Термодинамиканын екiншi заны: жалпы үfымдар

ТЕРМОДИНАМИКАНЫҢ ЕКІНШІ ЗАҢЫ:

   ЖАЛПЫ ҰҒЫМДАР

Бұл тараудың негізгі мақсаты – өздігінен жүретін (спонтандық) физикалық және химиялық айналулардың пайда болуын түсіндіру. Екі қарапайым процестің мысалында өздігінен жүретін процестерді сандық жағынан сипаттау үшін қолданылатын жаңа қасиет – энтропияны қалай анықтауға, өлшеуге болатыны көрсетіледі. Сонымен қатар, бұл тарауда негізгі термодинамикалық функция – Гиббс энергиясы дейтін түсінік енгізіледі. Бұл функцияның көмегімен спонтандық айналуларды тек жүйе қасиеттері арқылы сипаттауға болады (жүйедегі және оны қоршаған ортадағы энтропияның өзгерісін қарастырмай-ақ). Гиббс энергиясы процесс кезінде жасалатын максимал пайдалы жұмысты анықтауға да мүмкіндік береді.

      Кейбір құбылыстар өздігінен жүреді, ал кейбіреулерін болдыру үшін белгілі бір күш салу керек. Газ ұлғаяды, сөйтіп өзіне берілген көлемді толтырады, ыстық дене  сыртқы ортаның температурасына дейін суынады,  химиялық реакция бір бағытта басқа бағытқа қарағанда тезірек жүреді. Өздігінен жүретін процестердің, яғни жұмыс жұмсалуды қажет етпейтін,  өзгерістердің бағытын анықтайтын әлемде бір нерсе ғана бар. Газды көлемі азайғанға дейін сығуға, реакцияны кері бағытта  жүргізуге (мысалы, судың электролизі), затты мұздатқышта суытуға болады. Бірақ бұл процестердің ешқайсысы өздігінен жүрмейді, оларды жүргізу үшін жұмыс жұмсау, күш салу қажет. Өздігінен жүретін және өздігінен жүрмейтін процестерді термодинамиканың екінші заңы қарастырады. Бұл заңның бірнеше эквивалентті анықтамалары бар. Олардың  бірі – Кельвин анықтамасы:

Жүйеге сыртқы ортадан сіңірілетін жылулықты түгелімен тек жұмысқа ғана айналдыратын циклді процесс болмайды.

       Мысалы, 4.1-суреттегі сызба бойынша жұмыс істейтін, ондағы ыстық резервуардан  алынған  жылу тұтасымен жұмысқа айналатын қозғалтқышты жасау мүмкін емес.

[pic 1]

4.1-сурет. Термодинамиканың  екінші заңына берген Кельвин тұжырымдамасы бойынша, қандай да бір басқа өзгерістерсіз жылудың толығымен жұмысқа айналуы орын алатын  суретте көрсетілген процесс мүмкін емес. Бірақ мұндай процестің іске асырылуы   термодинамиканың бірінші   заңына қарсы келмейді, өйткені процесс барысында жүйе энергиясы өзгермейді.

Жылу машиналарының бәрінде  міндетті түрде жылу көзі (қыздырғыш) және жылу қабылдағышы (тоңазытқыш) болады, мұнда жылудың бір бөлігі тоңазытқышқа беріліп, жұмысқа айналмайды. Термодинамиканың екінші заңының Кельвин анықтамасы күнделікті байқалатын құбылысты қамтиды: белгілі бір бетте тыныштықта тұрған шар өзінен-өзі секірмейді. Мұндай секіру беттік атомдардың жылу қозғалысының энергиясы жұмысқа айналуы болған болар еді.

Өздігінен жүретін процестер бағыты

Өздігінен жүретін процестің бағытын не анықтайды? Әрине, ол оқшауланған жүйенің толық энергиясы емес. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша, мұндай жүйенің энергиясы кез келген процесте өзгермейді, сондықтан, өздігінен жүретін процестер толық энергияны ең аз күйге әкеледі деп айтуға болмайды: оқшауланған жүйенің энергиясы өзгермейді.

     Мүмкін өздігінен  жүретін процесте нысанның (объектінің) энергиясы минимумге ұмтылатын шығар?  Бірақ, бұл болжамды жоққа шығаратын екі дәлел келтірейік. Біріншіден, идеал газ вакуумде өзігінен ұлғаяды, ол кезде изотермиялық процесте оның ішкі энергиясы өзгермейді. Екіншіден, жүйенің энергиясы өздігінен жүретін процесте азайғанның өзінде, бірінші заң бойынша, сыртқы ортаның энергиясы соншама өскен болар еді.

      Сөйтіп, қандайда бір өзгерістер болса да, оқшауланған жүйенің энергиясы тұрақты болып қалады, бірақ әр түрлі таралады. Сондықтан процестің бағыты энергияның таралуымен байланысты деп болжаған дұрыс. Бұл идея – өздігінен жүретін процестің жүру себебін түсінуге көмектесетінін әрі қарай көреміз;  өздігінен жүретін процесс кезінде энергия шашырайды, жүйе ретсіз түрге көшеді.