Mexanika, molekulyar fizika va termodinamika

6.3. Termodinamikaning ikkinchi qonuni va real mashinalar
Real jarayonlarda, Q₂ sarflarning qo‘shimcha ravishda oshishi muqarrar silindr devorlariga porshenlarning ishqalanishi, muhit bilan issiqlik almashinuvi tufayli va hokazo. Shunday qilib, har qanday haqiqiy mashinaning FIK ideal qiymatdan past bo‘ladi (6.18):
(6.21)
bu yerda tenglik belgisi ideal tsikl uchun qo‘yilgan.
Savol. Real mashinalarning FIK ini oshirishning yo‘li (6.21) formuladan qanday kelib chiqadi?
Javob. T₁ ning ortishi va T₂ ning kamayishi. Ikkinchisi, qoida tariqasida, mashina yaqinidagi atmosfera havosining temperaturasi bilan belgilanadi, u ~ 100°C gacha ko‘tarililishi mumkin. T₁ ga kelsak, uni ko‘paytirish uchun, xususan, issiqlik izolyatsiyasi, masalan, keramik korpus(adiabatik motorlar deb ataladi) dan foydalaniladi. Har qanday holda, 300K ga va shuning uchun issiqlik dvigatellarining FIK 0,4 0,5, lokomotivlar uchun esa undan ham kam ( 0,1).

(6.20) formulani (6.6) va (6.13) munosabatlar bilan solishtirib, quyidagini olamiz

ya’ni
(6.22)
Karno tsiklining yuqori izotermasida (6.3 -rasmga qarang), bu erda
foydali ish amalga oshiriladi
(6.23)
bu entropiya ma’nolaridan birini aniqlash imkonini beradi. (6.19) va (6.20) formulalardan quyidagi kelib chiqadi: T₁ qancha kichik bo‘lsa, mashinaning FIK shuncha past bo‘ladi va entropiya o‘sishi shunchalik katta bo‘ladi, ya’ni, entropiya - bu mexanik energiya manbai sifatida issiqlikning foydasizligi o‘lchovidir.
Karno tsiklining pastki izotermasi uning mikro darajadagi fizik ma’nosini ochishga imkon beradi (6.3-rasmga qarang):
(6.24)
Oxirgi ifoda (6.10) formula yordamida olinadi. Shunday qilib bo‘lgan holda, , ya’ni izotermik siqilishda entropiya kamayadi. Bu nima degani? Tizimning shu holatida aynan nima o‘zgardi? Molekulalar soni va ularning o‘rtacha energiyasi o‘zgarishsiz qoldi (T = const), faqat gaz hajmi o‘zgardi: , ya’ni molekulalarning fazoda avvalgiga nisbatan kam sonli holatlarni egallash imkoniyati mavjud. Holatlarning har bir majmuasi (impulslari bilan birga) tizimning mikroholatini tavsiflaydi va majmualar to‘plami makroholatni yoki statistik vaznni tavsiflaydi (5-bobning 2- bandiga qarang).
Keling, V₃ boshlang‘ich hajmga qaytaylik va xayolan uning ichida V₄ hajmni ajratib olaylik. Qandaydir molekulaning V₄ hajm ichida: holatni egallash ehtimoli va barcha N molekulalarning bir vaqtning o‘zida V₄ hajm ichida paydo bo‘lish ehtimoli bunday ehtimolliklar hosilasiga teng (hodisalar mustaqilligi). Bu hosila tizimning shunday holatining statistik vazni Ω ni aniqlaydi: Ω = (V₄/V₃)^N. Ushbu ifodaning logarifmini olib va (6.24) formulaga qo‘ysak, quyidagini olamiz
Ω. (6.25)
Bu muhim formulani 1872 yilda L. Boltsman keltirib chiqargan. Bundan kelib chiqadiki, entropiya tizimning statistik vazniga mutanosib bo‘lib, uning holati ehtimolini tavsiflaydi.
Masalan, 5.1- rasmda barcha to‘rt molekula idishning yarmida joylashgan holatning statistik vazni kichik - va entropiya ham kichik. Molekulalarning hajm bo‘ylab tekis taqsimlanish ehtimoli eng ko‘p bo‘lganda, entropiya maksimal bo‘ladi.
Entropiya - bu tizimning xaotikligining o‘lchovi hisoblanadi. Agar issiqlik ko‘proq qizigan jismdan kamroq qizigan jismga o‘tkazilsa, u holda, (6.24) formulaning maxraji kamaygani uchun bunday jarayon mumkin, lekin buning aksi bo‘lmaydi: issiqlik o‘z – o‘zidan kam qizigan jismdan ko‘p qizigan jismga o‘tishi mumkin emas.
Bu termodinamikaning ikkinchi qonunining yana bir ta’rifidir. Bu shuningdek, vaqtning ortga qaytmasligini ko‘rsatadi: o‘z – o‘zidan kechuvchi jarayonlar entropiyaning o‘sishi yo‘nalishida o‘tadi (ammo teskari jarayonlar ham bor).
Ko‘rib chiqilgan termodinamik jarayonlar xususiyatlari va (6.21) ifoda har xil turdagi mashinalarni loyihalash imkonini beradi. Ular orasida sovutuvchi, teskari tsiklda ishlaydigan mashinalar ham bor: ular past temperaturali jismdan issiqlikni olib, yuqori temperaturali jismga beradi. Biroq, bularga qaraganda avtomatik o‘qotar qurollarni o‘z ichiga olgan issiqlik mashinalari keng tarqalgan.