Термодинамика биринчи қонуни

Термодинамика биринчи қонуни.
Термодинамика биринчи қонунини қараб чиқишдан олдин нолинчи қонунига тўхталиб ўтсак.
Термодинамика нолинчи қонуни ҳароратни термометр орқали ўлчашга асосланган.
Агар икки жисм ҳарорати бир-биридан кескин фарқ қилса (масалан, чўғланган металл ва совуқ сув), улар ўзаро туташтирилганда бир жисм қизий бошласа, иккинчиси совийди. Бу ҳолат системада ҳар қандай макроскопик ўзгаришлар тўхтамагунча давом этади. Бундай пайтда икки жисм бир–бири билан термодинамик мувозанатда турибди ва уларнинг ҳарорати бир хил деб айтиш мумкин. термодинамик мувозанат нафақат икки жисм туташтирилганда, балки бир нечта жисм туташтирилганда ҳам қарор топади.
1931 йил Р.Фаулер термодинамик мувозанат қонунини таърифлади:
Агар А ва В системаларнинг ҳар бири С система билан ўзаро иссиқлик мувозанатида бўлса, у ҳолда А ва В системалар ҳам ўзаро иссиқлик мувозанатида бўлади. Яъни, Т₁ = Т₂, Т₂ = Т₃ бўлса, у ҳолда Т₁ = Т₃ бўлади.
Бу таъриф термодинамика нолинчи қонуни деб ном олди ва табиатнинг асосий қонунларидан бири бўлиб ҳисобланади.
Бундан кўринадики, ҳароратни фақат мувозанат ҳолати учун аниқлаш мумкин.
Термодинамикани биринчи қонунининг таърифи.
Термодинамика биринчи қонунининг бир неча таърифи мавжуд:
Изоляцияланган системанинг энергияси доимий бўлади.
Агар изоляцияланган система энергияси атроф-муҳит билан таъсирлаш-масдан ошса, у ҳолда биринчи турдаги абадий двигател ясаш мумкин бўлар эди. Биринчи турдаги абадий двигател деганда энергия олмасдан иш бажара оладиган двигател тушунилади.
Аммо биринчи қонуннинг иккинчи таърифига асосан,
биринчи турдаги абадий двигател ясаш мумкин эмас.
Изоляцияланган системадаги энергиянинг доимийлиги энергиянинг бир турдан иккинчи турга айланишини инкор этмайди. Бундай айланишларда энергия йўқ бўлмайди ва янгидан пайдо бўлмайди ҳам. Энергиянинг сақланиш қонунига асосланиб биринчи қонуннинг яна бир таърифини келтирамиз.
Энергия изсиз йўқ бўлмайди ва йўқдан бор бўлмайди. Унинг бир турдан иккинчи турга айланиши қатъий эквивалент миқдорида бўлади.
Энергиянинг сақланиш қонунидан қуйидаги тенглама келиб чиқади:
Q = ΔU + W
бунда Q – системага берилган иссиқлик миқдори; ΔU – ички энергиянинг ошиши; W – система томонидан бажарилган иш.
Шуни қайд этиб ўтиш лозимки, Q ва W – иссиқлик ва ишнинг абсолют қийматлари бўлиб, уларнинг ўзгариши эмас. Чунки иссиқлик ва иш ҳолат функцияси ҳисобланмайди ҳамда уларни ΔQ ва ΔW кўринишида ифодалаш мумкин эмас.
Чексиз кичик элементар жараёнлар учун тенглама қуйидаги кўринишга эга бўлади:
δQ = dU + δW = dU + pdV + δW¹
бунда pdV – системанинг ташқи босимга қарши бажарган иши (кенгайиш иши), δW¹ – қолган барча турдаги элементар иш. δW¹ нинг катталигини фойдали иш деб юритилади. Кимёвий термодинамикада фақат кенгайиш иши инобатга олиниб, δW¹ нинг иши нолга тенг деб ҳисобланади. Шунинг учун
δW = pdV, ундан δQ = dU + pdV
Биринчи ва охирги тенгламалар термодинамика биринчи қонунининг математик ифодаси ҳисобланади. Бу тенгламалардан шундай хулоса келиб чиқадики, системага берилган ёки системадан олинган иссиқлик миқдори система ички энергиясининг ўзгаришига ҳамда система томонидан ёки система устидан бажарилган ишга тенг бўлади.
Термодинамика биринчи қонунининг изотермик, изохорик ва изобарик жараёнлар учун ифодаси.
Изотермик жараёнда бир жисмдан иккинчи жисмга иссиқликнинг берилиши доимий ҳароратда амалга оширилади. агар газ идеал бўлса, у ҳолда 1 моль газнинг ички энергияси газ эгаллаган ҳажмга ва босимга боғлиқ бўлмасдан фақат ҳароратга боғлиқ бўлади. Шунинг учун У = кoнст бўлганда термодинамика биринчи қонуни тенгламаси қуйидаги кўринишга эга бўлади:
δQ_T = δW = pdV
Ифодани интеграллаганимиздан сўнг у қуйидаги кўринишга эга бўлади:
Q_T = W = pdV
Демак, изотермик жараёнда системага берилган иссиқлик миқдори тўла–тўкис кенгайиш ишига айланади. 1 моль газ учун р = РТ/В бўлади. Бу ифодани юқоридаги ифодага қўйиб интегралласак, 1 моль идеал газнинг изотермик кенгайиши учун қуйидаги тенгламага эга бўламиз:
δQ_T = RTdV/V; Q_T = RTIn(V₂/V₁) = RTIn(p₁/p₂)
Изохорик жараёнда системанинг ҳажми доимий бўлади. дВ = 0 бўлганда системанинг кенгайиш иши ҳам дW = пдВ = 0 бўлади. У ҳолда
δQ_V = dU

Демак, V=кoнст бўлганда системага берилган иссиқликнинг ҳаммаси ички энергиянинг ошиши учун сарф бўлади.
Изобарик жараёнда p =кoнст бўлади. У ҳолда биринчи қонуннинг математик ифодаси қуйидаги кўринишга эга бўлади:
δQ_p = dU + d(pV) = d(U + pV) = dH

Изобар жараённинг иссиқлик миқдори энтальпия ўзгаришининг ўлчови ҳисобланади.