Թերմոդինամիկ գործընթաց
Ջերմությունը (Q) այն էներգիան է, որը տեղափոխվում է մեկ օբյեկտից մյուսը՝ ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով: Համակարգերի և միջավայրերի մասին խոսելիս ջերմությունը համակարգից միջավայր տեղափոխվող էներգիա է կամ միջավայրից համակարգ տեղափոխվող էներգիա՝ ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով: Եթե համակարգի ջերմաստիճանը բարձր է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից, ջերմությունը կհոսի համակարգից դեպի միջավայր: Եթե շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը բարձր է համակարգի ջերմաստիճանից, ապա ջերմությունը հոսում է միջավայրից դեպի համակարգ:
Ջերմությունը (Q) ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով շարժվող էներգիա է, մինչդեռ աշխատանքը (W) կապված է աշխատանքի միջոցով էներգիայի փոխանցման հետ։ Օրինակ, եթե համակարգը աշխատանք է կատարում միջավայրի վրա, ապա էներգիան տեղափոխվում է համակարգից միջավայր։ Եվ հակառակը, եթե միջավայրը աշխատանք է կատարում համակարգի վրա, ապա էներգիան տեղափոխվում է միջավայրից համակարգ։
Ներքին էներգիան և ջերմադինամիկայի առաջին օրենքը
Համակարգի ներքին էներգիան (U) համակարգի բոլոր մոլեկուլային կինետիկ էներգիայի գումարն է գումարած համակարգում մոլեկուլների փոխազդեցությունից առաջացող բոլոր պոտենցիալ էներգիայի քանակը։ Եթե ջերմությունը հոսում է միջավայրից դեպի համակարգ (համակարգը ստանում է էներգիա), համակարգի էներգիան մեծանում է։ Եվ հակառակը, եթե համակարգը աշխատանք է կատարում միջավայրի վրա (համակարգը անջատում է էներգիա), համակարգի էներգիան նվազում է։
Էներգիայի պահպանման օրենքը հաշվի առնելով՝ համակարգի ներքին էներգիան փոխվում է = համակարգին ավելացվում է ջերմություն (համակարգը ստանում է էներգիա)՝ հանած համակարգի կատարած աշխատանքը (համակարգը արտանետում է էներգիա):
Δ U = ներքին էներգիայի փոփոխություններ, Q = ջերմություն, W = աշխատանք
Ներքին էներգիան համակարգի մանրադիտակային մեծությունն է, ուստի դրա արժեքը հնարավոր չէ իմանալ։ Մինչդեռ ներքին էներգիայի փոփոխությունները կարելի է իմանալ համակարգին ավելացված էներգիայի և համակարգի կողմից ջերմության ու աշխատանքի տեսքով անջատված էներգիայի միջոցով։ Ի տարբերություն դրա, հայտնի են մակրոսկոպիկ մեծություններ, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը (T), ճնշումը (p), ծավալը (V) և զանգվածը (m) կամ որոշ մոլեր (n)։
Ջերմությունն ու աշխատանքը մասնակցում են միայն համակարգի և շրջակա միջավայրի միջև էներգիայի փոխանցման գործընթացին։ Ջերմությունն ու աշխատանքը համակարգի վիճակը բնութագրող մեծություն չեն։
Ջերմության (Q) և աշխատանքի (W) նշանների կանոնները
Ջերմության և աշխատանքի նշանների կանոնները հարմարեցված են Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի հավասարմանը։ Վերոնշյալ հավասարման մեջ ջերմությունը (Q) համակարգին ավելացված ջերմությունն է (Q դրական է), մինչդեռ վերոնշյալ հավասարման մեջ աշխատանքը (W) համակարգի կատարած աշխատանքն է (W դրական է)։ Եթե ջերմությունը լքում է համակարգը, ապա Q-ն բացասական է։ Եթե համակարգի վրա կատարվում է աշխատանք, ապա W-ն բացասական է։
Օրինակ 1.
Եթե համակարգին ավելացվի 2000 Ջոուլ ջերմություն, մինչդեռ համակարգը կատարում է 1000 Ջոուլ աշխատանք, որքանո՞վ է փոխվում համակարգի ներքին էներգիան։
լուծում
Δ U = Q – W = 2000 – 1000= 1000 Ջոուլ։
Համակարգը կլանում է 2000 Ջոուլ ջերմություն (համակարգը ստանում է էներգիա), համակարգը նաև մատակարարում է 1000 Ջոուլ աշխատանք (համակարգի արտանետվող էներգիա): Համակարգի էներգիայի փոփոխությունը = 1000 Ջոուլ:
Օրինակ 2.
Համակարգից դուրս է գալիս 2000 Ջոուլ ջերմություն։ Համակարգը կատարում է 1000 Ջոուլի աշխատանք։ Հաշվարկեք համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունները։
լուծում
Եթե համակարգը ջերմություն է անջատում, ապա Q-ն բացասական է։
Δ U = Q – W = -2000 – 1000= -3000 Ջոուլ։
Համակարգը անջատում է 2000 Ջոուլ ջերմություն: Համակարգը նաև կատարում է 1000 Ջոուլ աշխատանք (համակարգի անջատված էներգիա): Այսպիսով, համակարգի ներքին էներգիան նվազում է 3000 Ջ-ով:
Օրինակ 3.
Համակարգին ավելացվում է 2000 Ջոուլ ջերմություն, և համակարգի վրա կատարվում է 1000 Ջոուլ աշխատանք։ Հաշվարկեք համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունները։
լուծում
Համակարգի վրա աշխատանք է կատարվել, հետևաբար W-ն բացասական է։
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Ջոուլ։
Համակարգի ներքին էներգիան մեծանում է 3000 Ջոուլով։
