3.3 Изотермалық процес

Жұмыстық дененің (газдың) температурасы тұрақты болып қалатын процесті изотермалық процес деп атайды. Бұл процес диаграммасында тең бүйірлі гиперболамен бейнеленеді (3.3 -сурет). Процестің теңдеуі: .

Газ күйі теңдеуінен болғандықтан, газдың қысымы мен көлемі бір-біріне кері қатынаста болады.

3.3-сурет Изотермиялық процестің және диаграммасында бейнеленуі.

Бұл процестің жұмысы:

(3.7)

болғандықтан процестегі ішкі энергияның өзгеруі:

(3.8)

тең.

Изотермалық процесте ішкі энергия өзгермей тұрақты болып қалатындықтан( ), жұмыстық денеге (газға) берілетін барлық жылылық ( ) түгелдей жұмысқа айналады, яғни

(3.9)

Энтропияның өзгеруі:

(3.10)

3.4 Адиабаталық процес

Жұмыстық денемен (газбен) сыртқы орта арасында жылу алмасу болмайтын ( ) процесті адиабаталық процес деп атайды. Оның теңдеуі , мұндағы - адиабата көрсеткіші. Бұл процестің графигі 3.4-суретте көрсетілген. -диаграммасында процес қисық гипербола сызығымен бейнеленеді.

3.4-сурет Адиабаталық процестің және диаграммасында бейнеленуі.

Адиабаталық процестің және газ күйі теңдеулерін ескере отырып, келесі қатынастарды жазуға болады:

(3.11)

Бұл процестегі газ ұлғаюының жұмысы термодинамиканың бірінші заңына сай, ішкі энергияның азаюы есебінен орындалады.

(3.12)

Сонымен, газ ұлғаюының жұмысы температураның төмендеуіне байланысты ішкі энергияның азаюымен атқарылса, газдың сыртқы ортаның әсерімен атқаратын сығылу жұмысы, толығымен ішкі энергия мен температураның жоғарлауына жұмсалады.

Адиабаталық процесте болғандықтан, жұмыстық дененің энтропиясы өзгермейді ( , ). -диаграммасында бұл процес түзу тік сызықпен бейнеленеді.

3.5 Политропалық процес

Барлық нақтылы жылу машыналарындағы (іштен жанатын қозғалтқыштар – ІЖҚ, компрессорлар, газ турбиналы қондырғылар және т.б.) жұмыстық дененің (газдың) сығылу, отынның жану, жұмыстық дененің ұлғаю процестері политропалық процес деп аталады.

Политропалық процес қайтымды процес болғандықтан, келесі теңдеумен өрнектеледі:

(3.13)

мұндағы - политропа көрсеткіші; әртүрлі процестер үшін пен дейінгі аралықта өзгереді.

3.5-сурет Политропалық процестің және диаграммасында бейнеленуі. 1-изобара; 2-изотерма; 3-адиабата; 4- изохора;

Жоғарыда қарастырылған дербес процестер (изохоралық, изобаралық, изотермалық және адиабаталық) политропалық процестің политропа көрсеткіші ( ) 0, 1, k, -ке сәйкес болғандағы жеке түрлері.

Егер (3.13) теңдеуіндегі палитропа көрсеткішін деп алсақ, онда ол теңдеуіне айналады, яғни изобаралық процес болады; деп алсақ, онда ол изотермалық процес; деп алсақ, онда -адиабаталық процес; деп алсақ, онда – изохоралық процес болады.

Политропалық процестегі орындалатын жұмысты және жұмыстық дене параметрлерінің арасындағы байланысты өрнектейтін формулалар адиабаттық процестегіге ұқсас. Айырмашылығы тек қана -ның көрсеткішінде ғана.

Мысалы, политропалық процестегі орындалатын жұмыс:

(3.14)

Ал, жұмыстық дене параметрлері арасындағы байланыс:

(3.15)

Жұмыстық дененің (газдың) политропалық процестегі жылу сыйымдылығы келесі формуламен анықталады:

(3.16)

Жылылық мөлшері:

(3.17)

Энтропияның өзгеруі:

(3.18)

Политропалық процестің және диаграммалары 3.5-суретте көрсетілген.

11. Тепе-теңдік, қайтымды процестер түсінігі. Тепе-теңдік күйлердің үздіксіз тізбегінен құрылған процесс тепе-теңдік процесс деп аталады. Тепе-теңдік процесс кезінде жүйеніңбарлық макропараметрлері өте баяу, физикалық шектеусіз баяу, болымсыз өзгереді, əр түрлі нүктелеріндегі параметрлердің мəні, мысалы, қысым болса, қайсыбір орташа 〈р〉 мəніне жақын болады. Бұл айтылғандардан, тек шектеусіз баяу өтетін процесс тепе-теңдік процесс бола алады. Егер тепе-теңдік күйінен жүйе шығарылып жəне еркіне жіберілсе, онда ол біраз уақыттан кейін қайтадан тепе-теңдік күйіне оралады. Жүйенің тепе-теңдіксіз күйінен тепе-теңдік күйіне өту процесі релаксация деп аталады, ал жүйенің тепе-теңдік күйге оралу уақытын – релаксация уақыты дейді. Термодинамикалық жүйеде өтетін процестің жылдамдығы релаксация жылдамдығынан едəуір кіші делік, онда бүл процестің кез келген кезеңінде барлық параметрлер мəндері теңеліп үлгереді. Сондықтан мұндай процесс бір-біріне шексіз жақын тепе-теңдік күйлердің тізбегінен тұрады. Осындай жеткілікті баяу процестерді квазистатикалық немесе тепе-теңдік деп те атайды. Жүйелердің күйлері мен процестерін бейнелеу үшін графиктік əдісті қолданады. Біртекті жүйе күйлері нүктелермен белгіленеді, ал процестерді P −V -, V-T- жəне т.б. жазықта сəйкес сызықтар бейнелейді. Айта кету керек, тек қана тепе-теңдік күйлер мен процестерді графиктік бейнелеу мүмкін. Осындай да тепе-теңдік күй əр мезетте макропараметлердің белгілі бір мəнімен сипатталатын болады. Тепе-теңдік күй жəне тепе-теңдік процесс ұғымдары молекулалық физикада маңызды орын алады Əрине, барлық нақты процестер тепе-теңдіксіз, сондықтан олар тепе-теңдік күйге белгілі дəрежеде жуықтауы мүмкін. Сондықтан тепе-теңдік процесі уақыт бойынша қайтымды. Жүйе тура бағытта қандай күйлерден өтсе, кері процесте сондай күйлер тізбегінен өтуі қажет. Осындай тепе-теңдік процестерді қайтымды теп атайды. Мысалы, жүйе АВС өзгерістерге ұшырады делік (2.2-сурет). Бұл өзгерістер қайтымды болады: а) егер кері СВА бағыттағы өзгерістер сондай алдындағы тура бағыттағы мəндеріне сəйкес келсе; б) қоршаған ортамен не жылу, не затпен алмасып жəне жұмыс өндірсе, онда кері бағыттағы процестің СВА бөліктерінде сондай мөлшерде жүйе не жылу, не зат шығарады да, жұмыс орындалады. Мысалы, АВС жолында жүйе Q жылу мөлшерін алды делік, онда кері СВА-мен қайтқанда, ол тур сондай Q мөлшерде жылуды шығаруы (беруі) қажет.

13. Идеалды газдар қоспасы Жылулықты қолданатын машиналардың жұмыстық денесі ретінде, әртүрлі газдардың қоспасын қолданады.Олар үшін, R_қос болуы қажет. Әрбір құрамды бөлікке кіретін қоспалар, қоспаның толық көлемімен толады, бірақ, онда олар өзінің парциалды қысымында болады: Дальтон заңы бойынша

Газды қоспаның т массасы үшін, дұрысында дәл осындай түріндегі теңдеу түрі:

Бірақта, меншікті газ тұрақтылығы R, мұндағы қоспалар құрамына байланысты және бір және сол газдар қоспалары, олардың құрамдары өзгерген кезде, әртүрлі мәндерінде болады. Қоспалардың, меншікті газ тұрақтыларын былай анықтайды. Қоспалар п, әртүрлі құрамды бөлікті газдардан тұрғандағы, әрқайсысының m₁, m₂, m₃, ...., m_n массасында болғанда, қоспа массасын, мына түрінде шешеді:

Жеке құрамды (газдар) парциалды қысымдарды Р₁, Р₂, Р_з,…, Р_n деп белгілейді. Газды қоспалардың, жеке газдардағы парциалды қысымы ұғымындағы қысым сол санында, сол көлемде және сондай температура кезінде, қоспа жағдайымен бірдей болуы тиіс. Сондықтан, біртекті газдар үшін мына теңдікте жүреді

Мұндағы Р_i, m_i, R_i - қаралып отырған газды қоспалардың парциалды қысымы, массасы, меншікті газ тұрақтылығы; V, T қоспаның көлемі мен температурасы.

Газды қоспаның әрбір құрамды бөлігіне жағдай теңдеулерін жазамыз:

Осы теңдіктердің оң және сол бөліктерін мүшелеп қосып, табамыз:

деп белгілеп табамыз.

Мұндағы:

Газ қоспаларының техникалық көрсеткіштерін, сонымен қатар, оның көлемдік құрамының көмегімен жиі анықтайды, оны анықтау былай қабылданған. Қоспа қысымы Р мен Т температурасы кезіндегі, әрбір қоспаның құрамды бөлшектерін жеке түрінде қарастырамыз. Сонымен, құрамды бөлшектердің парциалды көлемдері V₁, V₂, V₃, ,...Vn жағдай теңдеуіне сәйкес, қатаң түрде белгілі мәндерде болуы тиіс:

..............................

Осы теңдеулерді қосып мүшелеп табамыз:

Сонымен газды қоспа үшін PV=mRT, онда:

немесе:

Формула газ қоспасының көлемдік құрамын анықтау негізіне жатады. Одан