Termodinamika fizikaning muhim boʻlimidir. Ishonch bilan aytishimiz mumkinki, uning yutuqlari texnologik davrning paydo bo'lishiga olib keldi va so'nggi 300 yil davomida insoniyat tarixining borishini aniq belgilab berdi. Maqolada termodinamikaning birinchi, ikkinchi va uchinchi qonunlari va ularning amaliyotda qo‘llanilishi muhokama qilinadi.
Termodinamika nima?
Termodinamika qonunlarini shakllantirishdan oldin fizikaning ushbu boʻlimi nima qilishini aniqlaymiz.
"Termodinamika" so'zi yunoncha bo'lib, "issiqlik tufayli harakat" degan ma'noni anglatadi. Ya'ni, fizikaning bu bo'limi har qanday jarayonlarni o'rganish bilan shug'ullanadi, buning natijasida issiqlik energiyasi mexanik harakatga aylanadi va aksincha.
Termodinamikaning asosiy qonunlari 19-asr oʻrtalarida tuzilgan. "Harakat va issiqlik" fani butun tizimning xatti-harakatlarini bir butun sifatida ko'rib chiqadi, uning makroskopik parametrlari - harorat, bosim va hajmning o'zgarishini o'rganadi va uning mikroskopik tuzilishiga e'tibor bermaydi. Bundan tashqari, ularning birinchisi qonunlarni shakllantirishda asosiy rol o'ynaydifizikada termodinamika. Shunisi qiziqki, ular faqat eksperimental kuzatishlar natijasida olingan.
Termodinamik tizim tushunchasi
Bu har qanday atomlar, molekulalar yoki bir butun sifatida qabul qilinadigan boshqa elementlar guruhini bildiradi. Barcha uchta qonun termodinamik tizim deb ataladigan tizim uchun tuzilgan. Misollar: Yer atmosferasi, har qanday tirik organizm, ichki yonuv dvigatelidagi gaz aralashmasi va boshqalar.
Termodinamikada barcha tizimlar uchta turdan biriga tegishli:
- Ochiq. Ular atrof-muhit bilan ham issiqlik, ham modda almashadilar. Masalan, agar ovqat qozonda ochiq olovda pishirilsa, bu ochiq tizimning yorqin namunasidir, chunki idish tashqi muhitdan (olovdan) energiya oladi, o'zi esa issiqlik shaklida energiya chiqaradi, va undan suv ham bug'lanadi (metabolizm).
- Yopiq. Bunday tizimlarda energiya almashinuvi sodir bo'lsa-da, atrof-muhit bilan moddalar almashinuvi bo'lmaydi. Oldingi holatga qaytsak: choynakni qopqoq bilan yopsangiz, yopiq tizimni olishingiz mumkin.
- Izolyatsiya qilingan. Bu atrofdagi kosmos bilan materiya yoki energiya almashmaydigan termodinamik tizimlarning bir turi. Misol tariqasida issiq choy solingan termosni keltirish mumkin.
Termodinamik harorat
Bu tushuncha atrofdagi jismlarni hosil qiluvchi zarrachalarning tezlikni aks ettiruvchi kinetik energiyasini bildiradi.zarrachalarning tasodifiy harakati. U qanchalik katta bo'lsa, harorat shunchalik yuqori bo'ladi. Shunga ko'ra, tizimning kinetik energiyasini kamaytirish orqali biz uni sovutamiz.
Bu tushuncha atrofdagi jismlarni tashkil etuvchi zarrachalarning kinetik energiyasini bildiradi, bu esa zarralarning xaotik harakati tezligini aks ettiradi. U qanchalik katta bo'lsa, harorat shunchalik yuqori bo'ladi. Shunga ko'ra, tizimning kinetik energiyasini kamaytirish orqali biz uni sovutamiz.
Termodinamik harorat SIda (Xalqaro birliklar tizimi) Kelvinda ifodalangan (bu shkalani birinchi marta taklif qilgan ingliz olimi Uilyam Kelvin sharafiga). Termodinamikaning birinchi, ikkinchi va uchinchi qonunlarini harorat taʼrifisiz tushunish mumkin emas.
Kelvin shkalasi bo'yicha bir darajaga bo'linish ham bir daraja Selsiyga to'g'ri keladi. Ushbu birliklar orasidagi konvertatsiya quyidagi formula bo'yicha amalga oshiriladi: TK =TC + 273, 15, bu erda TK va TC - kelvin va Selsiy gradusidagi haroratlar.
Kelvin shkalasining o'ziga xosligi shundaki, u manfiy qiymatlarga ega emas. Undagi nol (TC=-273, 15 oC) tizim zarrachalarining issiqlik harakati toʻliq boʻlmagan holatga mos keladi., ular "muzlatilgan" ko'rinadi.
Energiyaning saqlanishi va termodinamikaning 1-qonuni
1824-yilda fransuz muhandisi va fizigi Nikolas Leonard Sadi Karno dadil taklif bilan chiqdi, bu nafaqat fizikaning rivojlanishiga olib keldi, balki texnologiyani takomillashtirishda katta qadam boʻldi. Uningquyidagicha ifodalanishi mumkin: "Energiyani yaratish yoki yo'q qilish mumkin emas, uni faqat bir holatdan ikkinchi holatga o'tkazish mumkin."
Aslida Sadi Karnoning iborasi termodinamikaning 1-qonunining asosini tashkil etgan energiyaning saqlanish qonunini postulatsiya qiladi: «Tizim qachon tashqaridan energiya olsa, uni boshqa shakllarga aylantiradi, asosiysi termal va mexanik."
1-qonunning matematik formulasi quyidagicha yozilgan:
Q=DU + A, bu yerda Q - atrof-muhit tomonidan tizimga uzatiladigan issiqlik miqdori, DU - bu tizimning ichki energiyasining o'zgarishi, A - mukammal mexanik ish.
Adiabatik jarayonlar
Togʻ yonbagʻirlari boʻylab havo massalarining harakatlanishi ularga yaqqol misol boʻla oladi. Bunday massalar juda katta (kilometr yoki undan ko'p) va havo ajoyib issiqlik izolyatoridir. Qayd etilgan xususiyatlar havo massalari bilan qisqa vaqt ichida sodir bo'ladigan har qanday jarayonlarni adiabatik deb hisoblash imkonini beradi. Havo tog' yonbag'iridan ko'tarilganda, uning bosimi pasayadi, u kengayadi, ya'ni mexanik ishlarni bajaradi va natijada soviydi. Aksincha, havo massasining pastga siljishi undagi bosimning oshishi bilan birga keladi, u siqiladi va shu sababli juda qizib ketadi.
Avvalgi kichik sarlavhada koʻrib chiqilgan termodinamika qonunining qoʻllanilishi adiabatik jarayon misolida eng oson koʻrsatilgan.
Ta'rifga ko'ra, buning natijasida energiya almashinuvi bo'lmaydi.muhit, ya'ni yuqoridagi tenglamada Q=0. Bu quyidagi ifodaga olib keladi: DU=-A. Bu erda minus belgisi tizim o'zining ichki energiyasini kamaytirish orqali mexanik ishlarni bajarishini bildiradi. Shuni esda tutish kerakki, ichki energiya tizim haroratiga bevosita bog'liq.
Issiqlik jarayonlari yoʻnalishi
Bu masala termodinamikaning 2-qonuniga bag'ishlangan. Shubhasiz, har bir kishi, agar siz har xil haroratga ega bo'lgan ikkita ob'ektni kontaktga keltirsangiz, sovuq har doim qizib ketishini, issiq esa soviydi. Esda tutingki, teskari jarayon termodinamikaning birinchi qonuni doirasida sodir bo'lishi mumkin, lekin u amalda hech qachon amalga oshirilmaydi.
Bu jarayonning (va Koinotdagi barcha ma'lum jarayonlarning) qaytarilmasligining sababi tizimning ehtimoliy holatga o'tishidir. Har xil haroratli ikkita jismning aloqasi bilan ko'rib chiqilgan misolda, tizimning barcha zarralari bir xil kinetik energiyaga ega bo'lgan holat eng ehtimoliy holat bo'ladi.
Termodinamikaning ikkinchi qonunini quyidagicha ifodalash mumkin: “Issiqlik hech qachon oʻz-oʻzidan sovuq jismdan issiq jismga oʻtib boʻlmaydi”. Agar tartibsizlik oʻlchovi sifatida entropiya tushunchasini kiritadigan boʻlsak, u holda uni quyidagicha ifodalash mumkin: “Har qanday termodinamik jarayon entropiyaning ortishi bilan boradi”.
Issiqlik dvigateli
Bu atama unga tashqi energiya ta'minoti tufayli mexanik ishlarni bajarishi mumkin bo'lgan tizim tushuniladi. Birinchidanissiqlik mashinalari bug' dvigatellari bo'lib, 17-asr oxirida ixtiro qilingan.
Ularning samaradorligini aniqlashda termodinamikaning ikkinchi qonuni hal qiluvchi rol o’ynaydi. Sadi Carnot shuningdek, ushbu qurilmaning maksimal samaradorligini aniqladi: Samaradorlik=(T2 - T1)/T2, bu yerda T2 va T1 - isitgich va muzlatgich harorati. Mexanik ishni faqat issiq jismdan sovuqqa issiqlik oqimi mavjud bo'lganda bajarish mumkin va bu oqimni 100% foydali energiyaga aylantirib bo'lmaydi.
Quyidagi rasmda issiqlik dvigatelining ishlash printsipi koʻrsatilgan (Qabs - mashinaga uzatiladigan issiqlik, Qced - issiqlik yo'qotilishi, W - foydali ish, P va V - pistondagi gaz bosimi va hajmi).
Mutlaq nol va Nernst postulati
Nihoyat, termodinamikaning uchinchi qonunini ko'rib chiqishga o'tamiz. U Nernst postulati deb ham ataladi (20-asr boshlarida uni birinchi marta shakllantirgan nemis fizigining nomi). Qonunda aytilishicha: "Absolyut nolga cheklangan miqdordagi jarayonlar bilan erishib bo'lmaydi". Ya'ni, moddaning molekulalari va atomlarini to'liq "muzlatish" hech qanday tarzda mumkin emas. Buning sababi atrof-muhit bilan doimiy issiqlik almashinuvidir.
Termodinamikaning uchinchi qonunidan olingan foydali xulosalardan biri shundaki, mutlaq nolga qarab entropiya kamayadi. Bu shuni anglatadiki, tizim o'zini o'zi tartibga solishga intiladi. Bu haqiqat bo'lishi mumkinmasalan, sovutilganda paramagnitlarni ferromagnit holatga o'tkazish uchun foydalaning.
Shunisi qiziqki, hozirgacha erishilgan eng past harorat 5·10−10 K (2003, MIT laboratoriyasi, AQSh).
