Термодинамикалық процестер және оның негіздері

Термодинамика қ азіргі кезең де ү ш бө лімге бө лінеді:

1.Жалпы термодинамика немесе физикалық термодинамика. Қ атты, сұ йық жә не газ тә різдес денелердегі энергияның тү рлену, ә р тү рлі дененің сә улелену, магниттік жә не электр қ ұ былыстары процестерін зерттейді, сонымен қ атар термодинамикалық шамалардың арасындағ ы математикалық байланысты белгілейді.

2.Химиялық термодинамика – жалпы термодинамика заң дары негізінде химиялық жылулық, физика-химиялық процестерді, тепе-тең дік пен сыртқ ы жағ дайлардың тепе-тең дікке ә серін зерттейді.

3.Техникалық термодинамика – жылудың жұ мысқ а ө зара тү рленуінің заң дылық тарын қ арастырады. Ол жылу жә не мұ здатқ ыш машиналарда жү ретін жылулық, механикалық жә не химиялық процестер арасындағ ы ө зара байланысты орнық тырады, газбен буда ө тетін процестерді, сондай-ақ ә ртү рлі физикалық жағ дайлар кезіндегі осы денелердің қ асиеттерін зерттейді.

Термодинамика негізгі екі заң ғ а жү гінеді, оны термодинамиканың бастаулары деп атайды.

Термодинамиканың бірінші бастауы табиғ аттың жалпылама заң ының жылулық қ ұ былыстарының қ осымшасы – энергияның тү рлену жә не сақ талу заң ын кө рсетеді.

Термодинамиканың екінші бастауы – бө лшектердің кө п мө лшерінен тұ ратын жү йелердегі макроскопиялық процестердің бағ ыты мен олардың жү зеге асу шарттарын анық тайды. Сондық тан, термодинамиканың екінші бастауы шектеулі қ олданылады.

Т абиғ атта энергия отын, су, жел, кү н энергиясы жә не ядролық энергия тү рінде қ амтамасыз етілген. Табиғ и ресурстарды қ олдана отырып, энергияны нақ ты мақ сатқ а қ олайлы тү рде алуғ а тырысады. Мысалы, отынды жақ қ анда, ең бастысы денелерді қ ыздыруғ а жұ мсалатын, жылу энергиясын алады.

Станоктарды, машиналарды, автомобильдерді, ұ шақ тарды жә не т.б. қ озғ алысқ а келтіру ү шін механикалық энергия қ ажет. Оны отын жанғ ан кезде бө лінетін жылуды механикалық энергияғ а айналдыратын қ озғ алғ алтқ ыштардан алады.

Қ озғ алыстағ ы судың, желдің энергиясын жылу жә не ядролық энергияғ а электр энергиясын алу ү шін қ олдануғ а болады; энергияның бұ л тү рі техникада жә не тұ рмыста кең інен қ олданылады. Себебі, бұ л энергияны қ ашық жерлерге сым арқ ылы таратуғ а болады. Электрэнергиясын, арнайы машиналар мен аппараттарда, қ айтадан жылулық немесе механикалық энергияғ а айналдыруғ а болады.

Техникалық термодинамикада, жоғ арыда айтылғ андай, энергияның екі тү рінің –механикалық жә не жылулық – ө зара тү рленуі қ арастырылады. Осындай тү рленулердің ең

қ арапайым жағ дайларын келтірейік.

Қ озғ алыстағ ы поезд, автомобиль жә не ракета энергияғ а ие. Бұ л – механикалық энергия. Поезды тежеу жолымен тоқ татқ ан кезде механикалық энергия жоғ алады. Бірақ тежегіш колодкалары сияқ ты, олар жабысатын дө ң гелектерде қ ызады: жылулық энергия жоғ алғ ан механикалық энергия есебінен пайда болады.

Кері тү рлену процесіне мысал келтірейік. Қ озғ алғ ыш поршенді цилиндрде газ бар дейік; поршеннің қ озғ алысы оның ү стіне қ ойылғ ан жү кпен ұ сталып тұ р. Газғ а жылу келтіруді бастаймыз. Белгілі болғ андай, газ кең ейеді де жұ мыс жасайды (яғ ни жү кті кө тереді); жү ктің потенциалдық энергиясы ұ лғ аяды; жү ктің бұ л механикалық энергиясы тә жірибеде жұ мсалғ ан жылулық энергиясының (жылу тү рінде жоғ алғ ан) бір бө лігінің орнында пайда болды. Қ алғ ан жылулық энергиясы газды жылытуғ а кетті. Тә жірибеде жұ мыс істеген газ жұ мысшы дене деп аталады. Жылу энергиясынан механикалық энергияны алудың сипатталағ ан ә дісі техника қ ажеттілігін қ анағ аттандыра алмайды, ө йткені энергияның тү рлену процесі поршень шекті жағ дайына жеткен кезде тоқ тайды.

Қ ұ рылғ ы ө зінің атқ аратын қ ызметіне жауап беру ү шін, процесс талап етілетін уақ ытқ а дейін, ө те ұ зақ жү руі керек. Жылу қ озғ алтқ ыштарында ол тура осылай жү реді. Жылу қ озғ алтқ ыштарының қ ұ рылымы мен жұ мыс істеу принциптері ә ртү рлі болады. Техникалық термодинамиканың ерекшеленуінің маң ызды белгілерінің бірі – ол қ озғ алтқ ышта жұ мыс жү ргізу ү шін қ олданылатын жұ мыс денесі болып табылады. Қ озғ алтқ ыштардың ү лкен сыныбы – олар іштей жану қ озғ алтқ ыштары деп аталады – жұ мысшы дене болатын газдармен отынның жану ө німін тү зейді. Мұ ндай қ озғ алтқ ыштардың қ ұ рылысы негізінде келесідей бө лшектерден тұ рады: қ ақ пағ ы бар цилиндр 1, онда екі клапан бар – біреуі шығ аруғ а, екіншісі кіргізуге арналғ ан; поршень 2; кривошипті-шатунды механизм 3 жә не 4, мұ ның жұ мысы қ айтарма- тү сетін поршеннің қ озғ алысын (2) тығ ыз орналастырылғ ан маховигі бар 6 біліктің 5 қ озғ алысына айналдыру. Жұ мыс істеу принципі: белгілі бір уақ ыт аралығ ында цилиндрдің қ ақ пағ ы мен поршені арасындағ ы бө лікке отын мен ауадан тұ ратын жанғ ыш қ оспа келеді де жанады; жану ө німдері кең ейгенде поршенді жылжытады; газдың жұ мысы бұ л кезде білікке беріледі. Поршеннің сол жақ шекті жағ дайдан шығ ып осы жағ дайғ а қ айта келуінің бү кіл кезең і цикл деп аталады. Кү йдің негізгі термодинамикалық параметрлері Дененің физикалық кү йі, осы кү йді сипаттайтын кейбір шамалармен анық талады, оларды термодинамикада кү й параметрлері деп атайды. Бірқ атар шамалар кү й параметрлері бола алады: меншікті кө лем, абсолюттік қ ысым, абсолюттік температура, ішкі энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, изохора-изотермиялық потенциал жә не т.б.

Дегенмен, кү ш ө рісі болмағ ан кезде (гравитациялық, электромагниттік жә не т.б.) біртекті дененің кү йі тек ү ш параметрмен ғ ана анық талуы мү мкін. Олар техникалық термодинамикада меншікті кө лем, абсолюттік температура жә не қ ысым болып табылады.

Негізгі деп аталады, бұ л ү ш параметр тә уелсіз шамалар болып табылмайды, жә не де бір-

бірімен белгілі бір метематикалық тә уелділікте болады.

Меншікті кө лем. Біртекті заттың меншікті кө лемі – кө лемнің массағ а қ атынасымен анық талатын шама, техникалық термодинамикада меншікті кө лем v деп, ал меншікті кө лемнің ө лшем бірлігі – м³ /кг болады:

v=V/m, (1)

мұ ндағ ы V— заттың еркінше мө лшерінің кө лемі, м³; m – осы заттың массасы, кг.

Заттың тығ ыздығ ы массаның кө лемге қ атынасымен ө лшенетін шама, ө лшем бірлігі –кг/м³:

p=m/V (2)

Меншікті кө лем дегеніміз тығ ыздық қ а кері шама, яғ ни v = 1/ρ; ρ = 1/v; vρ = 1.

Қ ысым. Молекулярлы-кинетикалық теория тұ рғ ысынан қ арағ анда, қ ысым ү здіксіз хаосты қ озғ алыста болатын, ыдыстағ ы газ молекуласының ыдыс қ абырғ асына соқ тығ ысуының орташа санымен, кү штің қ абырғ ағ а перпендикуляр қ ұ раушысының бет ауданғ а қ атынасымен анық талады, яғ ни p = Fn/A, мұ ндағ ы p – қ ысым; Fn – номальді қ ұ раушы кү ш, A-ә сер етуші кү шке перпендикуляр беттің ауданы. Ол н/м² немесе Па ө лшенеді.

Тә жірибелік есептеулерде қ ысымның еселі бірлігін қ олдану мү мкіндікті: кПа, МПа;

кө п жағ дайда қ ысымды жү йеден тыс бірліктермен кө рсетеді – бар (1бар=105 Па). Бірақ есте сақ тайтын нә рсе, термодинамикалық тең деулердің бә рінде қ ысым паскальмен Па кө рсетілуі керек.

Қ ысымды, газ қ ысымын тең естіретін, сұ йық бағ анасыменде ө лшенеді (сынап, су, спирт жә не т.б.). Ыдыстағ ы қ ысым Р1, ал атмосфералық қ ысым Р0, бұ л кезде Р1 > Р0.

Температура. Дененің қ ыза алатын дә режесін сипаттай отырып, оның молекулаларының ү демелі қ озғ алысының орташа кинетикалық энергиясының мә нін кө рсетеді, яғ ни температура молекулалар қ озғ алысының орташа қ арқ ындылығ ын сипаттайды, жә не неғ ұ рлым молекула қ озғ алысының орташа жылдамдығ ы кө п болса, солғ ұ рлым дененің температурасы жоғ ары болады. Температура ұ ғ ымы бір немесе бірнеше молекулағ а қ атысты қ олданылмайды.

Молекуланың ү демелі қ озғ алысының орташа кинетикалық энергиясы mw²/2 мен абсолютті температура арасында тікелей байланыс бар:

mw²/2=3/2кТ,

мұ ндағ ы: m-молекула массасы; w- молекуланың ү демелі қ озғ алысының орташа квадраттық жылдамдығ ы; T- абсолюттік температура; k- Больцман тұ рақ тысы, ол 1, 38·10²³ Дж/К тең.

Абсолютті температура ә р қ ашанда оң шама болады. Абсолюттік нө л температурасы кезінде (Т=0) молекулалардың жылулық қ озғ алысы тоқ тайды (w = 0).

Бұ л шекті минималды температура жә не абсолюттік температураны есептеудің бастамасы болып табылады.

Бақ ылау сұ рақ тары:

1. Техникалық термодинамика пə ні жə не оның міндеттері.

2. Термодинамика қ анша бө лікке бө лінеді?

3. Термодинамиканың бірінші бастауы дегеніміз не?

4. Термодинамиканың екінші бастауы нені белгілейді?

5. Жұ мысшы дене оның анық тамасы.

6. Кү йдің негізгі термодинамикалық параметрлері.

4 лекция