изоляцияланған жүйенің толық энергиясы тұрақты болады ,энергия сақталады.Энергия бір формадан екінші формаға мыс, кинетикалық энергиядан потенциялық энерияға ,ешқандай шығынсыз ауыса алады.

Жүйенің ішкі энергиясын жұмыс арқылы немесе жылу беру арқылы өсіруге болады. Бөлшектердің қозғалысы дененің температурасымен байланысты болады. Температура жоғары болған сайын бөлшектер жылдам қозғалады. Жүйенің температурасының өсуі жылу берілу деп аталады.

Жылу деп денеге температура айырмашылығы салдарынан берілетін энергияны айтады.

ХІХ ғасырдың 40-жылдарында неміс дәрігері және физигі Юлиус Роберт Майер (1817-1879) жылудың жай ғана энергиясының басқа бір түрі екендігін анықтады.

Жылудың физикалық бірлігі Джоуль болып қабылданған. Ол механикалық энергияның да бірлігі. Демек жылу дегеніміз — механикалық энергия. Осы кезге дейін физиктер жылудың калория деп атаған бірлігін пайдаланып келген.

1Калория 1кг суды1⁰С –қа13.,5– 14,5 ⁰ С дейін көтерілуге жұмсалатын жылу мөлшері.1калория 1г суды1⁰С көтерілуге кететін жылу мөлшері.

1Кал = 10³кал = 1ккал

Джоуль мен каллорияның арасындағы карым – қатынасы.

1кал =4,186Дж

1 Кал = 4186кДж

Егер де біз денеге күш түсіріп оны ауыстырсақ онда жұмыс жасалады. Ауыр затты көтеру төмен қарай бағытталған гравитациялық күшті жеңіп, Һ биіктікке жеткізу үшін белгілі бір жұмыс жасалынады.Демек

А = F*S cosa = 1H * м= 1kг*м² /c² = 1Дж

Жұмыс бірлігі (Дж) – ағылшын ғалымы Джеймс Прескот Джоульдің(1818 – 1889) құрметіне берілген

Қуат деп жұмыстың орындалу және энергияның жұмсалу дәрежесін айтады.

 

Қуат = Жұмыс /УақытР = А/ t = 1Дж/с = 1Вт

Қуат бірлігі 1Вт бу машинасын ойлап тапқан Шотланд инженері Джеймс Ваттың құрметіне берілген (1736 – 1819)

Термодинамиканың бірінші заңы – энергияның сақталу заңы деп атаса да болады. Бұл заң адамзаттың барлық іс- тәжірибелерінде және табиғаттың барлық құбылыстарында орындалады. Энергия негізінен бір-біріне өтіп тұратын екі формада болады:

1.Жылулық энергиясы.

2.Жұмыс энергиясы.

Сол себептен термодинамиканың бірінші заңы жылулық энергиясымен жұмыс арасындағы қатынастарды анықтайды. Әлбетте бұл қатынас жүйенің ішкі энергиясының немесе жүйенің жалпы энергиясының өзгерісі ∆U процесінде қаралады. Жекешеленген изоляцияланған жүйенің ішкі энергияның тұрақтылығының төмендегі қорытынды келіп шығады.

Жүйенің прцесс кезінде ішкі энергияның өзгеруі осы жүйеге берілген жылулық мөлшерімен осы жүйенің атқарған жұмысы арасындағы айырмашылыққа тең болады, яғни

∆U=Q─W

 

Бұл жерде ∆U- дененің ішкі энергияның өзгерісі, ал Q- жүйеге беретін жылулық, ал W- жүйенің атқарған жұмысы.

Q=∆U+W

 

Жүйеге берілген жылулық жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге жұмыс істеуге жұмсалады. Соңғы теңдеу термодинамиканың бірінші заңының матаматмкалық сипаттамасы саналады.

Термодинамиканың бірінші заңы былайша анықталады:

Жүйеге берілген жылулық, жүйенің ішкі энергиясын асыруға ∆U және сыртқы жұмыстар V- жұмыс орнындауға жұмсалады. Егерде жүйе өзгерісі өте кішкентай болса, бұл теңдецді былайша жазсақ болады:

δQ=dU+δW

 

δQ — өте аз мөлшердегі жылулық, dU — өте аз мөлшердегі ішкі энергияның өсуі,δW – элементар жұмыс.

Егерде жүйе бір жағдайдан екінші жағдайға өтетін болса, онда жүйенің ішкі энергиясы бір жағдайда өседі, кейбір жағдайда азаяды. Сол себептен ішкі энергия өзгерісі ∆U оң және теріс шамаларға ие болады.

Термодинамиканың бірінші заңының бірнеше анықтамалары бар, бірақ олардың барлығы бір түрлі мағынаны сипаттайды.

 

Физикада қоршаған ортамен жүйе шекарасы арқылы масса және энергия алмасу ерекшеліктеріне байланысты жүйелер 3 түрлі болып жіктеледі:

1.Изоляцияланған жүйелер қоршаған ортамен энергиямен де, массамен де алмаспайтын жүйелер.

2.Жабық жүйелер қоршаған ортамен тек энергиямен алмасып, затпен алмаспайтын жүйелер.

3. Ашық жүйелер қоршаған ортамен энергиямен де, затпен де алмасатын жүйелер.

 

Егер де дене Q — жылу мөлшерін қабылдаса, онда оның ішкі энергиясы осы мәнге өседі U = Q немесе басқа сөзбен айтқанда дене Q мөлшерде жылу қабылдаса белгілі бір жұмыс А орындай алады. Мыс, газдың көлемі ұлғайып, поршенді көтеруі мүмкін. Жылу қабылдаған дене жұмыс жасаса ішкі энергияның өсуі азырақ болады. Дененің ішкі энергиясының өзгеруі дене қабылдаған энергиямен жасалған жұмыстың айырмасына тең болады:

U = Q – A (1)

Немесе басқаша айтқанда жүйенің сыртқы ортадан алған жылуы оның ішкі энергиясын өсіруге және сыртқы күштерге қарсы жұмыс жасалуына жұмсалады.

Q = U + A(2)

Жұмыс сыртқы қысым күштеріне қарсы жұмыс және максималды пайдалы жұмыстан құралады.

A = *A_max + PdV(3)

Мұндағы *A_max –максималды пайдалы жұмыс, PdV— сыртқы қысым күш қарсы жұмыс.

• теңдеу термодинамиканың І-заңы д.а. Мұнда ешқандай жаңа физикалық идея жоқ.. Бұл тек энергияның санталу заңының жаңаша, ішкі энергияны ескере отырып, айтылатын түрі.Бұл заң- адамзаттың көп ғасырлық тәжірибесінің жалпы қорытындысы.