Ջերմադինամիկայի Հիմունքները

Ջերմադինամիկայի Հիմունքները

              Մակրոսկոպական պարամետրեր։ Յուրաքանչյուր մակրոսկոպական hամարկարգ կազմված է հսկայական թվով ատոմներից և մոլեկուլներից։ Մակրոսկոպական համակարգի ներքին վիճակը կարելի է նկարագրել այնպիսի մեծությունների միջոցով, որոնք բնութագրում են համակարգն ամբողջությամբ։ Այդ մեջությունները կոչվում են մակրոսկոպական կկամ ջերմադինամիկական պարամետրեր։

Ջերմադինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռություն։ Ջերմադինամիկական համակարգը գալիս է մի վիճակի, որտեղ մակրոսկոպական երևույթները՝ լուծվելը և համլումը, այլևս դարարել են։ այս վիճակն ընդունված է անվանել Ջերմադինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռության վիճակ։ Ջերմային հավասարակշռության վիճակում համակարգի մակրոսկոպական պարամետրերը մնում են ավփոփոխ, եթե արտաքին գործոնները բացակայում են։ Բազմաթիվ փորձերից պարզվել է, որ ինքիներն թողնված ջերմադինամիկական համակարգը գալիս է ջերմային հավասարակշռության վիճակի և այդ վիճակից «ինքնակամ», այսինքն՝ առանց արտաքին գործոնների ազդեցության, դուրս գալ չի կարող։

Հավասարակշռության վիճակում համակարգում մակրոսկոպական փոփոխություններ տեղի ունենալ չեն կարող։ Սակայն ջերմային հավասարակշռության վիճակում միկրոսկոպական պրոցեսները երբեք չեն դադարում․ Ժամանակի ընթացքում հաստատուն են մնում մակրոսկոպական բնութագրերի հավասարակշիռ արժեքները։ Ջերմային հավասարակշռության հաստատվելը և նրա գոյությունը հնարավոր են հենց անընդհատ մոլեկուլային շարժման շնորհիվ։ Սրանով էլ ջերմային հավասարակշռության վիճակը, տարբերվում է համակարգի մեխանիկական հավասրակշռության վիժակից, երբ որևէ հաշվարկման համակարգում մարմինը մնում է դադարի վիճակում։

Ջերմադինամիկական պրոցես։ Եթե մակրոսկոպական վիճակում է, ապա այդ վիճակը բնութագրող մակրոսկոպական պարամետրերը հայտնի են։ Ջերմադինամիկական պրոցես է կոչվում այն մակրոսկոպական համակարգի անցումը մի ջերմադինամիկական վիջակից մյուսին։ Խախտված ջերմայն հավասարակշռության վիճակից հավասարկշռության վիակին անցնելու ժամանակն անվանում են ռելաքսացիայի ժամանակ։

          Մակրոսկոպական պարամետրերի (անվերջ դանդաղ) փոփխման սահմանային դեպքում ջերմադինամիկական համակարգը հաջորդաբար մի հավասարակշռութայն վիճակից անցնում է մյուս վիճակին, այսպիսի անընդհատ անցումների հաջորդականությունը կոչում են հավասարակշիռ կամ քվազիստատիկ

         Ջերմային երևույթներն ուսումնասիրելիս սահմանվում է մի նոր ֆիզիկակակն մեծության Ջերմաստիճանի գաղափարը։ Ջերմաստիճանը միակ մակրոսկոպական բնութագիրն է, որը ջերմադինամիկական հավասարակշռության վիժակում ունի միևնույն արժեքը համակարգի բոոլոր մասերում։ Ջերմստիճանը մակրոսկոպական մարմիններում մոլեկուլների քաոսային շարժման միջին կինետիկ էներգիայի չափն է։ Մակրոսկոպական մարմիններում մակրոսկոպական մարմիններում տեղի ունեցող ջերմային երևույթները ուսումնասիրում է ջերմադինամիկան։ Մակրոսկոպական մարմինները, մեխանիկական էներգիայից բացի, օժտված են նաև նեքին էներգիայով։ Մարմնի ներքին էներգիան մարմնի մասնիկների՝ մարմնի զանգվածների կենտրոնի նկատմնամբ քաոսային շարժման կինետիկ էներգիաների և միմիանց հետ փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիաների գումարն է։

Սահմանենք մարմնի լրիվ էնեգիան (E_լրիվ) որպես մարմնի ներքին էներգիայի ( U ) և մեխանիկական՝ կինետիկ (E_կ) և պոտենցիալ (E_պ) էներգիաների գումար։

                                                          E_լրիվ = U + E_կ   +  E_պ  = U + E :

Գազին ներքին էներգիան միայն մասնիկների ջերմային շարժման կինետիկ էներգիաների գումարն է  U = N_e = 3/2 x NK_BT

Միատոմ իդեալական գազի ներքին էնեգիան ուղիղ համեմատական է բացարձակ ջերմաստիճանին, մասնիկների թվին և կախված չէ գազի ծավալից։

Հայտնի է ձերմադինամիկական համակարգի վիճակի փոփոխության երկու սկզբունքորեն տարբեր եղանակ՝ աշխատանքի կատարում և ջերմահաղորդում։ Ջերմադինամիկայում արտաքին ուժի կատարած աշխատանքը մարմնի (համակարգի) ներքին էներգիայի փոփոխության չափն է։

       Ջերմափոխանակման պրոցեսում համակարգին տված կամ նրանից վերցված էներգիան կոչվում է ջերմաքանակ։

       Այն ջերմաքանակը, որն անհրաժեշտ է  m զանգվածով մարմնի ջերմաստիճանը 1 կով փոփոխելու համար, կոչվում է ջերմունակություն (C), այն արտահայտվում է Ջ/Կ միավորորով։ C=cm           C_µ = C/V = Mc

     Մեկ կիլոգրամ զանգվածով հեղուկը հաստատուն ջերմաստիճանում գոլորշու փոխակերպելու համար անհրաժեշտ ջերմաքանակը կոչվում է շոգեգոյացման տեսակարար ջերմություն, (r) և կախված է հեղուկի հատկություններից և ջերմաստիանից։     Q_շոգ=mr

     Այն ջերմաքանակը, որն անջատում է 1կգ զանգվածով վառելիքը լրիվ այրվելիս, կոչվում է վառելիքի այրման տեսակարար ջերմություն (q) և արտահայտվում է Q=mq։ Այս ջերմաքանակը վառելիքում  առկա ածխածնի և օդի թթվածնի միացման հետևանքով անջատվող էներգիան է։

     Կատարված փորձերի անրդյունքներն ընդհանրացնվեցին և ձևակերպվեցին որպես էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենք․ բնության մեջ էներգիան չի առաջանում ոչնչից և չի անհետանում․ էներգիայի քանակն անփոփոխ է ,այն մի ձևից անցնում է անցնում է մյուսին։

   Այն հայտնաբերել են Ռ․ Մայերն ու Ջ․ Ջոուլը, վերջնական ձևակերպումը տվել է Հ․ Հելմհոլցը։Համաձայն սահմանման համակարգի լռիվ էներգիան E_լրիվ = U + E։

   Երբ համակարգը առաջին վիճակից անցնում է երկրորդ վիճակի, նրա փոփոխությունը հավասար է արտաքին ուժերի կատարած A աշխատանքիև համակարգին տրված Q ջերմաքանակի գումարին։

   Համակարգին տրված ջերմաքանակը ծախսվում է նրա ներքին էներգիայի փոփոխության և արտաքին մարմինների վրա ախատանք կատարելու համար ,եթե Համակարգը դրսից Ջերմաքանակ չի ստանում՝ Q = 0, ապա այն անվանում ենք ջերմամեկուսացված։

Ջերմադինամիկական պռոցեսում կարող են միաժամանակ փոփոխվել բոլոր մակրոսկոպական պարամետրերը։

Իզոխոր պրոցես։ Այս պրոցեսում համակարգի ծավալը չի փոփոխվում՝ V = const և ∆V= 0 ուստի համակարգի կատարած աշխատանքը՝ A՛ = p∆V = 0

  Իզոթերմ պրոցես։ Այս Պրոցեսում հաստատուն է մնում համակարգի ջերմաստիճանը՝ T= const և ∆T= 0: ծավալի փոփոխման ժամանակ հմակարգն աշխատանք է կատարում։ Իզոտթերմ պրոցեսում կորող է փոփոխվել նաև համակարգի ներքին էներգիան՝ պայմանավորված մասնիկների պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությամբ։

    Իզոբար պրոցես։ այս պրոցեսում հաստատուն է մնում ճնշումը՝ p=const: Հակարգին տրված ջերմասքանակի  հաշվին փոփոխվում են նրա ծավալն ու ջերմաստիճանը, ուստի զրոից տարբեր կլինի և; ներքին էներգիայի ∆U փոփոխությունը և; համակարգի կատարած A; աշխատանքը։

   Ադիապատ պրոցես։ այս պրոցեսում համակարգն արտաքին մարմիններից չի ստանում ջերմաքանակ՝ Q=0 , և համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը հավասար  է արտաքին ուժերի կատարած աշխատանքին ∆U=A:

Գործնականում հնարավոր չէ իրականացնել q=0 պայմանը, քանի, որ բոլոր նյութերն էլ օժտված են ջերմահաղորդականությամբ։