- Daxili enerjinin nə olduğunu izah etmək və onu dəyişməyin iki yolunu — iş görülməsini və istilikötürməni — göstərmək
- ΔU = Q + W qanununu işarələrə diqqət edərək tətbiq etmək və ekvivalent Q = ΔU + A formasına keçmək
- İşi p–V qrafikinin altındakı sahə kimi tapmaq və birinci qanunu izoxorik, izobarik, izotermik, adiabatik proseslərə və dövri proseslərə tətbiq etmək
- İstilik maşınının FİƏ-ni hesablamaq və ikinci qanunun qadağan etdiyi prosesləri tanımaq
Velosiped təkərinə nasosla tez-tez hava vurduqda nasosun aşağı hissəsi isinir. Soyuq su olan qazanı isti plitənin üstünə qoyanda su da isinir. Birinci halda havanı heç kim qızdırmayıb: sən onun üzərində iş görmüsən. İkinci halda heç kim iş görməyib: suya istilik keçib. Hər iki hal eyni kəmiyyəti — daxili enerjini dəyişir, termodinamikanın birinci qanunu isə bu üç kəmiyyəti bir-birinə bağlayan enerji «mühasibatıdır». CSCA fizika testində adətən bu mövzudan bir-iki sual olur və yeganə real çətinlik işarələrdir — bu dərs onları avtomatik vərdişə çevirəcək.
Qaz qanunlarının özü — pV = νRT və izoproseslərin qrafikləri — «Qazların molekulyar-kinetik nəzəriyyəsi və ideal qaz tənliyi» dərsindədir. Burada onlardan yalnız alət kimi istifadə edirik və diqqəti enerjiyə yönəldirik.
Daxili enerji, istilik və iş
Cismin bütün molekullarının ümumi enerjisi: onların xaotik istilik hərəkətinin kinetik enerjisi ilə qarşılıqlı təsirinin potensial enerjisinin cəmi. O, temperaturdan, həcmdən, maddənin miqdarından və aqreqat halından (bərk, maye, qaz) asılıdır.
İdeal qazda molekullar yalnız toqquşma zamanı qarşılıqlı təsirdə olur, ona görə potensial enerji hissəsi yoxdur. Onun daxili enerjisi (verilmiş qaz miqdarı üçün) yalnız temperaturdan asılıdır: T artır ⇒ U artır; T sabitdir ⇒ U sabitdir — p və V ilə nə baş verməsindən asılı olmayaraq. Bu bir fakt termodinamika suallarının yarısını həll edir.
- Ubiratomlu ideal qazın (He, Ne, Ar) daxili enerjisi, C
- νmaddə miqdarı, mol
- Runiversal qaz sabiti, 8,31 C/(mol · K)
- Tmütləq temperatur, K
- pVtəzyiq × həcm (pV = νRT), Pa · m³ = C
Biratomlu ideal qaz üçün. CSCA sualları lazım olanda bu düsturu verir; yadda saxlanmalı olan fikir ΔU ∝ ΔT-dir. Rahat vahid: 10⁵ Pa · 1 l = 10⁵ · 10⁻³ C = 100 C.
1) İdeal qazın temperaturu 300 K-dən 450 K-ə qalxır. Onun daxili enerjisi neçə dəfə artır?
2) Helium 2 · 10⁵ Pa təzyiqdə 3 l həcm tutur. Onun daxili enerjisini tap (U = (3/2)pV).
3) İdeal qaz sabit temperaturda yavaş-yavaş sıxılır. Onun daxili enerjisi dəyişirmi?
4) 0 °C-də 1 kq buz əriyərək 0 °C-də suya çevrilir. Onun daxili enerjisi dəyişirmi?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) U = 1,5 · 2 · 10⁵ · 3 · 10⁻³ = 900 C (və ya 1,5 · 2 · 3 · 100 C).
3) T sabitdir ⇒ ΔU = 0, baxmayaraq ki, həm p, həm də V dəyişir.
4) T dəyişmir, amma U artır: molekullar bir-birindən uzaqlaşır və onların potensial enerjisi artır. «U yalnız T-dən asılıdır» qaydası ideal qaz üçündür, ərimə və qaynama üçün deyil.
Temperatur fərqi nəticəsində isti cisimdən soyuq cismə ötürülən enerji; işarəsi Q, vahidi coul (C). Cisim istiliyi «saxlamır»: onun daxili enerjisi var, istilik isə ötürülən enerjidir.
Daxili enerjini dəyişməyin düz iki yolu var: iş görmək (做功) — məsələn, porşen qazı sıxır və ya sürtünmə baş verir — və istilikötürmə (热传递): istilikkeçirmə, konveksiya və ya şüalanma. Hər ikisi coulla ölçülür və tam eyni dəyişikliyi yarada bilər: yalnız son hala baxaraq qazın qızdırıldığını, yoxsa sıxıldığını bilmək mümkün deyil.
Birinci qanun: ΔU = Q + W
Enerji saxlanılır, ona görə qazın daxili enerjisinin dəyişməsi ona daxil olan hər şeyə bərabərdir: aldığı istilik üstəgəl onun üzərində görülən iş. Bu, istilik prosesləri üçün yazılmış enerjinin saxlanma qanunudur.
- ΔUdaxili enerjinin dəyişməsi: U artırsa + (ideal qazda T artır)
- Qistilik: qaz alırsa + (吸热), verirsə − (放热)
- Wətrafın qaz ÜZƏRİNDƏ gördüyü iş: qaz sıxılanda +, genişlənəndə −, həcm sabit olanda 0
Çin dərsliklərində və CSCA suallarında istifadə olunan forma (热力学第一定律). Hər kəmiyyətin işarəsi qazın baxımından seçilir: qaza daxil olan hər şey müsbətdir.
| Kəmiyyət | + | − | 0 |
|---|---|---|---|
| Q | qaz istilik alır | qaz istilik verir | istilik mübadiləsi yoxdur (adiabatik) |
| W | qaz sıxılır (V azalır) | qaz genişlənir (V artır) | V sabitdir |
| ΔU | T artır | T azalır | T sabitdir (ideal qaz) |
- Aqazın GÖRDÜYÜ iş, A = −W: genişlənəndə +, sıxılanda −
- Qqazın aldığı istilik (yuxarıdakı Q ilə eyni)
Eyni qanun Azərbaycan məktəbində işlədilən formada: alınan istilik qismən daxili enerjinin artmasına, qismən qazın gördüyü işə sərf olunur. Bir çox ingilisdilli dərslikdə ΔU = Q − W yazılır və oradakı W qazın gördüyü işdir. Hərflər fərqlidir, fizika eynidir.
1) Qaz sıxılarkən 400 C istilik alır; onun üzərində görülən iş 150 C-dur. ΔU-nu tap.
2) Qaz 200 C istilik alır və genişlənərək 300 C iş görür. ΔU-nu tap.
3) 2-ci bəndi Q = ΔU + A düsturu ilə yenidən həll et.
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Qaz genişlənir ⇒ W = −300 C. ΔU = 200 + (−300) = −100 C: qaz qızdırılsa da soyuyur, çünki işə aldığından çox enerji sərf edir.
3) A = +300 C: 200 = ΔU + 300 ⇒ ΔU = −100 C — nəticə eynidir.
- 1Sistemi seç
Demək olar ki, həmişə qazdır. Bütün işarələr qazın baxımından oxunur.
- 2Sözləri işarələrə çevir
«alır» → Q > 0; «verir», «ayırır» → Q < 0; «sıxılır», «üzərində iş görülür» → W > 0; «genişlənir», «iş görür» → W < 0.
- 3Gizli sıfırları tap
T sabitdir ⇒ ΔU = 0; V sabitdir (möhkəm qab) ⇒ W = 0; istilik izolyasiyası var və ya proses çox sürətlidir ⇒ Q = 0.
- 4Yerinə qoy və geri tərcümə et
Ədədləri ΔU = Q + W-yə qoy, sonra alınan işarəni sözlə ifadə et: «alır / verir», «artır / azalır».
Xarici qüvvələr qaz üzərində 100 C iş görür, qaz isə 60 C istilik verir. Hansı fikir doğrudur?
A) Daxili enerji 40 C azalır
B) Daxili enerji 160 C artır
C) Daxili enerji 40 C artır
D) Daxili enerji 160 C azalır
Həllini göstərHəllini gizlət
Q-nun mənfi işarəsini unutsan, B cəlbedici görünür; A-da Q və W-nin rolları dəyişdirilib; D-də hər iki hədd mənfi götürülüb.
p–V qrafikində iş və dörd proses
p təzyiqli qaz S sahəli porşeni Δl məsafəsi qədər itələdikdə A = F · Δl = pS · Δl = pΔV işi görür. Təzyiq dəyişirsə, hərəkəti çoxlu kiçik addımlara böl: hər addım eni ΔV, hündürlüyü p olan nazik zolaqdır, ona görə tam iş p–V qrafikinin altındakı sahəyə bərabərdir.
- Aqazın gördüyü iş, C (W = −A)
- ptəzyiq, Pa
- ΔVhəcmin dəyişməsi V₂ − V₁, m³ (1 l = 10⁻³ m³)
Qrafikdə sağa hərəkət (genişlənmə): qaz iş görür, W < 0. Sola hərəkət (sıxılma): W > 0. Şaquli parçanın (V sabit) sahəsi sıfırdır: iş yoxdur.
1) Qaz sabit 3 · 10⁵ Pa təzyiqdə 2 l-dən 5 l-ə qədər genişlənir. Qazın gördüyü işi və W-ni tap.
2) p–V qrafikində qaz (1 l; 1 · 10⁵ Pa) nöqtəsindən (3 l; 3 · 10⁵ Pa) nöqtəsinə düz xətt boyunca keçir. Qazın gördüyü işi tap.
3) Qaz eyni xətt boyunca geri qayıdır. İndi W nəyə bərabərdir?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Xəttin altındakı fiqur trapesiyadır: A = (1 + 3)/2 · 10⁵ · 2 · 10⁻³ = 400 C. Qısa yol: (orta təzyiq) · ΔV = 2 · 2 · 100 C.
3) İndi həcm azalır: qaz üzərində iş görülür, W = +400 C.
| Proses | Şərt | W | Q | ΔU | Nəticə |
|---|---|---|---|---|---|
| İzoxorik (等容) | V = const | 0 | ΔU | Q | bütün istilik daxili enerjiyə gedir |
| İzobarik (等压) | p = const | −pΔV | ΔU + pΔV | Q − pΔV | genişlənmədə Q > ΔU: istiliyin bir hissəsi işə gedir |
| İzotermik (等温) | T = const | W | −W | 0 | genişlənmədə alınan istiliyin hamısı işə çevrilir |
| Adiabatik (绝热) | Q = 0 | W | 0 | W | sıxılma qızdırır, genişlənmə soyudur |
1) Möhkəm qabdakı qaz 250 C istilik alır. W və ΔU-nu tap.
2) İdeal qaz sabit temperaturda yavaş-yavaş sıxılır; onun üzərində görülən iş 180 C-dur. Qazın istilik mübadiləsini tap.
3) Biratomlu ideal qaz sabit 1 · 10⁵ Pa təzyiqdə 2 l-dən 4 l-ə qədər genişlənir (U = (3/2)pV). A, ΔU və Q-nu tap.
Həllini göstərHəllini gizlət
2) T sabitdir ⇒ ΔU = 0 ⇒ Q = −W = −180 C: qaz 180 C istilik verir.
3) A = pΔV = 1 · 2 · 100 C = 200 C; ΔU = (3/2)pΔV = 300 C; Q = ΔU + A = 500 C. İstiliyin yalnız 40 %-i işə çevrildi.
Hərəkətli porşenli silindrdəki ideal qaz böyük su vannasında sabit temperaturda saxlanılır və yavaş-yavaş sıxılır. Hansı fikir doğrudur?
A) Qaz sudan istilik alır
B) Qazın daxili enerjisi artır
C) Temperatur sabit olduğu üçün istilik mübadiləsi yoxdur
D) Qaz üzərində görülən işə bərabər istilik verir
Həllini göstərHəllini gizlət
C ən cəlbedici səhvdir: «temperatur sabitdir» «istilik yoxdur» demək deyil — bu, adiabatik proses olardı və qaz qızardı. A işarəni tərsinə çevirir.
İstilik mübadiləsi olmayan proses, Q = 0: qaz istilikdən izolyasiya olunub və ya proses o qədər sürətlidir ki, istilik ötürülməyə macal tapmır. Onda ΔU = W: bütün iş daxili enerjiyə çevrilir.
Sürətli sıxılma qazı qızdırır: isinmiş velosiped nasosu və ya dizel mühərriki, orada sıxılmış hava yanacağı qığılcımsız alışdıracaq qədər qızır. Sürətli genişlənmə qazı soyudur: təkərin ventilindən çıxan hava soyuq hiss olunur, yuxarı qalxan hava genişlənir, soyuyur və bulud əmələ gətirir. p–V qrafikində adiabat eyni nöqtədən keçən izotermdən daha dik enir, çünki genişlənmədə təzyiq həm həcmin artmasından, həm də temperaturun düşməsindən azalır.
1) İzolyasiya olunmuş silindrdəki hava sürətlə sıxılır; porşen onun üzərində 500 C iş görür. ΔU-nu tap.
2) İzolyasiya olunmuş qabdakı qaz genişlənir və 120 C iş görür. Onun temperaturu necə dəyişir?
3) İzolyasiya olunmuş qutu arakəsmə ilə bölünüb: bir tərəfdə ideal qaz, o biri tərəfdə vakuumdur. Arakəsmə götürülür və qaz bütün qutunu doldurur. Qazın temperaturu necə dəyişir?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Q = 0, W = −120 C ⇒ ΔU = −120 C: temperatur düşür.
3) Q = 0 (izolyasiya) və W = 0: qaza heç nə müqavimət göstərmir, ona görə qaz iş görmür (boşluğa sərbəst genişlənmə, 自由膨胀). ΔU = 0 ⇒ ideal qazın temperaturu dəyişmir; yalnız təzyiq azalır.
Dövri proseslər, istilik maşınları və ikinci qanun
Dövri prosesdə (tsikldə) qaz başlanğıc halına qayıdır, ona görə bütün tsikl üçün ΔU = 0 və qazın aldığı xalis istilik onun gördüyü xalis işə bərabərdir. Bu xalis iş p–V qrafikində qapalı əyrinin daxilindəki sahədir. Saat əqrəbi istiqamətində dövr (yüksək təzyiqdə genişlənmə, aşağı təzyiqdə sıxılma) qazın müsbət xalis iş gördüyünü göstərir — bu, mühərrikdir. Saat əqrəbinin əksinə dövr xaricdən iş tələb edir — bu, soyuducu maşındır.
Dövri işləyən qurğu: isti mənbədən (qızdırıcıdan) Q₁ istiliyini alır, onun bir hissəsini A işinə çevirir, qalan Q₂ hissəsini isə soyuq mənbəyə (soyuducuya, adətən ətraf havaya) verir.
- ηfaydalı iş əmsalı, FİƏ (效率), kəsr və ya faizlə
- Abir tsikldə faydalı iş, A = Q₁ − Q₂
- Q₁bir tsikldə qızdırıcıdan alınan istilik
- Q₂bir tsikldə soyuducuya verilən istilik (müsbət ədəd)
Q₂ heç vaxt sıfır ola bilməz, ona görə hər istilik maşınında η < 1 (100 %).
1) Mühərrik hər tsikldə qızdırıcıdan 800 C alır və soyuducuya 600 C verir. A-nı və η-nı tap.
2) η = 40 % olan mühərrik hər tsikldə 600 C iş görür. Q₁ və Q₂-ni tap.
3) Qaz (1 l; 3 · 10⁵ Pa) → (3 l; 3 · 10⁵ Pa) → (3 l; 1 · 10⁵ Pa) → başlanğıc nöqtə üçbucağı üzrə dövr edir. Hər tsikldə qaz nə qədər xalis istilik alır?
Həllini göstərHəllini gizlət
2) Q₁ = A/η = 600/0,4 = 1500 C; Q₂ = 1500 − 600 = 900 C.
3) Dövr saat əqrəbi istiqamətindədir (yuxarıda sağa, aşağı, sonra diaqonal boyunca geri), ona görə qaz üçbucağın sahəsinə bərabər müsbət xalis iş görür: ½ · 2 l · 2 · 10⁵ Pa = ½ · 2 · 2 · 100 C = 200 C. Tsikldə ΔU = 0 ⇒ alınan xalis istilik = 200 C.
İstilik öz-özünə soyuq cisimdən isti cismə keçmir (Klauzius). Dövri işləyən heç bir maşın bir mənbədən aldığı istiliyi başqa heç bir dəyişiklik olmadan tamamilə işə çevirə bilməz (Kelvin). Bu iki ifadə ekvivalentdir.
Birinci növ əbədi mühərrik (第一类永动机) enerjini yoxdan yaradardı, ona görə birinci qanunu pozur. İkinci növ əbədi mühərrik (第二类永动机), məsələn, sadəcə okeanı soyudan və bütün bu istiliyi işə çevirən gəmi mühərriki, enerjinin saxlanmasını pozmur, amma ikinci qanunu pozur. Soyuducu istiliyi doğrudan da soyuqdan istiyə ötürür, amma yalnız elektrik enerjisi hesabına iş görüldüyü üçün — «öz-özünə» yox. Təbii proseslər (istilikötürmə, qarışma, sürtünmə) dönməzdir; izolə olunmuş sistemin nizamsızlıq ölçüsü — entropiyası (熵) heç vaxt azalmır.
Aşağıdakılardan hansı mümkündür?
A) FİƏ-si 100 % olan istilik maşını
B) Soyuducunun içini soyudarkən mətbəxi qızdırması
C) İstiliyin soyuq içkidən otağın isti havasına öz-özünə keçməsi
D) Aldığından çox enerji verən maşın
Həllini göstərHəllini gizlət
A Kelvin ifadəsini pozur (Q₂ = 0 olardı); C Klauzius ifadəsini pozur; D birinci qanunu pozur — bu, birinci növ əbədi mühərrikdir.
CSCA bu mövzunu necə soruşur
- Yalnız işarələr — «300 C istilik alır və 100 C iş görür»: ΔU bir sətirdə. Hədəf 20–30 saniyədir.
- Prosesi sözlərdən tanı: «möhkəm / bağlı qab» — izoxorik, «yavaş-yavaş, su vannasında» — izotermik, «sürətlə» və ya «izolyasiya olunmuş» — adiabatik, «sərbəst porşen» — izobarik.
- p–V qrafikində sahə (düzbucaqlı, trapesiya və ya üçbucaq), litr və 10⁵ Pa ilə: «10⁵ Pa · 1 l = 100 C» düşün.
- Dövri proseslər: ΔU = 0, xalis iş = qapalı sahə, saat əqrəbi istiqaməti = mühərrik; iki yol arasında seçim olanda ΔU eyni, Q isə işlə birlikdə dəyişir.
- FİƏ: η = A/Q₁, çox vaxt bir kəmiyyət verilmir.
- İkinci qanun: mümkün olmayan prosesi və ya doğru fikri seç; birinci növ (yoxdan enerji) və ikinci növ (100 % çevirmə) əbədi mühərrikləri fərqləndir.
| Termin (ingiliscə) | 中文 | Pinyin |
|---|---|---|
| daxili enerji — internal energy | 内能 | nèinéng |
| istilik miqdarı — heat | 热量 | rèliàng |
| iş — work | 功 | gōng |
| istilikötürmə — heat transfer | 热传递 | rè chuándì |
| termodinamikanın birinci qanunu — first law of thermodynamics | 热力学第一定律 | rèlìxué dì-yī dìnglǜ |
| izotermik proses — isothermal process | 等温过程 | děngwēn guòchéng |
| izobarik proses — isobaric process | 等压过程 | děngyā guòchéng |
| izoxorik proses — isochoric process | 等容过程 | děngróng guòchéng |
| adiabatik proses — adiabatic process | 绝热过程 | juérè guòchéng |
| istilik almaq / vermək — absorb / release heat | 吸热 / 放热 | xī rè / fàng rè |
| istilik maşını — heat engine | 热机 | rèjī |
| faydalı iş əmsalı — efficiency | 效率 | xiàolǜ |
| termodinamikanın ikinci qanunu — second law of thermodynamics | 热力学第二定律 | rèlìxué dì-èr dìnglǜ |
| əbədi mühərrik — perpetual motion machine | 永动机 | yǒngdòngjī |
| entropiya — entropy | 熵 | shāng |
Əsas fikirlər
- Daxili enerji molekulların kinetik və potensial enerjilərinin cəmidir; ideal qazda yalnız T-dən asılıdır, ona görə T = const ⇒ ΔU = 0.
- ΔU = Q + W (W — qaz üzərində iş) ⇔ Q = ΔU + A (A — qazın gördüyü iş); işarələr qazın baxımından seçilir.
- İş p–V qrafikinin altındakı sahədir; sabit təzyiqdə A = pΔV; 10⁵ Pa · 1 l = 100 C.
- İzoxorik: ΔU = Q; izotermik: Q = −W; adiabatik: ΔU = W (sıxılma qızdırır, genişlənmə soyudur).
- Tsikldə ΔU = 0, xalis iş qapalı sahəyə bərabərdir; FİƏ η = A/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁ < 1.
- İkinci qanun: istilik öz-özünə soyuqdan istiyə keçmir və heç bir mühərrik bir mənbənin istiliyini tamamilə işə çevirmir.
Özünü yoxla
12 sual. Hər düzgün cavab XP qazandırır.
Mövzu testi: 20 sual · 25 dəq
Dərsi bitirdin? Bu mövzu üzrə vaxtlı testlə biliyini yoxla.