24.Термодинамикалық жүйе. Термодинамикалық параметрлер. Термодинамикалық процесс. Қайтымды және қайтымсыз процестер.

Термодинамикалық жүйе деп басқа денелермен өзара энергия және зат алмаса алатын бір немесе бірнеше денелер жиынтығын айтады.Газ күйін сипаттайтын макроскопиялық шамаларды газдың термодинамикалық параметрлері деп атайды.Газдың ең маңызды термодинамикалық параметрлері оның V көлемі, p қысымы, Т температурасы болып табылады.Егер газдың белгілі бір m массасын алатын болсақ, онда тұрақты p, V және T кезінде газ тепе-теңдік күйде болады. Осы параметрлер өзгерген кезде газда қандай да бір процесс өтіп жатады. Егер осы процесс бірінің артынан бірі ілескен газдың тепе-теңдік күйлерінің қатарынан тұратын болса, онда бұл процесс тепе-теңдік процесс деп аталады. Тепе-теңдңк процесс өте баяу өтуі тиіс, себебі параметрлердің өте тез өзгерісі кезінде газдың қысымы мен температурасы оның көлемінің барлық нүктелерінде сәйкес түрде бірдей мәндер қабылдап үлгере алмайды. Газдағы процесс аяқталған кезде газ жаңа күйге өтеді, ал оның параметрлері өздерінің бастапқы мәндерінен өзгеше болатын жаңа мәндерді қабылдайды. Егер тұрақты масса кезінде газдың барлық параметрлерінің мәндері процестің басында және ақырында бірдей болып шықса, онда процесс дөңгелек немесе тұйықталған процесс деп аталады. Қайсыбір праметрлердің процестің басындағы және ақырындағы мәндерінің арасындағы байланысты тағайындайтын қатынас газ зағы деп аталады. Газдың барлық үш параметрлерінің арасындағы байланысты өрнектейтін заң біріккен газ заңы деп аталады. Тағы бір айта кететін нәрсе, газдың бір ғана параметрі өзгеретін процесс кездеспейді, себебі барлық параметрлердің мәндері өзара байланысты болады. р және Т арасындағы байланысты өрнектейтін Шарль заңы осының мысалы бола алады.Қайтымды процесс деп екі бағытта да өте алатын процесті айтамыз, бірақ процесс әуелі бір бағытта өтіп, сонан кейін кері бағытта өткен болса, онда система, айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер болмастан, бастапқы күйіне оралуға тиіс.Қайтымды процеске мысал келтірейік. Абсолют серпімді ауыр шар көлбеу жазықтыққа А нүктесінде бекітулі тұрған болсын. Көлбеу жазықтық жиегіне қозғалмастай оған нормаль етіліп абсолют серпімді қабырға (қалқан) орнатылған делік. Егер шарды босатып жіберсек, ол көлбеу жазықтықтың бетімен домалап барып В қабырғасына соғылады да, ол қабырғадан серпіліп, қайтадан көлбеу жазықтықпен домалап, А нүктесіне келеді. Бұл жерде процесс бүтіндей қайталап отыр: айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер болмастан, шар қайтадан А нүктесіне оралды.

Жалпы алғанда, үйкеліссіз өтетін және серпімсіз соқтығысулар қатыспайтын нағыз механикалық процестердің барлығын да қайтымды процесс деп айтуымызға болады. Қайтымсыз процесс деп оған кері процесс анағұрлым күрделі процестің кезеңдерінің( буындарының) бірі ретінде ғана өте алатын процест айтады. Сөйтіп, қайтымсыз процестер үшін олардың қай бағытта өтетіндігінің үлкен мәні бар. Бір бағытта, оны біз “оң” бағыт деп айтатын боламыз, бұл процестер “өздігінен” өтеді, яғни тұйықталған системада өтіп отырған бірден-бір ғана процесс бола алады. Екінші, қарама-қарсы бағытта, оны біз “теріс” бағыт деп атайтын боламыз, ол процестер басқа “оң” процеспен селбесіп қана өте алады. Мысалы, жылудың ыстық денеден суық денеге көшуі (жылу өткізгіштік құбылысы) қайтымсыз процесс болып табылады. Денелердің температураларының теңелуіне келіп тірелетін бұл процесс те “өздігінен” өтеді, яғни тұйықталған системада өтетін бірден-бір процесс бола алады. Ал бұған кері “теріс” процесс- суық денеден жылудың ыстық денеге көшуі-“өздігінен” болмайды. Суытқыш машинаны пайдаланғанда жылу суығырақ денеден ыстығырақ денеге көшу үшін мұнымен қатар “оң” процестің өтуі қажет, бұл процесте А жұмыс істелініп, ол жұмыс қыздырғышқа берілетін ŋQ жылу мөлшеріне айналады.

25. Адиабаталық процесс. Пуассон теңдеуі.

Система мен оның айналасындағы денелер арасында жылу алмасуыболмаған жағдайда система күйінің өзгеруін адиабаталық өзгеріс деп атайды. Адиабаталық процесте система сырттан жылу алмайды және өзі де сыртқы денелерге жылу бермейді. Адиабаталық процесте система сырттан жылу алмайды және өзі де сыртқы денелерге жылу бермейді. Процесс адиабаталы түрде өту үшін система ешбір жылу өткізбейтін қабырғалармен қоршалған болу керек. Мұндай қабырғалар жасауға болмайтындықтан, әрбір нақты процесс адиабаталық процестерге азды-көпті жақын түрде ғана өтуі мүмкін. Практика жүзінде адиабаталық процестерге жақын процестер деп соншалықты шапшаң өтіп, сыртқы денелермен жылу алмасу ескерерліктей дәрежеге жете алмайтын процестерді айтуға болады.Газдың көлемі адиабаталық жағдайда өзгеретін болу үшін, жылу изоляциясы мейлінше (идеал) жақсы болуға тиіс; газдың жұмысы оның ішкі энергиясының есебінен орындалады; көлемі ұлғайғанда газ суиды да, сығылғанда қызады. Адиабаталық прцесс кезінде идеал газдың параметрлерін байланыстырып тұратын теңдеуді табайық. Термодиеамиканың бірінші бастамасының теңдеуіне идеал газ үшін dU өрнегін қоямыз:

d´Q_vdT+pdV

Адиабаталық процесс үшін d´ Q болғандықтан,

_vdT+pdV=0 (1)

Шарты орындалуы тиіс.

Енді p-ні идеал газдың күй теңдеуіне сәйкес V және Т арқылы анықтаймыз:

P=

Мұны (1) –ге қоямыз. Нәтижесінде нольден ерекше көбейткішіне қысқартып, мынаны аламыз:

_vdT+

Алынған өрнекті былайша түрлендіреміз:

Соңғы қатынасты

d(lnT+

түрінде жазуға болады, осыдан адиабаталық процесс кезінде

lnT+=const (2)

екендігі шығады.

Идеал газ үшін С_р – С_v= Rекендігін ескерсек, R/C_v қатынасын γ – 1-мен алмастыруға болады, мұндағы γ=C_p/_v . (2) – де осындай түрлендіру жүргізіп және алынған шаманы потенцирлеп,

ТVγ^-1= const (3)

теңдеуіне келеміз. Табылған қатыс Т және V айнымалыларда идеал газдың адиабаталық теңдеуі болып табылады.Бұл теңдеуден идеал газдың теңдеуіне сәйкес Т-ні Р және V арқылы өрнектеп, р және V айнымалылары арқылы жазылған теңдеуге өтуге болады:

T=

Т-нің мәнін (3)- ке қойып және р және V шамаларының тұрақты екенін ескере отырып, мынаны аламыз: р Vγ=const^-1 (4)

(4) қатысы р және V айнымалылары арқылы жазылған идеал газ адиабатасының теңдпеуі болып табылады. Оны Пуассон теңдеуі деп те атайды.

Адиабатаның (4) теңдеуін изотерманың теңдеуімен салыстырудан адиабатаның изотермаға қарағанда тезірек өтетінін көреміз. Изотерма мен адиабата үшін – ның бір ғана (р,) нүктедегі мәнін есептеп шығарайық.

Формуланы дифференциалдасақмына теңдеуді аламыз:

pdV + Vdp= 0

Осыдан изотерма үшін мынаны аламыз:

.

(4) – ті дифференциалдасақ былай болады:

pγV^γ-1dV+ V^γdp=0

Cонымен, адиобатаның көлбеу бұрышының тангенсі изотерманікінен γ есе артық болады екен.

Жоғарыда барлық уақыттарда да, газдың күйі әрбір мезетінде р және Т параметрлерінің белгілі мәндерімен сипатталады, яғни, басқа сөзбен айтқанда, қарастырылып отырған адиабаталық процесс тепе-теңдікте өтеді деп ұйғардық.Біз білетіндей, тек өте баяу өтетін процесс қана тепе-теңдіктегі процесс бола алады. Сонымен қатар табиғатта жылуды мүлдем өткізбейтін заттар болмайтындықтан, процесс неғұрлым аз уақытқа созылса, системның қоршаған ортамен алмасатын жылу мөлшері адиабаталық процесске жуық болады. Мұндай прцестің мысалына дыбыс толқыны таралған газдың әрбір нүктедегі сығылуы мен ұлғаюы жатады.Үлкен көлемнің шегінде бұл кездегі газ күйін тепе-теңдікте әрбір мейлінше аз көлем үшін газ күйі (4) адиабата теңдеуін толық қанағаттандырады.