Termodinamika fani nazariy fizikaning asosiy bo`limlaridan biri xisoblanadi
Download 0.86 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Termodinamikaning asosida uchta konun yotadi
|
KIRISh Termodinamika fani nazariy fizikaning asosiy bo`limlaridan biri xisoblanadi. Termodinamika fani muvozanat xolatda bo`lgan termodinamika sistemalarning issiklik bilan boxlangan umumiy xususiyatlarini, konuniyatlarini va unda utayotgan jarayonlarini tekshiradi va o`rganadi. Bu erda ikkita muxim narsadan foydalaniladi: 1.
metod asosida
olingan umumiy
konuniyatlardan, formulalardan, mikdoriy ifodalardan va xulosalardan. 2.
Shuning uchun xam termodinamika asosan issiklikning 1 xarakat konunlarini o`rganuvchi fandir. Tekshirish masalasiga karab, termodinamika 3 kismga bo`linadi: 1. Fizikaviy termodinamika. 2. Kimyoviy termodinamika. 3. Texnikaviy termodinamika. Fizikaviy termodinamika – termodinamikaning umumiy nazariy asoslari va aksiomalarini o`rganadi. Kimyoviy termodinamika esa kimyoviy va fizikaviy muvozanatlarni tekshirishda termodinamikaning nazariy
asoslaridan va
metodlaridan foydalanadi. Texnikaviy termodinamika esa issiklik va ishni o`zaro bir-biriga almashinishini o`rganishda termodinamikaning asosiy konunlaridan foydalanadi. Texnikaviy termodinamikani asosiy
maksadi – issiklik mashinalarining nazariyasini ishlab chikishdan iborat. Termodinamikada asosan o`n bitta tushuncha mavjud: 1. Termodinamik sistema yoki makroskopik sistema. 2. Termodinamik sistema xolati. 3. Termodinamik muvozanat. 4. Termodinamik jarayon. 5. Temperatura. 6. Energiyani saklanish va aylanish konuni. 7. Termodinamik sistema ichki energiyasi. 8. Termodinamik ish. 9. Issiklik mikdori. 10. Xolatfunktsiyasi. 11. Xolattenglamasi. Termodinamikada ikkita tekshirish metodi kullaniladi: 1. Doiraviy termodinamik jarayonlar metodi. 2. Termodinamik potentsiallar metodi.
tomonidan ishlab chikilgan. Termodinamik potentsial metodi esa amerikalik Gibbsga tegishlidir.
1. Termodinamikaning birinchi konuni – ichki energiya tuxrisidagi konun. 2. Termodinamikaning ikkinchi konuni – entropiya tuxrisidagi konun. 3. Termodinamikaning uchinchi konuni – yoki Nernstning issiklik teoremasi. I. MUVOZANATDAGI SISTEMALAR TERMODINAMIKASI 1.1. TERMODINAMIKADA ASOSIY TUSHUNCHALAR 1. Makroskopik sistema
Katta sondagi zarralardan tashkil topgan xar kanday jismga makroskopik sistema deyiladi. Makroskopik sistema o`lchami xar doim atom va molekula o`lchamidan katta bo`ladi.
Makroskopik sistema xolatini makroskopik parametrlar (bosim, xajm, zichlik, elastiklik, kutblanish, magnitlanish va x.k.z.) aniklaydi. Makroskopik parametrlar tashki va ichki parametrlarga ajraladi. Ichki parametrlar o`z navbatida intensiv va ekstensiv parametrlarga ajratiladi. Agar parametrlar sistema massasi va undagi zarralar soniga boxlik bo`lmasa intensiv parametrlar deb, agar massa va zarralar soniga proportsional bo`lsa ekstensiv yoki additiv parametrlar deb yuritiladi.
Agar sistema parametrlari vakt o`tishi bilan o`zgarmasa, bunday xolat statsionar deyiladi. Bundan tashkari, sistema parametrlari vakt bo`yicha o`zgarmas bo`libgina kolmay, kandaydir tashki manbalar ta`siri xisobida xech kanday statsionar okimlar bo`lmasa, u xolda bunday sistema muvozanat xolatda deyiladi (yoki termodinamik muvozanat xolatda deyiladi). Muvozanat xolatida sistemada katta vakt oralixi yuzaga keladi. Fizika materiyaning struktur ko`rinishlariga mos keluvchi xarakatning eng oddiy shakldagi konuniyatlarini o`rganadi. Ularni bir xolatdan ikkinchi xolatga aylanishida, bu xarakat shakllarining umumiy o`lchoviga energiya deb yuritiladi. Termodinamik sistemalar izolyatsiyalangan va izolyatsiyalanmagan bo`ladi. Tashki jism bilan o`zaro ta`sirlashmaydigan (energiya, modda, nurlanish bilan) sistemaga izolyatsiyalangan sistema deyiladi. Izolyatsiyalangan sistemada termodinamik muvozanat xolat mavjud bo`ladi. Bu muvozanat xolat vakt o`tishi bilan yuzaga keladi va xech vakt o`z xolicha ana shu muvozanat xolatdan chika olmaydi. Bunga termodinamikaning birinchi yoki asosiy postulati deb yuritiladi. Bu termodinamikaning birinchi dastlabki fikri termodinamikaning umumiy boshlanishi deb xam yuritiladi.
4. Termodinamik jarayon
Termodinamik sistemaning bir muvozanat xolatdan ikkinchi muvozanat xolatga utishiga termodinamik jarayon deb yuritiladi. Termodinamikada ikkita jarayon fark kilinadi: 1. Kvazistatistik (jarayon). 2. Nokvazistatistik (kaytmas) jarayon.
Tajriba shuni ko`rsatadiki, termodinamik muvozanat issiklik xarakatining maxsus kurinishi sifatida xam yuzaga kelar ekan. Agar ikkita muvozanatdagi sistemalar issiklik kontaktga keltirilsa, u xolda tashki parametr λ i
tengligiga karamasdan, ular ilgarigidek termodinamik muvozanat xolati koladi yoki muvozanat xolat ularda buziladi va ma`lum vakt o`tgandan so`ng issiklik almashinish (energiya almashinishi tufayli) jarayonida ikkala sistema boshka muvozanat xolatiga o`tadi. Bundan tashkari, agar uchta muvozanat xolatdagi sistemalar bo`lsa va birinchi va ikkinchi sistemalarning xar biri uchinchi sistema bilan muvozanat xolatda bo`lsa, u xolda birinchi va ikkinchi sistemalar xam o`zaro termodinamik muvozanat xolatda bo`ladi (termodinamik muvozanatning tranzitivlik xususiyati). Demak, sistemaning termodinamik muvozanat xolati fakat tashki parametrlar λ i bilan aniklanmasdan, sistemani ichki xolatini xarakterlovchi, yana bitta kattalik t bilan aniklanadi turli xil muvozanatdagi sistemalarni issiklik kontaktida, davomiyligida va olganda xam energiya almashinishi natijasida t ning kiymati bir xil bo`lib koladi. Bu fikr shunday xulosaga olib keladiki, agar boshka biror jismni foydalansak, termodinamik muvozanat xolatining tranzitivlik xossasi turli xil sistemalarni to`xridan – to`xri o`zaro issiklik kontaktga keltirmasdan turib, t ning kiymatini solishtirish imkoniyatini beradi. Odatda, ana shu kattalik t ga temperatura deyiladi, muvozanatdagi sistema xolatining maxsus funktsiyasi sifatida temperaturani mavjudligi to`xrisidagi fikrga termodinamikaning ikkinchi dastlabki fikr deb yuritiladi. Odatda, bunga “nolinchi boshlanish” xam deb yuritiladi. Temperaturani mavjudligi ta`siridagi fikrni kuyidagicha ta`riflash mumkin. Biz yukorida ko`rdikki, termodinamik sistemaning muvozanat xolati tashki va ichki parametrlar bilan xarakterlanadi, shu bilan birga ichki parametrlar sistema molekulalarining urniga va xarakatiga va tashki parametrlarining kiymatiga boxlik bo`ladi. Temperaturani mavjudligi to`xrisidagi fikr esa termodinamik muvozanat xolat tashki parametrlar to`plami va temperatura bilan aniklanishini tiklaydi. Demak, ichki parametrlar sistema xolatini xarakterlamasdan muvozanatdagi sistemaning boxlanmagan parametrlari bo`la olmaydi. Shunday kilib, sistemaning xamma muvozanatli ichki parametrlari tashki parametrlari va temperaturaning funktsiyasidir (termodinamikaning ikkinchi postulati). Sistema energiyasi uning ichki parametridir, u vaktda muvozanatda energiya tashki parametr va temperatura funktsiyasidir. Bu funktsiyadan temperaturani energiya va tashki parametri orkali ifodalab, termodinamikaning ikkinchi dastlabki fikrini kuyidagicha ta`riflash mumkin. Termodinamik muvozanatdan sistemaning ichki parametrlari tashki parametrlar va energiyaning funktsiyasidir. Termodinamikaning ikkinchi dastlabki fikri jism temperatura o`zgarishini, uning kaysi – bir ichki parametrini o`zgarishi bo`yicha aniklash imkonini beradi, (shunga asoslanib) turli xil termometrlarning kurilishi shunga asoslangan. Praktik xolatda temperaturani aniklashda modda bilan boxlangan kandaydir anik shkala bilan foydalanishga to`xri keladi. Termometrik parametr sifatida odatda, shu modda xajmi foydalaniladi, shkala uchun esa Tsel`siya bo`yicha tanlanadi. Temperatura Kel`vin shkalasi bo`yicha xaì o`lchanadi.
t T + = + = 15 , 273
1 α
(1.1.1)
t - temperatura Tsel`siy shkalasi bo`yicha olingan α ³aæm kengayish koeffitsienti.
£aðakatning yo`kolmasligi va uning bir xarakat formasidan boshka bir xarakat formasiga o`tishiga ya`ni saklanish va aylanish konuni deyiladi. Energiyaning saklanish va aylanish konuni: Gess (1840 yil), Joul (1840 yil), Mayer (1842 yil) va Gel`mgol`ts (1847 yil) tomonidan tiklangan. Energiyani saklash va aylanish konuni mikdoriy va sifat ko`rinishlariga ega. Termodinamikada energiyani saklanish va aylanish konuni issiklik jarayonlar uchun tadbik kilishda olingan mikdoriy ifodasi termodinamika birinchi konunining mikdoriy ifodasini beradi. “Umuman xarakat shakllarining umumiy o`lchoviga energiya deyiladi”.
£að kanday termodinamik sistema katta sondagi zarralardan tashkil topgan. Uzluksiz xarakatlanuvchi va o`zaro ta`sirlanuvchi ana shu zarralar energiyasiga termodinamik sistema energiyasi deyiladi. Sistema to`la energiyasi tashki va ichki energiyaga ajraladi. Sistemani bir butun xolda xarakat energiyasi va tashki kuch maydonidagi potentsial energiyasiga tashki energiya deyiladi. Sistemaning kolgan bo`lak energiyalariga ichki energiya deyiladi. Masalan, N ta zarradan tashkil topgan real gaz ichki energiyasi e kuyidagi ko`rinishga ega bo`ladi: ( ) . ) ( 2 1 2 i i i N j i i N i i r U r r U m P E + − + = ∑ ∑ ∑ ≤ ≤ ≤ =
(1.1.2) Bu erda P i - i- zarra impul`si, ( ) − − −
r r U i i va j - zarralarning o`zaro ta`sir energiyasi, − − i r U i ) ( zarrani tutgan urni bilan boxlangan potentsial energiya. Ichki energiya e sistema ichki parametri bo`lib xisoblanadi. Demak, ichki energiya sistema muvozanat xolatida tashki parametrlar λ 1 va temperatura T ga boxlik bo`ladi:
(
T E E ni λ λ λ λ ,... , , 3 2 1 =
(1.1.3)
Termodinamikada “ish” tushunchasi muxim rol` o`ynaydi, chunki sistema xolati o`zgargandagina termodinamik ish bajariladi. µaraladigan sistema tashki jism bilan o`zaro ta`sirda bo`lgandagina, sistema xolati o`zgaradi va natijada ishni mikdoriy tomondan aniklash mumkin bo`ladi. Xakikatan xam, sistema noldan farkli ish bajarishi uchun, u albatta tashki jismlarni siljitishi kerak. Tajriba shuni ko`rsatadiki, termodinamik sistemani, uni o`rab olgan muxit bilan o`zaro ta`sirida energiya almashinishi yuz beradi. Bu erda energiyani sistemadan tashki jismlarga uzatish ikkita xar xil usulda bo`lishi mumkin. Sistema tashki parametrlarining o`zgarishi bilan boxlik bulishi va bu parametrlarning o`zgarishsiz boxlik bulishi. Tashki parametrlarning o`zgarishi bilan boxlik bo`lgan energiya uzatishni birinchi usuliga ish deyiladi. Tashki parametrlarning o`zgarishisiz, ammo yangi termodinamik parametr (entropiya)ning o`zgarishi bilan boxlik bo`lgan energiya uzatishni ikkinchi usuliga – issiklik, energiya uzatish jarayonining bu usuliga – issiklik almashinish deyiladi. Tashki parametrlarning o`zgarishi bilan sistemaga berilgan energiyaga – ish deyilib, A xarf bilan belgilanadi. Tashki parametrlarning uzgarishisiz sistemaga berilgan energiyaga – issiklik mikdori deyilib, δ ³arfi bilan belgilanadi. Bajarilgan ish ∑ = i i i d t A λ δ
(1.1.4) formula yordamida topiladi. Bu erda δ A -
cheksiz kichik bajarilgan ish, t i - umumlashgan kuch, λ i - umumlashgan parametr. Termodinamikada bajarilgan ishni ishorasi kuyidagicha kabul kilingan. Agar sistema tashki kuchlarga karshi ish bajarsa – musbat, agar tashki sistema ustida tashki kuchlar ish bajarsa – manfiy yoki sistema kengayish jarayonida bajarilgan ishni ifodalovchi yuza jarayon yo`nalishini ifodalovchi egrilikdan o`ng tomonda yotsa – musbat agar chap tomonda yotsa – manfiy deb xam kabul kilingan. Bu fikrlardan shu narsa kelib chikadiki, sistema bir xolatdan ikkinchi xolatga o`tganda bajarilgan kengayish yoki sikilish ishi o`tish yo`liga karab, o`zgarib turar ekan. Ya`ni, bajarilgan ishni kattaligi o`tish yo`liga boxlik bo`ladi. Bu esa bajarilgan ish jarayon funktsiyasi bo`lishini ko`rsatadi. Shuning uchun bajarilgan ish δ A ko`rinishda ya`ni to`likmas differentsial ko`rinishda yoziladi. Masalan, agar sistema kengayish ishi bajarayotgan bo`lsa δ A- pdv
, agar sikilish ishi bajarilayotgan bo`lsa δ A- pdv ko`rinishda yoziladi. Agar tashki elektr maydon ta`siri ostida izotrop dielektrik ustida kutblash ishi bajarilayotgan bo`lsa: δ A= ε dP bo`ladi. Bu erda ε - tashki elektr maydon kuchlanganligi, P - kutblanish vektori. Agar tashki magnit maydon magnitik ustida magnitlash kuchi bajarilayotgan bo`lsa: δ A = HdM
bo`ladi. Bu erda H -
magnit maydon kuchlanganligi, M - magnitlanish vektori.
uzaro boxlanmagan mikroskopik parametrlar to`plami sistema xolatini aniklaydi. Berilgan vaktda sistema ³îlatini to`la xolda aniklovchi va sistemalarga xolat funktsiyasi deyiladi. 11. £îëatning termik va kalorik tenglamalari
Termodinamikaning ikkinchi dastlabki fikridan muvozanatli ichki parametrlar va temperaturaning funktsiyasi bo`lishidan sistema xolatining termik va kalorik tenglamalarining mavjudligiga olib keladi, ya`ni temperaturada T va tashki parametrlar λ 1 kandaydir muvozanatli ichki parametr b k bilan boxlovchi tenglama olib keladi.
( ) T f b n k , ,..., 1 λ λ =
(1.1.5)
Agar ichki parametr va ichki energiya E(b k =E) bo`lsa, u xolda tenglama ( ) T E E n , ,..., 1 λ λ =
(1.1.6) Energiya tenglamasi yoki xolatning kalorik tenglamasi deyiladi. Shunday nomlanishiga sabab, bu tenglama yordamida kaloriyada ifodalanuvchi issiklik siximi va boshka shunga o`xshagan kattaliklarni topish mumkin. Agar ichki parametr va tashki parametrga λ i- ko`shma bo`lgan umumlashgan kuch fi bo`lsa, u xolda tenglama fi = fi ( λ 1, …, λ n; T) (i = 1, 2, …, n) ³îlatning termik tenglamasi deb yuritiladi. Bunday nom bilan yuritilishiga sabab bu tenglamalar yordamida temperaturani xisoblash mumkin. £îëatning termik va kalorik tenglamalarining umumiy soni uning ozodlik darajalarining soniga teng bo`ladi, ya`ni sistema xolatini xarakterlovchi boxlanmagan parametrlar soniga teng bo`ladi. Agar xolatning termik va kalorik tenglamalari ma`lum bo`lsa, u xolda termodinamikaning boshlanishlari yordamida sistemaning xamma termodinamik xususiyatlarini aniklash mumkin. Termodinamikaning boshlanishlariga asoslanib
xolat tenglamalarini chikarish mumkin emas. Ular yoki tajribadan tiklanadi yoki statistik fizika metodi yordamida topiladi. Bu xol esa termodinamika va statistik fizikasi bir –birini to`ldirishini va ularni tamoman ajratish mumkin emasligini ko`rsatadi. Muvozanatli sistemalarning xususiyatini o`rganishda, termodinamika eng avval, oddiy sistema deganda ikkita parametr bilan aniklanuvchi bir fazali sistemalarga aytiladi. Oddiy sistema xolatining termik va kalorik tenglamalari mos ravishda kuyidagi ko`rinishni oladi:
) ( 1
f f λ =
(1.1.7) ) ( 1 T E E λ =
(1.1.8) Agar
f = p - bosim, λ = V - V - sistema xajmi bo`lsa, u xolda sistema xolatining tenglamalari
p= p ( V, T)
(1.1.9)
E=E (V, T ) bo`ladi. Ideal gaz uchun xolatning termik tenglamasi Klapeyron-Mendeleev tenglamasi bo`ladi.
PV = RT - bir mol` gaz uchun (1.1.10)
µ ν m VRT RV − − = mol` gaz uchun: m - gaz massasi, µ - molyar massa. uzãarmas temperaturada ideal gaz ichki energiyasini uning xajmiga boxlik emaslish to`xrisida Djoul konunidan foydalansak, ya`ni
0
∂ ∂
E
(1.1.11)
U xolda ideal gaz kalorik tenglamasini olamiz. ∫ + = ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ = 0 , , E cVdT E dT T E dV V E dT E E dE T
(1.1.12)
Bir atomli ideal gaz uchun e = S v T + e
0 bo`ladi. Ideal real gazlar uchun empirik xolda xolatning 150 dan oshik termik tenglama tiklangan: Van-der-Vaals tenglamasi
( )
b V V a P = − + 2
(1.1.13) b – molekulyarning xususiy xajmi.
3
0 0 3 4 , 4 Z V N V b π = =
(1.1.14) 2
a - ichki bosim (1.3) tenglamaga real gazlar uchun tuzatma kiritishni birinchi marta M.V.Lomonosov aytadi – (issiklikning tabiati to`xrisida molekulyar – kinetik tasavvurga asoslanib). ( )
a RTe b V P − = − (1.5) – Diterichening I – tenglamasi (1.1.15)
(
− = − + RT b V V а P 3 / 5 Diterichening II – tenglamasi (1.1.16)
(
− = − + RT b V T V а P 2 Bertlo tenglamasi.
(1.1.17) + + + + = ... 1 3 2 V D V C V B RT PV (1.6) – ³îëatning verial (1.1.18)
formadagi tenglamasi. Bu erda V,S,D …. – temperatura funktsiyasi bo`lib, ularga verial koeffitsientlar deb yuritiladi. Birinchi xad ideal gazga mos keladi, kaysiki molekulalar orasida o`zaro ta`sir yo`kdir. Ikkinchi esa molekulalar orasidagi juft to`knashishni xisobga oladi va x.k.z. Real gazlarga molekulalar orasidagi o`zaro ta`sir kuch kiska ta`sir xarakterdaligini xisobga olib, Mayer va Bogolyubov turli xil metodlar yordamida xolat tenglamasini kuyidagicha oladi:
,
1 + = ∑ ∞ =
Vn Bn RT pV
(1.1.19)
Bu erda virial koeffitsientlar V n gaz zarralari orasida o`zaro ta`sir potentsial orkali ifodalanadi. Masalan, agar molekulalar orasidagi potentsial U fakat molekulalar orasidagi masofa r ning funktsiyasi bo`lsa, u xolda N ta zarradan tashkil topgan gazning ikkinchi verial koeffitsienti
. 1 2 ) ( 0 2 ) 2 ( 4
r e N T B KT ∫ ∞ − − − = π
(1.1.20)
V(T) ni eksperimentda o`lchab, o`zaro ta`sirning potentsial funktsiyasining parametrlarini topish mumkin. Sistema xolat tenglamalarining mavjudligidan uchta termik koeffitsientlar (kengayish, sikilish, bosim elastiklik) orasida kuyidagi boxlanish borligini olish mumkin:
. 0 βγ α
=
(1.1.21)
T P T P P P V V T V V ∂ ∂ = ∂ ∂ − = ∂ ∂ = 0 0 0 1 , 1 , 1 γ β α
(1.1.22) V 0 va R 0 – 0 0 S da sistema xajmi va bosimi.
Download 0.86 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|