Дәріс №3. Жылудинамикасының бірінші заңы

Кез-келген оқшауланған макроскопиялық жүйе уақыт өте келе термодинамикалық тепе-теңдік күйге келеді. Тепе-теңсіз күйден тепе-теңдік күйге өтетін процесс релаксация деп аталады. Бұл процестің ұзақтығы релаксация уақытымен сипатталады.

Молекула-кинетикалық теория тарапынан алғанда жылулық тепе-теңдік динамикалық тепе-теңдікке жақын: жүйенің механикалық күйі молекуланың жылулық қозғалысы әсерінен үздіксіз өзгеріп отырады, бірақ термодинамикалық күйі өзгермейді. Жылулық тепе-теңдіктің динамикалық сипаты сұйық пен оның қаныққан буының тепе-теңдігінен көрінеді: мұндай жүйеде сұйықтың булануы процесі мен бу конденсациясы кері процесі жүріп отырады. Молекулалық тарапынан алғанда екі бірін-бірі компенсирлеуші процесс жүреді.

Егер қарастырып отырған жүйедегі процесс жылдамдығы релаксация жылдамдығынан көп кіші болатындай етіп сыртқы шартты аз ғана өзгертсе, онда мұндай процесс бір-біріне жақын тепе-теңдік күйге келеді. Сондықтан мұндай процесс өзіндік макроскопиялық параметрлерімен сипатталады. Бұл баяу процесс тепе-теңдік немесе квазистатикалық деп аталады. Тек осындай процестерде жүйені қысым, температура т.б. параметрлермен сипаттауға болады. Шындығында нақты процестер тепе-теңсіз болып табылады, және оны аздаған дәлдікпен тепе-тең деп санауға болады.

Физикалық жүйені сипаттайтын маңызды шамалардың бірі – энергия. Энергия түсінігі материяның барлық формасы ретінде және табиғаттың әртүрлі құбылысын біріктіру ретінде қабылданған. Табиғаттың ең фундаментальды заңдылығы - ол энергияның сақталу заңы. Осы заңдылыққа сәйкес энергия өздігінен пайда болмайды және ол өздігінен жоғалып кетпейді: энергия бір түрден келесі түрге немесе бір физикалық жүйеден екінші бір жүйеге ауысады. Бөлініп алынған физикалық жүйенің тәжірибе көрсеткендей энериясын үш түрлі әдіспен өзгертуге болады. Егер жүйеге механикалық сипатта әсер етсе, онда оның энергиясының өзгерісі жүйеге әсер ететін сыртқы күш жұмысымен анықталады. Сонымен жүйенің өзін өзгерте отырып, жүйенің энергиясын да өзгертуге болады.

Макроскопиялық жұмыс және жылу мөлшері – бұл энергия формасы емес, ол тек бір денеден келесі денеге ауысудың әртүрлі тәсілдері. Сондықтан энергия қарастырылып отырған жүйені сипаттайды, жылу немесе жұмыс жүйедегі күйді өзгертумен сипатталады. Жүйенің толық энергиясы механикалық энергия мен ішкі энергияның қосындысынан тұрады. Термодинамикада әдетте механикалық энергиясы өзгермейтін тыныштықтағы дене қарастырылады. Бұл жағдайда энергияның сақталу заңын келесі түрде өрнектеуге болады: жүйенің ішкі энергиясын процесс жүріп жатқан кезде бастапқы күйден соңғы күйге ауысу жүйе сыртында сыртқы жасаған жұмыс пен жүйеде алынған жылу мөлшеріне тең:

(4)

Энергияның сақталу принципі термодинамикалық жүйеде термодинамиканың бірінші бастамасы атауына ие.

Жүйенің бастапқы күйінен белгілі бір соңғы күйіне ауысу процесін әртүрлі тәсілмен алуға болады. Мұнда жүйе сыртында жасалған жұмыс және оған берілген жылу мөлшері тәсілінен тәуелді. Шындығында жүйенің энергия өзгерісіне тең олардың қосындысы барлық жағдайда бірдей болады. Мұны келесі қарапайым идеал газ термодинамикалық жүйенің мысалында түсіндіре аламыз. 1моль идеал газдың тепе-теңдік күйі екі параметрмен, мысалы қысым және көлеммен сипатталады. Үшінші параметр – температура, бұл жағдайда Менделеев-Клайперон теңдеуінен алынады.