29. Изопроцесстер және олардың графиктері

Параметрлерiнiң бiрiнiң шамасы өзгерiссiз өтетiн процестердi изопроцестер деп атайды. Газдың үшiншi параметрi тұрақты болған кездегi екi параметрi арасындағы мөлшерлiк байланысты (тәуелдiлiктi) газ заңдары деп атайды.

Идеал газ күйiнiң теңдеуiне сүйенiп изопроцестердiң негiзгi түрлерiнiң физикалық құбылыстарын қарастырайық.

Температура тұрақты болған кезде термодинамикалық жүйе күйiнiң өзгеру процесiн изотермиялық процесс деп атайды. Бұл процесс Бойль - Мариотт заңмен жазылады:

PV = const

Газ температурасын тұрақты ұстау үшiн, оның температурасын өзгертпейтiндей етiп жылуалмасып тұратын жүйе – термостат қажет. Әйтпесе, газ сығылғанда немесе созылғанда оның температурасының өзгерiсi елеулi.Изотермиялық процестiң (P,V) жазықтығындағы графигi, мзотерма деп аталатын, гиперболаны бередi (1.10 - сурет).

Қысым тұрақты болған кезде термодинамикалық жүйе күйiнiң өзгеру процесiн изобаралық процесс деп атайды. Егер ыдыста газ қысымы тұрақты болуы үшiн, оның қабырғалары жылжымалы (қозғалмалы) болуы керек. Изобаралық процестiң (V,Т) жазықтығындағы графигi, мзобара деп аталатын, түзу сызықты бередi (1.11 – сурет)

Көлем тұрақты болған кезде термодинамикалық жүйе күйiнiң өзгеру процесiн изохоралық процесс деп атайды. Егер газ герметикалық ыдыста болса, онда газ көлемi тұрақты болады. Изохоралық процестiң (P,T) жазықтығындағы графигi, мзохора деп аталатын, түзу сызықты бередi (1.12 - сурет)

30.Идеал газдың жылусыйымдылығы. Карно циклы. Карно теоремасы.

Идеал газдың молекулалары қашықтықтан әрекеттеспейтін болғандықтан, мұндай газдың ішкі энергиясы жеке молекуллардың энергияларының қосындысынан тұрады. Демек, идеал газдың бір киломольның ішкі энергиясы Авогадро санын бір молекуланың орташа энергиясына көбейткенге тең:

U_kм =N_A² = N_AkT=(1)

Массасы m газдың ішкі энергиясы газдың бір молінің энергиясын m массадағы киломолдердің санына көбейткенге тең болады :

U=U_kм= (2)

Қандай да бір дененің жылу сыйымдылығы деп оның температурасын бір градусқа көтеру үщін керекті жылу мөлшеріне тең шаманы айтады. Егерде денеге берілген d'Q жылу мөлшері оның температурасын dТ шамасына арттыратын болса, анықтама бойынша жылу сыйымдылық: C_дене=(3)

Бұл шаманың өлшем бірлігі дж̸град. Заттың киломолінің жылу сыйымдылығын С әрпімен белгілейміз.С нің өлшем бірлігі дж̸град∙ кмоль.

Заттың бірлік массасының жылу сыйымдылығы меншікті жылу сыйымдылық деп аталады. Оны біз с әрпімен белгілейміз, өлшем бірлігі дж̸град∙ кг

Заттың киломолінің жылу сыйымдылығы мен осы заттың меншікті жылу сыйымдылығының арасында төмендегідей қатынастың болытыны анық: c=C/μ (4)

Жылу сыйымдылығының шамасы денені қыздыру шарттарына тәуелді болады. Қыздыруды көлем немесе қысым тұрақты болған жағдайда жүргізгендегі жылу сыйымдылықтың айрықша маңызы бар. Бірінші жағдайда жылу сыйымдылық- тұрақты көлем кезіндегі жылу сыйымдылық (Сν деп белгіленеді), екінші жағдайда – тұрақты қысым кезіндегі жылу сыйымдылық (Сρ деп белгіленеді) деп аталады.

Егер қыздыру тұрақты көлем кезінде болатын болса, онда дене сыртқы денелерге қарсы жұмыс жасамайды, сондықтан термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша барлық жылу дененің ішкі энергиясын арттыруға жұмсалады: d´Qv=dU (5)

Бұл өрнекте көлем тұрақты болған кезде кез келген дененің жылу сыйымдылығының мынадай болатындығы шығады: C_v=(6)

Демек, тұрақты көлемде идеал газдың киломолінің жылу сыйымдылығын алу үшін газдың ішкі энергиясының (1) өрнегін температура бойынша дифференциялдау керек:

Осы өрнектен көріп отырғанымыздай, тұрақты көлемде идеал газдың жылу сыйымдылығы газ күйінің параметрлеріне, олардың ішінде температураға, тәуелсіз тұрақты шама болып шықты. Осы өрнекті ескерсек, идеал газдың ішкі энергиясының өрнегі мынадай болады: U_kм =C_vT (8)

Егер газды қыздыру тұрақты қысымда өтетін болса, онда газ ұлғаяды да сыртқы денелерге оң жұмыс жасайды. Демек, бұл жағдайда газдың температурасын бір градусқа арттыруға тұрақты көлем кезіндегіге қарағанда жылу керек болады, өйткені жылудың бір бөлігі газдың істейтін жұмысына кетеді. Сондықтан, тұрақты қысымдағы жылу сыйымдылық тұрақты көлемдегі жылу сыйымдылықтан артық болуы керек.

Карно циклы.

Сурет:Карно циклы.

Карно циклы: a)- тік; б)- кері.

Карно циклы екі изотермиядан 1-2 және 3-4 және екі адиабаттан 2-3 және 4-1 тұрады.1-2 жолының жылуберуші тұрақты температураға T1, мөлшерлі жылулық (q1) жеткізіледі, 3-4 жолымен (q2) жылулық T2 тұрақты температурасымен жылу алмастырушыға алып кетіледі. Kepi Карно циклын іске асыру үшін, барлығы екі жылулық көзі қажет - жылу беруші және жылу қабылдағыш.Изотермиялық процесстегі, меншікті жылулық мөлшері q1 формулаға сәйкес жазылады:

• q1 = RT1 ln(V2/V1)

• q2 = RT2 ln(V3/V4)

Бұл теңдеуден 2-3 адиабаттар үшін табамыз:

• T2/T1 = (V2/V3)k-1

Ал, теңдеу 4-1 адиабаттар үшін:

• T2/T1 = (V1/V4)k-1

Бұдан, V2/V1 = V1/V4 немесе V2/V1 = V3/V4

Жылудинамикасының бірінші заңына сәйкес, алынған l меншікті жұмыс эквивалентті, яғни q1 - q2 = l, ал формулалар Карно пропорциясы деп аталуымен анықталады:q1/T2 = q2/T2

Бұдан:l = q1(1 - q2/q1) = q1(1-T2/T1).

Карно, шексіз жай ағатын (үйкелістен жоғалуы) 1-2-3-4 процессті қарастырған, сол себептен жұмысшы заттар механикалық тепе-теңдікте болады. Бұдан басқа, жұмыстық денемен температура көзі Т1 арасындағы, 1-2 изотерма бойында және Т2, 3-4 бойында шексіз аздаған температура айырмашылығы бар. Сонымен, термиялық тепе-теңдік сақталады. Сондықтан, цикл, қайтымды деп саналады. Бұл циклды, Карноның идеалды циклы деп атайды.

Карно теоремасы.

Бірінші теоремасы:жылулық қозғалтқыштың пайдалы әсер коэффициенті туралы теорема. Оны француз оқымыстысы Н.Л.С. Карно (1796 – 1832) тұжырымдаған (1824). Карно теоремасы бойынша Карно циклінің пайдалы әсер коэффициенті [η=(T1–T2)/T1, мұндағы T1 – қыздырғыштың температурасы, T2 – суытқыштың темп-расы] жұмыстық дененің табиғатына және жылулық қозғалтқыштың құралымына тәуелді болмайды, ол тек қыздырғыш (T1) пен суытқыштың (T2) температураларымен ғана анықталады. пайдалы әсер коэффициенті термодинамиканың екінші бастамасын тұжырымдау кезінде маңызды рөл атқарды;

Екінші теоремасы:соққы теориясында – абсолют серпімсіз соққы кезіндегі кинетикалық энергияның кемуі жайлы теорема.Соққы кезіндегі жүйенің кинетикалық энергиясының кемуі, жүйе нүктелерінің кеміген жылдамдықпен қозғалған кезіндегі кинетикалық энергиясына тең.

31. Пайдалы әсер коэффициенті. Термодинамиканың екінші бастамасы. Термодинамиканың екінші бастамасы — статистикалық нысандардың (мысалы, атомбеидардың, молекулалардың) үлкен санынан тұратын жүйелердің өз бетінше ықтималдығы аздау күйден ықтималдығы молырақ күйге ауысу процесін сипаттайтын табиғаттың түбегейлі заңы. Термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша энергия сақталады. Энергияның сақталу заңы орындалатын, бірақ табиғатта бақыланбайтын коптеген процестерді кездестіруге болады. Мысалы, ыстық денені салқын денемен жанастырсақ, онда жылу әрқашанда ыстық денеден салқын денеге өтеді. керісінше ешуақытта да болмайды. Егер де жылу салқын денеден ыстық де-неге өткен жағдайда да энергия сақталған болар еді, бірақ мұндай процесс тіптен мүмкін емес. Енді лақтырылған тасты қарастырайық. Ол Жер бетіне құлап түседі. Тас түсіп келе жатқан кезде оның бастапқыдағы потенциалдық энергиясы бірте-бірте кинетикалық энергияға айналып отырады. Ал тас Жер бетІне жеткен кезде, оның кинетикалық энергиясы тас пен Жердің ішкі энер-гиясына айналады (бұл дегеніміз осы денелердің молекулалары жеделірек қозғала бастайды, ал олардың температурасы сәл-пәл көтеріледі дегенді білдіреді). Бірақ ешкім күнІ бүгінге дейін тастыд молекулаларының жылулық қозғалысы энергиясының оның кинетикалық энергиясына айналуының арқасында қайтадан көкке котерілгенін коре алған емес. Мүндай процесс кезінде де энергия сақталар еді, бірақ процесс табиғатта кездеспейді. Табиғатта бола алатын, бірақ оларға кері процесстер таоиғатта мүмкін болмайтын басқа да талай мысалдарды келтіруге болады. Келтірілген мысалдардағы кері процестер дс отетін болса, олар энергия-ның сақталу заңына ешқандай залал келтіре алмас едІ, энергияның сақталу заңы орындалған болар еді, яғни термодинамиканың бірінші бастамасы орын-далар сді.Процестердің қайтымсыздығын түсіндіру үшін ғалымдар откен ғасырдың екінші жартысында термодинамиканың екінші бастамасы деп аталатын жаңа заңды түжырымдады. Бұл заң бойынша табиғатта қандай процестердің мүмкін, ал қандай процестердің мүмкін болмайтындығын айтып беруге болады. Термодинамиканың екінші бастамасын бірнеше түрде түжырымдауға болады, олардың барлығы да өзара эквивалентті, тең баламалы. Ондай тұжырымдамалардың біреуін Р.Клаузиус берді: табиғи жағдайларда жылу ыстық денеден салқын денеге өтеді, ал салқын денеден ыстық денеге жылу өз бетімен берілмейді. Бүл айтылған тоқтам тек белгілі түрдегі процеске ғана жататын болғандыктан, оны басқа түрдегі процестерге қалай қолдану керек екендігі түсініксіз.Басқа түрдегі процестерді де қамти алатын жалпыламырақ тұжырымдама кажет болды.

Пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) – жүйенің (механизмнің) энергияны түрлендіру немесе басқа денеге беру тиімділігін сипаттайтын шама. Ол көбінесе грек әрпі η -мен (этта) белгіленіп, мына өрнек арқылы анықталады:η=A/Q=Q1*Q2/Q

Термодинамиканың екінші заңына сәйкес жылу қозғалтқыштарының Пайдалы әсер коэффициенттерінің Полужирное начертание ең жоғарғы мәні Карно циклі бойынша анықталады. Машиналардың (әр түрлі қондырғылардың) Пайдалы әсер коэффициенті олардың әрбір элементтерінің жылулық, механикалық т.б. Пайдалы әсер коэффициенттері мен оның экономиялық, техникалық, т.б. Пайдалы әсер коэффициенттеріне ажыратылады. Жүйенің (механизмнің) толық Пайдалы әсер коэффициенті оның дербес элементтерінің Пайдалы әсер коэффициентінің көбейтіндісіне тең:

η = (An+1)/A1 = η1ˑ η2 ˑ...ˑ ηn = ηi

“ Пайдалы әсер коэффициенті ” ұғымы өзінің жалпылама қасиетіне байланысты әр түрлі қондырғыларды (атомдық реакторлар, электр генераторлары, жылу қозғалтқыштары, жартылай өткізгіш құрылғылар, биологиялық объектілер, т.б.) қуаты мен тиімділігіне қарай бір-бірімен салыстыруға мүмкіндік береді.