39
Энергияның сақталу принципі қарастырылып отырған денелер жүйесінің
(немесе дененің) бір күйден екінші күйге өту кезіндегі ішкі энергияның
өзгерісі әрқашан осы өтудің сипаты мен тәсіліне тәуелсіз бірдей болуы тиіс
болып табылады. Жан-жақты эксперименттік тексеру осы тұжырымның
дұрыстығын көрсетеді және бір күйден екінші күйге өту кезіндегі жүйенің ішкі
энергиясының өзгерісі әрқашан жылу мөлшері мен жұмыстың қосындысына
тең болатыны айқындалады:
∆U = Q + A.
Осы түрде өрнектелген энергияның сақталу заңы термодинамиканың
бірінші заңы деп аталады.
Термодинамика заңын оқып-үйрену әдісі ішкі энергия ұғымын енгізу
жолдарына байланысты болатынын көру қиын емес.
Макрожүйенің қасиеттерін сипаттаудың термодинамикалық тәсілін көрнекі
көрсету үшін оқшауланған (тұйық, консервативті) жүйе күйінің жалпы
сипаттамасы ретіндегі ішкі энергияны өлшеу тәсілін көрсету қажет. Мұндай
жүйенің аса маңызды қасиеті: егер қайсыбір бастапқы уақыт мезетінде
жүйе макропараметрлерінің орташа мәндері оның кез келген бөліктері үшін
олардың мәндеріне тең болмаса, онда алдағы уақытта жүйе міндетті түрде
жылулық (статистикалық) тепе-теңдік күйге өтеді. Осы күйде жүйе мен
оның бөліктерінің макропараметрлерінің шамалары үлкен салыстырмалылық
дәлдікпен өздерінің орташа мәндеріне тең болады.
Жылулық құбылыстарды талдауда жүйенің нақты күйі үшін ішкі энер-
гия ның мәнін емес, жүйенің бір тепе-теңдік күйден екіншісіне өткен кездегі
өзгеруін білу маңызды. Анықтама бойынша жүйенің ішкі энергиясы деп
адиабаталық қабықшада жүйе кез келген процестегі өсімшесі жүйенің бас тап-
қы күйден соңғы күйге өту кезінде сыртқы күштер атқаратын жұмысқа тең
күй функциясын айтады. Ішкі энергияның бұндай анықтамасы осы шаманы
өлшеудің принципті тәсілін меңзейді: жүйенің 1-күйден 2-күйге адиабаталық
өтуі кезіндегі ішкі энергияның өзгерісі
∆U
ад
кез келген процесте жүйенің
осы өтуіндегі сыртқы күштердің
À
12
жұмысына тең, яғни
∆U
ад
=
U
2
–
U
1
және
∆U
ад
=
À
12
.
Ішкі энергияның осы қасиеттерінің арқасында термодинамиканың бірінші
заңының көмегімен жүйеге келетін жылулық әсерді механикалық жұмыстың
сандық мөлшеріндегі
∆U
ад
шамасын өлшеу жолымен сандық бағалауға болады.
Сондықтан термодинамиканың бірінші заңы оған енетін барлық шамаларды
макроскопиялық өлшеу үшін негіз болып табылады. Оқушыларға осы
тұжырымның мәнін түсіндіру заңға енетін шамаларды өлшеудің принципті
тәсілін қарастыруға мүмкіндік береді. Ішкі энергияны, жылу мөлшерін,
сондай-ақ жылусыйымдылықты өлшеу ақыр соңында сыртқы күштердің
жұмысын өлшеуге келіп саяды. Ол үшін жүйені адиабаталық жағдайларға
орналастырып, оның қарастырылып отырған күйге кез келген жолмен өткен
кезінде сыртқы күштер атқаратын жұмысты өлшеу керек. Осы жолмен
жүйенің ішкі энергиясын температура, қысым және көлемнің функциясы
ретінде табуға болады. Тәжірибеде бұл әдісті адиабаталық жағдайларға
орналастырылған дене — колориметрді пайдалана отырып қолданады. Бұндай
дене ретінде, мысалы, суды алуға болады. Сұйықтың ішкі энергиясы тек
температураға ғана тәуелді болады, өйткені оның қысымы мен көлемі, әдетте,
тұрақты. Бұл жағдайда ішкі энергияның өзгеруі температураның өзгеруіне
40
келіп саяды. Температураның өзгеруі ішкі энергияның өзгеруін білдіреді, ал
бұл жүйенің бір күйден екінші күйге өту процесін сипаттайтын жылу мөлшері
туралы айтуға мүмкіндік береді.
Мектепте заңның
∆U = Q + À түріндегі жазылуын пайдаланған тиімді.
Бұл жағдайда ішкі энергияны жылу алмасу және жұмыс атқару тәсілдерімен
өзгертуге болатынына назар аударылады.
Q шамасын жылу алмасу бағытын
көрсететіндей белгілі бір таңбамен алады. Егер жылу алмасу нәтижесінде
дененің ішкі энергиясы артатын болса, оған қандай да бір жылу мөлшері
берілді деген сөз. Бұл жағдайда
Q > 0 деп саналады, кері жағдайда Q < 0.
Газ ұлғайған кездегі сыртқы күштердің жұмысы теріс, өйткені бұл кезде күш
пен орын ауыстырудың бағыттары қарама-қарсы. Ал газ сығылған кездегі
сыртқы күштердің жұмысы оң.
Көлем өзгерген кезде жұмыс газдың бастапқы және соңғы күйлері арқылы
ғана емес, сонымен бірге бастапқы күйден соңғы күйге өту жолының формасы
арқылы да анықталатынын айта кету керек.
Термодинамиканың бірінші заңының барлық құбылыстар үшін, оның
ішінде микроәлемдегі құбылыстар үшін де дұрыс болатын энергияның сақталу
заңынан айырмашылығы – оның белгілі бір қолданылу шегарасы бар. Олай
дейтініміз — жұмыс пен жылу алмасу ішкі энергияны өзгертудің әртүрлі
формалары. Жұмыс — макро-, ал жылу алмасу осы энергияны өзгертудің
микрофизикалық формасы. Молекулалардың өлшемдеріндей микрожүйелер
жағдайында жылу алмасу мен жұмыс арасындағы айырмашылық жойылады.
Міне, осындай жүйелер термодинамиканың бірінші заңының қолданылуының
“төменгі” шегарасын құрайды. Шексіз ғалам құбылыстарын өткен кезде бұл
заңның қолданылуы сақталады деуге болады, яғни бұл заңның қолданысының
шегі жоқ.
Ішкі энергияны, жылу мөлшерін және жылусыйымдылықты адиабаталық
жағдайлардағы жүйеге әсер ететін сыртқы күштердің жұмысы арқылы
өлшеудің принципті мүмкіндігін көрсету, сондай-ақ термодинамиканың
бірінші заңын нақты жылулық процестерді (мысалы, газдардағы процес терді)
сипаттауға қолданудың мысалдарын әрі оларды термодинамика қорыту-
ларының дұрыстығын дәлелдейтін салдарлар ретінде қарастыру маңызды.
Термодинамика заңдарының қолданылу шегарасын талқылау оқушыларға
осы заңдардың іргелілігін және жылулық процестердің мәнін, олардың
механикалық процестерден айырмашылығын және т.с.с. түсінуге мүмкіндік
береді.
термодинамиканың екінші заңы. Физиканың энциклопедиялық сөздігінде
(физикалық энциклопедиялық сөздік, 1 т., 340 б.) термодинамиканың
екінші заңына мынадай анықтама берілген:
шекті жылдамдықпен өтетін
макроскопиялық процестердің қайтымсыздығын тағайындайтын принцип.
Таза механикалық (үйкеліссіз) немесе электродинамикалық (джоульдік жылу
шығармайтын) қайтымды процестерден айырмашылығы жылу алмасумен
байланысты процестер, температуралардың шекті айырымындағы (яғни шекті
жылдамдықпен өтетін) үйкеліспен, газдардың диффузиясымен, вакуумдағы
газдың ұлғаюымен, джоуль жылуын шығарумен және т.с.с, қайтымсыз, яғни
тек бір ғана бағытта өздігінен өте алады.
Достарыңызбен бөлісу: |
