Термодинамиканың бірінші бастамасы. Жүйенің ішкі энергиясы. Жұмыс және жылу.

Термодинамиканың бірінші бастамасы

Термодинамикада макраскопиялық денелердің жылулық қасиеттері олардың микроскопиялық табиғатымен байланыстырылмай, көптеген тәжірибелер арқылы анықталған, бастамалар деп аталтын негізгі үш заңға сүйеніп зерттеледі. Термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның сақталу және түрлену заңдарын сипаттайды.

Жүйенің ішкі энергиясы

Ішкі энергия жүйедегі барлық микробөлшектердің – атомдар мен молекулалардың қозғалыс энергияларынан және олардың өзара әсерлесу энергияларынан құралады. өрнектен идеал газдың ішкі энергиясы тек температураға тәуелді екендігі, яғни, ол жүйенің бірмәнді күй функциясы болатынын көреміз. Кез-келген жүйенің ішкі энергиясының мәні оның бұл күйге қалай келгеніне тәуелді болмайды. Басқаша айтқанда, жүйе 1 күйден 2 күйге өткенде оның ішкі энергиясының өзгерісі оның соңғы және бастапқы энергияларының айырымына тең. Сондықтан, жүйе қандай-да бір процестерден соң бастапқы күйге қайта оралса, онда ішкі энергияның өзгерісі нольге тең болады: . Олай болса, ішкі энергияның элементар өзгерісі толық дифференциал болып табылады.

Жұмыс және жылу

Тұйық термодинамикалық жүйе сыртқы денелермен екі түрлі әдіспен: жұмыс жасау және жылу алмасу арқылы энергия алмаса алады. Бірінші әдіс бойынша денелер өзара күштік әсерлесу арқылы энергия алмасады. Жұмыс жасау кезінде энергия жүйеге берілсе, онда жұмыс жүйені өзгертуге жасалды дейді. Ауданы S қозғалмалы поршені бар ыдыс ішіндегі газ ұлғайғандағы және сығылғандағы жасалатын жұмысты қарастырайық (4.4 – cурет). Сыртқы қысым болса, онда поршенге әсер етуші күш: . Поршень аз шамаға орын ауыстырғанда, газ ол күшке қарсы жұмыс

4.4- сурет. Поршенді ыдыстығы газдың жұмысы

жасайды: Поршень аз шамаға орын ауыстырғанда, газ ол күшке қарсы жұмыс жасайды: мұндағы –газ көлемінің өзгерісі. Егер газ көлемі квазистатикалық түрде өзгерсе,

онда жүйе кез-келген уақытта сыртқы ортамен қысыммен тепе-теңдікте болады. Тепе-теңдік процесс кезінде газдың көлемі өзгергенде жасалатын элементар жұмыс

(4.27)

болады.

Газдың қысымы әрқашан оң (). Сондықтан, ұлғаю кезінде () газ оң жұмыс жасайды(), ал сығылу кезінде () газ теріс жұмыс жасайды (). Сыртқы денелерден жүйеге энергияның жылуалмасу арқылы берілуі жылу деп аталады. Жылуалмасу әртүрлі температурадағы денелер арасында немесе бір дененің бөлшектері арасында жүреді.Жылуалмасу конвективтік, жылуөткізгіштік, сәулелік болып үшке бөлінеді. Конвективтік жылуалмасу – температурасы әртүрлі газ, сұйықтық, қатты денелер қозғалысы арқылы немесе газ бен сұйықтықтың температурасы әртүрлі бөліктерінің қозғалысы арқылы жүреді. Жылуалмасу – дененің әртүрлі дәрежеде қызған бөліктері арасында жүреді. Сәулелік жылуалмасу (радиациалық жылуалмасу) денелердің бір-бірімен тікелей түйісусіз, тек электрмагниттік энергия шығару немесе жұту арқылы жүреді.

Жылуалмасу мен жұмыстың ішкі энергиядан ерекшелігі, олар жүйе күйінемес жүйе күйінің өзгерісін сипаттайды. Олар жүйе күйі өзгерісінің энергетикалық сипаттамасы болғандықтан, жылуалмасу мен жұмыстың мәндері процесс түріне тәуелді болады. Жылу мен жұмыс жүйенің энергия түріне жатпайды. Дененің жылу немесе жұмыс қоры деген түсінік жоқ. Сондықтан мен күй функциясы емес, процесс функциясы.