ՋԵՐՄԱԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ՀԻՄՈՒՆՔՆԵՐԸ

Մակրոհամակարգի ջերմադինամիկական նկարագրությունը Մակրոսկոպական պարամետրեր:

Յուրաքանչյուր մակրոսկոպական համակարգ կազմված է հսկայական թվով ատոմներից և մոլեկուլներից: մակրոսկոպական համակարգի ներքին վիճակը կարելի է նկարագրել մակրոսկոպական կամ ջերմադինամիկական պարամետրերով: Դրանք անմիջականորեն չափվում են տարբեր սարքերի, օրինակ, մանոմետրի, ջերմաչափի միջոցով, որոնք չեն արձագանքում առանձին մոլեկուլների ազդեցությունը:

Ջերմադինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռություն

Եթե բաժակի մեջ գցենք սառույցի մի կտոր, ապա այն կհալվի` սառեցնելով բաժակի ջուրը: Եթե սառույցը լրիվ հալվի, ջուրը կսկսի տաքանալ այնքան ժամանակ, մինչև որ նրա ջերմաստիճանը հավասարվի շրջապատի օդի ջերմաստիճանին: Այս օրինակից հետևում է, որ ջերմադինամիկական համակարգը գալիս է մի վիճակի, որտեղ մակրոսկոպական երևույթները` լուծվելը և հալումը, այլևս դադարել են: Այս վիճակն ընդունված է անվանել ջերմադինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռության վիժակ: Բազմաթիվ փորձերից պարզվել է, որ ինքնիրեն թողնված ջերմադինամիկական համակարգը գալիս է ջերմային հավասարակռության վիճակի և այդ վիճակից «ինքնակամ», այսինքն` առանց արտաքին գործոնների ազդեցության, դուրս գալ չի կարող: Ջերմադինամիկական հավասարակռշությունը ջերմային շարժման ձև է, երբ համակարգը նկարագրող մակրոսկոպական պարամետրերը ժամանակի ընթացքում չեն փոփոխվում:

Ջերմադինամիկական պրոցես

• Եթե մակրոսկոպական համակարգը որոշակի ջերմադինամիկական վիճակում է, ապա այդ վիճակը բնութագրող մակրոսկոպական պարամետրերը հայտնի են: Ջերմադինամիկական պրոցես է կոչվում մակրոսկոպական համակարգի անցումը մի ջերմադինամիկական վիճակից մյուսին: Ջերմադինամիկական պրոցեսում մակրոսկոպական պարամետրերը ժամանակի ընթացքում փոխվում են, այսինքն՝ համակարգի ջերմային հավասարակշռության վիճակը խախտվում է: Խախտված ջերմային հավասարակշռության վիճակից հավասարակշռության վիճակին անցնելու ժամանակն անվանում են ռելաքսացիայի ժամանակ:

Ջերմաստիճանի գաղափարը: Ջերմաստիճանի չափումը

Ջերմային երեևույթներն ուսումնասիրելիս սահմանվում է ֆիզիկական մի նոր մեծություն` ջերմաստիճանի գաղափարը: Այն ֆիզիկա է մտել կենցաղում տաքի և սառի մասին ունեցած պատկերացումներից, որոնք հիմնված են մեր զգայական փորձի վրա: Սակայն զգայությունները միարժեք չեն. դրանք կախված են ինչպես անհատից, այնպես էլ շրջակա միջավայրից: Օրինակ` սենյակում մետաղե իրերը միշտ թվում են ավելի սառը, քան փայտե կամ պլաստմասսայե առարկաները:

Ջերմաստիճանի` որպես օբյեկտիվ ֆիզիկական մեծություն, սահմանումը հիմնվում է ջերմային հավասարակշռության գաղափարի վրա: Ջերմաստիճանը միակ մակրոսկոպական բնութագիրն է, որը ջերմադինամիկական հավասարակռշության վիճակում ունի միևնույն արժեքը համակարգի բոլոր մասերում:

Ջերմային հավասարակշռության վիճակում համակարգի բոլոր մարմինների ջերմաստիճանների հավասարությունը մոլեկուլային կինետիկ տեսության տեսանկյունից բացատրվում է հետևյալ կերպ:

Արագ շարժվող մոլեկուլները, բախվելով դանդաղ շարժվող մոլեկուլներին, վերջիններիս տալիս են որոշակի էներգիա, որի հետևանքով արագ շարժվող մոլեկուլների միջին կինետիկ էներգիաները փոքրանում են, իսկ դանդաղ շարժվողներինը` մեծանում: Հսկայական թվով բախումների հետևանքով մեկ մոլեկուլին բաժին ընկնող միջին կինետիկ էներգիաները հավասարվում են և ջերմային հավասարակռշության վիճակում ընդունում նույն արժեքը` անկախ մոլեկուլների զանգվածներից: Այսպիսով` ջերմաստիճանը մակրոսկոպական մարմիններում մոլեկուլների քաոսային շարժման միջին կինետիկ էներգիայի չափն է:

Իսկ Ջերմաստիճանի չափումը հիմնված է հետևյալ փորձնական փաստերի վրա: 1)Եթե երկու մարմին առանձին առանձին ջերմային հավասարակռության մեջ

են երրորդ մարմնի հետ, ապա երեքն էլ ունեն միևնույն ջերմաստիճանը: 2)Մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունն ուղեկցվում է մարմնի վիճակը

բնութագրող առնվազն մեկ պարամետրի փոփոխությամբ:

ՋԵՐՄԱՍՏԻՃԱՆԻ ՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ԿԻՆԵՏԻԿ ՄԵԿՆԱԲԱՆՈՒՄԸ

ՆԵՐՔԻՆ ԷՆԵՐԳԻԱ Ինչպես գիտենք, մակրոսկոպական համակարգի

ներքին վիճակը բնութագրվում է ջերմադինամիկական պարամետրերի միջոցով, որոնք չափվում են տարբեր սարքերի (օրինակ` ջերմաչափ, մանոմետր և այլն) օգնությամբ:

Եթե համակարգի վիճակը ժամանակի ընթացքում փոփոխվում է, այսինք` համակարգում ընթանում են որոշակի պրոցեսներ, ապա փոփոխվում են նաև ջերմադինամիկական պարամետրերը: Ի՞նչով են պայմանավորված այդ պրոցեսները, ի՞նչ ազդակների շնորհիվ և ի՞նչպես են ընթանում դրանք: Այս և նմանատիպ հարցերին պատասխանում է ջերմադինամիկան, որն ուսումնասիրում է մակրոսկոպական մարմիններում տեղի ունեցող ջերմային երևույթները:

ԼՐԻՎ ԷՆԵՐԳԻԱ Մակրոսկոպական մարմինները, մեխանիկական էներգիայից

բացի, օժտված են նաև ներքին էներգիայով: Քանի որ մարմնի մասնիկներն անընդհատ շարժվում և փոխազդում են միմյանց հետ, ապա մարմինն օժտված կլինի էներգիայով, որն անվանում են ներքին էներգիա: Մարմնի ներքին էներգիան մարմնի մասնիկների` մարմնի զանգվածների կենտրոնի նկատմամբ քաոսային շարժման կինետիկ էներգիաների և միմյանց հետ փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիաների գումարն է:

Սահմանենք մարմնի լրիվ էներգիան (E լրիվ) որպես մարմնի ներքին էներգիայի(U) և մեխանիկական` կինետիկ(Eկ) և պոտենցյալ(Eպ) էներգիաների գումար`

Eլրիվ = U + Eկ + Eպ = U + E Եթե մարմինը դադարի վիճակում է` Eկ = 0 և չի փոխազդում այլ

մարմինների հետ`Eպ = 0, ապա լրիվ էներգիան համընկնում է մարմնի ներքին էներգիայի

հետ:

Միատոմ իդեալական գազի ներքին էներգիան• Ստանանքներքինէներգիայիարտահայտությունըմիատոմիդեալականգազիհ

ամար: Իդեալականգազիմասնիկներըմիմյանցհետչենփոխազդում, ուստի` գազիներքինէներգիանմիայնմասնիկներիջերմայինշարժմանկինետիկէներգիաներիգումարն է: Մեկմասնիկինբաժինընկնող ε = 3kB T/2 միջինէներգիանբազմապատկելովգազիմասնիկներիN թվով` ներքինէներգիայիհամարկստանանք`

• (1)• Այսպիսով` միատոմիդեալականգազիներքինէներգիանուղիղհամեմատական

է բացարձակջերմաստիճանին, մասնիկներիթվին և կախվածչէգազիծավալից: Եթե (1) բանաձևումմասնիկներիթիվնարտահայտենքգազիm զանգվածի և M մոլայինզանգվածիմիջոցով`

• N = NAm/M, ապակստանանք` • (2)• (2) բանաձևնարտահայտում է ներքինէներգիայիկախումըգազիզանգվածից`

U~m, և մոլայինզանգվածից` U~1/M;

Համաձայն մեխանիկական աշխատանքի սահմանման`

A = |F||Δh|cosα,(3)որտեղ F-ն ազդող ուժն է, Δh ը` տեղափոխությունը, α

ն` ուժի և տեղափոխության վեկտորներով կազմված անկյունը: (3) սահմանման մեջ ենթադրվում է, որ Δh տեղափոխության ընթացքում F ուժը մոդուլով և ուղղությամբ մնում է հաստատուն: Եթե արտաքին ուժը մարմնի վրա աշխատանք է կատարում, ապա փոփոխվում է մարմնի կինետիկ էներգիան:

Ջերմադինամիկայում արտաքին ուժի կատարած աշխատանքը մարմնի (համակարգի) ներքին էներգիայի փոփոխության չափն է:

Աշխատանքը ջերմադինամիկայում

ՋերմաքանակԵրբ ջերմադինամիկական համակարգն աշխատանք է

կատարում, այդ պրոցեսում փոխվում է նրա վիճակը, հետևաբար՝ նաև համակարգի ներքին էներգիան: Սակայն համակարգի վիճակը կարելի է փոփոխել նաև առանց աշխատանք կատարելու: Օրինակ՝ եթե գլանում գազի ծավալը պահենք հաստատուն՝ ամրացնելով մխոցը, և այն տաքացնենք, ապա գազի վիճակը կփոխվի, նրա ջերմաստիճանը և ճնշումը կաճեն: Կմեծանա նաև գազի ներքին էներգիան: Տվյալ դեպքում գործ ունենք ջերմափոխանակման պրոցեսի հետ, երբ մի մարմնից մյուսին էներգիա է հաղորդվում առանց աշխատանք կատարելու: Ջերմափոխանակման պրոցեսում համակարգին տրված կամ նրանից վերցված էներգիան կոչվում է ջերմաքանակ:

Տեսակարար ջերմունակություն Մոլեկուլային-կինետիկ տեսության հմաձայն՝

ջերմահաղորդման պրոցեսում տաք մարմնի մոլեկուլները, փոխազդելով սառը մարմնի մոլեկուլների հետ, նրանց են հաղորդում իրենց կինետիկ էներգիայի մի մասը. Տաք մարմնի ներքին էներգիան նվազում է, իսկ սառը մարմնինը՝ աճում: m զանգվածով մարմնի ջերմաստիճանը t1-ից t2 դարձնելու համար պահանջվող ջերմաքանակը՝ Q=mc(t2-t1)=mcΔt, (3.10)

որտեղ c-ն մարմնի տեսակարար ջերմունակությունն է , Δt=t2-t1-ը՝ մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունը: Մարմինը տաքացնելիս նրան տրվում է ջերմաքանակ ՝ Q>0, և մարմնի ջերմաստիճանն աճում է՝Δt>0 (t2>t1) : Եթե մարմնից վերցվում է ջերմաքանակ՝ Q>0, ապա մարմնի ջերմաստիճանը նվազում է՝ t2<t1: (3.10) բանաձևում c տեսակարար ջերմունակությունը նյութի ջերմային հատկությունները բնութագրող մեծություն է թվապես հավասար է այն ջերմաքանակին, որն անհրաժեշտ է 1 կգ նյութի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով (1Կ-ով) փոփոխելու համար: Այն արտահայտվում է Ջ/(կգ*Կ) միավորով:

Խնդիրների լուծման օրինակներ ավարտական և միասնական քննությունների առաջադրանքների շտեմարաններից

Խնդիր: 5 մոլ իդեալական գազն իզոբար ընդարձակման ժամանակ կատարեց 4150 ջուլ աշխատանք: Քանի՞ աստիճանով տաքացավ գազն այդ ընթացքում:

n=5 A=n*R* T=4150A=4150 T=A/nR=100P=constant T=? T=100

Խնդիր: Ջուրը թափվում է 1400մ բարձրությունից: Որքանո՞վ է բարձրանում ջրի ջերմաստիճանը, եթե նրա տաքացման համար ծախսվում է ծանրության ուժի աշխատանքի 60%-ը: Ջրի տեսակարար ջերմունակությունը 4200 Ջ/կգ*Կ է:

S=1400մ A=F*S=mg*S=1400*10*mc=4200 Ջ/կգ*Կ A=Q=cm T T =? T=

A/c*m=14000m/4200m=10/310/3*60/100=2 T=2

Խնդիր: 23C ջերմաստիճանի ի՞նչ զանգվածով ջուր կարելի է տաքացնել մինչև 50C ջերմաստիճանը այրելով 21գ սպիրտ, եթե ընդունենք, որ այրումից ստացված ամբողջ ջերմությունը ծախսվում է ջրի տաքացման համար: Ջրի տեսակարար ջերմունակությունը 4200Ջ/կգ*Կ, իսկ սպիրտի այրման տեսակարար ջերմությունը 27*10^6 Ջ/կգ է:

r= 27*10^6 Ջ/կգ Q=m*r=21*10^-3* 27*10^6=567*10^3

c= 4200Ջ/կգ*Կ Q=cm’T=> m’=567*10^3/4200*27=5

T=27 m’=5 m=21*10^-3 m’=?