Termodinamikaning I-qonuni. Ichki energiya, issiqlik va ish

|
Termodinamikaning I-qonuni. Ichki energiya, issiqlik va ish
|
bet | 4/69 | Sana | 23.05.2024 | Hajmi | 1,78 Mb. | | #251021 |
Bog'liq Маъруза o’zbekiston respublikasi oliy va o’rta maxsus ta’lim vaz (1)Termodinamikaning I-qonuni. Ichki energiya, issiqlik va ish
Xarakati materiyaning ajralmas hossasi hisoblanadi. Harakat o’lchovi energiyadir. Kimyoviy termodinamikada ichki energiya tushunchasi katta axmiyat kasb etadi. Moddalaraning sistemalarning ko’p xossalari ularning ichki energiyasiga bog’liq. Sistemaning ichki energiyasi, uni tashqil etgan hamma tarkibiy bo’laklarning bir – biriga ta’sir potenstial energiyasi bilan ularning harakatini kinetik energiyalari yig’indisiga teng. Ya’ni, sistemaning ichki energiyasi sistemani tashqil etgan molekulalarning ilgarilanma va aylanma harakat energiyalaridan, molekuladagi atom va atom gruppalarining tebranma harakat energiyasidan, atomlardagi elektronlarning aylanma harakat energiyasidan, molekulalar aro ta’sir energiyasidan, yadrodagi mavjud energiyalardan tashqil topgan bo’ladi. Sistemaning umumiy energiya miqdoridan butun sistemaning kinetik energiyasi va uni holatining potenstial energiyasini ayirsak qolgan energiya saqlanmasi ichki energiyaga teng bo’ladi. Ichki energiya miqdorini o’lchash ko’pchilik hollarda murakkab, lekin kimyoviy jarayonlarga kimyoviy termodinamikani qo’llash uchun sistemaning bir holatdan ikkinchi holatga o’tishidagi ichki energiyani o’zgarishini bilish kifoya.
Kimyoviy jarayonlarda kimyoviy ya’ni ichki energiya boshqa xil energiyalarga aylanadi. Chunonchi – issiqlik yutilishi yoki chiqishi mumkin. Nurlanish yoki nur yutilishi sodir bo’lishi yoki elektr energiyasi vujudga kelishi, ish bajarilishi mumkin va xokazo.
Biror jarayon mobaynida ichki energiyaning o’zgarishi, sistemaning boshlang’ich va oxirgi holatiga bog’liq bo’lib, sistemaning borgan yo’liga ya’ni jarayon borish sharoitiga bog’liq emas. Bunday funkstiyalar to’liq funkstiyalar deb ataladi. To’liq funkstiyalar xossalari holat funkstiyalari xossalariga mos keladi. Buni quyidagi ifodalardan,
va
ko’rsak, bu erda X funkstiyaning o’zgarishi faqatgina boshlang’ich va oxirgi shartlarga (chegaralarga) bog’liq bo’lib, jarayoning borish yo’liga bog’liq emas. To’liq funkstiya integrallanadi, lekin noto’liq funkstiyani integrallab bo’lmaydi.
Har xil jarayonlarda energiyaning bir turi ikkinchi boshqa turiga aylanadi. Termodinamikaning birinchi qonuni, shu energiya turlari, ularning o’tish shakllari o’rtasida miqdoriy nisbatni o’rganadi. Bu qonun ichki energiya, issiqlik va ish orasidagi o’zaro bog’liqlikni belgilaydi.
Termadinamikaning 1-qonuni bir necha ta’riflari mavjud bo’lib, ular bir – biridan kelib chiqadi.
Birinchi qonun energiya saqlanish qonuni bilan to’g’ridan– to’g’ri bog’liq: har qanday izolirlangan sistemada energiya saqlanmasi o’zgarmasdir. Bundan-jarayonning borish sharoitiga, unda qanday moddalar ishtirok etishiga qaramasdan, doimo energiyaning ma’lum miqdordagi bir turi energiyaning ma’lum miqdordagi boshqa turiga aylanadi. (Ekvivalentlik qonuni.) –deyish mumkin.
Yuqoridagilardan (energiyaning saqlanish qonunini nazarda tutib) bu qonunni boshqa ta’rifini keltirish mumkin: birinchi tur adabiy dvigatelning (energiya sarflamasdan turib mexanik ish bajaruvchi qurilma) bo’lishi mumkin emas.
Kimyoviy termodinamika uchun 1-qonunining ichki energiya tushunchasi orqali ta’rifi katta axamiyat kasb etadi: Ichki energiya holati funkstiyasi bo’lib, uning o’zgarishi jarayon yo’liga bog’liq bo’lmay faqatgina sistemaning boshlang’ich va oxirgi holatlariga bog’liqdir.
Birinchi qonunning izolirlangan sistemada energiya saqlanmasa o’zgarmasligi ta’rifidan foydalanib ichki energiya holat funkstiyasi ekanligini isbotlash mumkin
Misol uchun:
Sistemaning 1 – xolatidan 2 – xolatiga o’tishidagi ichki energiyaning o’zgarishini UA, boshqa yo’ldan borgandagi o’zgarishini UB deb belgilab, ichki energiya o’zgarishi yo’liga bog’liq deb faraz qilaylik.
Agar UA va UB har xil qiymatlar bo’lsa, sistemani izolirlasak va sistemani 1- xolatdan 2- xolatga birinchi yo’ldan, keyin 2-xolatdan 1- xolatga boshqa yo’ldan olib borib energiya yutug’ini yoki kamayishini kuzatish mumkin bo’lardi. (UB - UA). Lekin shart bo’yicha sistema izolirlangan bo’lib, u tashqi muhit bilan issiqlik va ish almashnuvidan maxrum va uning energiya saqlanmasi 1-qonunga muvofiq o’zgarmasdir. Shunday qilib, yuqoridagi faraz noto’g’ri bo’lib chiqdi va sistemani 1-xolatdan 2-xolatga o’tishidagi ichki energiyaning o’zgarishi jarayonining borish yo’liga bog’liq emas, ya’ni ichki energiya xolat funkstiyasidir.
Sistemaning ichki energiyasini o’zgarishi tashqi muhit bilan issiqlik va ish almashinuvi hisobiga boradi. Sistema qabul qilingan issiqlik va sistema bajargan ish musbat deb qabul qilingan. Unda termodinamikaning 1 - qonuniga binoan tashqaridan sistema olgan issiqlik (Q) ichki energiyaning o’zgarishiga (U) va ish (A) bajarilishiga sarf bo’ladi, ya’ni
Qq UQA
Bu termodinamikaning 1 - qonunini matematik ifodasidir. Matematikadan ma’lumki, to’liq funkstiyalarning cheksiz kichik o’zgarishi d va noto’liq funkstiyalarning cheksiz kichik o’zgarishi bilan belgilanadi. Demak yuqoridagi kataliklarning cheksiz o’zgarishlari uchun quyidagi ifodani
Qq dUQ A
qo’llash mumkin. Ya’ni energiyadan farqli o’laroq ish va issiqlik xolat funkstiyalari emas, ular jarayon yo’liga bog’liqdir.
Agar jarayon yo’li ma’lum bo’lsa noto’liq funkstiyani to’liq funkstiyaga aylantirish mumkin va o’rniga d ni yozib bu funkstiyani xam integrallash mumkin bo’ladi.
1-qonunni xar xil jarayonlarga tadbiqi.
Ko’pgina sistemalar uchun kengayish ishi birdan–bir ish turidir. Ideal gazning kengayish ishini har xil jarayonlarda ko’ramiz. Kengayishda bajarilgan ishni quyidagi tenglama asosida xisoblash mumkin.
AqpdV yoki integral xolatda
Bu tenglamani integrallash uchun bosim va hajm orasidagi bog’lanishni yani gazning xolat tenglamasini bilish lozim. Ideal gaz uchun bu bog’lanishni Klayperon – Mendeleev teglamasidan olish mumkin.
pV q nRT
Bu erda n – ideal gaz miqdori. R – universal gaz doimiyligi, 8,314dj (mol K). Har xil jarayonlarda bajarilgan ishni ko’rib chiqsak.
1. Izobarik jarayon (p qconst) uchun yuqoridagi tenglamani yozsak.
A q p(V2- V1)
PV2 q nRT va p V1 q nRT1 ligini inobatga olib
A qn R(T2 – T1) ni hosil qilamiz
2. Izotermik jarayon o’zgarmas teperaturada (T qconst) boradi. Yuqoridagi tenglama R o’rniga nRTG’V ni qo’yib integrallasak quyidagi ifodani hosil qilamiz.
A q nRT ln V2G’V1
T q const da p1V1 q p2V2 ligini xisobga olsak
A q nRT ln P1 G’ P2 ni xosil qilamiz.
3. Adiabatik jarayonda (Q q const, Q q o), birdaniga ikki parametr- gazning temperaturasi va bosimi o’zgarishi mumkin. Tashqaridan issiqlik kelmaganidan adiabatik kengayish ishi ichki energiya kamayishi xisobiga bo’ladi va gaz soviydi;
A q - U
Ichki energiyaning o’zgarishi ideal gazning xajm o’zgarmagandagi molyar issiqlik sig’imiga (Sv) bog’liq bo’lib, ya’ni
U q nCv (T2 -T1)
Yuqoridagi tenglamaga solishtirib
A q n Cv (T1 –T2)
ni xosil qilamiz;
Izoxorik jarayon xajm o’zgarmasdan boradi.(V q const)
t englamadan A q 0. Yuqoridagi keltirilgan jarayonlardagi ishni grafik ko’rinishida ko’rsak quyidagicha chizmani xosil qilishimiz mumkin. Bu erda 1 – izobarik, 2 – izotermik, 3 – adiabatik va 4 – izoxorik jarayonlarda ideal gazning kengayish ishi.
Egri chiziqlar ostidagi yuza shu jarayon davrida bajarilgan maksimal ishni ko’rsatadi. Demak eng katta miqdorda ish izobarik jarayonda xosil bo’ladi.
Termodinamikaning 1-qonuning analitik ifodasiga kengayish ishini qo’yib quyidagi ifodani xosil qilamiz.
Q q dU Q pdV
Ikki xil: izobarik va izoxorik jarayonlarni ko’rsak, izoxorik jarayonda V q const va dV q 0 ligini inobatga olib yuqoridagi tenglamani integrallasak
Qv q U2 – U1 q U
Demak izoxorik jarayonning issiqligi ichki energiyaning ortishiga teng bo’ladi.
Izobarik (p q const) jarayonda yuqoridagi tenglamani integrallasak va guruhlasak quyidagi ifodani xosil qilamiz.
Qp q (U2 Q pV2) – (U1 Q pV1)
Kimyoviy termodinamikada entalpiya (N) funkstiyasi katta ahamiyatga ega bulib, u ichki energiya bilan quyidagicha bog’liq.
Hq U Q pV
Entalpiya ham, ichki energiya kabi, xolat funkstiyasidir. Yuqoridagilardan
Qp q H2 – H1 q H
Shunday qilib, izobarik jarayonning issiqligi shu jarayon mobaynida entalpiyaning o’zgarishiga teng. Cheksiz kichik o’zgarishlar uchun
Qv q dU Qp q dH
|
| |