Термодинамика негіздері

Оқулықтық тірек

• Кронгарт Б., Казахбаева Д., Иманбеков О., Қыстаубаев Т. «Физика. 10-сынып ЖМБ», 10-сынып, Мектеп, 2019, 132–145-б.
• Башарұлы Р., Шүйіншина Ш., Сейфоллина К. «Физика. 8-сынып», 8-сынып, Атамұра, 2018, 15–18, 33–44, 66–82-б.

Негізгі ұғымдар

• Ішкі энергия $U$ — дене бөлшектерінің кинетикалық энергиялары мен өзара әрекеттесу потенциалдық энергияларының қосындысы. Ол ешқашан нөлге тең болмайды; температура артса, $U$ артады.
• Ішкі энергияны өзгертудің екі тәсілі: жұмыс жасау және жылу алмасу.
• Жылу мөлшері $Q$ — жылу алмасу кезінде берілген не алынған энергия (Дж). 1 кал ≈ 4,2 Дж.
• Термодинамиканың I заңы: $Q=\Delta U+A$.
• Термодинамиканың II заңы: жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге өтпейді (Клаузиус, 1850 ж.); табиғи процестер қайтымсыз.

Теория

Жылу мөлшерінің формулалары.

Процесс	Формула	Шама
Қыздыру/суыту	$Q=cm\Delta t$	$c$ — меншікті жылу сыйымдылығы, Дж/(кг·°C); су үшін 4200
Отынның жануы	$Q=qm$	$q$ — меншікті жану жылуы: бензин $4{,}6\cdot10^7$, тас көмір $3{,}7\cdot10^7$, сутек $12\cdot10^7$ Дж/кг
Жылулық тепе-теңдік: оқшауланған жүйеде $Q_{берген}=Q_{алған}$; соңғы температура бастапқы температуралардың арасында болады.

Ішкі энергияны өзгерту мысалдары. Румфорд тәжірибесі: зеңбірек оғын бұрғылағанда металл қызады (жұмыс → $U$ артады). Ыдыстағы ауа тығынды атып шығарғанда, ауа суып, тұман пайда болады (газ өзі жұмыс жасайды → $U$ азаяды).

Бір атомды идеал газ: $U=\dfrac32\nu RT$. Изобаралық жұмыс $A=p\Delta V=\nu R\Delta T$; $p(V)$ графигі астындағы аудан.

I заң. Жүйеге берілген жылу оның ішкі энергиясын арттыруға және сыртқы күштерге қарсы жұмыс жасауға жұмсалады. Таңбалар: $Q>0$ — газ жылу алады, $A>0$ — газ ұлғайып жұмыс жасайды. Сыртқы күштер жұмысы $A'=-A$.

Процесс	Шарт	I заң
Изохоралық	$A=0$	$Q=\Delta U$
Изотермалық	$\Delta U=0$	$Q=A$
Изобаралық	$p=\text{const}$	$Q=\Delta U+p\Delta V$
Адиабаталық	$Q=0$	$A=-\Delta U$ (сыққанда газ қызады)
Бірінші текті мәңгілік қозғалтқыш мүмкін емес.

II заң және қайтымсыздық. Жылу ыстықтан суыққа өздігінен өтеді, керісінше емес; құлаған тастың механикалық энергиясы ішкі энергияға айналады, кері өздігінен айналмайды; диффузия, газдың бос кеңістікке ұлғаюы — қайтымсыз. Тоңазытқыш суық камерадан жылуды электр тогының жұмысы есебінен алады (жұмыс агенті — фреон, аммиак).

Жылу қозғалтқышы: қыздырғыш → жұмыстық дене (бу, газ) → суытқыш. $Q_1=A+Q_2$. $\eta=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=\frac{A_п}{Q_1},\qquad \eta_{max}=\frac{T_1-T_2}{T_1}\ \ (\text{Карно, 1824 ж.}).$ Нақты қозғалтқыштарда $\eta<\eta_{max}$: бензинді — 20–25 %, дизельді — 30–36 %-ға дейін, бу турбиналары — 40 %-ға дейін.

Мысалдар

1. Газға 5 кДж жылу берілді, ол 2 кДж жұмыс жасады. $\Delta U=5-2=3$ кДж — ішкі энергия артты.
2. Карно циклі: $T_1=500$ К, $T_2=300$ К. $\eta=\dfrac{200}{500}=40\%$.
3. $Q_1=500$ кДж, $Q_2=350$ кДж. $\eta=\dfrac{150}{500}=30\%$.
4. 2 кг бензин жанды, ПӘК 25 %. $Q_1=9{,}2\cdot10^7$ Дж, $A_п=2{,}3\cdot10^7$ Дж.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Карно формуласына Цельсий температурасын қою.
• Адиабаталық процесте «температура өзгермейді» деу: жылу алмасу жоқ, бірақ температура өзгереді.
• Изотермалық процесте $Q=0$ деп ойлау: керісінше, $\Delta U=0$, ал $Q=A$.
• Газдың жұмысы $A$ мен сыртқы күштер жұмысы $A'$ таңбаларын шатастыру.
• Тоңазытқыш II заңды бұзады деу: ол сыртқы жұмыс есебінен жұмыс істейді.

Өзіңді тексер

1. Ішкі энергияны өзгертудің екі тәсілі? — Жұмыс жасау және жылу алмасу.
2. Изохоралық процесте I заң? — $Q=\Delta U$.
3. Бір атомды идеал газдың ішкі энергиясы? — $U=\tfrac32\nu RT$.
4. Клаузиус постулаты? — Жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге өтпейді.
5. Неліктен нақты ПӘК 100 %-ға жетпейді? — $Q_2$ суытқышқа беріледі, үйкеліске шығын бар.