2.1 Термодинамика, физикадағы термодинамикалық әдіс, жүйелер, олардың түрлері
2.2 Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайы
2.3 Термодинамикалық процесс:изохоралық, изобаралық, изотермиялық процестер
2.4 Жүйенің ішкі энергиясы және энтальпия түсінігі.
2.1 Термодинамика, физикадағы термодинамикалық әдіс, жүйелер, олардың түрлері
Термодинамика – жылу немесе жұмыс түріндегі денелер арасындағы энергия алмасулармен байланысты энергияның әртүрлі формаларының өзара түрленулерін зерттейтін физика саласы. Термодинамика жалпы техникалық және химиялық темодинамика бөлімдеріне бөлінеді. Химиялық термодинамика – химиялық реакциялар, еру процестері, булану, кристалдану, адсорбсиялану кезіндегі әртүрлі энергия түрлерінің бір-біріне айналуларын, түрлерулерін зерттейді, сонымен бірге нақты жағдайларда химиялық процестің өздігінен жүру мүмкіндігін және шекарасын қарастырады.
Термодинамикалық әдіс – қазіргі уақытта металлургиялық процестерде пластмасса өндірісінде, минералды тыңайтқыштар өндірісінде, отынды химиялық өндіруде қолданылады. Бірақ бұл әдістің кемшілігіде бар. Атап айтқанда, термодинамика реакция өтуге қажетті уақыт туралы түсінік бермейді. Уақыт термодинамикалық теңдеу формулаларына кірмейді. Термодинамикалық әдіс тек макрожүйелерге ғана қолданылады. Оны жеке атом,молекула, электрондарды зерттегенде қолдануға болмайды.
Сыртқы ортадан ойша бөлектелген дене немесе әрекеттесуші денелер жиынтығы термодинамикада жүйе деп аталынады, ал кеңістіктің қалған бөлігі қоршаған орта немесе жай ғана орта деп аталады. Өлшемдері бойынша термодинамикалық жүйелер түйрегіштің ұшынан күн жүйесінің өлшеміне дейін немесе одан да үлкен болуы мүмкін. Басқа сөзбен айтқанда, жүйеде бөлшектердің (атом, молекула, электрон) жеткілікті үлкен саны болу керек. Сол кезде ғана оған термодинамиканың мынадай түсініктерін жылу, температура, қысым сияқты түсініктерін қолдануға болады. Егер де жүйе бөліктерінің арасында бөліну беті болмаса, мысалы, ерітінділер, онда ол гомогенді, ал ондай бет болса, гетерогенді деп аталады. Егер де т ермодинамикалық жүйе қоршаған ортаға энергия бөліп немесе қабылдай алса және қоршаған ортаның үстінен жұмыс жасай алса, ондай жүйелер изоляцияланбаған немесе ашық деп, ал егер жүйе ортамен энергия алмаса алмай, орта жүйенің үстінен жұмыс істей алмаса, онда жүйе изоляцияланған немесе тұйық жүйелер деп аталынады. Жүйенің басқа бөліктерінен бөліну беті арқылы бөлінген. Осы беттен өткенде бірден физика-химиялық қасиеттері өзгеретін, бірдей химиялық және термодинамикалық қасиеттері болатын біртекті бөлігі фаза деп аталады. Жүйенің кез- келген фазасының құрамын көрсетуге болатын құрам бөліктерінің ең аз санын жүйенің компоненттері деп аталады. Кез-кешген т ермодинамикалық жүйенің қасиеттері, оның параметрлерімен немесе тәуелсіз айнымалылармен анықталады. Жүйенің барлық параметрлері 2 топқа бөлінеді: жүйенің өлшемдеріне байланысты қасиеттерін анықтайтын параметрлер (көлем, масса, энтропия) Бірінші топқа жатқызылып, олар экстенсивті деп аталады, ал жүйенің өлшемдеріне байланысты болмайтын параметрлер (температура, қысым, потенциал, молярлы және меншікті көлем) екінші топқа жатқызылып, олар интенсивті параметрлер деп аталады. Жүйенің негізгі параметрлерін таңдағанда тікелей өлшеуге болатын және жүйенің интенсивті қасиеттерін көрсететін параметрлерін таңдайды. Оларға қысым, температура және көлем жатады. Бұл параметрлер бір-бірімен күй теңдеулері арқылы байланысты болады.
2.2 Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайы
Жүйенің т ермодинамикалық тепе-теңдік күйі нағыз тепе-теңдік күйі болып табылады, яғни жүйеге шексіз аз әсер етуде онда шексіз аз өзгерістер туады. Егер бұл шарт орындалмаса, жүйе жалған немесе тұрақсыз тепе-теңдік күйінде болғаны.Мысалы: қалыпты жағдайдағы аса қаныққан ерітінділер қатты салқындаған сұйықтар қатты суыған бу.
Егер де жүйеге қандай да бір әсер нәтижесінде оның термодинамикалық параметрлері өзгермесе, мұндай күйді термодинамикалық тепе-теңдік жағдайы деп атайды. Тұрақсыз жүйеге аз ғана әсер еткенде ол жалған тепе-теңдік күйден нағыз тепе-теңдік күйге ауысады. Осы себептен кез-келген изоляцияланған жүйе уақыт өте келе термодинамикалық тепе-теңдік күйге келіп, өздігінен бұл күйден шыға алмайды.
Термодинамикалық жүйенің бір күйден екінші күйге ауысуын термодинамикада процесс деп атайды. Жүйенің бір күйден екінші күйге өткенде қандай параметрлердің тұрақты болуына қарай процестер изохоралы (тұрақты көлемде), изобаралы (тұрақты қысымда(, изотермиялы (тұрақты температурада) болып бөлінеді.
2.3 Термодинамикалық процесс:изохоралық, изобаралық, изотермиялық процестер
Көпшілік байқағандай, изобариялық, изохоралық және изотермиялық процестер өз аттарында бірдей «изо» префиксін қолданады. Бұл бүкіл термодинамика кезінде бір термодинамикалық параметрдің теңдігін білдіреді, ал қалған параметрлер өзгереді. Мысалы, изотермиялық процесс нәтижесінде жүйенің абсолюттік температурасы тұрақты болып тұратынын, ал изохоралық процесс тұрақты көлемді көрсетеді.
Изопроцестерді зерттеу ыңғайлы, өйткені термодинамикалық параметрлердің бірін бекіту газ күйінің жалпы теңдеуін жеңілдетуге әкеледі. Осы изопроцестердің барлығының газ заңдары эксперименталды түрде ашылғанын атап өту маңызды. Оларды талдау Клапейронға келтірілген әмбебап теңдеуді алуға мүмкіндік берді.
Бірінші заң идеал газдағы изотермиялық процесс үшін ашылды. Ол қазір Бойль-Мариотт заңы деп аталады. T өзгермейтіндіктен, күй теңдеуі теңдікті білдіреді:
P·V = const
Басқаша айтқанда, жүйеде қысымның кез-келген өзгеруі, егер газ температурасы тұрақты болса, оның көлемінің кері пропорционалды өзгеруіне әкеледі. P(V) функциясының графигі гипербола болып табылады.
Изобариялық процесс дегеніміз - қысым тұрақты болатын жүйе күйінің өзгеруі. К-ді Клапейрон теңдеуіне қойып, келесі заңдылықты аламыз:
V/T = const
Бұл теңдік оны 18 ғасырдың соңында алған француз физигі Жак Шарльдің есімімен аталады. Изобар (V (T) функциясының графикалық көрінісі) түзу сызыққа ұқсайды. Жүйедегі қысым неғұрлым көп болса, бұл сызық соғұрлым тез өседі.
Егер газ поршень астында қызса, изобариялық процесті жүргізу оңай. Соңғысының молекулалары жылдамдықты жоғарылатады (кинетикалық энергия), поршеньге үлкен қысым жасайды, бұл газдың кеңеюіне және тұрақты Р мәнін сақтауға әкеледі.
Ақырында, үшінші изопроцесс - изохоралық. Ол тұрақты көлемде жұмыс істейді. Күй теңдеуінен сәйкес теңдікті аламыз:
P / T = const
Ол физиктер арасында Гей-Люссак заңы ретінде белгілі. Қысым мен абсолюттік температураның тура пропорционалдығы изохоралық процестің графигі, изобариялық процестің графигі сияқты, оң көлбеуі бар түзу сызық екенін көрсетеді.
Барлық изопроцестердің жабық жүйелерде жүретінін түсіну маңызды, яғни олардың жүру барысында n мәні сақталады.
Адиабаталық процесс «изо» санатына жатпайды, өйткені оның өтуі кезінде үш термодинамикалық параметр де өзгереді. Адиабаталық ауысу қоршаған ортамен жылу алмаспайтын жүйенің екі күйі арасындағы ауысу деп аталады. Сонымен, жүйенің кеңеюі оның ішкі энергия қоры есебінен жүзеге асырылады, бұл қысымның және ондағы абсолюттік температураның айтарлықтай төмендеуіне әкеледі.
Идеал газ үшін адиабаталық процесс Пуассон теңдеулерімен сипатталады. Олардың бірі төменде келтірілген:
P·Vγ = const
мұндағы γ - тұрақты қысым мен тұрақты көлемдегі жылу сыйымдылықтарының қатынасы.
Адиабат графигі изохоралық процестің графигінен және изобараның графигінен өзгеше, дегенмен ол гиперболаға (изотерма) ұқсас. P-V осьтеріндегі адиабат изотермаға қарағанда күрт жүреді.
2.4 Жүйенің ішкі энергиясы және энтальпия түсінігі
Кез келген термодинамикалық жүйеде энергияның белгілі бір қоры болады, оны ішкі энергия деп атайды, оны U деп белгілейді. Жүйенің толық ішкі энергиясын анықтау мүмкін емес. Бірақ экспериментальді түрде жүйенің ішкі энергиясының өзгерісін ол бір күйден екінші күйге өткенде есептеуге болады. Егер бірінші күйдегі жүйенің энергиясын U1 деп белгілесек, ал екінші күйдегі ішкі энергия U2 деп белгілесек, онда жүйеге бірінші күйден екінші күйге өткендегі ішкі энергиясын DU = U - Uдеп белгілейміз.
Изоляцияланған жүйеде барлық энергия түрлерінің мөлшері тұрақты. Себебі ол осы жүйені құраушы бөліктердің әрекеттесуі нәтижесінде өзгермейді. Жекеленген изоляцияланған жүйеде жалпы энергиялар жиындысы U әрпімен белгілесек, ол константа болады.
åE=U=const.
Термодинамикалық жүйенің ең маңызды сипаттамаларының бірі энтальпия деп аталады, ол Н әрпімен белгіленеді.Ішкі энергия U ұқсас энтальпияда жүйе жағдайының функциясы саналады. Энтальпия өзгерісі - процестің, үрдістің жүру жолына байланысты болмай, бәлкім жүйенің бастапқы және соңғы жағдайларына ғана байланысты болады.
Энтальпия ішкі энергиямен байланыста болады. Оның байланыстылығын төмендегі формуламен сипаттаса болады:
Н =U+pV
Бұл жерде Н –энтальпия, U – жүйенің ішкі энергиясы, p – қысым, V – жүйенің көлемі. Практика жағдайында энтальпия өзгерісін төмендегі формула бойынша анықтаса болады: ΔН = Н2 – Н1.
Жүйенің бір бөлігінен екінші бөлігіне энергияны өткізу әдістері, жолдары ол жылулық және атқарылған жұмыс саналады. Егер де энергия қоршаған ортадан – жүйеге өтетін болса, үрдіс жылулығын оң деп саналады.
Q>0, ал оң жылулық эффектімен жүретін үрдістерді,процестерді эндотермиялық процестер деп аталады, ал кері процесс жылулықжүйеден, сыртқы ортаға шығатын болса, бұл процесс теріс жылулық эффекті бар процесс саналады. Мұндай процесті эндотермиялық процесс деп атайды.
Мына нәрсені есте сақтау жөн:
Термодинамикалық жүйелерде термодинамикалық жүйелерге қарама-қарсы, керсінше химиялық реакция үрдісінде ажыралатын жылулық оң белгіленеді, ал жұтылатын жылулық теріс белгіленеді.
Басқаша айтқанда, термодинамикалық жылулықты Q деп белгілесек, ал термохимиялық жылулықты Ō белгілейміз, онда Q = Ō . Демек, термохимиялық процестерде жылулық сыртқы ортаға шығатын болса, оң жылулық саналады, ал жұтылса теріс саналады.
Жүйенің көлемі өзгермеген жағдайда жылулық эффектілері, бұлар изохорлық жылулық эффектілері деп аталады. Қысым өзгермес жағдайдағы жылулық эффектілері изобарлық жылулық эффектілері деп аталады. Орындалған жұмысты оң деп санау – жүйе қоршаған орта үстінен жұмысты орындағанда саналады.
Жұмыс 2 шамамен анықталады:
1. Интенсивтік фактор;
2. Экстенсивтік сыйымдылық факторы.
Егер де интенсивтік факторы тұрақты шама болса,онда берілген процестегі орындалған жұмыс интенсиытік факторымен сыйымдылық факторның өзгерісіне, көбейтіндісіне тең.