Термодинамиканың 1-ші заңы

Жоспар:

1. Термодинамиканың бірінші бастамасы, анықтамалары, мәні.

2. Термодинамиканың 1-ші заңының математикалық сипатталуы.

3.Т. Идеал газдың ұлғаюы (сығылу) жұмысы. Универсалды газ тұрақтысының физикалық мәні.

1. Термодинамиканың бірінші бастамасы, анықтамалары, мәні.

XIX - ғасырдың бірінші жартысында сол кездегі енді дамып келе жатқан жылутехникасының негізінде термодинамика пайда болды. Жылу двигательдерінің, жылудың механикалық жұмысқа айналуын, олардың жүру шарттарын зерттеді. Термодинамикалық негізін салушы қоры да осындай мақсатты ұстады. Кейінірек термодинамика даму келе бұл техникалық мақсаттардан кеңірек мақсаттар қойып физикалық құбылыстарды зерттеп, физикалық термодинамика дамыды. Ол материал қозғалысының жылу формаларының заңдылықтарын зерттеді. Химиялық термодинамиканың негіз -химиялық кұбылыстарға термодинамиканы қолдану болып табылады.

Термодинамикадағы физикалық және химиялық құбылыстар негізінен екі заңның көмегімен зерттеп термодинамиканың 1-және 2-бастамасы. Бірінші бастама энергия және материя сақталу заңына негізделген. Екінші бастама процесстің бағытын көрсетіп ХХ-ғасырда 3-заң ашылды, бірақ ол 1 және 2-заңдардай кең түрде қолданылмайды, химиялық процесстердің теориялық анализдерінде қолданылған тағы термодинамиканың О-бастамасы деген бар, термодинамиканың заңдары. Көптеген ғасырлардан бері адамдардың зерттеулерінің нәтижесін теқсерілген постулаттар.

Классикалық термодинамика - энергияның әр түрінің бір-біріне айналу заңдарын, денелер арасындағы жылу және жұмыс түрінде болатын алмасуды, тепе-теңдік жағдайдағы жүйелер мен әртүрлі заттар қасиеттерінің арасындағы тәуелділіктерді қорытындылайды.

Химиялық термодинамика - химиялық және физико-химиялық құбылыстарға классикалық термодинамиканың заңдарын қолданады. Ол химиялық реакциялар жылу эффекттілерін, жеке заттар мен қоспалар арасындағы фазалық алмасу, химиялық тепе-теңдікті қарастырады.

Термодинамиканың 1-заңының (1-бастысының) бірнеше тұжырымдары бар. 1/ Изоляцияланған жүйенің энергиясы тұрақты. 2/ Бірінші теқті (родты) өмірлік двигатель жасау мүмкін емес. 3/ Энергия ізсіз жоғалып кетпейді, жоқтан бар болмайды теқ бір түрінен 4/ екінші түріне қатал эквивалентті мөлшерде ауысады.

2. Термодинамиканың 1-ші заңының математикалық сипатталуы.

Энергия сақталу заңынан мынаны көреміз. Q = ∆U + W - жүйеге келтірілген жылу мөлшері

Q - жүйеге келтірілген жылу мөлшері, ∆U - ішкі энергия өсімшесі,

W - жүйеде істелінетін жалпы жұмыс, Q және W - абсолютті мәндері.

Өте аз элементар процесстер үшін

бQ = du + б W = du + рdν + бW' (2) мұндағы

рdν - элементар жұмыс, сыртқы қысымға қарсы істелетін (үлғаю жұмысы),

бW' - қалған барлық элементар жұмыстардың суммасы (магниттік, электрлік т.б.), бW' - тиімді жұмыс деп атайды, бірақ химиялық термодинамикада үлғаю жұмысын ғана есепке алады, ал бW'- нольге тең деп есептейді.

Сондықтан

бW = рdν, бұдан (3)

бQ = du + рdν (4)

(1) және (4) теңдеулер термодинамиканың 1-заңының математикалық өрнегі.

Изотериялық процессте жылудың бір денеден екінші денеге берілуі тұрақты т-да жүреді. U = const (4) теңдеу

бQт= бW = рdν (5) S - н соң Qт = W = рdν (6)

Жылу толығымен жұмысқа айналады, 1 моль газ үшін Р = RN/V (5)- ге қосайық.

Qт = RТ dν/ ν; Qт = RТ ln (7)

Изохоралық процессте ν = const, d ν = 0 d w рdν = 0, бұл жағдайда (4) теңдеу

бQV = du (8)

QV = du = ∆U (9)

Жүйеге келтірілген жылу мөлшері, ішкі энергияның ұлғаюына кетеді, QV - күй функциясы. Изобаралық процесстер р = const, (4) мына түрге енеді.

бQр = du + d(рν) = d(u + рν) = d(u + рν) = dН (10)

Qр = dН = =∆Н

Изобаралық процестегі жылу мөлшері энтальпия өзгерісінің өлшемі болып табылады.

Н = U + рνр күй функция болғандықтан Qр да күй функция болады.

Адибаттық процесте Q = const (4)

бQ = 0

бW = - du және бW = - с ν dТ (5)

S - ған W = - ∆ U және W = Сν (Т2 – Т1)

Нақты жылу сыйымдылық заттың табиғатына, температураға және жылудың жүйеге өту шарттарына тәуелді. Көлем тұрақты жағдайында температураны бір бірлікке көтеруге кететін жылу мөлшері: бQν = Сν (4) мұндағы Сν - изохорлы жылу сыйымдылық.

Егер жүйеде сығылу не үлғаю болса, қысым тұрақты жағдайында бQр / dТ = Ср; (5) – изобарлы жылусыйымдылық Термодинамиканың 1 бастамасының теңдеуін (1)-ге қойсақ С = (du + бW )/ dТ (8)

Ұлғаю жұмысын қарастырғанда: С = (du + рdν)/ dТ

Тұрақты V және Р жағдайында сіи Сν = du/ dТ; dН = du + рdν; Ср = dН / dТ.

С-ң теқ температураға ғана тәуелді емес, көлемге де тәуелді. Жүйе бөлшектерінің арасында өзара әсерлесу күштері болады, ара қашықтық өзгерген сайын ол күштердің әсері өзгереді, Бұл көлем өзгерісімен байланысты. Бұдан жылу сыйымдылық жүйенің көлем функциясы болып табылады. Сондықтан жылу сыйымдылықты туынды түрінде көрсетуге болады.

Майер заңы Ср = Сν + R Ср - Сν = R .

Термодинамикада зерттелетін объектіні жүйе деп атайды. Жүйе деп, қоршаған ортадан ойша немесе шын мәнінде оқшауланған жеке немесе топталған денелерді айтады. Қоршаған орта дегеніміз жүйемен тура немесе жанама байланыста болатынның барлығы. Қоршаған ортамен әрекеттесу сипатына қарай ашық, жабық және оқшау жүйелер болады.

Ашық жүйе деп, қоршаған ортамен энергия және зат алмасу арқылы әрекеттесетін жүйені айтамыз. Жабық жүйе деп, қоршаған ортамен зат алмасуы жоқ, бірақ энергиямен, жұмыспен алмаса алатын жүйені айтамыз.Оқшауланған жүйеде деп, сыртқы ортамен затпен де, энергиямен алмасуы жоқ жүйені айтамыз.

Жүйенің барлық физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығын жүйенің күйі дейді. Жүйенің күйі термодинамикалық параметрлермен (температура, қысым, көлем, концентрация) сипатталады. Термодинамикалық параметрлердің біреуінің өзгерімен байланысты болатын жүйедегі кез-келген өзгерісті термодинамикалық процесс дейді. Тікелей өлшенетін параметрлерді (температура, қысым, көлем, концентрация) күйдің негізгі парметрлері деп аталады. Тікелей өлшенуге келмейтін күй параметрлерін (ішкі энергия, энтальпия, энтропия, термодинамикалық потенциал) күй функциясы дейді. Ішкі энергия ( U ) жүйенің жалпы энергия қорын сипаттайды. Ол жүйені құрайтын қозғалыс және бөлшектердің әрекеттесу энергияның барлық түрін: молекулярлық қозғалыстың кинетикалық энергиясын, бөлшектердің тартылу және тебісу молекулааралық энергиясын, молеклаішілік немесе химиялық энергиясын, электрондық қозу энергиясын, ядро ішілік және сәулелік энергияны құрайды. Ішкі энергияның өзгеруі ( ΔU ) бастапқы ( U₁ ) және соңғы күйдегі (U₂ ) жүйенің ішкі энергия өлшемінің айырмашылығын көрсетеді:

Энтальпия (Н) – ол жүйе тұрақты қысымда ие болатын және сандық түрде ішкі энергия U мен потенциалдық энергия pV қосындысына тең энергия.

( 2 )

- қысым, – жүйенің көлемі. Энтальпия терминін 1909 жылы Оннес енгізген, ол гректің эн – ішкі, тальпэ – жылу деген сөздері. Термодинамиканың 1-ші заңы немесе 1-ші бастамасы негізінен энергияның сақталу және оның жылу процестеріне түрлену заңы болып есептеледі. Демек, ол жылу мен жұмыстың өзгеруіне байланысты. Жүйе күйінің соңғы өзгерісі үшін термодинамиканың 1-ші заңы келесідей теңдеумен көрсетіледі

( 3 )

– жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу, – ішкі энергия өзгерісі - жүйемен істелген жалпы жұмыс

( 4 ) 1-ші заңның математикалық теңдеуі

Жүйеге берілген немесе жүйеден шығарылған жылу мөлшері ішкі энергияның өзгерісіне және жұмыс жасауға кетеді.

Әртүрлі термодинамикалық процестер үшін термодинамиканың 1-ші заңының математикалық теңдеуі келесідей жазылады

Изобаралық процесс. ( Р = сonst )

( 5 )

Изобаралық процестің жылу мөлшері энтальпияның өзгеру шегі болып табылады.

Изохоралық процесс . ( = сonst ),

( 6 )

Жүйеге берілген жылу мөлшері ішкі энергияның өзгеруіне жұмсалады. Бұл процесте ешбір жұмыс жүргізілуі мүмкін емес. Изотермиялық процесс. (Т = сonst)

( 7 )

Жүйеге тиісті жылу толығымен кеңею жұмысына айналады. 1 моль газ үшін PV=RT , болғанда теңдеу келесідей түрде болады:

R=const, RT=const, p₁V₁= p₂V₂

( 8 )

( 9 ) Изотермиялық процестегі газдың ұлғаю жұмысы тек көлем мен қысымның кері пропорционалдық жағдайындағы өзгеруіне тәуелді және ол жұмыс жүйеге сырттан енгізілген жылу есебінен жүреді.

Бақылау сұрақтары

Термодинамиканың І-ші заңының математикалық теңдеуі (интегралдық күй).

Жүйе деп нені айтамыз, түрлері, сипаттама бер?

Көлем түрағы кездегі жұмыстың шамасы неге тең?

Қандай құбылысты адиабатты құбылыс дейміз?

Экстенсивті шама деп қандай шаманы айтамыз?

Интенсивті шама деп қандай шаманы айтамыз?

Термодинамиканың І-ші бастамасы нені оқытады?

Майер теңдеуі.

Әдебиеттер:

1. Киреев В.А. Курс физической химии. – М.Химия, 1995 г., 6-10 с.

2. Страмберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.-Высшая шкла, 1993 г., 8-12 с.

3. Оспанов Х.Х. Физическая химия. – Алматы, 1999 г., 6-12 с.

4.. Жайлауов С. Физикалық химия. Алматы: Рауан, 1992

5. Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1983.

6.. Жайлау С.Ж., Кулажанова К.С. Физическая и коллоидная химия. – Алматы: Санат, 1999, с. 234.

№3 дәріс

Жылу сыйымдылық

Жоспар