Здігінен жүретін және өздігінек жүрмейтін процесстер. .Термодинамиканың екінші заңы:анықтамлары, мәні .Карно циклі

Термодинамиканың бірінші заң ы табиғ аттағ ы ө здігінен жү ретін процесстердің бағ ыты туралы ешқ андай мә лімет (тү сінік) бермейді. Бірінші бастамағ а қ арап изоляцияланғ ан жү йеде қ андай бір процесстер жү ретінін элде жү рмейтінін анық тауғ а болмайды.

Ал термодинамиканың 2-заң ы болса, ө здігінен жү ретін процесстердің бағ ытын кө рсетіп, бірінші заң мен бірге термодинамикалық тепе-тең дік жағ дайында ә р тү рлі жү йелердің макроскопиялық параметрлерінің арасындағ ы тура сандық қ атынастарды орнық тырады.

Термодинамиканың 2-бастамасын ең алғ аш ашып, оны зерттеген С.Карно (1824) болды. Ол жылудың жұ мысқ а айналу шарттарын зерттеп мынадай қ орытындығ а келді - жылу машиналарындағ ы жылу кә зінен алынатын жылу мө лшері толыгымен жұ мысқ а айналмай бір бө лігі тоң азытқ ышқ а беріледі. Егер жылу кө зінен алынғ ан жылуды (Q2 десек - (Q 1 - Q 2)-сы жұ мысқ а айналғ ан жылуды береді W. Пайдалы ә сер коэффициентін былай кө рсетуге болады:

η = (Q 1 - Q 1Q2)/ Q1=W /Q 1

Жылу машинасының п.э.к-і дене табигатына байланысты болмай теқ температура аралығ ымен (интервал) анық талады (Карно - Клаузиус теоремасы). Бұ л теорема математика тү рінде:

η = (Т 1 - Т2)/ Т1 (2)

Т1 - жылу кө зі температурасы

Т2 - тоң азытқ ыш температурасы.

а) Клаузиус тұ жырымы (2)-пен келіседі (1850).

Жылу ө здігінен салқ ын денеден ыстық денеге ө тпейді.

б) Освальд тұ жырымы:

Екінші теқ ті ө мірлік двигатель болмайды.

Екінші теқ ті двигатель деп барлық жылуды жұ мысқ а айналдыратын жылу машиналарын айтады.

Айналмалы (круговой) процессте жылуды толығ ымен жұ мысқ а айналдыруғ а болмайды деген термодинамиканың 2-заң ының тұ жырымы бар.

Молекулалардың ретсіз жылулық қ озғ алыстың багытты қ озғ алысқ а айналу, ық тималдығ ы ө те аз, ал керісінше жү ру ық тималдығ ы кө п (жұ мыс толығ ымен жылуғ а айналады). Газ ө здігінен сығ ылмайды, керісінше ұ лғ аяды. Молекулалардың ретсіз қ озғ алысының табиғ илығ ы энергияның ә р тү рінің жылуғ а ө туінің, ал жылу, аз жылығ ан денеге берілуінің себебімен тү сіндіріледі. Бұ л процесстер ө здігінен жү реді, табиғ и жә не қ айтымсыз. Бұ дан мынадай қ орытынды шығ аруғ а болады. Ө здігінен жү ретін, процесстер жылу энергиясының шашырауымен жү реді де оны сандық жағ ынан бір термодинамикалық функциямен сипаттайды.

Термодинамиканың екінші заң ы: кез келген денедегі жылуды басқ а қ осымша ә рекет етпестен, тек салқ ындату салдарынан ғ ана жұ мысқ а айналдыруғ а болмайды.

Термодинамиканың екінші заң ында жиі кездесетін ө рнектер мен ойларды, тең деулер мен қ орытындыларды, анық тамалар мен тұ жырымдарды жә не олармен байланысты кө птеген жайларды қ арастырғ анда Карно циклі қ ажет болады. Мұ ндағ ы жұ мысшы дене – бір моль идеал газ. Циклде қ арастырылатын барлық процестер қ айтымды. Цикл- белгілі уақ ытта орындалғ ан жұ мыстың жиынтығ ы. Сонымен Карно циклінде де барлық басқ а циклді процестер сияқ ты ішкі энергияның айырмасы нольге тең: ∆ U=O. Карно циклін жү ргізген кезде, осы системадағ ы жұ мысшы дене (Q₁-Q₂) жылуын қ абылдап алады жә не мұ ның салдарынан жұ мыс (А) атқ арады.

Бұ л функцияны 1865 жылы Клаузус энтропия - деп атап S ә ріпімен белгіледі. Энтропияның математикалық ө рнегі Карно циклынан алынды.

Циклдік процесстердің графиктік кө рінісі мына суретте берілген.

Температурасы Т1 қ ыздырғ ыштан жұ мысшы дене Q 1 жылу алып изотермиялық ұ лғ аяды (АВ) да W1 жұ мыс жасайды, ары қ арай газ адиабатты ұ лғ аяды (жылу берілмейді) (ВС) да температура Т2-ге тө мендейді, мұ ндағ ы жұ мыс W2 тең.

Содан кейін газдың екі сығ ылу процессі жү реді: изотермиялық сығ ылу (СД) Т2 температурада, нә тижесінде газ - қ абылдағ ышқ а Q 2 жылу береді жә не адиабатты сығ ылу (ДА) газ температурасын Т1 дейін кө тереді. Сығ ылу процесінде W3 жә не W4 деген жұ мыстар істелінеді. Бұ л процесстердің барлығ ы да қ айтымды.

Карно циклінде ∆ U=0, жұ мысшы дене Q 1 - Q 2(W2 – W4) жылу алып жә не W = W1 – W3 жұ мыс істелінді.

Цикл тиімділігі п.э.к. - мен сипатталады.

Екі адиабаттық процесстер ү шін, адиабат тең деуін қ олдануымызғ а

болады V2 ден V3, жә не V4 тең V1.

жә не .

Екі изотермиялық процесстер ү шін V1 ден V2, жә не V3 тен V4 дейін Бойль заң ын қ олданамыз:

жә не .

Осы 4 тең деуді біріктіріп шешкенде V1/V2 = V3/V4 (3)

Изотермиялық процесс жұ мысы

W = RT ln(Vсоң./Vбаст.) (4)

Сонда W1 = Q1 = RT1 ln(V2./V1.)

W3 = Q2 = RT2 ln(V4./V3.)

(3) -тең дікті ескеріп, жұ мысты табамыз

W= W1 – W3 = R(Т1 - Т2) ln \(V2./V1.) (5)

п.э.к. ү шін

Бұ дан (Q 1 - Q2)/ Q1=(Т1 – Т2) /Т 1 (7)

Q 2 - жылу қ абылдағ ышқ а берілетін болғ андық тан, оны теріс таң бамен белгілейміз:

Q/Т - процесстің келтірілген жылуы кез-келген цикл - ө те кішкентай Карно циклдарынан тұ рады деп:

тұ йық контурдан S алсақ

(8)