Сабақ жоспары Пән атауы: Жылутехникасының теориялық негіздері. Тақырыбы: Термодинамика заңдары. Сабақтың мақсаты: Термодинамика заңдары, оларды қолдану туралы түсінік қалыптастыру

1. 
   Ұйымдастыру кезеңі.
   

2. 
   Үй жұмысын тексеру.
   

• 
  Техникалық термодинамика дегеніміз не?
  
• 
  Күй параметрлерін ата?
  
• 
  Жылу сыйымдылық ұғымы.
  
• 
  Термодинамикалық процесс түсінігі.
  
• 
  Күй теңдеуін жазып көрсет.
  
• 
  Идеалды және реалды газдарға анықтама бер.
  
• 
  Газ қоспасы дегеніміз не?
  
• 
  Парциалды қысым түсінігі.
  

____________________________

Термодинамикалық процесстер осьтерінде күй парметрлері орналасқан күй графиктерінде көрсетіледі. Мұндай график жазықтығындағы нүктелер жүйенің белгілі бір күйіне сәйкес келеді. Ал графиктегі сызықтар жүйені бір күйден екінші күйге өткізетін термодинамикалық процесстерге сәйкес келеді.

Егер поршень бос болып, тұрақты қысым кезінде қыздырылған газ кеңейсе, бұл процесс қалай аталады?

Егер поршеньді қозғалта отырып, ыдыстағы газдың көлемін өзгертсек, онда газдың температурасы да өзгереді. Бірақ газды сығу кезінде ыдысты суытсақ және кеңейту кезінде қыздырсақ, онда температура көлем мен қысымның өзгеруі кезінде тұрақты болады.

Жүйе мен қоршаған орта арасында жылу алмасу болмайтын процессті адиабаталық деп атайды. Бұл жағдайда жүйедегі жылу тұрақты болады. Реалды жағдайда адиабаттық процесстер жоқ болып табылады. Себебі жүйені қоршаған ортадан толықтай оқщаулау мүмкін емес. Бірақ қоршаған ортамен жылу алмасу өте аз болатын жағдайлар кездеседі. Мысалы, поршені бар ыдыста газдың тез сығылуы, яғни мұнда жылу поршень мен ыдыстың қызуы кезінде шығып үлгермейді.

1. 
   Энергияның сақталуының жалпылама заңы. І заң
   
2. 
   Термодинамиканың ІI заңының тұжырымдамасын жаз. Салқынырақ денеден ыстығырақ денеге жылуды тасымалдау, екi жүйеде де немесе қоршаған ортада бiр мезгiлде басқа өзгерiстер жасамайынша, мүмкiн емес.
   
3. 
   Бұл заң энергетикалық түрленулердiң бар болу мүмкiндiгiнiң бағытын көрсетедi. ІI заң
   
4. 
   Термодинамиканың І заңының тұжырымдамасын жаз. Табиғатта энергия U жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, ол тек бiр түрден екiншi түрге ауысады.
   
5. 
   Термодинамиканың І заңының теңдеуі. ΔU = A + Q
   
6. 
   Ішкi энергияның өзгерiсi жүйеге берiлген жылу мөлшерi мен сыртқы күштердiң жұмысының қосындысына тең. І заң
   
7. 
   Жылулық машина – қозғалтқыштың көмегімен 100 % жылудың жұмысқа айналуы мүмкін емес. ІI заң
   
8. 
   Ешқандай энергия көзінсіз жұмыс істейтін қозғалтқыш болу мүмкін емес. І заң
   
9. 
   Қозғалтқышқа берілетін барлық жылуды жұмысқа айналдыру мүмкін емес. ІI заң
   
10. 
    Энергияның өздігінен пайда болуы және жоғалуы мүмкін емес. І заң
    

№	Термодинамиканың І заңы	Термодинамиканың ІІ заңы
1
2
3

3. 
   Жаңа материалды түсіндіру.
   

Жалпы жағдайда, жүйенiң бiрiншi U₁ күйден екiншi U₂ күйге ауысуы кезiнде, iшкi энергия атқарылған жұмыстың есебiнен қалай өзгерсе, жүйеге сырттан берiлген жылудың әсерiнен де солай өзгере алады. Термодинамиканың бiрiншi заңы нақ осылай тұжырымдалады: iшкi энергияның өзгерiсi жүйегце берiлген жылу мөлшерi мен сыртқы күштердiң жұмысының қосындысына тең:

Егер жүйе жылу өткiзбейтiн болса (Q = 0) және ол механикалық жұмыс атқармаса (А=0), онда ΔU = 0, немесе U₁=U₂: тұйық жүйенiң iшкi энергиясы өзгермейдi (сақталады). Бұл дерек жылулық баланс теңдеуiн қорытқанда қолданылған болатын.

Термодинамиканың бiрiншi заңынан, ешқандай энергетикалық шығынсыз шексiз мөлшерде жұмыс жасай алатын қондырғыны – мәңгiлiк двигательдi жасап шығару мүмкiндiгiнiң терiстiгi шығады. Шын мәнiнде, егер жүйеге жылу берiлмесе (Q = 0 ), онда жұмыс A iшкi энергияның азаюы есебiнен ғана жүзеге асар едi: A = ΔU. Двигатель, энергия қоры таусылғаннан кейiн, жұмысын тоқтатады

Термодинамиканың екiншi заңы. Термодинамиканың екiншi заңы энергетикалық түрленулердiң бар болу мүмкiндiгiнiң бағытын көрсетедi. Салқынырақ денеден ыстығырақ денеге жылуды тасымалдау, екi жүйеде де немесе қоршаған ортада бiр мезгiлде басқа өзгерiстер жасамайынша, мүмкiн емес.

Энтальпия және энтропия ұғымдары.

Энтальпия (гр. enthalpo – жылытамын, қыздырамын), жылулық функция, жылу мөлшері – термодинамикалық жүйе күйінің функциясы болып келетін жылуға қатысты шама. Бұл терминді алғаш Х.Камерлинг-Онненс енгізген. Энтальпия (H) жүйенің ішкі энергиясының (U) және жүйенің қысымы (p) мен көлемі көбейтіндісінің қосындысына тең: H=U+pV. Изобаралық процестегі (p=const) Энтальпияның өсімшесі бөлшектер саны тұрақты болатын гомогенді жүйеге берілген жылу мөлшеріне тең. Мұндай жағдайда Энтальпия жылу функциясы деп аталады. Энтальпияның өзгеруі қысым тұрақты болған жағдайда жүйеге берілетін немесе одан алынатын жылу мөлшеріне тең болады. Сондықтан энтальпияның өзгерісі қысым тұрақты болғанда жүретін фазалық ауысулар (балқу, қайнау, т.б.) мен әр түрлі химиялық процестердегі жылуларды (түзілу жылуы, жану жылуы, еру жылуы, атомдану жылуы, т.б) сипаттайды. Энтальпия Бірліктердің Халықаралық жүйесінде (СИ) джоульмен (Дж.) өрнектеледі.[1]

i-d диагарммасы, i-s диаграммасы

Меншікті энтропияны процесстердің графикалық суреті үшін негізгі параметрлерінің бірі ретінде қолдануға болады. Температура өзгеруіне байланысты көлемнің өзгеруін құрағандай, сәйкесінше энтропия мен температураның өзгеру процессін Т-S координатасында суреттеуге болады. Бұл жағдайда графикалық жазықтықтың кез келген нүктесі жұмыс денесінің белгілі бір күйіне сәйкес келеді, ал 1 нүктеден 2 нүктеге дейінгі сызық термодинамикалық процессті көрсетеді. Т-S координатасының ерекшелігі процесс сызығының астындағы аудан жұмыс денесімен берілген немесе алынған энергия мөлшеріне сәйкес келеді.

Диаграмманы бір оқушы өз түсінгені бойынша түсіндіріп беру керек.

Бұл диаграммада тұйық жүйе көрсетілген. Жүйе 1 нүктеден 2 нүктеге, содан кейін 3=>4, сосын қайтадан 1 қайтадан ретпен өтеді. Графиктен көріп отырғанымыздай, 1=>2 (Т₁=const) және 3=>4 (Т₂=const жүреді) процесстері изотермиялық болып келеді. 2=>3 және 4=>1 процесстері адиабаталық болып келеді, себебі оларда энтропияның өзгеруі болмайды, яғни dS=0 және dQ=0 немесе Q=const болады. 2=>3 процессте дененің жұмыс жасауы әсерінен жұмыс денесінің суытылуы, ал 4=>1 процессте денеге жұмыс жасау арқылы жұмыс денесінің қыздырылуы жүреді.

Жүйеге берілетін жылу мөлшері: Q₁ =T₁ ×(S₂-S₁) – 1-2-S₂-S₁-1 тікбұрыштың ауданы (көк және жасыл түспен боялған аймақ).

Жүйемен берілетін жылу мөлшері (жүйеден шығатын): Q₂ = T₂×(S₂-S₁) – 3-S2-S1-4-3 тікбұрыштың ауданы (көк түспен боялған аймақ).

Циклдың жұмысы – берілген және шыққан жылудың әртүрлілігі:

L=Q1 - Q2 (жасыл түспен боялған аймақ).

Циклдың пәк-і:

Берілген циклдың негізгі ерекшелігі берілген температуралар ауытқуларында басқа циклдарда пәк төмен болады.

4. 
   Жаңа материалды бекіту.
   

1. 
   Есеп шығару.
   

1 кг оттегінің көлемі t₁=127⁰C кезінде бес есе ұлғаяды. Бұл кезде температурасы t₂=27⁰C дейін түседі. Энтропияның өзгеруін анықтау керек. Жылусыйымдылықты тұрақты деп аламыз.

Жауабы: энтропияның өзгеруі _.

№2 есеп.

Температурасы t=0,01⁰C және қысымы P=0,006228 кг/см² кезіндегі судың энтальпиясы нольге тең деп алынады. Бұл жағдайда судың ішкі энергиясы нешеге тең және оның шамасын килокалорияға аудару керек. 1ккал/кг=4186,8 Дж/кг.

Шешуі:

Энтальпияның теңдеуі бойынша

Бұдан судың ішкі энергиясы

i=0 болғандықтан

Си жүйесінде

u= -0,006228∙98607∙0,0010002=-0,6105 Дж/кг

Килокалорияға аударсақ,

u=-0,6105/4,1868∙10³=-0,146∙10^-3ккал/кг.

Жауабы: ішкі энергия -0,6105 Дж/кг немесе -0,146∙10^-3ккал/кг тең.

2. 
   Activote құрылғысымен тест тапсырмаларын орындау және Т-S диаграммасымен жұмыс.
   

1. 
   Энтропияның теңдеуін көрсет.
   

1. 
   i=u+pv
   
2. 
   +s=Q/T
   
3. 
   Q=i₂-i₁
   
4. 
   Q=s/T
   

2. 
   Энтальпияның өлшем бірлігі.
   

1. 
   кг/м²
   
2. 
   см/кг
   
3. 
   +Дж
   
4. 
   Дж/К
   

3. 
   Термодинамикалық жүйе күйінің функциясы болып келетін жылуға қатысты шама.
   

1. 
   +Энтальпия
   
2. 
   Энтропия
   
3. 
   Жылу мөлшері
   
4. 
   Абсолютті температура
   

4. 
   Р. Клаузиус термодинамикаға енгізген ұғым.
   

1. 
   Энтальпия
   
2. 
   +Энтропия
   
3. 
   Жылу мөлшері
   
4. 
   Абсолютті температура
   

5. 
   Карно циклінің пәк-і.
   

1. 
   Q=i₂-i₁
   
2. 
   i₂-i₁=C_p(T₂-T₁)
   
3. 
   +
   
4. 
   
   

6. 
   Дж/К қай шаманның өлшем бірлігі.
   

1. 
   Температура
   
2. 
   + Энтропия
   
3. 
   Көлем
   
4. 
   Энтальпия
   

7. 
   Энтальпияның теңдеуін көрсет.
   

1. 
   +i=u+pv
   
2. 
   s=Q/T
   
3. 
   Q=i₂-i₁
   
4. 
   Q=s/T
   

8. 
   Тұйық термодинамикалық жүйедегі өздігінен жүретін процесстің өту бағытын сипаттайтын жүйе.
   

1. 
   Температура
   
2. 
   + Энтропия
   
3. 
   Көлем
   
4. 
   Энтальпия
   

9. 
   Жүйенің ішкі энергиясының және жүйенің қысымы мен көлемі көбейтіндісінің қосындысына тең шама.
   

1. 
   Температура
   
2. 
   Энтропия
   
3. 
   Көлем
   
4. 
   +Энтальпия
   

10. 
    Термодинамиканың үшінші заңының тұжырымдамасын тап.
    

1. 
   Энергия жоқтан пайда болмайды және жоғалмайды, ол тек бір түрден екінші түрге ауысады.
   
2. 
   +Абсолюттік нольдік температура кезінде және кез келген қысымда барлық заттардың энтрпиясы нольге тең.
   
3. 
   Бұл заң энергетикалық түрленулердiң бар болу мүмкiндiгiнiң бағытын көрсетедi.
   
4. 
   Салқынырақ денеден ыстығырақ денеге жылуды тасымалдау, екi жүйеде де немесе қоршаған ортада бiр мезгiлде басқа өзгерiстер жасамайынша, мүмкiн емес.
   

11. 
    Термодинамиканың үшінші заңын кім ашқан?
    

1. 
   Р.Клаузиус
   
2. 
   С.Карно
   
3. 
   Х.Камерлинг-Онненс
   
4. 
   +В.Нернст
   

12. 
    Қай жылы энтропия ұғымы енгізілді және ол грек тілінен аударғанда қандай мағынаны береді?
    

1. 
   +1865 ж., айналу
   
2. 
   1865 ж., қыздыру
   
3. 
   1685 ж., айналу
   
4. 
   1685 ж., айналу
   

13. 
    Қай шама энергия деп есептеледі?
    

1. 
   Энтропия
   
2. 
   +Энтальпия
   
3. 
   Температура
   
4. 
   Қысым
   

14. 
    T-S диаграммасындағы S- шамасы нені көрсетеді?
    

1. 
   Көлем
   
2. 
   Энтальпия
   
3. 
   Қысым
   
4. 
   +Энтропия
   

15. 
    Энтальпия грек тілінен аударғанда қандай мағына береді?
    

1. 
   Айналу
   
2. 
   Бұрылу
   
3. 
   +Қыздыру
   
4. 
   Суыту
   

3. 
   Рефлексия «Білемін. Білдім. Білгім келеді.»
   

Энтропия, термодинамиканың І заңы, Карно циклы, энтальпия, термодинамиканың ІІІ заңы, i-d дигарммасы, термодинамиканың ІІ заңы, i-s диаграммасы, Т-S диаграммасы, пәк, адибаталық процесс, термодинамика.

4. 
   *Кластер жасау.
   

5. 
   Үй тапсырмасы.
   

22 бет, №6 есеп.

6. 
   Сабақты қорытындылау, оқушыларды бағалау.