Термодинамика физиканын маанилүү тармагы. Анын жетишкендиктери технологиялык доордун пайда болушуна алып келди жана акыркы 300 жылдагы адамзат тарыхынын багытын негизинен аныктады деп ишенимдүү айта алабыз. Макалада термодинамиканын биринчи, экинчи жана үчүнчү мыйзамдары жана алардын практикада колдонулушу талкууланат.
Термодинамика деген эмне?
Термодинамиканын мыйзамдарын формулировкалоодон мурун физиканын бул бөлүмү эмне кыларын аныктап алалы.
"Термодинамика" сөзү грек тилинен алынган жана "ысыктан улам кыймыл" дегенди билдирет. Башкача айтканда, физиканын бул тармагы ар кандай процесстерди изилдөө менен алектенет, анын натыйжасында жылуулук энергиясы механикалык кыймылга жана тескерисинче айланат.
Термодинамиканын негизги мыйзамдары 19-кылымдын ортосунда түзүлгөн. «Кыймыл жана жылуулук» илими бүтүндөй системанын жүрүм-турумун бүтүндөй карап, анын макроскопиялык параметрлеринин – температуранын, басымдын жана көлөмдүн өзгөрүшүн изилдеп, анын микроскопиялык түзүлүшүнө көңүл бурбайт. Мындан тышкары, алардын биринчиси мыйзамдарды иштеп чыгууда негизги ролду ойнойтфизикадагы термодинамика. Алар эксперименталдык байкоолордон гана алынганын белгилей кетүү кызык.
Термодинамикалык системанын түшүнүгү
Бул бир бүтүн катары каралуучу атомдордун, молекулалардын же башка элементтердин кандайдыр бир тобун билдирет. Бардык үч мыйзам термодинамикалык деп аталган система үчүн түзүлгөн. Мисалдар: Жердин атмосферасы, ар кандай тирүү организм, ичинен күйүүчү кыймылдаткычтагы газ аралашмасы ж.б.
Термодинамикадагы бардык системалар үч типтин бирине кирет:
- Ачык. Алар айлана-чөйрө менен жылуулукту да, затты да алмаштырышат. Мисалы, эгер тамак казандын ичинде ачык отто бышырылса, анда бул ачык системанын ачык мисалы, анткени казан энергияны сырткы чөйрөдөн (оттон) алат, ал эми өзү жылуулук түрүндө энергия чачат. андан суу да бууланат (зат алмашуу).
- Жабык. Мындай системаларда чөйрө менен зат алмашуу болбойт, бирок энергия алмашуу жүрөт. Мурунку учурга кайтуу: чайнекти капкак менен жаап койсоңуз, жабык системага ээ боло аласыз.
- Изоляцияланган. Бул тегеректеги мейкиндик менен зат же энергия алмашпаган термодинамикалык системалардын бир түрү. Мисал катары ысык чай салынган термосту алсак болот.
Термодинамикалык температура
Бул түшүнүк курчап турган денелерди түзүүчү бөлүкчөлөрдүн ылдамдыгын чагылдырган кинетикалык энергиясын билдиретбөлүкчөлөрдүн туш келди кыймылы. Ал канчалык чоң болсо, температура ошончолук жогору болот. Демек, системанын кинетикалык энергиясын азайтуу менен биз аны муздатабыз.
Бул түшүнүк бөлүкчөлөрдүн баш аламан кыймылынын ылдамдыгын чагылдырган курчап турган денелерди түзгөн бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясын билдирет. Ал канчалык чоң болсо, температура ошончолук жогору болот. Демек, системанын кинетикалык энергиясын азайтуу менен биз аны муздатабыз.
Термодинамикалык температура Кельвинде SI (Эл аралык бирдик системасы) менен туюнтулган (бул шкаланы биринчи жолу сунуштаган британ окумуштуусу Уильям Келвиндин урматына). Термодинамиканын биринчи, экинчи жана үчүнчү мыйзамдарын түшүнүү температуранын аныктамасысыз мүмкүн эмес.
Кельвин шкаласы боюнча бир градуска бөлүнүү да Цельсий боюнча бир градуска туура келет. Бул бирдиктердин ортосундагы конверсия төмөнкү формула боюнча жүргүзүлөт: TK =TC + 273, 15, мында TK жана TC - тиешелүүлүгүнө жараша кельвин жана Цельсий даражасындагы температуралар.
Кельвин шкаласынын өзгөчөлүгү - анын терс маанилери жок. Андагы нөл (TC=-273, 15 oC) системанын бөлүкчөлөрүнүн жылуулук кыймылы толугу менен жок болгон абалга туура келет, алар "тоңуп калган" окшойт.
Энергиянын сакталышы жана термодинамиканын 1-закону
1824-жылы француз инженери жана физики Николас Леонард Сади Карно тайманбастык менен физиканын өнүгүшүнө гана алып келбестен, технологияны өркүндөтүүдөгү чоң кадамга айланган тайманбастык менен сунуш кылган. Анынтөмөнкүчө формулировкалоого болот: "Энергияны жаратууга же жок кылууга болбойт, аны бир абалдан экинчи абалга гана өткөрүүгө болот."
Чындыгында Сади Карнонун фразасында термодинамиканын 1-законунун негизин түзгөн энергиянын сакталуу мыйзамы коюлган: «Система качан сырттан энергияны кабыл алса, аны башка формаларга айландырат, негизгиси алар жылуулук жана механикалык."
1-мыйзамдын математикалык формуласы төмөнкүчө жазылган:
Q=ΔU + A, бул жерде Q – чөйрөнүн системага өткөргөн жылуулук көлөмү, ΔU – бул системанын ички энергиясынын өзгөрүшү, A – кемчиликсиз механикалык иш.
Адиабаттык процесстер
Алардын жакшы мисалы болуп тоонун боорлорунда аба массаларынын кыймылы саналат. Мындай массалар абдан чоң (километр же андан көп), ал эми аба сонун жылуулук изолятору болуп саналат. Белгиленген касиеттер кыска убакыттын ичинде пайда болгон аба массалары менен ар кандай процесстерди адиабаттык деп кароого мүмкүндүк берет. Аба тоо боорунан көтөрүлгөндө анын басымы төмөндөйт, кеңейет, башкача айтканда, механикалык иштерди аткарат жана натыйжада муздайт. Тескерисинче, аба массасынын ылдый карай жылышы андагы басымдын жогорулашы менен коштолот, ал кысылып, ушундан улам абдан ысык болуп калат.
Мурунку бөлүмдө талкууланган термодинамикалык мыйзамдын колдонулушу адиабаттык процесстин мисалында эң оңой көрсөтүлөт.
Аныктамага ылайык, анын натыйжасында энергия алмашуу болбойт.чөйрө, башкача айтканда, жогорудагы теңдемеде Q=0. Бул төмөнкү туюнтмага алып келет: ΔU=-A. Бул жерде минус белгиси системанын өзүнүн ички энергиясын азайтуу аркылуу механикалык жумуш аткарарын билдирет. Ички энергия системанын температурасына түздөн-түз көз каранды экенин эстен чыгарбоо керек.
Жылуулук процесстеринин багыты
Бул чыгарылыш термодинамиканын 2-законуна арналган. Температурасы ар башка болгон эки объектти байланыштырсаңыз, муздак дайыма ысып, ысык болсо муздап каларын ар бир адам байкаган. Эсиңизде болсун, тескери процесс термодинамиканын биринчи мыйзамынын алкагында болушу мүмкүн, бирок ал практикада эч качан ишке ашпайт.
Бул процесстин (жана Ааламдагы бардык белгилүү процесстердин) кайтарылбастыгынын себеби системанын ыктымалдуу абалга өтүшү. Каралып жаткан мисалда ар кандай температурадагы эки дененин контакты эң ыктымалдуу абал системанын бардык бөлүкчөлөрү бирдей кинетикалык энергияга ээ болгон абал болот.
Термодинамиканын экинчи мыйзамын төмөнкүчө формулировкалоого болот: «Жылуулук эч качан муздак денеден ысык денеге өзүнөн-өзү өтүп болбойт». Эгерде энтропия түшүнүгүн тартипсиздиктин өлчөмү катары киргизсек, анда аны төмөнкүчө чагылдырууга болот: "Кандай гана термодинамикалык процесс энтропиянын өсүшү менен жүрөт".
Жылуулук кыймылдаткычы
Бул термин ага тышкы энергиянын берилишинен улам механикалык иштерди аткара ала турган система катары түшүнүлөт. Биринчижылуулук машиналары буу машиналары болгон жана 17-кылымдын аягында ойлоп табылган.
Алардын эффективдүүлүгүн аныктоодо термодинамиканын экинчи мыйзамы чечүүчү роль ойнойт. Сади Карно дагы бул аппараттын максималдуу эффективдүүлүгүн аныктады: Натыйжалуулук=(T2 - T1)/T2, бул жерде T2 жана T1 жылыткыч менен муздаткычтын температурасы. Механикалык жумуш ысык денеден муздак денеге жылуулук агымы болгондо гана аткарылат жана бул агымды 100% пайдалуу энергияга айландыруу мүмкүн эмес.
Төмөнкү сүрөттө жылуулук кыймылдаткычынын иштөө принциби көрсөтүлгөн (Qabs - машинага берилген жылуулук, Qced - жылуулукту жоготуу, W - пайдалуу иш, P жана V - поршендеги газдын басымы жана көлөмү).
Абсолюттук нөл жана Нернсттин постулаты
Акыры, термодинамиканын үчүнчү мыйзамын кароого өтөбүз. Нернсттик постулатты (20-кылымдын башында биринчи жолу түзгөн немис физигинин аты) деп да аташат. Мыйзам мындай дейт: "Абсолюттук нөлгө процесстердин чектүү саны менен жетүүгө болбойт". Башкача айтканда, бир заттын молекулаларын жана атомдорун толугу менен «тоңдуруу» эч кандай жол менен мүмкүн эмес. Мунун себеби - айлана-чөйрө менен дайыма болгон жылуулук алмашуу.
Термодинамиканын үчүнчү мыйзамынан алынган бир пайдалуу тыянак абсолюттук нөлгө карай жылыган сайын энтропия азаят. Бул система өзүн уюштурууга умтулат дегенди билдирет. Бул факт болотмисалы, парамагнетиктерди муздаганда ферромагниттик абалга өткөрүү үчүн колдонуңуз.
Белгилей кетчү нерсе, буга чейин жеткен эң төмөнкү температура 5·10−10 К (2003, MIT лабораториясы, АКШ).
