Fizika va kimyo

Ma’ruza №2.

TERMODINAMIKANING 2 –QONUNI. ENTROPIYA.

REJA:

1.Qaytar, qaytmas va o‘z-o‘zidan boruvchi jarayonlar.

Termodinamikaning II-qonunining asosiy vazifasi.

2.Jarayonlarning o‘z-o‘zidan borish shartlari.

3.Ularning yo‘nalishi va muvozanat shartlari.

4.Entropiya. Uni turli jarayonlardagi o‘zgarishi.

Termodinamikaning I-qonuni kimyo va kimyoviy texnologiyaning ish, issiqlik bilan bog‘lik bo‘lgan masalalarini hal qilishga yordam beradi. SHuning bilan birga asosiy savollarga: jarayon shu sharoitlarda boradimi, borsa qaysi yo‘nalishlarda boradi va jaryonning borish chegaralari (muvozanat qaror topish shartlari) qanday bo‘ladi – bu savollarga faqat termodinamikaning II-qonunidan javob topish mumkin.

Termodinamika jarayonlarini ko‘radigan bo‘lsak, bulardagi ba’zi bir umumiyliklar va farqlarga e’tibor beraylik.

Ba’zi bir jarayonlar tashqi muxit aralashuvisiz boradi. Masalan: issiqlik issiq jismdan sovuq jismga o‘tadi: turli bosimdagi gazlar o‘z bosimini tenglashtirishga intiladi; to‘tash idishlarga solingan suyuqlikning sirtlarini tenglashadi, ishqalanish jarayonida ish issiqlikka aylanadi, moddalarni yuqori konsentratsiyali soxadan past konsentratsiyali soxaga diffuziyasi va boshqalar shular jumlasidandir.

Bu jarayonlar o‘z-o‘zidan boruvchi, tabiiy yoki musbat jarayonlar deb ataladi. Bu jarayonlar izolirlangan yoki izolirlanmagan sistemalarda borishi mumkin va bu jarayonlar sistemaning ichki energiyasi kamayishi va tashqi muhitga energiyani issiqlik yoki ish ko‘rinishida uzatilishi, yoki aksincha tashqi muhitdan olingan ish yoki issiqlik hisobiga ichki energiyasi ortishi bilan borishi mumkin.

“Tashqarining” aralashuvisiz o‘z-o‘zidan bormaydigan jarayonlar notabiiy yoki manfiy jarayonlar deb ataladi. Bunday jarayonlar izolirlangan sistemalarda bora olmaydi, chunki ularning borishi uchun tashqaridan ta’sir zarurdir. Bu ta’sir tashqi muxitdan energiyani ish yoki issiqlik ko‘rinishida uzatilishi bilan amalga oshirilishi mumkin. O‘z-o‘zidan bormaydigan jarayonlarga misol qilib – issiqlikni sovuq jismdan issiqrok jismga o‘tishi; elektrolizda moddalarni elektrodlarda ajralib chiqishi; suyuqlikning satxlarini farqini vujudga keltirish va xokazo. Bu misollarda birinchisi sovutgich (xolodilnik) larda elektr energiya yordamida amalga oshirilsa; ikkinchisini amalga oshirish uchun ham elektr energiya tashqaridan sarf qilinadi. Uchinchi misolda surgich (nasos) yordamida (ya’ni elektr energiyasi sarf qilib) satxlar farqini hosil qilinadi. Demak bularni hammasida “tashqaridan” aralashuv darkor.

Umuman jarayonlar qaytar va qaytmas jarayonlarga bo‘linadi.

Jarayonlar tugagach sistemani va tashqi muhitni dastlabki holatga qaytarish mumkin bo‘lmasa bu jarayonlar qaytmas deb aytiladi. Bunda odatda sistema eski holatga qaytishi mumkin, lekin tashqi muhitda o‘zgarishlar, “izlar” qoladi. Masalan: tashqi muhitdagi jismlar energiyalari o‘zgarib qoladi.

Qaytar jarayonlar deb jarayon tugagach sistemani ham, tashqi muhitni ham dastlabki xolatga qaytarish mumkin bo‘lsagina aytiladi.

Qaytar jarayonlar real jarayonlarni idealizatsiyasidir. YA’ni ularga yaqinlashishi mumkin lekin to‘la erishi mumkin emas. Maksimal ish qaytar jarayonda bajariladi.

T
ermodinamik qaytar jarayonga misol tariqasida ideal gazning izotermik ravishda kengayib so‘ng siqilib oldingi holatga qaytishini kuzataylik. Porshinli idishda gaz bo‘lib, faraz qilaylik, porshin ideal, ya’ni og‘irligi yo‘q va ishqalanishsiz ishlaydi. Gazning kengayishi va siqilishini grafik ko‘rinishda chizmada ko‘rsak.

Dastlabki xolatda gazning xajmi V₁ , bosimi P₁ , ga teng oxirgi xolatida bosimi P₂ , hajmi V₂ ga teng. Siqilish va kengayish bir necha bosqichda olib boramiz. Faraz qilaylik, porshen ustida mayda toshchalar qo‘yilgan bo‘lsin.

Agar bitta kichik tosh olinsa, gazni bosib turgan bosim birdaniga kamayadi (a nuqtagacha), gaz shu bosimda sekin kengayib kichik v nuqtaga xos bo‘lgan hajmni egallasin va muvozanat xolatiga kelsin. Bu vaqtda gazning tashqi bosimiga qarshi bajargan ishi kataklangan avsv₁ yuzaga teng bo‘ladi. Porshen ustidagi toshchalarni shu yo‘sunda birin ketin olib, ikkinchi xolatga kelaylik. Demak gaz I xolatdan II xolatga o‘tganda, uning bajargan ishi muvozanat chizig‘i ostiga kataklangan yuza – a v II V₂ V₁ ga teng bo‘ladi.

Endi gazni siqamiz. Buning uchun porshen ustiga kichik toshlar qo‘yib boramiz. Bu jarayonda tashqi muhit gaz ustida ish bajaradi. II nuqtada porshenga kichik bir tosh qo‘ysak, uning bosimi birdaniga h gacha ortgach, so‘ng asta sekin bu yangi bosimga noto‘g‘ri keladigan hajmga etguncha, yangi gaz q nuqtasigacha siqiladi. Bu jarayonda muxitning bajargan ishi qh chizig‘idan obsissa o‘qigacha bo‘lgan, ya’ni qhV₂V₁ yuzaga teng bo‘ladi. SHu yo‘sunda gaz I xolatga siqiladi. Sistema I xolatga kelganda bajarilgan ish ahV₂V₁ kvadrat yuzaga teng bo‘ladi. Demak, siqilish jarayonida sistemada bajarilgan ish kengayish jarayonida bajarilgan ishdan ko‘ra ko‘p bo‘ladi. Bu farq kvadratlar yig‘indisiga teng.

Demak sistema o‘zining ilgarigi I xolatiga qaytib keldi, lekin atrofidagi muxit qaytib kelmaydi, bajarilgan ishlar farqi, sarflangan energiya farqi atrofda qoladi. Atrof soviydi yoki isiydi. SHunga ko‘ra bu qaytmas jarayon bo‘ladi.

Agar toshlar juda ham (cheksiz) kichik bo‘lsa, pog‘onalar xam kichrayib, muvozanat chizig‘iga yaqinlashadi, bajarilgan ishlar farqi xam kamayib boradi. SHunday qilib jarayonni qaytar jarayonga aylantirish mumkin. Jarayonni qancha ko‘p bosqichda olib borilsa shuncha qaytar jarayonga yaqinlashadi. Agar jarayon egri chiziq bo‘ylab borsa to‘la qaytar bo‘ladi.

YUqoridagilarni jamlab shuni aytish mumkin: jarayon qaytar bo‘lishi uchun:

a) jarayon bir yo‘ldan borib shu yo‘ldan qaytishi;

b) jarayonning xamma bosqichi qaytar bo‘lishi;

v) sistemaning xamma bosqichlaridagi xolati muvozanat xolatidan cheksiz kichik farq qilishi;

d) qarama-qarshi kuchlarning farqi juda kichik bo‘lishi kerak.

Jarayonlarni o‘z-o‘zidan borish shartlari

Termodinamik nuqtani nazardan jarayonlarni o‘z-o‘zidan borish bormasligini, yo‘nalishini va muvozanat shartlarini ikki usulda aniqlash mumkin.

Birinchi usul – (faktorlar) omillar usulidir. Misol tariqasida bir necha o‘z-o‘zidan boruvchi jarayonlarni eslasak:

1.Satxi ikki xil yuzalikdagi suyuqlik satxi pastroq

yuzalikka oqadi.

2.Ikki xil bosimdagi gazlar bo‘lgan idishlar birlashtirilsa gaz bosimi ko‘pidan bosimi kamiga o‘tadi.

3.Akkumulyator yoki biror galvanik element elektrodlari to‘tashtirilsa elektr toki potensiali ko‘pidan potensiali kamiga o‘tadi.

4.Temperaturalar farki bulgan ikki jism bir-biriga tegizilsa issiqlik issiq jismdan sovuq jismga o‘tadi.

Bu misollardagi satxlar farqi h, bosim P, elektr potensial  va temperatura T lar intensiv (faktorlar) omillardir.

Intensiv omillar usuli bo‘yicha a) jarayonlar o‘z-o‘zidan borish uchun intensiv omillar farqi mavjud bo‘lishi kerak; b) jarayonlar shu intensiv omillar tenglashuvi yo‘nalishida boradi va nixoyat v) intensiv omillar tenglashganda jarayon to‘xtaydi ya’ni shu tenglik muvozanat sharti bo‘lib xisoblanadi.

Buni yuqoridagi misollarda tasdiqlash mumkin.

Bu ancha oddiy usul, lekin bu usulni hamma sistemalarga qo‘llab bo‘lmaydi. SHuning uchun bu usulga nisbatan qo‘llanilish ko‘lami kengroq bo‘lgan ikkinchi usul qo‘llaniladi. Bu usulga binoan shunday bir mezon termodinamik funksiyalar mavjudki ularni qiymati, o‘zgarishga qarab yuqoridagi savollarga javob topish mumkin. Bu funksiyalardan biri – entropiya deb ataladi. Bu funksiyani moxiyatini tushinish uchun termodinamikaning II qonuni, tushunchalari bilan tanishib chiqamiz.