Reja: Fizika fani uning mazmuni,boshqa fanlar va ekologiya bilan aloqasi. Fizik va biokimyoviy jarayonlarning uzviy bog‘liqligi

6-MA’RUZA
Termodinamikaning ikkinchi qonuni. Qaytar va qaytmas jarayonlar.
REJA:

1. 
   Termodinamikaning ikkinchi qonuni.
   
2. 
   Termodinamik muvozanat.
   
3. 
   Entropiya va Entalpiya haqida tushuncha. Gibbs energiyasi.
   
4. 
   Karno sikli va uni entropiya orqali ifodalash.
   
5. 
   Entropiya va termodinamika ikkinchi qonuni, uning amaliy ahamiyati.
   

Tabiatdagi jarayonlar qaytmaydigan jarayonlardir. Issiq jismdan sovuq jismga issiqlik o‘tishi va mexanik energiyaning ichki energiyaga o‘tishi qaytmas jarayonlarning misollaridir. Bu misollarning hammasi tabiatda jarayonlar termodinamikaning birinchi qonunida hech aks ettirilmagan ma’lum bir yo‘nalishda yuz berishini ko‘rsatadi. Tabiatda hamma makroskopik jarayonlar faqat tayinli bir yo‘nalishda yuz beradi. Teskari yo‘nalishda ular o‘z-o‘zidan yuz berolmaydi. Tabiatdagi hamma protsesslar qaytmaydigan bo‘lib, ularning eng mudhishi organizmlarning qarishi va o‘lishidir.

Termodinamikaning ikkinchi qonuni real jarayonlarning yo‘nalishlarini ko‘rsatadi. Bu qonun tajribadan olingan.
1824 yilda fransuz injeneri va olimi Sadi Karno issiqlik mashinasining ishlash prinsipini va samaradorligini nazariy o‘rganib, har qanday issiqlik mashinasining ishlashi uchun ishchi jism, isitkich va sovitkich bo‘lishi zarurligini ko‘rsatdi. Karno tomonidan tavsiya etilgan ideal mashinada ishchi jism sifatida silindr porsheni ostidagi ideal gaz olingan. Mashina davriy ravishda Karno aylanma jarayoni deb ataladigan ikkita izotermik va ikkita adiabatik jarayonlardan iborat aylanma jarayonlarni bajaradi (3-rasm). Sistema holatining o‘zgarishi quyidagi ketma-ketlikda amalga oshiriladi.

3-rasm.
1. Kengayishning birinchi izotermik ( ) bosqichida (1-2 egri chiziq) gaz isitkichdan issiqlik miqdorini olib, hajmi dan gacha kengayib ish bajaradi va kattaliklari dan gacha o‘zgaradi.
2. Kengayishning ikkinchi adiabatik bosqichida (2-3 egri chiziq) hajm dan gacha kengayadi. Ammo ish gazning ichki energiyasining kamayishi hisobiga bajariladi. Bunda gaz tashqaridan issiqlik olmaydi ham, bermaydi ham. Gazning kattaliklari dan gacha o‘zgaradi.
4. Aylanma jarayonning oxirgi qismida gaz adiabatik siqilib, gaz hajmi dan gacha kamayadi (4-1 egri chiziq). Bunda bajarilgan ish gaz temperaturasini boshlang‘ich darajasiga ko‘tarish uchun sarflanadi, sistemaning ichki energiyasi ortadi. Sistemaning kattaliklari dan gacha o‘zgaradi, ya’ni boshlang‘ich holatdagi qiymatni egallaydi.
Shunday qilib, aylanma jarayon davomida gazning bajargan ishi isitkichdan olingan va sovitkichga berilgan issiqlik miqdorlarining ayirmasiga teng, ya’ni
. (20)
Har qanday issiqlik dvigateli (mashina) issiqlik miqdorini oladigan temperaturali isitkichdan, issiqlik miqdorini beradigan temperaturali sovutgichdan va mexanik ishni bajaradigan ishchi moddadan tashkil topgan bo‘ladi (4-rasm).

4-rasm.

Issiqlik dvigatellarining ish bajarishdagi energiya tejamkorligini harakterlash uchun issiqlik dvigatellarining foydali ish koeffitsiyenti tushunchasi kiritiladi.

Issiqlik dvigatelining foydali ish koeffitsiyenti FIK deb, dvigatel bajargan ishining isitkichdan olgan issiqlik miqdoriga bo‘lgan nisbatiga aytiladi, ya’ni
, (21)
yoki
. (22)
Agar isitkichning temperaturasi , sovitkichnikini desak, Karno aylanma jarayoni bo‘yicha ishlaydigan ideal issiqlik mashinasining nazariy mumkin bo‘lgan eng katta FIK quyidagicha ifodalanishini Karno isbot qilgan:
, (23)
yoki
. (24)
Demak, ideal issiqlik mashinasining FIK ni oshirish uchun isitkichning temperaturasi yuqori, sovitkichniki esa past bo‘lishi kerak. Faqat sovitkich temperaturasi absolyut nol, ya’ni bo‘lganda FIK birga teng ( ) bo‘lib qolgan hamma real sharoitdagi temperaturalarda birdan kichik, ya’ni bo‘ladi.

1906 yilda termodinamika Nernst tomonidan empirik yo‘l bilan kashf qilingan yangi fundamental qonun bilan boyidi. Bu qonun Nernstning issiqlik teoremasi deb ataladi. Nernst teoremasi ko‘pincha termodinamikaning uchinchi qonuni deb yuritiladi. Nernst teoremasining ta’rifi quyidagicha bo‘ladi:

Absolyut nolga yaqinlashishda sistemaning absolyut entropiyasi ham bunda sistemaning holatini harakterlovchi barcha parametrlarning qanday qiymatlar qabul qilishidan qat’i nazar, absolyut nolga intiladi, ya’ni
bo‘lganda, . (35)
Haqiqatan ham, absolyut nolda termodinamik sistemaning holatiga eng kam tartibsizlik (ya’ni eng ko‘p tartiblilik) to‘g‘ri keladi. Hamma atomlar ma’lum joylarda, ya’ni qattiq jism kristall panjarasining tugunlariga, barcha elektronlar esa eng past energetik sathlarga joylashadi. Bu holat absolyut nolda mumkin bo‘lgan yagona (haqiqiy) holat bo‘lib, uning ehtimolligi birga teng. Shuni qayd etish kerakki, nemis fizigi Nernst (35) munosabatga boshqa yo‘l bilan, ya’ni past temperaturalarda jismning issiqlik sig‘imlarining o‘zgarishining natijasida keldi.
Issiqlik dvigatellari xalq xo‘jaligida turli-tuman maqsadlarda foydalaniladi. Ular samolyot, teploxod, avtomobil, traktor, teplovoz-larni, shuningdek, daryo va dengiz kemalarini harakatga keltiradi. Umuman, hozirgi vaqtda hayotni dvigatellarsiz tasavvur etib bo‘lmaydi.
Hozirgi kunda dunyo olimlari, injener-konstruktorlari oldidagi eng asosiy vazifalar quyidagilardan iborat:

1. 
   Issiqlik dvigatellarini takomillashtirish va FIK ni oshirish;
   
2. 
   Yonilg‘i tanqisligini nazarda tutgan holda neft va neft mahsulotlarini boshqa turdagi yonilg‘i bilan almashtirish;
   
3. 
   Neft va neft mahsulotlarini vodorod va quyosh energiyasi bilan almashtirish. Vodorod yonganda atmosferaga zararli gazlar chiqmaydi.
   

O‘zbekiston sharoitida yilning taxminan 300 kuni bulutsiz – quyoshli bo‘lar ekan. Demak, quyosh energiyasidan to‘liq foydalanish mumkin.
Hozirgi kunda mutaxassislar oldida turgan asosiy muammolardan biri vodorod va quyosh energiyasidan to‘liq foydalanishni ishlab chiqarish.
Ideal issiqlik mashinasining FIK ning qiymatini ifodalovchi (21) va (23) formulalardan shunday munosabat kelib chiqadi:
, (25)
bundan
, (26)
demak,
. (27)
Endi ning ishchi moddadan sovitkichga berilgan issiqlik miqdori sifatida manfiy bo‘lishini nazarga olamiz. Bu holda oxirgi formulaning chap qismidagi algebraik yig‘indi ko‘rinishida yozish mumkin:
. (28)
Ishchi moddaga berilgan issiqlikning shu issiqlik miqdori berilayotgan absolyut temperaturaga nisbati ( ) keltirilgan issiqlik deyiladi. (28) formuladan Karno sikli uchun keltirilgan issiqliklarning algebraik yig‘indisi nolga teng.
Bu qoidaning har qanday teskari aylanma jarayon uchun to‘g‘ri ekanini ko‘rsatamiz (5-rasm). Bu jarayonni 5-rasmda ko‘rsatilganidek, izotermalar va adiabatalar yordamida juda ko‘p sonli juda tor Karno sikllariga ajratamiz.

5-rasm.
Har bir elementar Karno sikli uchun (28) formula o‘rinli:
,
,
………………. (29)
,
,
bu yerda - ishchi jismning temperaturada kengayishining - uchastkasida olgan issiqligi, - ishchi jismning temperaturada siqilishining - uchastkasida bergan issiqligi. Bu tengliklarni qo‘shib, shunday yig‘indini hosil qilamiz:
, (30)
yoki
yoki . (31)
berk kontur bo‘yicha olingan (31) integralning nolga tengligidan integral ostidagi ifoda biror funksiyaning to‘liq differensiali ekanligi kelib chiqadi. Bu funksiya faqat sistemaning holatiga bog‘liq bo‘lib, sistemaning bu holatga qanday yo‘l bilan kelishiga bog‘liq bo‘lmaydi. Shunday qilib,
. (32)
funksiyani birinchi bo‘lib Klauzius kiritgan va uni entropiya deb atagan edi. Energiya bilan bir qatorda entropiya ham sistemaning muhim harakteristikalaridan biridir.
Agar qaytar jarayon vositasida sistema holatdan holatga o‘tsa, u holda sistema entropiyasining o‘zgarishi (32) tenglikni integrallash yo‘li bilan topiladi:
, (33)
bu yerda - sistemaning boshlang‘ich holatdagi entropiyasi, - sistema-ning oxirgi holatdagi entropiyasi, - entropiyaning o‘zgarishi.
Agar izolyatsiyalangan sistemada qaytar jarayonlar bo‘layotgan bo‘lsa, bu sistemaning entropiyasi o‘zgarishsiz qoladi. Agar izolyatsiyalangan sistemada qaytmas jarayonlar bo‘layotgan bo‘lsa, bu sistemaning entropiyasi ortadi. Matematikada bu qoidani quyidagi ko‘rinishda yozish mumkin:
. (34)
Bu tengsizlik Klauzius tengsizligi deyiladi.
Xulosa qilib aytish kerakki, termodinamikaning ikkita asosiy qonuni va Nernstning issiqlik teoremasi issiqlik texnikasining asosi hisoblanadi. Bu uchta qonun barcha termodinamik jarayonlarni tahlil qilish va turli issiqlik mashinalarini hisoblashga imkon beradi.