Термодинамика негіздері

1.

Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті
Физика кафедрасы
ТЕРМОДИНАМИКА
НЕГІЗДЕРІ

2.

Дәріс жоспары
1. Идеал газдың ішкі энергиясы Газдың
ұлғаю жұмысы
2. Термодинамиканың бірінші заңы
3. Жылусыйымдылқ теориясы
4. Карно циклы және оның ПӘК
5. Энтропия. Энтропииның ықтималды
салыстырмалы күйімен байланысы
Термодинамиканың екінші заңы және
оның физикалық мәні

3.

Идеал газдың ішкі энергиясы
Идеал газдың ішкі
энергиясы оның
молекулаларының
кинетикалық
энергиясынан тұрады
i
U M RT
2
im
U
RT
2

4.

Ішкі энергияның өзгерісі
Ішкі энергия функцияның күйі
болып табылады
Ішкі энергияның
өзгеруінің екі жолы бар :
Жүйенің немесе сыртқы
күштердің жасайтын ЖҰМЫСЫ;
Жылулық
резервуар
Қоршаған ортадан жүйеге
берілетін ЖЫЛУЛЫҚ.

5.

Газ ұлғаюының жұмысы
A Fd pS p V
A p V
A 0
Жұмысты газ атқарады
2
A pdV
1
A 0 Жұмыс сыртқы күштер тарапынан
болады

6.

Жұмыстың графикалық
анықталуы
Жұмыс ауданға тең

7.

Газ жұмысы
Бір күйден екінші күйге өту әр түрлі процесстер
тарапынан болады және ол кездегі атқарылатын
жұмыста әр түрлі. Жұмыс функцияның процессі
болып табылады

8.

Жылудың берілу түрлері
1 Жылу алмасу
2 конвекция
3 сәуле шығару

9.

Жылу алмасу

10.

Конвекция
Ыстық су
жоғары
көтеріледі
Суық су
төмен
түседі
Қыздырғыш

11.

Сәуле шығару

12.

13.

Термодинамиканың бірінші заңы
Q
U A
U Q A
Q dU
A
2
dU U U
2
1
2
1
dA
A
12
1
2
dQ
Q
12
1

14.

Жылусыйымдылық
C
Меншікті
жылусыйымдылық
c
Q
mdT
Q
dT
Дж
C
К
Мольлық жылусыйымдылық
Q Q
С
dT mdT
V const
Cv
P const
CP

15.

V const
A P V 0
QV dU
CV dT dU
dU M
CV
dT
dU M CV dT
iR
cv
2
m
U
CV T
M

16.

P const
A PdVM
Q dU M PdVM
Q
dU M
dVM
P
dT
dT
dT

17.

PVM RT
dU M
dVM
CP
P
dT
dT
CP CV R
i 2
cp
R
2
PVM
R
T

18.

Жылусыйымдылық процесс
түріне байланысты
dUi
С
R
V
dT2
Тұрақты көлемдегі
мольдық
жылусыйымдылық
C
C
P
V R
C
i 2
P
C
i
V
dU
Ai
2
С
R
P
dT
dT
2
Тұрақты қысымдығы мольдық
жылусыйымдылық
Мольдық
жылусыйымдылық
арасындағы байланыс
(Майер теңдеуі)
Пуассона коэффициенті
(адиабата көрсеткіші)

19.

Изобаралық процесс
m
A
p
V
R
T
im m
U
R
T
C
T
V
2
m
Q
U
A
C
T
P

20.

Изохоралық процесс
A 0
Q dU
im m
U
R
T
C
T
V
2
m
Q
U
C
T
V

21.

Изотермиялық процесс
m V
2
A
RT
ln
pdV
V
1
1
2
Температурасындағы
ыстық су
U 0
m V
2
Q
A
RT
ln
V
1

22.

Адиабаталық процесс
Адиабаталық процесс кезінде
қысымның ұлғаюы көлемнің
кішіреуі мен температураның
жоғарылауына тәуелді.
Процесстің теңдеуі:
pV const
Q 0
A dU
1
V
p
V
11
1
TV const A
1
1
V
1
2
1
T p
const

23.

Энтропия
Q / T
Q
келтірілген жылу мөлшері
T 0
қайтымды процесс үшін
Клаузиус өлшем енгізді, оны энтропия деп атады:
dS
Q
T

24.

dU A
S S 2 S1
T
T
1
1
2
m
dU
CV dT
M
Q
2
m
dV
A PdV RT
V
T2
V2
m
dT m
dV
S S 2 S1
Cv
R
M T1 T
M V1 V
m
T2
V2
Cv ln R ln
S S 2 S1
M
T1
V1

25.

Энтропия
Больцман энтропияны термодинамикалық
ықтималдығымен байланыстырды :
S klnw
Энтропия жүйенің біркелкілік емес шамасы;
үлкен энтропия үлкен хаосқа соқтырады

26.

Термодинамиканың екінші
бастамасы
Суық денеден ыстық денеге жылу берілу мүмкін емес
Бір рет қана берілген жылудың көмегімен сыртқы
ортаның қасиетін өзгертпей мәңгі қозғалтқыш алу
мүмкін емес
Оқшауланған жүйедегі энтропия ондағы барлық
процесстерде кеміді
S 0
S 0 Қайтымды
процесстер үшін
S 0
Кайтымсыз
процесстер үшін

27.

Q
AQ
1
2
Q
Q
1
1

28.

Карно циклы
1-2 изотерма
2-3 адиабата
3-4 изотерма
4-1 адиабата
T
T
1
2
max
T
1

29.

Карно циклы
Q TdS
A PdV

30.

2
Q12 TdS
T const
1
Q12 T (S 2 S1 )
Q dU A
TdS dU PdV
dU PdV
dS
T

31.

ТАСЫМАЛДАУ ҚҰБЫЛЫСЫ.
НАҚТЫ ГАЗДАР

32.

Дәріс жоспары
• Эффективтік диаметр
• Тасымалдау құбылысы
• Молекуллрдың өзара әсерлесуі
• Ван-дер-Ваальс теңдеуі
• Ван-дер-Ваальс изотермасы
• Фазалық ауысу
• Күй диаграммасы

33.

Молекулалардың өзара әсерлесу
энергиясы

34.

МОЛЕКУЛАНЫҢ ЭФФЕКТИВТІК
ДИАМЕТРІ
Молекуланың
эффективтік диаметрі –
молекулалардың жақындай
алатын минимал
қашықтығы
d
d
- Эффективтік
диаметр

35.

d
2
- молекуланың эффективті қимасы
Z
Z
z
- орташа еркін жүру жолының
ұзындығы

36.

z nV ;
V d
d
2
z n d
2
z 2 d n
2

37.

Z
Z
2 d n
1
2
2 d n
2
1
2 d n
2
1
2 n

38.

Орташа еркін жол ұзындығы
1
2
2 d n
T const
1
~
n
1
n2 p2
2
n1 p1
1
~
P

39.

Тасымалдау құбылысы
Диффузия
dni
dN i D
S ,
dz
d i
dM i D
S ,
dz
Фик заңы

40.

nm
1
D
3
d
dx
1 2
M кг / с
-диффузия коэффициенті
D 1м / с
2
x

41.

Жылу өткізгіштік
T1 T2
dT
dT
q
dS
dx
q - Дж/c
1
cv
3
- Вт/м К

42.

Тұтқырлық
d
F
S
dx
d
K
S
dx
1
3

43.

D
cv D cv

44.

Нақты газдар
Дәлдіктің жеткілікті дәрежесіндегі сиретілген нақты
газдар идеал газдар заңына бағынады. Бұл дегеніміз молекулалардың арасындағы өзара әсерлесу күштері
олардық ара қашықтығына байланыcты
Тәжірибелер
көрсеткендей, 1нм аса
қашықтықтағы
молекулааралық
әсерлесуді ескермеуге
болады

45.

Нақты газдар
Идеал
газ
моделіндегі
молекулалар
–
арасында
әсерлесу күштері болмайтын
материалдық
нүктелер.
Дегенмен 100 атм қысымда
молекулалардың
өзіндік
көлемі барлық қысымның
50% құрайды, және олардың
арасындағы әсерлесу күші
бірден өседі
Молекулалардың
өзіндік көлемі

46.

Қысым ұлғайғанда сығылғaн газ көлемі
молекулалардың өздері алатын көлемге
теңеседі

47.

Идеал газ күйінің теңдеуі төмен қысымда және
жоғары температурадағы газдар әрекетін сипаттауға
пайдалы.
Идеал газадың берілген күйден ауытқуы сығылу
коэффициентімен Z сипатталады
pV
Z
RT
Егер Z = 1 болса, идеал газ қасиетіне жақын болады
Сығылу коэффициенті Z 1-ден өзгеше
болса,солғұрлым идеал газадан ауытқуы күштірек
болады

48.

Нақты газдар
Молекулалар арасында тартылыс және тебіліс күштері
болады
Тебілу
Тартылу

49.

Молекулалардың потенциялдық және
кинетикалық энергиялары арасындағы
арақатынас агрегаттық күйлерге бөлу
үшін сындық болып табылады

50.

Нақты газ күйінің теңдеуі –Ван-дер-Ваальс
теңдеуі
Нақты газдарда келесі ескерілу керек:
Бөлшектерде өз көлемі болады
Молекулалар арасында тартылыс және тебіліс
күштері бар
pV RT
Идеал газ күйінің теңдеуі
молекулалардың өз көлемі мен олардың
әсерлесуі ескерілетіндей түрлендірілуі қажет

51.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬС ТЕҢДЕУІ
Газдың 1 молі үшін
a
p 2 V b RT
V
Молекулалардың
өзара әсерлесуін
ескеру
Молекуланың өз
көлеміне түзетілім
2
a
p 2 V b RT
V
Газдың туынды массасы үшін

52.

B-тұрақтысы
молекула
өлшеміне
байланысты: үлкен молекула үшін оның
мәні де үлкен
a-молекулалар
арасындағы
күшінің шамасы
тартылыс

53.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬС ИЗОТЕРМАЛАРЫ
Ван-дер-Ваальса теңдеуі
– 3-дәрежеде V қатысты,
сондықтан 3 заттық
түбірі болуы мүмкін
db жеріндегі ұлғаю
қысым ұлғаюымен
жүреді, оның физикалық
мағынасы жоқ, сол
себепті бірден ea
секірісі болады

54.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬС ИЗОТЕРМАЛАРЫ
Жоғары
температураларда
идеал газ
изотермаларынан
ауытқу кішірек
көрсетілген

55.

Нақты газдың ішкі энергиясы
Нақты газдың ішкі энергиясы
молекулалардың кинетикалық ,сондай –ақ
потенциалдық энергияларынан құралады
Газдың 1молі үшін:
a
U CV T
V
Молекулалардың
кинетикалық
энергиясының қосындысы
Молекулалардың
потенциалдық
энергиясының қосындысы

56.

Ван-дер-Ваальс теңдеуіне бағынатын газ үшін
күйлердің сындық шамаларының мәндері
1 a
p
k
2
27 b
Vk 3b
8 a
Tk
27 bR

57.

Фазалық ауысулар
Фаза – химиялық құрамы бірдей және 1
термодинамикалық күйдегі
жүйенің барлық бөліктерінің байланысы
1 реттік фазалық ауысу мысалдары:
•балқу – қату
•булану – конденсация
•Сублимация
2 реттік фазалық ауысу мысалдары:
•ферромагнетиктің парамагнетикке ауысуы және
керісінше. Металдың жоғары өтімді күйге ауысуы
•Сұйық гелийдің аққыштығы жоғары күйге айналуы

58.

Біртекті қоспа үшін фаза ұғымы
агрегаттық күймен сәйкес келеді
Қатты
күй
сұйықтық
температура
Молекулярлық қозғалыс
Молекулалардың өзара
әсерлесуі
газ

59.

Күй диаграммасы
Егер жүйе біртекті болса, онда фаза ұғымы
агрегаттық күймен сәйкес келеді
Күй диаграммасы –
фазалық ауысудың
температурасы мен қысымы
арасындағы тәуелділік
диаграмманы 3-ке бөлетін
қатты ,сұйық,газ
шарттарына сай
булану,балқу,сублимация
қисықтары түріндегі
графикте бейнеленген

60.

Күй диаграммасы
Су үшін

61.

Сындық нүкте
Үштік нүкте
Сындық нүкте: сындықтан жоғары температурада
ешқандай қысым ұлғаюымен газды сұйыққа айналдыруға
болмайды
Үштік нүкте: заттың 3фазасының бірдей болуының
шарты

62.

Назар
аударғандарыңызға
рахмет!