Mexanika, molekulyar fizika va termodinamika

Tarixga nazar. I asrda Iskandariya qahramonlari shar shaklidagi bug‘ turbinasini loyihalashtirdilar, u suv bug‘lari oqimi tufayli aylanadi, Leonardo da Vinchi esa, (XV-XVI asrlar) suv va porshenli silindrni loyihalashtirdi, u suvni isitish natijasida hosil bo‘lgan bug‘bilan harakatlanishi va foydali ishni bajarishi kerak.
XVII-XIX asrlar davrida shaxtalardan suvni tortish uchun bitta silindrli bug‘dvigateli paydo bo‘ldi (T. Severi); I.I.Polzunov va J. Uattning ikki silindrli bug‘dvigatellari yaratildi, va nihoyat, N. Otto va P.-A. Dizel tomonidan ichki yonish dvigatellari kashf qilindi. Ilmiy -texnik tafakkurning bu yutuqlari bilan bir qatorda, harbiy qurilmalar ham rivojlandi. Miloddan avvalgi V-IV asrlarda ham greklar quvurlar orasidan otilgan olovni dushman mudofaasi tomon yo‘naltirishgan. Ko‘p asrlardan keyin paydo bo‘lgan yunon olovi (VII asr), bunday qurolning ishlash mexanizmi bilangina emas, balki uni o‘chirish qiyin bo‘lgan yonuvchan aralashmaning tarkibi bilan ham mashhurdir. Miloddan avvalgi III asrda Arximed bug‘bilan o‘q otadigan to‘p yasadi. U keyinchalik kashf etilgan Paskal qonunini intuitiv ravishda qo‘llagan: harakatlanuvchi qismida idishning devorlari boshqalar kabi bug‘ bosimidan ta’sirlanadi, lekin harakatlanayotganda u ish bajaradi.Xitoyda poroxning ixtiro etilishi (IX asr atrofida), qurol termodinamikasini rivojlantirishga tarixiy jihatdan muhim turtki bo‘ldi. X asrda o‘qotar qurollarning prototipi paydo bo‘lgan, u bambukdan yasalgan olovli nayza, keyinchalik evropalik qurolsozlar tomonidan meros qilib olingan. Evropadagi qurollar tinch maqsadlarda foydalaniladigan issiqlik dvigatellaridan ancha eski. Agar birinchi ichki yonish dvigatellari (IYD) XIX asrda ishlab chiqilgan bo‘lsa, birinchi to‘plar XII asrda Xitoyda ishlatilgan va o‘rta asrlardan boshlab ular harbiy janglar yo‘nalishini sezilarli darajada o‘zgartirib yuborgan. X asrda o‘qotar qurollarning prototipi paydo bo‘lgan, u bambukdan yasalgan olovli nayza, keyinchalik evropalik qurolsozlar tomonidan meros qilib olingan. Evropadagi qurollar tinch maqsadlarda foydalaniladigan issiqlik dvigatellaridan ancha eski. Agar birinchi ichki yonish dvigatellari (IYD) XIX asrda ishlab chiqilgan bo‘lsa, birinchi to‘plar XII asrda Xitoyda ishlatilgan va o‘rta asrlardan boshlab ular harbiy janglar yo‘nalishini sezilarli darajada o‘zgartirib yuborgan.

Ularning qo‘llanilishi porox gazlarining ishini o‘rganishga, zaryad va snaryad massalarining nisbatini, snaryad traektoriyasini, materiallar, tuzilmalar, o‘q otish va boshqalar bilan shug‘ullanishga undadi. Ba’zi tarixchilarning fikriga ko‘ra, bu voqelikni ilmiy o‘rganishga asosiy turtki bo‘lib, xurofot va yolg‘onchlikni siqib chiqarishga asosiy turtki berdi.

Qaysidir ma’noda o‘q otish qurollari va issiqlik dvigatellari turli traektoriyalar bo‘ylab rivojlangan. Agar qurol nisbatan sodda bir martalik harakatni bajarsa, issiqlik dvigateli davriy ravishda, ya’ni yopiq tsiklda ishlaydi. Bu nafaqat materiallarga va mashinalarning konstruktiv va texnologik xususiyatlariga e’tiborni, balki jarayonlarning termodinamikasini nazariy tushunishni ham talab qiladi. Xususan, (6.4) formulasi issiqlikni tashqaridan qarz olmasdan ishlashi mumkin bo‘lgan birinchi turdagi abadiy dvigatelni yaratish mumkin emasligini ko‘rsatadi.
Real dvigatellarning ishchi jismining moddasi — ko‘pincha gaz yoki bug‘, kengayish va qisqarish orqali bir holatdan ikkinchisiga osonlik bilan o‘tadigan moddalar(ichki yonish dvigatellari, bug‘ turbinalari va boshqalar).
Agar yopiq tsikl 23532 traektoriyasi bo‘ylab amalga oshirilsa (6.1 -rasmga qarang), u holda 532 jarayondagi ish 235 jarayondagi ish bilan bir xil, lekin teskari ishorali.
Shuning uchun, tsikl bo‘yicha ish nolga teng va bunday mashina hech kimga kerak emas. ish olish uchun diagrammadagi qaytish jarayoni to‘g’ri chiziq bilan emas, undan pastroqdan o‘tishi kerak, buni talab etadi. Bunga issiqlik almashinuvi orqali erishiladi: to‘g‘ridan - to‘g‘ri jarayonda, gaz (bug‘) temperaturasi bo‘lgan isitgichdan issiqlik oladi va kengayadi, ishni bajaradi (6.1 -rasmga qarang), keyin u siqiladi, asl holatiga qaytadi va temperaturali sovutgichga issiqligini beradi (6.2 -rasm). Madomiki tsikli uchun bo‘lsa, u holda (6.4) formula quyidagi shaklni oladi
(6.6)
(6.6) formuladan juda muhim xulosa kelib chiqadi: issiqlik dvigateli isitgichdan olgan barcha issiqlikni mexanik energiyaga aylantira olmaydi u qismini qaytarishga majburdir. Bu termodinamikaning ikkinchi qonunini aks ettiradi, u ingliz fizigi V.Tomson (Kelvin) (1824-1907) tomonidan ishlab chiqilgan, shuningdek termodinamikaning ikkinchi qonuni R. Klauzius(1858) va M. Plank (1947) tomonidan quyidagicha ta’riflangan: tizimga berilgan issiqlik to‘liq mexanik ishga aylanadigan tsikl mavjud emas.
Aks holda, masalan, ming yillar davomida Jahon okeanining issiqligi mexanik energiyaga aylanishi mumkin bo‘lardi, va bunday mashina ikkinchi turdagi abadiy dvigatel bo‘lardi. Uning mavjudligi termodinamikaning birinchi qonuni bilan to‘liq tan olingan, lekin u termodinamikaning ikkinchi qonuniniga zid.
Tabiatning eng aqlli «mashinasi» - bu odamning o‘zi (boshqa mashinalarni yasovchi). Masalan, uning xotirasini saqlash uchun qon ta’minoti uchun sarflanadigan energiya xarajatlari uning ishlatilishiga qarab optimallashtiriladi. Xotiraning ba’zi neyron guruhlari kamdan - kam hollarda aylanadi, va keyin tarqaladi. Va shuncha ratsionallikka qaramay bunday «mashina» qurilmalarida, u iste’mol qiladigan energiyaning bir qismi tashqariga chiqariladi.
U har qanday harbiy mashinada ham ajralib chiqadi - u tashqaridan iste’mol qilingan barcha energiyani foydali ishga aylantira olmaydi. Shuning uchun issiqlik fonida ishlaydigan mashinalar har doim atrof - muhit bilan keskin farq hosil qiladi. Niqoblash va niqobni ochish (maskirovka va demaskirovka) o‘rtasida doimiy raqobat o‘rnatilishi hamm shunga asoslanadi (kvant fizikasi bo‘limiga qarang). Bundan tashqari, bo‘lgan hech qanday mashinaning foydali ish koeffitsenti(FIK) 1 ga teng bo‘lishi mumkin emas:
(6.6)
Mashinaning foydali ish koeffitsentini qanday qilib eng katta qiymatga olib chiqish imkoniyatini yaratish ham, boshqa bir muhim masala hisoblanadi. U avvalo mashina sikli qanday jarayonlardan tashkil topishini aniqlashga keltiriladi.
Avval ideallashtirilgan izojarayonlarni ko‘rib chiqamiz.