Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք, թերմոդինամիկայի երեք հիմնական օրենքներից մեկը, էներգիայի պահպանման օրենքը թերմոդինամիկական համակարգի համար։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ձևակերպվել է 19-րդ դարի կեսին Յուլիուս Մեյերի, Ջեյմս Ջոուլի և Հերման Հելմհոլցի աշխատանքների արդյունքում[1]։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն՝ թերմոդինամիկական համակարգը կարող է աշխատանք կատարել միայն իր ներքին էներգիայի կամ էներգիայի որևէ արտաքին աղբյուրների հաշվին։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը հաճախ ձևակերպվում է որպես առաջին սեռի հավերժական շարժիչի գոյության անհնարինություն։ Առաջին սեռի հավերժական շարժիքը աշխատանք պիտի կատարեր՝ առանց որևէ աղբյուրից էներգիա սպառելու։

Ձևակերպում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մի քանի համարժեք ձևակերպումներ կան․

Ցանկացած մեկուսացված համակարգում էներգիայի պաշարը մնում է հաստատուն[2]։ Սա Ջոուլի ձևակերպումն է (1842 թ․)։

Համակարգի ստացած ջերմաքանակը ծախսվում է նրա ներքին էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի դեմ աշխատանք կատարելու վրա։

Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մի վիճակից մյուսին անցնելիս հավասար է արտաքին ուժերի աշխատանքի և համակարգին հաղորդված ջերմաքանակի գումարին, այսինքն՝ կախված է միայն համակարգի սկզբնական ու վերջնական վիճակներից և կախված չէ այդ անցումն իրականացնելու եղանակից։ ԱՅս սահմանումը հատկապես կարևոր է քիմիական թերմոդինամիկայի համար[2] (դիտարկվող պրոցեսների բարդության պատճառով։ Այլ կերպ ասած, ներքին էներգիան վիճակի ֆունկցիա է։ Ցիկլիկ պրոցեսում ներքին էներգիան չի փոփոխվում։


։

Համակարգի լրիվ էներգիայի փոփոխությունը քվազիստատիկ պրոցեսում հավասար է համակարգին հաղորդված ջերմաքանակի, քիմիական պոտենցիալով նյութի քանակի հետ կապված էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի ու դաշտերի կողմից կատարված աշխատանքի [3] գումարին, հանած համակարգի կողմից արտաքին ուժերի դեմ կատարված աշխատանքը․

։

տարրական ջերմաքանակի, տարրական աշխատանքի և ներքին էներգիայի փոքր աճի համար թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ընդունում է հետևյալ տեսքը․

։

Աշխատանքի տարաբաժանումը երկու մասի, որոնցից մեկը նկարագրում է համակարգի վրա կատարված աշխատանքըմ իսկ մյուսը՝ հենց համակարգի կատարած աշխատանքը, ընդգծում է, որ այդ աշխատանքները կարող են կատարվել տարբեր բնույթի ուժերով տարբեր ուժերի աղբյուրների հետևանքով։

-ն և լրիվ դիֆերենցիալներ են, իսկ -ն ու -ն՝ ոչ։

Նշանների կանոնը ջերմության և աշխատանքի համար[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Գիտական և ուսումնական գրականության մեջ կարելի է հանդիպել թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի ձևակերպման տարբերակների, որոնք տարբերվում են -ից և -ից առաջ կամ նշաններով։ Այս տարբերությունները պայմանավորված են «աշխատանքի և ջերմության համար նշանների կանոններ» կոչվող համաձայնությամբ։ Ըստ IUPAC-ի հանձնարարականների՝ փակ համակարգում հավասարակշիռ պրոցեսի համար առաջին օրենքը գրվում է հետևյալ առնչության տեսքով[4]

(Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը IUPAC- ձևակերպումով)

Այս արտահայտության մեջ օգտագործված է ջերմության և աշխատանքի համար IUPAC-ի նշանների կանոնը,երբ նշանները -ից, -ից և -ից առաջ համընկնում են, դրական է համարվում համակարգին տրված ջերմությունը և համակարգի վրա կատարած աշխատանքը, իսկ բացասական՝ համակարգից խլված ջերմությունը և համակարգի կատարած աշխատանքը։ IUPAC-ի նշանների համակարգը մտապահելու համար մնեմոնիկական «էգոիստական» կանոնը․ դրական է այն, ինչը մեծացնում է համակարգի ներքին էներգիան[5]։

Մասնավոր դեպքեր[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Դիտարկենք մի քանի մասնավոր դեպքեր․

  1. Եթե , ապա համակարգին հաղորդվում է ջերմություն,
  2. Եթե , վերցրվում է,
  3. Եթե , ապա համակարգը ջերմափոխանակություն չի անում շրջակա միջավայրի հետ հետևյալ պատճառներից մեկով․ կամ գտնվում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում շրջակա միջավայրի հետ, կամ ադիաբատ մեկուսացված է։

Վերջավոր պրոցեսում տարրական ջերմաքանանակը կարող է ցանկացած նշանի լինել։ Ընդհանուր ջերմաքանակը, որը նշանակել ենք , պրոցեսի բոլոր մասերում հաղորդված ջերմաքանակների հանրահաշվական գումարն է։ Պրոցեսի ընթացքում ջերմությունը կարող է մտնել համակարգ կամ դուրս գալ համակարգից տարբեր եղանակներով։

Համակարգի վրա կատարված աշխատանքի և էներգիա-նյութ հոսքի բացակայության դեպքում, երբ , , , համակարգի կատարած աշխատանքը հանգեցնում է նրան, որ , և համակարգի էներգիան նվազում է։ Քանի որ ներքին էներգիայի պաշարը սահմանափակ էր, ապա պրոցեսը, որում համակարգը անվերջ երկար ժամանակ աշխատանք է կատարում առանց դրսից էներգիա հաղորդելու, հնարավոր չէ, ինչն էլ արգելում է առաջին սեռի հավերժական շարժիչների գոյությունը։ Թերմոդինամիկայի առաջին սկզբունքը․

  • իզոբար պրոցեսի դեպքում․
,
  • իզոխոր պրոցեսի դեպքում ()․
,
  • իզոթերմ պրոցեսի դեպքում
։

Այստեղ -ը գազի զանգվածն է, -ը՝ մոլային զանգվածը, -ն՝ մոլային ջերմունակությունը հաստատուն ծավալի դեպքում, -ն՝ համապատասխանաբար գազի ճնշումը, ծավալը և ջերմաստիճանը, ընդ որում վերջին հավասարությունը ճիշտ է միայն իդեալական գազի համար։

Տես նաև[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Գրականություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  • Cohen E. R., Cvitaš T., Frey J. G. e. a. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 3rd ed. — Cambridge: The Royal Society of Chemistry Publishing, 2007. — XIV + 234 с. — ISBN 978-0-85404-433-7
  • Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. — М.: Изд-во МЭИ, 2004. — 159 с. — ISBN 5-7046-1094-3
  • Коган В. Е., Литвинова Т. Е., Чиркст Д. Э., Шахпаронова Т. С. Физическая химия / Науч. ред. проф. Д. Э. Чиркст. — СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013. — 450 с.
  • Кочергин С. М., Добреньков Г. А., Никулин В. Н. и др. Краткий курс физической химии / Под ред. Кондратьева С. Н.. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 312 с.
  • Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д. Физическая и коллоидная химия. — Могилев: Могилевский гос. ун-т продовольствия, 2008. — 196 с.