Mundarija: Kirish §. Ichki energiya va entalpiya

Kurs ishi maqsadi: Umumta`lim maktablari, akademik litseylar va kasb-hunar kollejlarida darslarni yangi pedagogik texnologiyalardan foydalanib tashkil qilish davrning talabidir. Hozirgi vaqtda yangi pedagogik texnologiyalarning yuzlab turlari mavjuddir. Bu texnologiyalarni mavzularga qarab tanlab olish muhimdir. Mazkur kurs ishi “Ichki energiya” mavzusiga bag‘ishlangan bo‘lib, o‘quvchilarning fizik ta‘lim jarayonida egallagan bilim, ko’nikma va malakalarini hamda o‘z-o‘zini rivojlantirish uchun xizmat qiladi.
Mavzuning dolzarbligi shundaki, yangi pedagogik texnologiyalarni qo‘llagan holda Ichki energiya mavzusini puxta ongli o‘zlashtirilishiga erisha oladi. Olingan nazariy bilimlarni amalda qo‘llay bilish, o‘zlashtirgan bilimlarini misol va masalalarga tadbiq qila olish shuningdek, o‘quvchlarnng erkin fikrlash, mustaqillik va ijodiy tashabbus ko‘rsatish qobiliyatlarini o‘stirishga va o‘z-o‘zini rivojlantirishga katta imkon berishini ko‘rishimiz mumkin.
Kurs ishining obyekti: Ichki energiya
Kurs ishining predmeti: Ichki energiya mavzusini o’rganish
Kurs ishining maqsadi: Ichki energiya mavzusi bilan tanishish
Kurs ishining vazifalari:
1. Ichki energiya mavzusi bilan haqida ma’lumotlar to’plash va o’rganish;
2. Ichki energiya oid qonunlarni o‘rganish;
3. Ichki energiya hisoblashning xossalarini o‘rganish;

1-§.Ichki energiya va entalpiya
Ichki energiya – jism barcha zarrachalarining bir-biri bilan o’zaro ta’sirlashish potensial energiyasi va alohida zarrachalar harakatining kinetik energiyalari yig’indisidan tashkil topgan, ya’ni molekulalarning ilgarilanma va aylanma harakati energiyasi, molekulani tashkil qilgan atom va atom guruhlarining ichki molekulyar tebranma harakati energiyasi, atomlardagi elektronlarning aylanish energiyasi, atom yadrolaridagi energiya, molekulalararo o’zaro ta’sirlashish energiyasi va mikrozarrachalarga tegishli bo’lgan boshqa turdagi energiyalardan iboratdir.
Texnikaviy termodinamikaning vazifalaridan kelib chiqib, modda mikrostrukturasi nuqtai nazaridan moddaning ichki energiyasi nimalardan iborat degan masalani ko‘rib chiqishning zaruriyati yo‘q. Hozirgi zamon fizikaviy dunyoqarashlarga ko‘ra moddaning ichki energiyasini shu modda molekulalarining (atomlar, ionlar, elektronlarning) kinetik va potentsial energiyalari yig‘indisidan iborat deb tasavvur etishimiz mumkin. Ichki energiya tushunchasini fanga 1850 yili V. Tomson kiritgan.
Entalpiya (yun. — isitaman) — termodinamikada — termodinamik tizimning holat funksiyalaridan biri (N). Qaytar izobarik jarayonda entalpiyaning oʻzgarishi tizimga berilgan (yoki tizimdan olingan) issiqlik miqdoriga teng . Shuning uchun entalpiya bosim oʻzgarmaydigan sharoitda sodir boʻluvchi fazalar almashuvlarida, kimyoviy reaksiyalar va boshqalarda isiqlik effektini ifodalaydi. Bosim oʻzgarmaydigan adiabatik jarayonlarda entalpiyaning qiymati ham oʻzgarmaydi. Baʼzan entalpiya issiqlik funksiyasi deb ataladi. Entalpiya termini gollandiyalik fizik X. Kamerling-Onnes tomonidan kiritilgan. Xalqaro birliklar tizimida entalpiya joul (J) larda ifodalanadi.
Jismning temperaturasini о‘zgartirishning bir necha usullari bor. Bu usullardan birida jismning temperaturasi uni yonayotgan yonilg‘i alangasida tutish yо‘li bilan о‘zgartiriladi. Bunda yonilg‘i yonganda ajralgan issiqlik jismni qizdirishga sarf bо‘ldi deb gapiriladi. Fizikaga bunday termin, yuqorida aytib о‘tganimizdek, har bir jismda teplorod deb ataladigan qandaydir substansiya bor deb hisoblanadigan vaqtda kirib qolgan. Agar jism о‘zidagi teplorod miqdorini kо‘paytirsa, uning temperaturasi ortadi. Agar teplorod miqdori kamaysa, jism temperaturasi pasayadi. Termodinamikada modda tuzilishining atom–molekulyar tasavvurlarisiz issiqlikning fizik tabiatini tushunib bо‘lmaydi. Molekulyar nuqtai nazaridan har bir jism molekulalar yoki atomlar deb atalgan juda kо‘p zarralardan tuzilgan. Agar bu zarralar sharchalar kо‘rinishida tasavvur qilinsa, ularning radiuslari tartibidagi kattalikni tashkil qiladi; zarralarning soni esa haddan tashqari katta. 1g suvda, masalan, molekula bor. Bu zarralar uzluksiz issiqlik harakatida bо‘ladi. Yonayotgan yonilg‘i alangasida jismning qizish jarayoni quyidagicha bо‘ladi. Yonish ikki moddaning (odatda kislorod bilan yonilg‘ining) birikishi va yangi moddalarning hosil bо‘lishidan iborat kimyoviy reaksiyadir. Bunda yonish mahsulotlari molekulalarining kinetik energiyasi dastlabki moddalarning boshlang‘ich kinetik energiyalaridan bir necha marta ortiq bо‘ladi. Yonishda paydo bо‘lgan molekulalar alangaga qо‘yilgan modda molekulalarini bombardimon qiladi. Modda molekulalarining kinetik energiyasi alanga molekulalarining kinetik energiyasidan kichik. Bu molekulalar tо‘qnashganida alanga molekulalari energiyasining bir qismi modda molekulalariga о‘tadi va modda molekulalarining energiyasi ortib, alanga molekulalarining energiyasi kamayadi. Qizish jarayonida hamma vaqt jismning temperaturasi ortadi. Bu shunday xulosa qilishga imkon beradi: qizitilayotgan jism molekulalari kinetik energiyasining ortishi jism temperaturasining kо‘tarilishi bilan bir qiymatli bog‘langandir, issiqlikning о‘tishi esa yonish mahsulotlari molekulalarining о‘zlarining bir qismi kinetik energiyalarini qiziyotgan modda molekulalariga berishdan iboratdir. Molekulyar–kinetik nazariyada jismning barcha molekulalarining uning massa markaziga nisbatan xaotik harakatining yig‘indi kinetik energiyasi va bu molekulalarning bir–biri bilan (boshqa jismlar bilan emas) о‘zaro ta’sirining yig‘indi potensial energiyasi jismning ichki energiyasi deb ataladi. Jismning qizishi barcha molekulalarning о‘rtacha kinetik energiyasining ortishi, va binobarin, jism ichki energiyasining ortishi bilan boradi. Aksincha, sovishda jismning ichki energiyasi kamayadi. Issiqlik ham energiyaning bir turi bо‘lgani uchun bu jismning ichki energiyasini termodinamika nuqtai nazaridan, ya’ni moddaning atom molekulyar strukturasini nazarga olmgan holda, aniqlashga imkon beradi. Buning uchun Joul tajribasini kо‘rib chiqaylik. Agar jismni issiqlikni yomon о‘tkazadigan qobiq bilan о‘rasak, u holda jismning о‘z holicha qо‘yilgan temperaturasi uzoq muddat davomida о‘zgarishsiz qoladi.
1-rasm
Issiqlikni mutlaqo о‘tkazmaydigan qattiq qobiq adiabatik qobiq deb ataladi. Albatta, tabiatda bunday ideal qobiqlar bо‘lmaydi, biroq xossalari jihatidan adiabatik qobiqqa yaqin bо‘lgan qobiqlarni hosil qilish mumkin. Kosmik kemalarning qoplamalari bunga misol bо‘la oladi. Fizika va texnikada Dyuar idishlari, ya’ni qavatlar orasida yuqori vakuum hosil qilingan qо‘shaloq devorli shisha yoki metall idishlar ishlatiladi. Masalan turmushda ishlatiladigan termosning shisha kolbasi Dyuar idishi bо‘la oladi. Issiqlik miqdorini о‘lchaydigan asbob–kalorimetrning qobig‘i ham issiqlik izolyatsiyalovchidir. Kalorimetr (1–rasm) katta 3 stakan ichidagi 2 pо‘kak bо‘laklari ustiga qо‘yilagan yupqa devorli 1 stakandan iborat bо‘lib, bu stakanlar devorlari orasida havo qatlami bо‘ladi va shu holda issiqlikni izolyatsiya qiluvchi 4 qopqoq bilan berkitiladi. Joul tajribasida suv tо‘ldirilgan kalometrga 2 kurakchali 1 о‘q joylashtirilgan bо‘lib, bu о‘q tushuvchi va yukchalar vositasida aylantirildi (2–rasm). Kurakchalarning suv bilan ishqalanishini oshirish uchun kalorimetr 3 tо‘siqlar bilan ajratilgan. Kalorimetr ichidagi temperatura 4 termometr bilan о‘lchanadi. Yuklar pastga tushganida kurakchalarning suvga ishqalanishi tufayli suv isiydi. Tajriba davrida kalorimetrga tashqaridan issiqlik kelmaganligi uchun kalorimetrdagi suvning isishi pastga tushayotgan yuklar bajargan ish hisobiga bо‘ladi.

2-rasm.
Mexanikada sarf qilingan ish (ishqalanish kuchlari yoki qarshilik kuchlarining bajargan ishidan tashqari) albatta energiyaning biror turiga: yo kinetik, yo potensial energiyaga aylanadi. Termodinamikada energiyaning yangi turi–jismning ichki energiyasi tushunchasi kiritiladi va shunday aksioma qabul qilinadi: adiabatik qobiqda bajariladigan har qanday jarayonda sistemaning boshlang‘ich holatidan oxirgi holatiga о‘tishida tashqi kuchlarning bu sistema ustidan bajargan ishi jismning ichki energiyasini orttirishga ketadi. Agar ichki energiyaning boshlang‘ich qiymatini va oxirgi qiymatini bilan belgilasak, yuqorida aytilgan ta’rifni matematik ravishda shunday yozish mumkin:

Jismning ichki energiyasi temperatura va tashqi sharoitlarga bog‘liq. Agar tashqi sharoitlar о‘zgarishsiz qolsa, ya’ni jismning hajmi va boshqa parametrlari doimiy bо‘lsa, u holda jismning ichki energiyasi faqat temperaturaga bog‘liq bо‘ladi. Jismning ichki energiyasini faqatgina uni alangada qizdirish yoki uning ustida mexanik ish bajarish bilan (jismning vaziyatini о‘zgartirmagan holda, masalan, ishqalanish kuchi bilan) gina emas, balki temperaturasi shu jism temperaturasidan farq qiluvchi boshqa jismga tegizish, ya’ni issiqlik uzatish yо‘li bilan ham о‘zgartirish mumkin. Issiqlik uzatish jarayonida jism olgan yoki yо‘qotgan ichki energiya miqdori issiqlik miqdori deb ataladi. Issiqlik miqdorini harfi bilan, uning kichik miqdorlarini esa bilan belgilash qabul qilingan. Kiritilgan ta’rifni matematik ravishda shunday yozish mumkin:

bu yerda va –ichki energiyaning boshlang‘ich va oxirgi qiymatlari.
Agar jismning ichki energiyasi issiqlik uzatish jarayonida ortsa, unga “plyus” ishora qо‘yiladi va jismga Q issiqlik miqdori berildi deb gapiriladi. Issiqlik uzatish jarayonida ichki energiya kamaysa, manfiy hisoblanadi va jismdan Q issiqlik miqdori olindi deb gapiriladi. Issiqlik miqdorining birligi qilib ish birligi olingan. SI sistemasida bu birlik 1 J dir. Issiqlikning boshqa birligi kalloriya ham ishlatiladi. Kaloriya – 1g suvni ga isitish uchun zarur bо‘lgan issiqlik miqdoridir. Bu birliklar orasida shunday munosabat bor: 1kal  4,19J  4,2J. Jismni ga qizdirish uchun zarur bо‘lgan issiqlik miqdori jismning issiqlik sig‘imi С deb ataladi. Ta’rifga kо‘ra,
(1.3)
Bu topshiriqda faqat suyuq va qattiq jismlarning issiqlik sig‘imlari haqida gap yuritiladi, lekin issiqlik sig‘imining biz bergan ta’rifi har qanday jismlar uchun ham tо‘g‘ridir. Tajriba shuni kо‘rsatadiki, odatdagi temperaturalar 200500K da kо‘pchilik qattiq jismlar va suyuq jismlarning issiqlik sig‘imlari temperaturaga deyarli bog‘liq bо‘lmaydi. Biroq temperatura pasaygan sari 100150K gacha jismlar issiqlik sig‘imining sezilarli kamayishi kuzatiladi. Odatdagi (xona temperaturasida va undan yuqori) temperaturalarda ham zaif bо‘lsa–da, bog‘lanish mavjud bо‘ladi, lekin kо‘pincha uni nazarga olmaslik mumkin. Jismlarning issiqlik sig‘imi C dan tashqari yana modda birlik massasining issiqlik sig‘imi c tushunchasi ham kiritiladi. Solishtirma c bilan m massali jismning issiqlik sig‘imi C о‘rtasida shunday munosabat bor:
(1.4)
Turli moddalarning solishtirma issiqlik sig‘imlari batafsil о‘rganilgan va ular uchun maxsus ma’lumotnoma jadvallar tuzilgan. Shuning uchun agar modda ma’lum bо‘lsa, u holda uning issiqlik sig‘imi ham ma’lum bо‘ladi. Buning aksini ham aytish mumkin. Ma’lumotnoma jadvallarida odatda toza moddalarning issiqlik sig‘imlari berilishini о‘qtirib о‘tish kerak. Kundalik hayotda yo qotishmalar, yo turli moddalarning aralashmalari bilan ish kо‘riladi.
(1.3) va (1.4) formulalar agar jismning solishtirma issiqlik sig‘imi ma’lum bо‘lsa, u holda m massali jismni t gradusga qizdirish uchun qanday issiqlik miqdori Q (yoki Q ) berish zarurligini hisoblashga imkon beradi:
(1.5)
bu yerda , jismning boshlang‘ich temperaturasi,  oxirgi temperatura. Agar bо‘lsa, u holda issiqlik miqdori manfiy kattalik bо‘ladi. Bu degan sо‘z (yuqorida aytganimizdek), jismdan issiqlikni uzatish kerak, demakdir.
Gazlar molekular-kinetik nazariyasiga asosan-gaz molekulalari uzluksiz va tartibsiz harakatlanib turadi. Bunda molekula ilgarilanma harakatining T-temperaturadagi o‘rtacha kinetik energiyasi:
(1.1)
teng bo’ladi.
Bu yerda universal gaz doimiysi, Avagadro soni. Bundan Bolsman doimiysi kelib chiqadi. Demak, molekulalarning ilgarilanma harakatining o‘rtacha kinetik energiyasi faqatgina gazning temperaturasi T bilan aniqlanadi. Gaz isitilganda yoki sovutilganda, unga biror miqdorda issiqlik berilganda yoki undan olinganda, gaz molekulalarining harakat energiyasi o‘zgaradi.
Ideal gazning ichki energiyasi barcha molekulalarining tartibsiz harakati kinetik energiyasi bilan belgilanadi. Biz keyinchalik real gazlar uchun molekulalarning o‘zaro ta’sir potensial energiyasini ham hisobga olish zarurligini ko‘ramiz. Real gazlarning ichki energiyasi molekulalarning kinetik energiyasi bilan ularning potensial energiyasining yig‘indisiga teng bo’ladi.
Molekulalarning harakat kinetik energiyasi, umuman aytganda, ulaming ilgarilarana harakat kinetik energiyalaridangina iborat emas. U molekulalarning aylanishi va tebranish kinetik energiyalarining yig‘indisidan iborat bo‘lishi hammumkin. Molekulalarning barcha tur harakatlariga to‘g‘ri keladigan energiyani hisoblash uchun erkinlik darajasi tushunchasini kiritamiz.

3-rasm
Qattiq jismning (3-rasm) vaziyatini aniqlash uchun:
1. Og'irlik markazi C ning fazodagi vaziyati;
2. Ma’lum bir OO’ o‘qning yo‘nalishi;
3. Qattiq jismning mana shu o‘qda biror boshlang‘ich vaziyatga nisbatan burilish, burchagi berilgan bo‘lishi kerak.
C - og‘irlik markazining vaziyatini aniqlash uchun x, y, z, uchta koordinata berilishi kerak. OO' - o‘qning fazodagi yo‘nalishini aniqlash uchun yana ikkita koordinata, masalan uchta koordinata o‘qidan ikkitasining o‘q bilan tashkil qilgan O va burchaklari berilishi kerak. Nihoyat, jismning 0 0 ' o‘qda burilish burchagi ­ ni aniqlash kerak.
Gaz molekulasi uchta erkinlik darajasiga ega bo‘lgan ilgarilamna harakat qilayapti desak,
(1.2)
tenglik o‘rinli bo‘ladi. Bundan bitta erkinlik darajasiga to‘g‘ri keladigan o‘rtacha energiya:
(1.3)
formula bilan aniqlanadi. Agar gaz molekulasining har birining erkinlik darajasi i ga teng bo‘lsa, u holda har molekulaga
(1.4)
energiya to‘g‘ri keladi. E ning bu qiymatini gazni tashkil etgan molekulalarning soniga ko‘paytirsak, gazning to‘la ichki energiyasini topamiz. Agar E ni Avagadro soni N ga ko‘paytirsak, bir mol gazning ichki energiyasi U ni topamiz.
(1.5)
Bu formulaga gazning ichki energiyasini, molekulalarning
erkinlik darajasi i va gazning termodinamik temperaturasi T orqali
ifodalanishi deyiladi.