Mavzu: Termodinamikaning holat parametrlari. Ideal va real gazlarning asosiy qonunlari. Gazlar kinetik nazariyasining asosiy tenglamasi

Termodinamika va uning uslubi

Holat parametrlari

Termodinamikaviy jarayonlar

Aralashma tarkibini ifodalash usullari

3. 
   Xulosa.
   

Termodinamika–energiyaning aylanish (o’zgarish) qonuniyatlari haqidagi fandir.

Termodinamikaga XIX asrda asos solingan edi. Bu davrda issiqlik dvigatellarining taraqqiyoti tufayli issiqlikning ishga aylanish qonuniyatlarini o’rganish zaruriyati tug’ildi.

Termodinamika turli fizikaviy va kimyoviy jarayonlarning u yoki bu tizimlarda qaysi yo’nalishda sodir bo’lishini aniqlashga imkon beradi.

Termodinamikaning tuzilish printsipi juda sodda. Termodinamika asosiga tajriba yo’li bilan aniqlangan ikkita asosiy qonun qo’yilgan.

Termodinamikaning birinchi qonuni energiya aylanish jarayonlarining miqdoriy tomonini tavsiflaydi, ikkinchi qonuni esa fizikaviy tizimlarda sodir bo’ladigan jarayonlarning sifat tomonini (yo’nalganligini) belgilaydi. Faqat shu ikkita qonundan foydalanib, qat’iy deduktsiya uslubi yordamida termodinamikaning barcha asosiy xulosalarini chiqarish mumkin.

Holat parametrlari

Moddalar, odatda, quyidagi uchta asosiy holatning bittasida bo’ladi: gaz, suyuqlik va qattiq jism ko’rinishida. Plazma deb ataluvchi ionlangan gazni ba’zan moddaning to’rtinchi holatidan iborat deb hisoblaydilar.

Bitta jismni o’zi turli sharoitlarda turli holatlarda bo’lishi mumkinligi muqarrardir. Tekshirilayotgan jism berilgan o’zgarmas sharoitlarda har doim bitta holatdagina bo’ladi, masalan, suv atmosfera bosimi va 200S temperaturada faqat bug’ ko’rinishida bo’ladi.

Tekshirilayotgan modda holatini aniqlash uchun modda holatining holat parametrlari deb yuritiladigan qulay tavsifnomalari kiritiladi. Moddaning xossasi intensiv va ekstensiv bo’lishi mumkin. Tizimdagi modda miqdoriga bog’liq bo’lmagan xossalar intensiv xossalar deb aytiladi (bosim, temperatura va boshqalar).

Modda miqdoriga bog’liq bo’lgan xossalar ekstensiv xossalar deb aytiladi. Solishtirma, ya’ni modda miqdori birligiga nisbatan olingan ekstensiv xossalar intensiv xossalar ma’nosiga ega bo’lib qoladi. Masalan, solishtirma hajm, solishtirma issiqlik sig’imi va shunga o’xshashlar intensiv xossalar sifatida tekshiriladi.

Termodinamikaviy tizimlarning holatini belgilovchi intensiv xossalar tizim holatining termodinamikaviy parametrlari deb aytiladi. Holat parametrlaridan eng ko’p tarqalgani jismning absolyut temperaturasi, absolyut bosimi va solishtirma hajmidir.

Temperatura

Eng muhim parametrlardan biri absolyut temperaturadir. Temperatura jismning issiqlik holatini tavsiflaydi. Issiqlikningfaqat ko’proq qizdirilgan jismdan kamroq qizdirilgan jismgagina, ya’ni yuqori temperaturali jismdan past temperaturali jismga o’tishi tajribadan juda yaxshi ma’lum. Shunday qilib, jismlar temperaturasi bu jismlar orasida issiqlikning o’z-o’zidan o’tishi mumkin bo’lgan yo’nalishni aniqlaydi.

Temperatura, masalan, termometrlar yordamida o’lchanadi. Temperaturani o’lchash uchun foydalaniladigan har qanday asbob qat’iy belgilangan temperatura shkalasiga muvofiq graduslarga bo’lingan bo’lishi kerak.

Hozir turli temperatura shkalalari – Selsiy, Farangeyt,Reomyur va Renkin shkalalaridan foydalaniladi. Bu shkalalar orasidagi nisbat1- jadvalda keltirilgan.

Termodinamikaviy tadqiqotlarda 1848 yilda buyuk ingliz olimi Kelvin taklif etgan shkaladan foydalaniladi. Kelvin shkalasining noli sifatida ideal gaz molekulalarining tartibsiz harakati to’xtaydigan temperatura qabul qilingan: bu temperatura absolyut nolp deyiladi. Absolyut nolp Selpsiy shkalasi bo’yicha – 273,15S temperaturaga muvofiq keladi. Kelvin shkalasi bo’yicha hisoblanadigan temperatura doimo musbat bo’ladi. U absolyut temperatura yoki Kelvin bo’yicha temperatura deyiladi va K bilan belgilanadi.

Turli temperatura shkalalari orasidagi nisbat

1 jadval.

Shkalalarning nomi	Selsiy shkalasi, t,S	Renkin shkalasi, T,Ra	Farangeyt shkalasi, t,	Reomyur shkalasi, t,R
Selsiy shkalasi, S	-			1,25t^0R
Renkin shkalasi, Ra	1,8(tS+ +273,15)	-	t+459,67	1,8(1,25tR+ +273,15)
Farangeyt shkalasi 	1,8tS+32	tRa–459,67	-
Reomyur shkalasi, R	0,8tS			-

Absolyut shkala bo’yicha olingan temperatura bilan Selsiy shkalasi (tS) bo’yicha olingan temperatura orasidagi bog’lanish quyidagi formula bo’yicha aniqlanadi:

T K =273,15+tS.

Absolyut bosim

U jism sirtiga normal bo’yicha ta’sir etuvchi va bu sirtning yuza birligiga nisbatan olingan kuchdan iborat. Bosimni o’lchash uchun turli birliklar: Paskal (Pa), bar, atmosfera (1 kg/sm²), suv yoki simob ustuni millimetri ishlatiladi.

Hajm

Moddaning solishtirma hajmi moddaning zichlik birligi egallagan hajmdan iborat. Solishtirma hajm jism massasi m va uning hajmi V bilan quyidagi nisbat bilan bog’langan.

(1)

Moddaning solishtirma hajmi, odatda, m³/kg yoki sm³/gr hisobida o’lchanadi.

Zichlik

(2)
odatda, kg/m³ yoki g/sm³ hisobida o’lchanadi.

Sof moddaning har qanday uchta holat parametri ( P, va T) o’zaro bir qiymat bilan bog’langan. Bu moddalarni o’zaro bog’laydigan tenglama ayni moddaning holat tenglamasi deb aytiladi va uni quyidagi ko’rinishda ifodalash mumkin.

F(P, ,T)=0 (3)

Holat parametrlari orasidagi bog’lanishni P,v va T koordinatalar tizimida termodinamikaviy yuza ko’rinishida tasvirlash mumkin.

Koordinatalarning bunday turi, odatda moddalarning holat diagrammasi deb aytiladi.

Termodinamikaviy jarayon

Ham o’zaro, ham atrofdagi muhit bilan ta’sirlashib turuvchi material jismlar to’plamini termodinamikaviy tizim deb ataymiz, ko’rib chiqilayotgan tizim chegarasidan tashqarida bo’lgan boshqa barcha material jismlarni tashqi muhit deb atash qabul qilingan.

Agar holat parametrlaridan loaqal bittasi o’zgarsa, u holda tizimning holati o’zgaradi, ya’ni tizimda termodinamikaviy, jarayon sodir bo’ladi.

Termodianmikaviy tizimda sodir bo’ladigan barcha jarayonlarni muvozanatdagi va muvozanatdagimas, qaytar va qaytmas jarayonlarga bo’lish mumkin. Muvozanatdagi jarayon tizimning barcha qismlari bir xil temperaturaga va bir xil bosimga ega ekanligi bilan tavsiflanadi.

Jarayonning o’tish jarayonida tizimning turli qismlari har xil temperatura, bosim, zichlik va hokazolarga ega bo’lsa, bunday jarayon muvozanatdagimas jarayon deb aytiladi.

Har qanday real jarayon ma’lum darajada muvozanatdagimas holatda bo’ladi. Bundan keyin «jarayon» deganda biz muvozanatdagi jarayonni tushunamiz.

Termodinamikaning eng muhim tushunchalaridan biri qaytar va qaytmas jarayonlar haqidagi tushunchadir. Termodinamikaviy jarayon termodinamikaviy tizimning uzluksiz o’zgarib turadigan holatlari to’plamidan iboratdir.

Tizimning har qanday ikkita holati: 1 va 2 oralig’ida bitta yo’lning o’zidan o’tadigan ikkita jarayonni tasavvur etishi mumkin: holat 1 dan holat 2 ga va aksincha holat 2 dan holat 1 ga; bunday jarayonlar to’g’ri va teskari yo’nalishdagi jarayonlar deb aytiladi.

To’g’ri va teskari yo’nalishdagi jarayon natijasida termodinamikaviy tizim dastlabki holatiga qaytadigan jarayonlar qaytar jarayonlar deb aytiladi. To’g’ri va teskari yo’nalishlarda o’tkazilganda tizim dastlabki holatiga qaytmaydigan jarayonlar qaytmas jarayonlar deb aytiladi.

Tajribadan ma’lumki, o’z-o’zidan sodir bo’ladigan barcha tabiiy jarayonlar qaytmas bo’ladi; tabiatda qaytar jarayonlar bo’lmaydi.

Tizimda o’z-o’zidan sodir bo’ladigan har qanday jarayon va binobarin, qaytmas jarayon tizimda muvozanat qaror topmaguncha davom etadi.

Tajriba shuni ko’rsatadiki, muvozanatga erishgan tizim keyinchalik shunday holatda qolaveradi, ya’ni holatini o’zicha o’zgartira olmaydi. Yuqorida aytib o’tilganlar asosida quyidagi natijaga kelish qiyin emas: tizim faqat muvozanat holatiga kelmaganiga qadargina ish bajara oladi.

Ideal gaz. Ideal gaz qonunlari
XVII – XIX asrlarda atmosfera bosimiga yaqin bosimlarda gazlar o’zini qanday tutishini tekshirgan tadqiqotchilar emperik yo’l bilan bir qancha muhim qonuniyatlarni ochdilar.

Boyl–Mariott qonnui: o’zgarmas temperaturada gazning berilgan massasi uchun absolyut bosimning hajmga ko’paytmasi o’zgarmas kattalikdir.

P=const (4).

Sharl qonuni: hajm va massa o’zgarmas bo’lganda gaz bosimi absolyut temperaturalarning o’zgarishiga to’g’ri proportsional ravishda o’zgaradi.

(5)

Bu bog’lanishni quyidagi ko’rinishda ifodalash mumkin:

P=P₀(1+t) (6)

Bu yerda P₀- gazning 0S temperaturadagi bosimi,  - gazning hajmiy kengayishining temperaturaviy koeffitsienti. Bosim yetarlicha kichik bo’lganda, turli gazlar bir xil hajmiy kengayish temperaturaviy koeffitsientiga ega bo’ladi. Bu koeffitsient taxminan =1/273=0,003661S^-1 ga teng.

Gey -Lyussak qonuni: bosim va massa o’zgarmas bo’lganda gaz xajmi absolyut temperaturalarning o’zgarishiga to’g’ri proportsional ravishda o’zgaradi:

(7)

yoki V=V₀ (1+t) (8)

bu yerda V₀ va V – gazning tegishlicha 0 va tS temperaturalardagi xajmi.

Bu qonunlardan foydalanib, ideal gazning holat tenglamasini chiqarish mumkin:

Massasi 1 kg ga teng bo’lgan biror gazP₁,₁ va T₁ bilan tavsiflanadigan holatdan P₂, ₂ va T₂ bilan tavsiflanadigan boshqa holatga o’tadi deb faraz qilaylik. Bu o’zgarish dastlab oraliq hajm¹ gacha o’zgarmas temperature T₁da, so’ngra esa oxirgi hajm ₂ gacha o’zgarmas bosim P₂sodir bo’lsin.

Boyl – Mariott qonuniga ko’ra T=const bo’lganda:

Gey –Lyussak qonuniga ko’ra P=const bo’lganda

Topilgan ifodalarni ¹ uchun taqqoslasak, quyidagini olamiz:

Bu tenglamani o’zgartirib shunday yozish mumkin:

(9)

ya’ni gazning absolyut bosimi bilan hajmi ko’paytmasining absolyut temperaturaga nisbati o’zgarmaydi. 1 kg gaz uchun bu o’zgarmas kattalik gaz doimiysi deyiladi va R harfi bilan belgilanadi.

(10)

Bu tenglama ideal gazning holat tenglamasi deyiladi. Bu tenglama ko’pincha uni taklif etgan olimning nomi bilan Klapeyron tenglamasi deyiladi.

Gaz doimiysining o’lchamligi quyidagicha bo’ladi.


Binobarin, gaz doimiysi R, 1 kg gazning 1 ga isitilganda bajargan kengayish solishtirma ishidir. m kg gaz uchun holat tenglamasi quyidagicha:

Pv=mRT (11)

1 mol gaz uchun holat tenglamasi.
Gaz holati tenglamasining uchinchi shakli bir mol uchun yoziladi. Shuni eslatib o’tamizki, gazning molekulyar og’irligiga son jixatdan teng bo’lgan kilogrammlar miqdori mol, boshqacha aytganda kilogramm-molekula deyiladi yoki kilomol deb aytiladi. Masalan kislorod (O₂) kilomoli 32 kg ga, karbonat angidrid (CO₂) kilomoli 44 kg ga teng va hokazo.

Avagadro qonuniga ko’ra bir xil temperatura va bosimdagi turli gazlarning teng hajmlarida molekulalar soni bir xil bo’ladi.

Bu ta’rifga asoslanib, bir xil temperatura va bosimlarda olingan turli gaz mollarining hajmi o’zaro teng deb xulosa chiqarish mumkin. Agar –gazning solishtirma hajmi, –gazning molekulyar massasi bo’lsa, u holda molyar hajmi  ga teng. Ideal gazlar uchun:

=const (12)

Avagadro soni (N_) eksperimental yo’l bilan aniqlangan N_= 6,02211910²⁶ kmol^-1.

Normal sharoitlarda (P=760mm sim. ust. va t=0S)

(13)

(14)

Solishtirma hajm qiymatini (13) tenglamadan olib (14) tenglamaga qo’yganimizdan so’ng quyidagiga ega bo’lamiz:

(15)
(16)

(17)

(18)

(18) tenglama bitta kilomol uchun ideal gazning holat tenglamasi deb aytiladi.

universal gaz konstantasi deb aytiladi. (18) tenglama Klapeyron – Mendeleev tenglamasi deyiladi.

Gazlar aralashmasi

Ish jismi ko’pincha bir necha gazlarning aralashmasidan iborat bo’ladi. Masalan, ichki yonuv dvigatellarida tarkibiga vodorod, kislorod, uglerod (II) – oksid, azot, karbonat angidrid va suv bug’lari kiradigan yonish maxsulotlari ish jismi hisoblanadi.

Gazlar aralashmasining barcha tarkibiy qismlari bir xil temperatura va bir xil hajmga ega, deb faraz qilaylik. Agar gazlar aralashmasi tarkibiga kiruvchi har qaysi komponent, barcha aralashma kabi, ideal gazning holat tenglamasiga bo’ysunadi deb hisoblasak, aralashmadagi ayrim-ayrim komponentlarning bosimlari Dalton qonuniga bo’ysunadi: bu qonunga ko’ra gazlar aralashmasining bosimi ayrim komponentlar partsial bosimlarining yig’indisiga teng.

(19)

Bundap₁, p₂….p_n – aralashma komponentlarining partsial bosimlari.

Gazlar aralashmasidagi biror komponent aralashma temperaturasida bo’lib, bir o’zi shu aralashma egallagan hajmni to’ldirganda ko’rsatayotgan bosim ayni komponentning partsial bosimi deyiladi. Dalton qonuni ideal gazlar uchungina to’g’ri keladi.

Aralashma tarkibini ifodalash usullari

Gazlar ish aralashmasining tarkibi shu aralashma tarkibiga kiruvchi har qaysi komponentning miqdori bilan aniqlanadi. Aralashmaning tarkibi odatda massaviy, hajmiy va molyar ulushlar bilan ifodalanadi.

Agar massasi m bo’lgan aralashma n komponentdan tarkib topgan bo’lsa, u holda aralashmadagi ayrim komponentlarning massaviy ulushlari quyidagiga teng bo’ladi:

(20)
bu yerda m₁, m₂….m_n - aralashmani hosil qiluvchi ayrim komponentlarning massalari.

Ma’lumki, gazlar aralashmasidagi ayrim komponentlar massalarining yig’indisi barcha aralashmaning massasiga teng bo’ladi:

m₁+m₂+….+m_n=m (21)
Bu tenglik gazlar aralashmasi massaviy tarkibining tenglamasi deyiladi. (20) va (21) tenglamalardan ko’rinib turibdiki, gazlar aralashmasidagi ayrim komponentlar massaviy ulushlarining yig’indisi 1 ga teng.
q₁+q₂+….q_n=1 (1.22)
Agar n komponentdan tarkib topgan aralashmaning hajmi V bo’lsa, u holda aralashmadagi komponentlarning hajmiy ulushlari quyidagi tenglamalar bilan aniqlanadi:

(23)

bu yerda:V₁, V₂….V_n – aralashma tarkibiga kiruvchi komponentlarning partsial hajmlari. Aralashma tarkibiga kiruvchi komponentning shu aralashmaning temperaturasidagi va bosimidagi hajmi uning partsial hajmi deyiladi. Aralashma hajmiy tarkibining tenglamasi quyidagi ko’rinishda bo’ladi.

V₁+V₂+V₃+…..V_n=V (24)

Gazlar aralashmasidagi komponentlar hajmiy ulushlarining yig’indisi birga teng:

r₁+r₂+r₃+….+r_n=1 (25)
Bazi hollarda aralashma tarkibini mol ulushlari vositasida aniqlash qulay bo’ladi. Komponentning aralashmadagi mol ulushi deb, ko’rib chiqilayotgan komponentning mollari miqdorining aralashma mollarining miqdoriga bo’lgan nisbatiga aytiladi.Aralashma birinchi komponentning n₁ mollaridan, ikkinchi komponentning n₂ mollaridan va hokazolardan tarkib topgan bo’lsin.

Aralashma mollarining soni

n=n₁+n₂+….+n_n (26)
va komponentlarning mol ulushlari quyidagi ifoda bilan aniqlanadi:

x₁=n₁/n; x₂=n₂/n;….x_n=n_n/n, (27)

bundan x₁+x₂+…..x_n=1 yoki

. (28)

Massaviy va hajmiy ulushlar orasidagi quyidagidek bog’lanishlar mavjud.

(29)

Avagadro qonuniga asosan va
q_i=r_im_i/m=r_iR/R_i (30)

r_i=q_im/m_i=q_iR_i/R (31)

Aralashmaning zichligi:

(32)

Aralashmaning solishtirma hajmi:

(33)

Gaz dommiysi:

(34)

Tuyulma molekulyar massa:

(35)
XULOSA

Termodinamik tizimga kirgan jismlarning holati uzoq vaqt o’zgarmasa, u holda tizim termodinamik muvozanatda bo’ladi. Agar termodinamik tizimda jismlar bir xil holatda bo’lmasa va ular bir-biri bilan issiqlik izolyatsion va absolyut qattiq to’siqlar bilan ajratilgan bo’lmasa, bu tizimda biror muddat vaqt o’tishi bilan (ertami-kechmi) turg’un termodinamik muvozanat hosil bo’ladi. Termodinamik muvozanatda tizim tarkibidagi jismlar o’zaro issiqlik almashmaydi va bir-biriga nisbatan harakatda bo’lmaydi, ya’ni issiqlik va mexanik muvozanat sodir bo’ladi.

Termodinamik muvozanatda tizimni tashkil qilgan barcha jismlar bosimi va temperaturasi atrof-muhit bosimi va temperaturasiga teng bo’ladi. Tashqi muhit o’zgarishi bilan termodinamik tizimning holati o’zgarada ya’ni u muvozanatli holatdan muvozanatsiz holatga o’tadi. Bu o’zgarish atrof-muhit va tizimning bosimi va temperaturasi tenglashguncha, ya’ni turg’un muvozanat qaror topguncha davom etadi. Amaliyot shuni ko’rsatadiki, muvozanatga erishgan tizim keyinchalik shunday holatda qolaveradi, ya’ni holatini o’zicha o’zgartira olmaydi.

Yuqorida aytib o’tilganlar asosida quyidagi natijaga kelish qiyin emas: tizim faqat muvozanat holatiga kelmaguniga qadargina ish bajara oladi.

Xaqiqatan ham, har qanday issiqlik dvigatelida kamida ikkita issiqlik manbai - issiq va sovuq manbalar bo’lgandagina ish olish mumkinligini bundan oldin qayd qilib o’tilgan edi. Agar issiq va sovuq manbalar temperaturalari tenglashsa, ya’ni issiq manba, ish jismi va sovuq manbadan iborat tizim issiqlik muvozanatiga kelsa, u holda issiqlik ko’chishi to’xtaydi va ish bajarilmaydi.

Ko’rib chiqilgan barcha misollardan ko’rinib turibdiki, tizimda muvozanatning bo’lmasligi tizimda ba’zi bir o’ziga xos kattaliklar ayirmasining mavjudligi bilan tavsiflanadi. Agar jarayonni amalga oshirish tezligi nolga intilsa, har qanday muvozanatdagimas jarayon muvozanatdagi jarayon bo’lib qoladi. Shu bilan bir vaqtda har qanday muvozanatdagimas jarayon qaytmas va har qanday muvozanatdagi jarayon qaytar bo’ladi.

FOYDALANILGAN ADABIYOTLAR

1. 
   Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1980, - 552 с.
   
2. 
   Баскаков А.П., Берг Б.В. и др. Учебное пособие. Теплотехника – М.: «Энергоиздат», 1982 – 262 с.
   
3. 
   Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебное пособие. – М: Высшая школа, 1980 – 469 с.
   
4. 
   Кириллин В.А., Сичев В.В., Шейндлин А.Е. Техникавий термодинамика, Дарслик – Т. «Ўқфитувчи», 1980, 440 б.
   
5. 
   Немцев З., Арсеньев Г.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение: Учебное пособие. – М.: «Энергоиздат», 1982, - 432 с.
   
6. 
   Лариков Н.Н. Теплотехника: Учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1985, - 432 с.
   
7. 
   Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика, Учебное пособие для Втузов. М.: Высшая школа. 2000 – 261 с.
   
8. 
   Nurmatov J. va boshqalar. Issiqlik texnikasi. Oliy o’quv yurtlari talabalari uchun o’quv qo’llanma.–T.: «O’qituvchi», 1998,- 256 b.
   
9. 
   Kern D.Z., Kraus A.D. Extended surface Heat Transfer. Lоndоn. 1987, 464 р.
   
10. 
    Sроlding D.B., рatankar S.V. Heat and mass Transfer in boundary layers. London. Edward Arnolds, 1989, 400 р.