የቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያ ህግ

የቴርሞዳይናሚክስ ቁሳቁስ የመጀመሪያ ህግ

ቴርሞዳይናሚክ ሂደት

ሙቀት (Q) በሙቀት ልዩነት ምክንያት ከአንድ ነገር ወደ ሌላ ነገር የሚንቀሳቀስ ኃይል ነው። ከስርዓቱ እና ከአካባቢው ጋር በተያያዘ፣ ሙቀት ከስርዓቱ ወደ አካባቢው የሚንቀሳቀስ ኃይል ወይም በሙቀት ልዩነት ምክንያት ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ የሚንቀሳቀስ ኃይል ነው ሊባል ይችላል። የስርዓቱ የሙቀት መጠን ከአካባቢው የሙቀት መጠን ከፍ ያለ ከሆነ፣ ሙቀት ከስርዓቱ ወደ አካባቢው ይፈሳል። በተቃራኒው፣ የአካባቢው የሙቀት መጠን ከስርዓቱ የሙቀት መጠን ከፍ ያለ ከሆነ፣ ሙቀት ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ ይፈሳል።

ሙቀት (Q) በሙቀት ልዩነት ምክንያት ከኃይል ዝውውር ጋር የተያያዘ ከሆነ፣ ስራ (W) በሜካኒካል ዘዴዎች የሚፈጠረውን የኃይል ዝውውር ይመለከታል። ለምሳሌ፣ አንድ ስርዓት በአካባቢው ላይ ቢሰራ፣ ኃይል ከስርዓቱ ወደ አካባቢው በራስ-ሰር ይተላለፋል። በተቃራኒው፣ አካባቢው በስርዓቱ ላይ ቢሰራ፣ ኃይል ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ ይተላለፋል።

በሲስተም እና በአካባቢው መካከል ያለውን ሙቀት እና ስራን የሚያካትት የኃይል ዝውውር አንድ ቀላል ምሳሌ በድስት ክዳን ላይ የሚገፋ ትኩስ እንፋሎት ነው። የሙቀት መኖር ስርዓቱ (እንፋሎት) በድስቱ ክዳን ላይ እንዲገፋ ያደርገዋል (እንፋሎት በአካባቢው ላይ ይሰራል)። ይህ በሲስተም እና በአካባቢው መካከል ያለውን የኃይል ዝውውር ምክንያት የአንድ ስርዓት ሁኔታ ለውጥ አንዱ ምሳሌ ነው። ሌሎች ብዙ ምሳሌዎች አሉ። በሲስተም እና በአካባቢው መካከል ያለውን የኃይል ዝውውር የሚያካትቱ ሙቀትን እና ስራን የሚያካትቱ የኃይል ዝውውር ምክንያት በሲስተም ሁኔታ ላይ የሚከሰቱ ለውጦች ቴርሞዳይናሚክ ሂደቶች ይባላሉ።

ውስጣዊ ኃይል እና የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ

ውስጣዊ ኃይል የአንድ ስርዓት (U) በስርዓቱ ውስጥ ያሉት ሞለኪውሎች በሙሉ የኪነቲክ ኢነርጂዎች ድምር ሲሆን በስርዓቱ ውስጥ ባሉ ሞለኪውሎች መካከል ባለው መስተጋብር ምክንያት የሚፈጠሩትን ሁሉንም እምቅ ኢነርጂዎች ድምር ነው። ሙቀት ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ (ስርዓቱ ኃይል ከተቀበለ) በስርዓቱ ውስጥ ያለው ኢነርጂ እንደሚጨምር እንጠብቃለን… በተቃራኒው ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ቢሰራ (ስርዓቱ ሃይል ከለቀቀ) በስርዓቱ ውስጥ ያለው ኢነርጂ ይቀንሳል።

ስለዚህ፣ በኢነርጂ ጥበቃ መርህ ላይ በመመስረት፣ በስርዓቱ ውስጥ ያለው የኃይል ለውጥ = በስርዓቱ ላይ የሚጨመር ሙቀት (ስርዓቱ ኃይል ይቀበላል) - በስርዓቱ የሚሰራ ስራ (ስርዓቱ ኃይል ይለቃል) ብሎ መደምደም ይቻላል። በሂሳብ፡

ይህ እኩልታ የሚመለከተው ለተዘጋ ስርዓት ነው (የተዘጋ ስርዓት ማለት በስርዓቱ እና በአካባቢው መካከል የኃይል ልውውጥን ብቻ የሚፈቅድ ስርዓት ነው)። ለተገለለ የተዘጋ ስርዓት፣ ምንም ኃይል ወደ ስርዓቱ አይገባም ወይም አይወጣም፣ ስለዚህ፣ የውስጥ ኃይል ለውጥ = 0።

ይህ እኩልታ የቁስ መጠን መጨመርና መቀነስ ምክንያት በስርዓቱ ውስጥ ያለውን የኃይል ለውጥ ከግምት ውስጥ ካስገባን ለክፍት ስርዓቶችም ይሠራል (ክፍት ስርዓት ማለት በስርዓቱ እና በአካባቢው መካከል የቁስ እና የኃይል ልውውጥን የሚፈቅድ ስርዓት ነው)። የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ የተቀረፀው በአስራ ዘጠነኛው ክፍለ ዘመን ሲሆን ይህም ሙቀት በሙቀት ልዩነት ምክንያት እንደተላለፈ ኃይል ከተረዳ በኋላ ነው።

ውስጣዊ ኃይል የአንድን ስርዓት ጥቃቅን ሁኔታ የሚገልጽ መጠን ነው። የአንድን ስርዓት ጥቃቅን ሁኔታ (ውስጣዊ ኃይል) የሚገልጸው መጠን በቀጥታ ሊታወቅ አይችልም። በመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ እኩልታ ውስጥ የምንተነትነው የውስጥ ኃይል ለውጥ ብቻ ነው። በውስጣዊ ኃይል ላይ የሚደረጉ ለውጦች በስርዓቱ ላይ በተጨመረው ኃይል እና ስርዓቱ በሙቀት እና በስራ መልክ በሚለቀቀው ኃይል ምክንያት ሊወሰኑ ይችላሉ። በተቃራኒው፣ ማክሮስኮፒክ ሁኔታዎችን የሚገልጹ መጠኖች በቀጥታ ሊወሰኑ ይችላሉ። ማክሮስኮፒክ ሁኔታዎችን የሚገልጹ መጠኖች የሙቀት መጠን (T)፣ ግፊት (p)፣ መጠን (V) እና ክብደት (m) ወይም የሞሎች ብዛት (n) ናቸው። ሙቀት እና ስራ የሚሳተፉት በስርዓቱ እና በአካባቢው መካከል ባለው የኃይል ዝውውር ሂደት ውስጥ ብቻ ነው፤ የስርዓቱን ሁኔታ የሚገልጹ መጠኖች አይደሉም።

የሙቀት (Q) እና የስራ (W) ደንቦችን ይፈርሙ

የሙቀት እና የስራ ምልክት ደንቦች ከአንደኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ጋር የሚጣጣሙ ናቸው። ከላይ ባለው እኩልታ ውስጥ ያለው ሙቀት (Q) ወደ ስርዓቱ የተጨመረውን ሙቀት ይወክላል (Q ፖዘቲቭ ነው)፣ ከላይ ባለው እኩልታ ውስጥ ያለው ስራ (W) ደግሞ በስርዓቱ የተሰራውን ስራ ይወክላል (W ፖዘቲቭ ነው)። ሙቀት ከስርዓቱ ከወጣ Q አሉታዊ ነው። በተቃራኒው፣ ስራው በስርዓቱ ላይ ከተሰራ W አሉታዊ ነው።

ምሳሌ ጥያቄ 1፡

2000 የሙቀት ጁሎች ወደ ስርዓቱ ሲጨመሩ፣ ስርዓቱ ደግሞ 1000 ጁሎች ሲሰሩ፣ በስርዓቱ ውስጣዊ ኃይል ላይ ያለው ለውጥ ምንድነው?

ውይይት

ስርዓቱ የ2000 ጁልስ ተጨማሪ ሙቀት (ኃይል) ይቀበላል። ስርዓቱ የ1000 ጁልስ ስራ (የኃይል ልቀት) ያከናውናል። ስለዚህ የስርዓቱ የኃይል ለውጥ = 1000 ጁልስ።

ምሳሌ ጥያቄ 2፡

2000 የሙቀት ጁሎች ከስርዓቱ ቢወጡ እና ስርዓቱ 1000 ጁሎች ቢሰሩ፣ በስርዓቱ ውስጣዊ ኃይል ላይ ያለው ለውጥ ምንድነው?

ውይይት

ሙቀቱ ከስርዓቱ ከወጣ፣ Q አሉታዊ እሴት አለው ማለት ነው።

2000 የሙቀት ጁሎች ከስርዓቱ ይወጣሉ (ስርዓቱ ኃይል ይለቃል)። 1000 ጁሎችም ተከናውነዋል (ስርዓቱ ኃይል ይለቃል)። ስለዚህ በስርዓቱ ውስጥ ያለው ኃይል በ3000 ጄ ይቀንሳል።

ምሳሌ ጥያቄ 3፡

2000 የሙቀት ጁሎች ወደ ስርዓቱ ከተጨመሩ እና በስርዓቱ ላይ 1000 ጁሎች የሚሰሩ ከሆነ፣ በስርዓቱ ውስጣዊ ኃይል ላይ ያለው ለውጥ ምንድነው?

ውይይት

በስርዓቱ ላይ ስራ ከተሰራ፣ W አሉታዊ ነው።

ስርዓቱ የ2000 ጁልስ ተጨማሪ ሙቀት (ስርዓቱ ኃይል ይቀበላል) ይቀበላል እና ስራው የሚከናወነው በ1000 ጁልስ ስርዓት (ስርዓቱ ኃይል ይቀበላል) ላይ ነው። ስለዚህ በስርዓቱ ውስጥ ያለው ኃይል በ3000 ጁልስ ይጨምራል።

አንደኛበዚህ ርዕስ ውስጥ በንድፈ ሀሳብ የምንተነትናቸው አብዛኛዎቹ ስርዓቶች ጋዞች ናቸው። ጋዞችን የምንጠቀመው ማክሮስኮፒክ ባህሪያቸው (የሙቀት መጠን፣ ግፊት እና መጠን) ለመለየት ቀላል ስለሆኑ ነው። ጋዞችን ስንተነትን አሁንም እንደ ተስማሚ ጋዞች እንቆጥራቸዋለን። ይህ የሚደረገው ትንታኔውን ለማቃለል ብቻ ነው። እውነተኛ ጋዞችን አንጠቀምም ምክንያቱም እውነተኛ ጋዞች በተለምዶ በከፍተኛ ግፊት ውስጥ ተቃራኒ ባህሪ ስላላቸው።

ሁለተኛየምንመረምረው ስርዓት ተስማሚ ጋዝ ከሆነ፣ ውስጣዊው ኃይል በአንድ ተስማሚ ጋዝ ውስጣዊ ኃይል እና በተስማሚ ጋዝ የሙቀት መጠን መካከል ያለውን ግንኙነት የሚገልጸውን እኩልታ በመጠቀም ሊሰላ ይችላል፡ U = 3/2 nRT (የሞናቶሚክ ተስማሚ ጋዝ ውስጣዊ የኃይል እኩልታ)።

በስርዓቱ ውስጥ የድምጽ ለውጥ በሚደረግበት ጊዜ የተከናወነው ሥራ

ወደ ፊት ከመሄዳችን በፊት፣ ስርዓቱ በአካባቢው ላይ የሚያደርገውን ስራ በመጀመሪያ እንመልከት። ስርዓቱ የሚሰራውን የስራ መጠን (W) ለማስላት፣ በፒስተን በተዘጋ ኮንቴይነር ውስጥ ተስማሚ የሆነ ጋዝ ያስቡበት። ፒስተኑ ወደ ላይ እና ወደ ታች ሊንቀሳቀስ ይችላል። ይህ አሃዝ ወደ ሁለት ልኬቶች ቀለል ተደርጎለታል። ሶስት አቅጣጫዊ እንደሆነ ያስቡበት። መጠን = ርዝመት x ስፋት x ቁመት።

ተስማሚ ጋዝ የሚወከለው በመያዣው ውስጥ በሚገኙ ነጥቦች ነው። የመያዣው መሠረት ከከፍተኛ ሙቀት ነገር ጋር ይገናኛል (በእሳት ላይ በሚሞቅ ድስት ውስጥ ካለ ውሃ ጋር ተመሳሳይ ነው)። ከፍተኛ ሙቀት ያለው ነገር በስዕሉ ውስጥ አልተካተተም፣ በአእምሮዎ ውስጥ ያስቡት 😉 በመያዣው ውስጥ ያለው ተስማሚ ጋዝ ስርዓቱ ሲሆን ከመያዣው ውጭ ያሉ ሌሎች ነገሮች፣ ከኮንቴይነሩ መሠረት ጋር የሚገናኙትን ከፍተኛ ሙቀት ያለው ነገርን ጨምሮ፣ አካባቢው ናቸው። የአካባቢው የሙቀት መጠን ከስርዓቱ የሙቀት መጠን ከፍ ያለ ስለሆነ፣ ሙቀት በተፈጥሮ ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ ይፈሳል። ከአካባቢው የሚመጣ የኃይል መጨመር የስርዓቱ ውስጣዊ ኃይል (ተስማሚ ጋዝ) እንዲጨምር ያደርጋል። የአንድ ተስማሚ ጋዝ ውስጣዊ ኃይል በቀጥታ ከሙቀት ጋር ተመጣጣኝ ነው (U = 3/2 nRT)፣ ስለዚህ የአንድ ተስማሚ ጋዝ ውስጣዊ ኃይል ሲጨምር፣ የተስማሚ ጋዝ የሙቀት መጠንም ይጨምራል። የአንድ ተስማሚ ጋዝ የሙቀት መጠን መጨመር ተስማሚው ጋዝ ፒስተኑን እንዲሰፋ እና እንዲገፋ ያደርገዋል። ፒስተኑን አንድ ርቀት ሲገፋ፣ ስርዓቱ (ተስማሚ ጋዝ) በአካባቢው (ከውጭ አየር) ላይ ይሰራል።

መጀመሪያ ላይ የስርዓት ግፊቱ ከፍተኛ (P1) ሲሆን የስርዓት መጠን ዝቅተኛ (V1) ነው። ግፊቱ ከድምጽ ጋር በተገላቢጦሽ ተመጣጣኝ ነው። ሙቀት ከአካባቢው ወደ ስርዓቱ ከፈሰሰ እና ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ስራውን ከሰራ በኋላ የስርዓት መጠን ይጨምራል (V2) እና የስርዓት ግፊቱ ይቀንሳል (P2)።

ከላይ በተጠቀሰው ሂደት ውስጥ ስርዓቱ ያከናወነው የሥራ መጠን፡

ስራ (ወ) = የግፊት ኃይል (ረ) x መፈናቀል (ዎች)። የግፊት ኃይል (ረ) = ግፊት (ፒ) x የገጽታ ስፋት (ሀ) ስለሆነ የስራ እኩልታው እንደሚከተለው ሊጻፍ ይችላል፡

ወ = ኤፍኤስ ‐‐‐‐ ኤፍ = PA

ወ = PAs - - - - - እንደ = V

ወ = PV

አንድ ስርዓት የሚሰራው ስራ የሚፈጠረው በመጠን ለውጥ ወቅት መሆኑን ልብ ማለት ያስፈልጋል። ስለዚህ፣ ስርዓቱ የሚያከናውነው አጠቃላይ ስራ የግፊት ለውጥን በመጠን ለውጥ በማባዛት ማግኘት ይቻላል። በሂሳብ፡

W = (የመጨረሻ ግፊት - የመጀመሪያ ግፊት) (የመጨረሻ መጠን - የመጀመሪያ መጠን)

ወ = (ፒ)₂ - ፒ₁)(ቪ₂ - ቪ₁)

አንደኛከላይ በተጠቀሰው ሂደት ውስጥ በስርዓት መጠን ላይ ያለው ለውጥ በቀላሉ ሊታወቅ ይችላል። የስርዓቱ የመጀመሪያ እና የመጨረሻ መጠኖች የእቃውን መጠን በማስላት ሊወሰኑ ይችላሉ። ስለዚህ፣ በስርዓቱ የተሰራውን የስራ መጠን (W) ለማስላት፣ በሂደቱ ወቅት ግፊቱ እንዴት እንደሚለወጥ ማወቅ አለብን።

የአንድ ስርዓት ግፊት (p) መጠን (V) ሲቀየር መደበኛ ባልሆነ መንገድ ከተቀየረ፣ ስርዓቱ የሚሰራው ስራ መጠን በካልኩለስ ሊሰላ ይችላል። ስለ ካልኩለስ የማያውቁ ከሆነ፣ ሊጠቀሙባቸው የሚችሏቸው አማራጮች አሉ። በመጀመሪያ፣ በግፊት እና በድምጽ መካከል ያለውን ግንኙነት የሚያሳይ ግራፍ እንሳል። በስርዓቱ የሚሰራው ስራ መጠን = በp-V ኩርባ ስር ያለው የተደበቀ ቦታ።

መደበኛ ባልሆነ መንገድ የሚከሰቱ የግፊት ለውጦች የግፊት እና የመጠን ግራፍ።

የመጀመሪያው የስርዓት ግፊት = p₁ (ከፍተኛ ግፊት) እና የስርዓት መጠን = V₁ (ትንሽ መጠን)። ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ስራውን ከሰራ በኋላ የስርዓቱ ግፊት ወደ p ይቀየራል₂ (ትንሽ ግፊት) እና የስርዓቱ መጠን ወደ V ይቀየራል₂ (ትልቅ መጠን)። በስርዓቱ የተሰራው የሥራ መጠን (W) = የተደበቀ ቦታ። የኩርባው ቅርፅ የተጠማዘዘው በሂደቱ ወቅት የስርዓቱ ግፊት (ተስማሚ ጋዝ) መደበኛ ባልሆነ መንገድ ስለሚለዋወጥ ነው።

የአንድ ስርዓት ግፊት (p) መጠን (V) ሲቀየር ቋሚ ሆኖ ከቀጠለ፣ በስርዓቱ የሚሰራው ስራ መጠን በቀላሉ ሊሰላ ይችላል። በስርዓቱ የሚሰራው ስራ መጠን በእኩልታ በመጠቀም ሊሰላ ወይም በፒ-ቪ ኩርባ ስር ካለው ጥላ አካባቢ ሊገኝ ይችላል። በዚህ ሁኔታ፣ ከላይ ያለው የስራ እኩልታ እንደሚከተለው ሊሻሻል ይችላል፡

ወ = (ፒ)₂ - ፒ₁)(ቪ₂ - ቪ₁)

ግፊቱ (p) ሁልጊዜ ቋሚ ስለሆነ፣ P₂ = ፒ₁ = ፒ

ወ = ፒ (ቪ)₂ - ቪ₁)

የግፊት እና የመጠን ግራፍ ግፊቱ ሁልጊዜ የማይለወጥበት ሂደት፣ ማለትም የማይለወጥበት፡

መጀመሪያ ላይ የስርዓት መጠን = V₁ (ትንሽ መጠን)። ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ስራውን ከሰራ በኋላ የስርዓቱ መጠን ወደ V ይቀየራል።₂ (ትልቅ መጠን)። የስርዓት ግፊቱ ሁልጊዜ ቋሚ ነው፣ ማለትም አይለወጥም። ስርዓቱ የሚሰራው የስራ መጠን (W) = የተደበቀው ቦታ።

ሁለተኛ፣ የስርዓቱ መጠን ከጨመረ ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ይሰራል። በተቃራኒው፣ የስርዓቱ መጠን ከቀነሰ አካባቢው በስርዓቱ ላይ ይሰራል። የስርዓቱ መጠን በሂደቱ ወቅት ካልተለወጠ ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ስራ መስራት አይችልም፣ እና አካባቢው በስርዓቱ ላይ ስራ መስራት አይችልም። በዚህ ሁኔታ፣ ስራ (W) = 0።