Энергияның сақталуы. Термодинамиканың бірінші заңы

Q – жылу мөлшері                                                                       [Q] = 1 Дж

р –  қысым                                                                                     [р] = 1 Па

c – заттың меншікті жылусыйымдылығы                           [c] = 1 Дж/ кг ⋅К

C – газдың мольдік жылусыйымдылығы                            [С] = 1 Дж/ К

m – дененің массасы                                                                  [m] = 1 кг

M – молярлық/мольдік масса                                                 [M] = 1 кг/моль

Т –  абсолют температура                                                         [Т] = 1 К

V –  көлем                                                                                       [V] = 1 м3

U – ішкі энергия                                                                            [U] = 1 Дж

A`– сыртқы күштердің жұмысы                                               [A`] = 1 Дж

R – универсал газ тұрақтысы                                                   [R] = 8.31 Дж/ моль ⋅ К

i − еркіндік дәрежесінің саны                                                    [i] = өлшемсіз

Дененің ішкі энергиясының өзгерісі термодинамиканың бірінші заңымен анықталады.

  • Есіңде сақта!
    Жүйенің бір күйден екінші күйге өткен кездегі ішкі энергиясының  өзгерісі (ΔU), сыртқы күштердің  жұмысы (А`) мен жүйеге берілген  жылу мөлшерінің (Q)  қосыңдысына тең.
ΔU = A` + Q

Термодинамиканың бірінші заңы – бұл термодинамикалық жүйе үшін энергияның сақталу және түрлену заңын жалпылау. 

Дененің ішкі энергиясының өзгеруін оның күйіне қарап байқауға болады. Дене температурасының артуы, оның майдалануы немесе шашырауы, балқуы, қайнауы, булануы, көлемінің ұлғаюы дененің ішкі энергияның артуын көрсетеді. Егер бір немесе бірнеше дененің күйін өзгерту үшін энергия жұмсалса, онда олардың ішкі энергиясы артады. Газдың жұмысы мен денемен атқарылған жұмыстың таңбалары қарама­-қарсы:

A = –Aʹ
Q = ΔU +A

 Термодинамиканың бірінші заңы
  • Есіңде сақта!
    Газға берілген жылу мөлшері ішкі энергияның өзгерісіне және газдың жұмыс атқаруына жұмсалады.

Ұлғаю кезінде қатты денелердің көлемі аз ғана өзгеретіндіктен, денеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясының өзгерісін анықтайды:

Q = ΔU

Изопроцесстер үшін термодинамиканың бірінші заңы

∙ Изобаралық процесс

Изобаралық процесс кезінде алынған жылу мөлшері газдың ішкі энергиясының  өзгерісіне және газдың жұмыс атқаруына жұмсалады:

Q = ΔU +A
Изобаралык процесс, Термодинамиканын биринши заны, ИЗохоралык процесс, Изотермалык процесс, Термодинамика физика, физика 10 сынып
Тұрақты қысым кезінде газдың мольдік жылу сыйымдылығы
  • Жылу мөлшерін Q, ішкі энергияның өзгерісін ΔU және A жұмысты есептеу формулаларын қою.
  • Теңдеуді mΔT өрнегіне бөлу.
  • Газдың меншікті жылу сыйымдылығын есептеу формуласы.
  • Тұрақты қысым кезіндегі газдың мольдік жылу сыйымдылығы.

∙ Изохоралық процесс

Изохоралық процесс кезінде газ көлемі өзгермейді, демек, газ жұмыс атқармайды. Термодинамиканың бірінші заңы мынадай түрге келеді (V = const  болғанда):

Q =ΔU
Изобаралык процесс, Термодинамиканын биринши заны, ИЗохоралык процесс, Изотермалык процесс, Термодинамика физика, физика 10 сынып
Тұрақты көлем кезіндегі газдың мольдік жылу сыйымдылығы
  • Жылу мөлшерін және ішкі энергия өзгерісін есептеу формулаларын қою.
  • Теңдеудің екі жағын mΔT өрнегіне бөлу.
  • Тұрақты көлем кезіндегі газдың меншікті жылу сыйымдылығын есептеу формуласы.
  • Тұрақты көлем кезіндегі газдың мольдік жылу сыйымдылығы. 

∙ Изотермалық процесс

Егер газ  температурасы өзгермесе, оның ішкі энергиясы тұрақты шама болып қалады, онда термодинамиканың бірінші заңы мына түрге келеді:

QT= А

Суретте екі процесс бейнеленген:

1→2 изобаралық ұлғаю

1→2ʹ изотермалық ұлғаю


Қарастырылып отырған процестерде газ көлемі бірдей мәнге өзгерді: ΔV = V2 – V1. Графиктерден көрініп тұрғандай, изотермиялық процесс кезінде атқарылатын жұмыс изобаралық процесс кезінде атқарылатын жұмысқа қарағанда азырақ: AT < Ap.

Изобаралық ұлғаю кезінде газдың жұмысы изотермалыққа қарағанда көп болады.

∙ Адиабаталық процесс

  • Адиабаттік процесс туралы көбірек білгім келеді.

Адиабаталық процесс үшін Q= 0, демек, термодинамиканың бірінші заңы мына түрге келеді:

Δ U = Aʹ 

 A = –ΔU

Адиабаталық процесс кезінде сыртқы күштердің жұмысы газдың ішкі энергиясының артуына тең. Адиабаталық процесс кезінде газ жұмысы тек ішкі энергияның кемуі есебінен орындалады. Әрі осы кезде газ салқындайды.

Энергия сақталуы

Изохоралық және изобаралық процестер кезіндегі газдың мольдік жылу сыйымдылықтары арасындағы байланысты неміс ғалымы Р.Майер тағайындады: СМp = СМV+R

Қосымша ақпарат: 

Неміс дәрігері және табиғат зерттеушісі Р.Майер 1841 жылы голландиялық кемеде Ява аралына кеме дәрігері ретіндегі сапары кезінде жылу процестеріндегі энергияның сақталу заңын ашты. Оның солтүстік және оңтүстік ендіктердегі емделушілердің күретамыр мен көктамырдағы қандарының түсін салыстыруы осы жаңалықты ашуға негіз болған. Р.Майер тірі ағзаларда болатын процестерге энергияның сақталу заңын қолдануды қарастырған.

Дереккөз : Физика 10 сын. Н.А. Закирова /Р. Р. Аширов У. 2019 ж.

                     Оқушының қысқаша анықтамалығы 5-11 сын. П.И.Алтынов/П.А.Андреев/А.Б.Балжи, 2006 ж.

                  

Scroll Up