Ішкі энергия

Заттарды құрайтын бөлшектердің қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының осы бөлшектердің өзара әсерлесу орташа потенциалдық энергиясына қосындысын ішкі энергия деп атайды. Өлшем бірлігі .

Идеал газдың ішкі энергиясы абсолют температураға тура пропорционал болады:

Идеал газдың ішкі энергиясының өзгерісі

Кез-келген газдардың ішкі энергиясы

мұндағы: – газ молекуласының еркіндік дәрежесі.

10.2.Термодинамикалық жұмыс

Цилиндр ыдыс ішіндегі идеал газды қарастырайық. Газ жылжымалы поршень астында орналасқан. Газ ұлғая отырып көлемін V₁-ден V₂-ге өзгертсін. Бұл жағдайдағы газдың атқаратын жұмысын анықтайық.

мұндағы: газ көлемінің

Поршеньді қашықтыққа орын ауыстырғанда газдың атқаратын элементар жұмысы . Газдың поршеньге түсіретін қысым күші екенін ескере отырып, алатынымыз:   , өзгерісін береді.

Сол себепті газдың атқаратын элементар жұмысын келесі өрнекпен көрсетуге болады:

.

Газ тек көлемі өзгергенде жұмыс атқарады. Егер газдың көлемі ұлғайса, газ оң жұмыс атқарады, ал газ сығылса (көлемі азайса) теріс жұмыс атқарады. Егер газдың қысымы тұрақты болса, онда газдың көлемі -ден -ге өзгергенде атқарылатын жұмыс өрнегімен анықталады.

Газдың көлемі өзгергенде қысымы да өзгеретін болса, онда жоғарыдағы формула тек көлемнің аз өзгерістері үшін дұрыс орындалады. Сондықтан газдың көлемі мен қысымы өзгерген жағдайда, газ жұмысы элементар жұмыстардың қосындысы, яғни интегралдау жолымен табылады:

.

Темодинамикалық жұмыс p-V диаграммасында график қисығымен шектелген ауданға тең болады.

Изохоралық процесс кезінде газ жұмыс атқармайды: А=0.

10.3.Жылу мөлшері

Жүйенің жылу алмасу нәтижесінде беретін немесе алатын энергиясын жылу мөлшері деп атайды. Өлшем бірлігі .

.

Заттың жылу сыйымдылығы деп заттың температурасын 1 Кельвинге өзгертуге қажетті жылу мөлшерін айтады. Өлшем бірлігі – Дж/К.

Меншікті жылу сыйымдылығы деп массасы бір килограмм заттың температурасын бір Кельвинге өзгертуге қажетті жылу мөлшерін айтады. Өлшем бірлігі – Дж/(кг ^.К)

Мольдік жылу сыйымдылығы деп мөлшері бір моль заттың температурасын бір Кельвинге өзгертуге қажетті жылу мөлшерін айтады. Өлшем бірлігі – Дж/моль ^.К.

Заттың жылу сыйымдылықтары денені қыздыру әдісіне тәуелді болады. Денені қыздыру тұрақты көлемде жүретін болса, жылу сыйымдылығын тұрақты көлемдегі жылу сыйымдылығы деп атайды. Ал егер қыздыру тұрақты қысымда жүретін болса, онда жылу сыйымдылығын тұрақты қысымдағы жылу сыйымдылығы деп атайды

Термодинамиканың І заңы жылулық құбылыстардағы энергияның сақталу заңы болып табылады:

Термодинамиканың жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы денелермен жұмыс атқаруына жұмсалады:

10.4.Термодинамиканың І заңын процестерге қолдану

1) Изотермиялық процесс.

Изотермиялық процесс кезінде жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі нольге тең және жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің сыртқы денелермен жұмыс атқаруына жұмсалады.

Изотермиялық процесс кезіндегі атқарылатын жұмысты анықтайық.

.

Менделеев-Клапейрон теңдеуінен газ қысымын өрнектейік:

2) Изохоралық процесс.

Изохоралық процесс кезінде газ жұмыс нольге тең және жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге жұмсалады.

Ішкі энергия өзгерісі ,

мұндағы: - тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылығы.

3) Изобаралық процесс.

Изобаралық процесс кезінде термодинамиканың жүйеге берілген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы денелермен жұмыс атқаруына жұмсалады:

немесе

Жүйеге берілген жылу мөлшері: ,

мұндағы: - тұрақты қысымдағы мольдік жылу сыйымдылығы.

Ішкі энергия мен термодинамикалық жұмыс келесі формулалармен өрнектелетінін ескерсек:

және

термодинамиканың 1-заңы мына түрде жазылады:

.

екенін ескерсек

-ға теңдіктің екі жағын бөлсек

Майер формуласын аламыз: .

Газдың тұрақты қысымдағы және тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылықтарының айырмасы универсал газ тұрақтысына тең.

C_p тұрақты қысымдағы мольдік жылу сыйымдылығы әрқашан C_V тұрақты көлемдегі мольдік жылу сыйымдылығынан үлкен болады (сурет).

Сурет ΔT = T2 – T1 температураға газды қыздырудың екі мүмкін процесі. p = const жағдайында газ A = p1(V2 – V1) жұмысын атқарады. Сол себепті Cp > CV.

4) Адиабаталық процесс.

Сыртқы ортамен жылу алмаспай жүретін процесс адиабаталық процесс деп аталады.

Адиабаталық процесті сипаттайтын теңдеу Пуассон теңдеуі деп аталады.

,

мұндағы: - Пуассон коэфиценті немесе адиабата көрсеткіші.

Адиабаталық процесті сипаттайтын графикті адиабата деп атайды.

Адиабаталық процесс кезінде атқарылатын жұмыс

.

5) Политроптық процестер

Политроптық процестер деп жүруі кезінде жылу сыйымдылығы тұрақты болып қалатын процестерді айтады.

Политроп теңдеуі-

мұндағы: - политроп көрсеткіші.

Жылу сыйымдылығы мен политроп көрсеткішінің арасындағы байланыс:

.

Кестеде әр түрлі процестер кезіндегі және мәндері көрсетілген

Процестер
Изотермиялық
Изобаралық
Изохоралық
адиабаталық

§ 11.Термодинамиканың екінші заңы