Siklik jarayon va sikl ishi. Termodinamika ning ikkinchi qonuniga berilgan aniqlamalar. Issiqlik mashinalari va ularning foydali ish koeffitsienti (fik)

Termodinamikaning ikkinchi baslamasiga berilgan aniqlamalar
Jarayonlarning yonalishi va borish chegaralarini aniqlash uchun termodinamikaning birinchi qonuni yetarli emasligi haqidagi xulosa termodinamikaning ikkinchi qonunini ornatishga olib keldi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni tabiatning umumiy qonunidir va u birinchi qonunga oxshab postulot xisoblanadi. Termodinamikaning ikkinchi qonunini nazariy keltirib chiqarib bolmaydi, u termodinamikaning birinchi qonunidek, barcha insoniyat tajribasining umumlashuvidan iboratdir. Termodinamikaning ikkinchi qonuning isboti bolib undan kelib chiqadigan barcha xulosalarning hozirgacha tajribada tasdiqlanib kelishi xizmat qiladi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni sistemada ayni temperatura, bosim va konsentratsiyalarda qaysi jarayon oz-ozidan keta olishini, uning qancha ish bajarishini, ayni sharoitda sistemaning muvozanat holati qanday ekanligini korsatadi. Termodinamikaning ikkinchi qonunidan foydalanib biror jarayonni amalga oshirish uchun qanday sharoit yaratish lozimligini aniqlash mumkin. Agar termodinamikaning birinchi qonuni har qanday sistemalarga tadbiq qilinishi mumkin bolgan absolyut qonun bolib, makro- va mikro-sistemalardagi har qanday jarayonlarga tegishli bolsa, ikkinchi qonun energiyaning sochilish qonuni-statistik tabiatga ega va kop sonli zarrachalardan iborat, yani statistika qonunlariga boysunuvchi, sistemalargagina tadbiq qilinishi mumkin. Juda kop molekulalardan iborat termodinamik sistema uchun termodinamikaning ikkinchi qonuni ishonchlidir. Ammo u kam sonli zarrchalardan iborat sistemalarga qollanganda ozining manosini yoqotadi. Bunday sistemalarda termodinamikaning ikkinchi qonuniga zid bolgan jarayonlar tajribada kuzatiladi. Haqiqatdan ham, molekulalarning issiqlik tasiridagi xaotik harakati natijasida, ularning juda kichik hajmdagi soni doimo ozgarib turadi. Bunday tasodifiy ozgarishlar natijasida sistemaning zichligi ozgaradi fluktuatsiyalar kuzatiladi. Termodinamik sistemalarda (makrosistemalarda) fluktuatsiyalarning deyarli tasiri yoq va ular hech qanday rol oynamaydi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni statistik termodinamikada tolaroq fizikaviy nuqtai nazardan tushuntiriladi. U statistik termodinamika postulotlaridan keltirib chiqarilishi mumkin.
Termodinamika ikkinchi qonunining umumiy tariflari Karno va Klauziusning tadqiqotlarida berilgan. XIX-asrning ortasida Klauzius, Maksvell va Kelvinlar ushbu qonunning olamshumul ahamiyatini korsatdilar. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga yaqin fikrlarni birinchi bor M.V.Lomonosov ham aytib otgan. XIX-asrning oxirida Maksvell, Bolsman va Gibbslar termodinamika ikkinchi qonunining statistik xarakterini ornatdilar va statistik mexanikaga asos soldilar. Termodinamikaning ikkinchi qonunini asoslash dvigatellarning sifatini yaxshilash urinishlari bilan ham bogliq. Abadiy dvigatelni qurish mumkin emasligi aniq bolgandan song, olimlarni fikrini boshqa bir, yani jismning ichki energiyasini ishga aylantirib beruvchi davriy ravishda ishlaydigan mashinani qurish mumkinmikan, degan goya egallab oldi (masalan, okeanning suvidan energiyani (issiqlikni) olib ishlaydigan dvigatelli paroxod qurish fikri). Termodinamika birinchi qonuni, yani energetik balans nuqtai nazaridan bunday dvigatelni qurish mumkin. Bu goyani amalga oshishining ahamiyati abadiy dvigatel yaratish bilan barobar bolar edi. Haqiqatdan ham, odamzot okean suvlarida, atmosferada va yer qobugida mujassamlashgan issliqlik energiyasining cheksiz zaxiralarini ishga aylantirish imkoniyatiga ega bolganda edi, bu abadiy dvigatel qurish bilan teng ahamiyatli bolardi. Masalan, okeanlarning suvlarini 0,01 grad ga sovutish xisobiga yer sharidagi sanoat korxonalarini 1500 yil davomida taminlaydigan energiyaga ega bolar edik. Shuning uchun ham bunday mashinani ikkinchi tur abadiy dvigatel deb atashdi va uni qurishga harakat qilishdi. Ammo bu urinishlar muvaffaqiyatsizlikka uchradi.
Tabiatning qandaydir umumiy qonuni borligi va u ikkinchi tur abadiy dvigatelni yaratishga tosqinlik qilayotgani malum bolib qoldi. Ushbu xulosani termodinamika ikkinchi qonunining umumiy tarifi desa boladi:
sistemada hech qanday ozgarishsiz, faqatgina issiqlik rezervuarining issiqligi xisobiga davriy ravishda ishlaydigan mashinani, yani ikkinchi tur abadiy dvigatelni qurib bolmaydi yoki ikkinchi tur abadiy dvigatel, yani hech qanday qoshimcha energiya sarf qilmay turib, faqat atrofdagi muxitning issiqligi xisobiga ish bajaruvchi mashinaning bolishi mumkin emas (Ostvald tarifi).Umumiy tarifdan quyidagi xulosa kelib chiqadi:
issiqlik kamroq qizdirilgan jismdan koproq qizdirilgan jismga oz-ozicha ota olmaydi yoki qandaydir miqdordagi ishni issiqlikka aylantirmay turib, issiqlikni sovuqroq jismdan issiqroq jismga otkazish uchun siklik jarayondan foydalanib bolmaydi.
Ushbu tarif 1850 yil Klauzius tomonidan termodinamika ikkinchi qonunining asosiy tarifi sifatida taklif qilingan. Tomson (Kelvin) tomonidan esa quyidagi tarif taklif qilingan:
issiqlikni ishga aylantirish uchun jismni sovutishning ozi kifoya emas, ishning issiqlikka aylanishi esa jarayonning birdan-bir natijasidir.
Termodinamika ikkinchi qonunining yuqoridagi uchchala tarifi ekvivalentdir, ulardan qator xulosalar kelib chiqadi. Masalan, izotermik siklning ishi nolga tengdir, aks holda ushbu jismning issiqligini ishga aylantirish, yani ikkinchi tur abadiy dvigatel qurish mumkin bolib qoladi. Termodinamikaning birinchi qonuni ikki xil manoli tariflarga ega bolsa, yani hech narsadan ish paydo bola olmaydi va ish hech qanday izsiz yoqolib ketmaydi, termodinamika ikkinchi qonunining tariflari birgina manoga ega: rezervuar issiqligini ishga toliq aylantirib bolmaydi. Teskari takidlash notogri, chunki ishni toliq ravishda issiqlikka aylantirib boladi. Bu hulosa issiqlik energiyasining oziga xosligidan kelib chiqadi, yani u zarrachalarning xaotik harakatining mahsulidir. Energiyaning boshqa turlari esa (masalan, elektr, yoruglik ) zarrachalarning tartibli harakati bilan bogliq. Issiqlik energiyasi energiyaning eng kam samaraga ega korinishi ekanligi tabiiydir. Xuddi shuning uchun energiyaning barcha turlari toliqligicha issiqlik energiyasiga aylanish mumkin (tartibli harakatdan ehtimoli yuqoriroq bolgan xaotik harakatga). Issiqlik esa energiyaning samaraliroq turlariga toliq ota olmaydi, chunki bunday otish xaotikdan tartibli harakatga oz-ozidan otish kabi ehtimoli bolmagan holga, yani sistemaning ehtimoli koproq holatdan ehtimoli kamroq holatga oz-ozidan otishiga mos kelar edi. Umuman olganda, termodinamikaning ikkinchi qonuni aynan sistemaning u yoki bu holatining ehtimolligi bilan bogliqdir. Termodinamikaning ikkinchi qonunini, yuqorida takidlanganidek, turli korinishdagi energiyalarning issiqlik energiyasiga sekinasta otishi kuzatiluvchi energiyaning sochilish qonuni, deb ham tariflashimiz mumkin. Termodinamika ikkinchi qonunining ushbu tarifidan notogri xulosalarga kelish ham mumkin, masalan, termodinamikaning ikkinchi qonunini cheksiz sistemalarga qollaganda. Butun olamni yoki biror planetani chegaralangan termodinamik sistema deb qabul qilish va unga termodinamikaning ikkinchi qonunini qollash notogri boladi, chunki energiyaning issiqlikka toliq aylanishi va issiqlikning oz-ozidan ishga aylana olmagani sababli olamda harakat toxtaydi, temperatura oshib ketib issiqlik halokatiga olib keladi, degan notogri fikrlar tugiladi.
Termodinamika ikkinchi qonunidan termodinamik sistemalarda yangi holat funksiyasining mavjudligi kelib chiqadi. Termodinamik jarayonlarning analizi ularni toliq ifodalash uchun termodinamikaning birinchi qonuni kifoya emasligini korsatdi (birinchi qonuniga kora energiyaning saqlanish qonuniga boysingan jarayonlargina borishi mumkin). Ammo tajriba korsitishicha, birinchi qonuniga boysingan va (U=Q-W tenglamaga rioya qilgan ayrim jarayonlar amalda bormaydi. Bu esa, sistemada qandaydir nomalum funksiya yoki holat parametrining mavjudligi haqidagi xulosaga olib keldi. Ushbu parametrning qiymati birinchi qonunga binoan amalga oshirilishi mumkin bolgan turli jarayonlar uchun bir xil emas, bu esa jarayonlarning teng qiymatga ega emasligini korsatadi. Yangi funksiya Klauzius tomonidan entropiya S deb ataldi.
Aslida termodinamikaning ikkinchi qonuni issiqlik mashinalari uchun tariflangan va ularning ishida ushbu qonun ayniqsa yaqqol korinadi. Shu sababdan xozir ham termodinamika ikkinchi qonunini qarab chiqishni issiqlik mashinalarini analiz qilishdan boshlanadi (Karno sikli). Bu esa, ikkinchi qonun haqida faqat issiqlik mashinalari ishini ifodalaydigan xususiy qonuniyat kabi fikr tugdiradi. Aslida esa, bu tabiatning umumiy qonuni bolib, energiyaning saqlanish qonunidan keyingi fundamental qonundir. Termodinamikaning ikkinchi qonunini issiqlik mashinalarini analiz qilmasdan ham tariflash mumkin (Karateodori prinsipi).
Karateodori prinsipi va entropiya
Termodinamikaning ikkinchi qonunini issiqlik mashinalarini analiz qilmasdan ham chiqarish mumkin. Termodinamik sistemada yangi holat funksiyasi borligini Karateodori prinsipi (ayrim holatlarga adiabatik yetisha olmaslik) yaxshi tushuntiradi. Quyidagi jarayonni korib chiqamiz.
Sistema bir holatdan ikkinchiga issiqlik yutilishi bilan otsin. Ikkinchi holatdan birinchiga adiabatik jarayonda otish mumkin, deb tasavvur qilamiz. Togri va teskari yollar uchun termodinamikaning birinchi qonuni boyicha:

Jarayon yoli

I.1-rasm. Karateodori prinsipini
keltirib chiqarish uchun
Q=(U + W1 (I. 125)
O= -(U + W2 (I. 126)
Bulardan aylanma jarayon uchun: Q =( W1+W2 ) (I.127)
Korilayotgan jarayonda issiqlik yutilayotgani uchun (Q(0), siklik jarayondagi umumiy ish noldan katta (W1+W2) ( 0 (I. 128) boladi.
Shunday qilib, siklik jarayonning natijasi: sistema boshlangich 1-holatga qaytdi va sistema yutgan issiqlikning hammasi toliq ishga aylandi. Bu esa termodinamika ikkinchi qonunining Tomson tarifiga qarama-qarshidir (issiqlikning hammasi ishga aylanishi mumkin emas). Demak, termodinamik sistemaning xoxlagan holati yaqinida shunday boshqa holatlar boladiki, ularga adiabatik yol bilan, yani issiqlik uzatmasdan otib bolmaydi.
Karateodori prinsipidan faqat yangi holat funksiyasi borligi emas, balki bu funksiyaning issiqlik bilan bogliqligi ham kelib chiqadi. Haqiqatdan ham agar sistema 1-holatdan 2-holatga issiqlik yutish bilan otgan bolsa, nima uchun boshlangich holatga issiqlik almashmasdan kela olmaydi? Issiqlik holat funksiyasi emas, balki u energiya uzatishning xilidir. Sistemaga issiqlik korinishidagi malum miqdordagi energiya uzatilgan bolsa, unda sistemadan xuddi shu miqdordagi energiyani ish korinishida olish va shu bilan sistemani avvalgi holatiga keltirish mumkindek tuyuladi. Ammo Karateodori prinsipi buning mumkin emasligini, yani Tomson tarifiga zid jarayonni sodir bola olmasligini, korsatadi. Demak, issiqlikning ozi holat funksiyasi bolmasa ham, sistemaga berilgan issiqlik holat funksiyasini, yani entropiyani ozgartiradi. Enropiyani esa sistemaga issiqlik uzatmasdan turib avvalgi qiymatiga keltirib bolmaydi. Bundan entropiyaning ozgarishi sistemaga berilayotgan issiqlikning funksiyasi ekanligi (S=f(Q) kelib chiqadi.