Asosiy kontent

Bosim-hajm ishi

Termodinamikada ish maʼnosini anglash va gaz siqilganda va kengayganda bajarilgan ishni hisoblash

Asosiy tushunchalar:

Ish bu biron-bir kuchga qarshi harakat qilish uchun zarur boʻlgan energiya.
Sistemaning energiyasi issiqlik uzatilishi natijasida ishga va boshqa energiya turlariga oʻzgarishi mumkin.
Gazlar quyidagi tenglama boʻyicha kengayish yoki siqilish ishlarini bajaradi:
$ish = - P Δ V$ ‍

Kirish: ish va termodinamika

Odamlar kundalik suhbatda ish haqida gapirganda odatda biror narsaga kuch sarflashni aytishadi. Siz "maktabdagi loyiha ustida ishlashingiz" yoki "futboldagi malakangizni oshirish uchun oʻz ustingizda ishlashingiz" mumkin. Biroq termodinamikada ish aniq maʼnoga ega: jismni maʼlum kuchga qarshi harakatlantirish uchun sarflanadigan energiya. Ish (

W

) sistemaga energiya kiritish va chiqarishning asosiy yoʻllaridan boʻlib, joullarda (

J

) oʻlchanadi.

Sistema tashqi muhitga nisbatan ish bajarganda sistemaning ichki energiyasi kamayadi. Sistema ustida ish bajarilsa, sistemaning ichki energiyasi ortadi. Issiqlik singari ishdagi energiya oʻzgarishi har doim jarayonning bir qismi sifatida sodir boʻladi: sistema ish bajaradi, ammo ishni oʻz ichiga olmaydi.

Doimiy kuchdan ishni topish uchun quyidagi umumiy tenglamadan foydalanishimiz mumkin:

$ish = kuch \times koʻchish$ ‍.

Kimyo kurslarida (fizika kurslaridan farqli oʻlaroq) ushbu tenglamadan kelib chiqadigan eng muhim xulosa shuki, ish koʻchishga hamda foydalanilgan kuchga proporsional boʻladi. Foydalanilgan kuchning turiga qarab ishning tenglamasini turlicha shaklda yozishimiz mumkin. Bajarilgan ishga baʼzi misollar:

Kitobni yerdan tokchaga olib qoʻygan kishi yerning tortish kuchiga qarshi ish bajarmoqda.
Batareyka elektr zanjiri orqali elektr tokini harakatlantirib tok qarshiligiga qarshi ish bajaradi.
- Poldagi qutini itarayotgan bola ishqalanish kuchiga qarshi ish bajaradi.

Termodinamikada gazlarni kengayish yoki siqilish ishlari bizni koʻproq qiziqtiradi.

Termodinamik ish: gazlarning bajargan ishi

Gazlar doimiy tashqi bosimga qarshi kengayish yoki siqilish orqali ish bajarishi mumkin. Gazlarning bajargan ishlari baʼzan bosim-hajm yoki PV ish deb ham ataladi, nima sababdan bunday deyilishini ushbu boʻlim davomida bilib olasiz degan umiddaman!

Porshen ichidagi gazni koʻrib chiqamiz.

Ajoyib savol! Porshenlar atrofimizdagi koʻplab mexanik uskunalarda, xususan, benzinli dvigatellarda foydalaniladi. Men odatda porshenni velosipedning nasosiga juda oʻxshash, deb tasavvur qilaman, ammo agar sizni qiziqtirsa, bu yerda haqiqiy porshen qanday boʻlishi haqida bir qancha maʼlumotlar bor.

Mana bu rasmda yonma-yon joylashgan ikkita porshendan iborat benzinli divigatelning ichki qismi koʻrsatilgan:

Porshen ichidagi bosim oʻzgarganda porshenning pastki qismi tepaga va pastga harakatlanishi mumkin, quyidagi soddalashtirilgan sxemadagi kabi:

Ushbu sxemada porshenning faoliyati dvigatel ichidagi boshqa harakatlarga qanday taʼsir qilish mumkinligi koʻrsatilgan. Benzinli dvigatelda porshen ichidagi bosim yonilgʻi yonganda oʻzgaradi, bunda issiqlik energiyasini chiqadi va porshen ichidagi hajmning oshishiga olib keladi. Gaz porshendan chiqarilganda porshen ichidagi hajm kamayadi. Ushbu jarayon takrorlanishi hisobiga, gʻildiraklaringiz harakatlanadi!

Agar gaz qizdirilsa, gaz molekulalarining energiyasi ortadi. Gazning harorati qanday koʻtarilayotganini oʻlchab, molekulalarning oʻrtacha kinetik energiyasi ortayotganini kuzatishimiz mumkin. Gaz molekulalari qanchalik tezlashsa, ularning porshen devoriga urilishi ham shunchalik ortadi. Bu toʻqnashuvlar natijasida energiya porshenga uzatiladi va uni tashqi bosimga qarshi harakatlantiradi, gazning umumiy hajmini oshiradi. Ushbu misolda porshen va borliqning qolgan qismini oʻz ichiga olgan holda gaz tashqi muhitga nisbatan ish bajarmoqda.

Gazning tashqi bosimga nisbatan qancha ish bajarganini (yoki gazga nisbatan) hisoblash uchun oldingi tenglamaga quyidagicha oʻzgarish kiritamiz:

$ish = w = - P_{tashqi} \times Δ V$ ‍

bu yerda

P_{tashqi}

tashqi bosim (sistemadagi gaz bosimiga qarshi boʻlgan) va

Δ V

gaz hajmining oʻzgarishi (gazning oxirgi va dastlabki hajmlarining farqi):

$Δ V = V_{oxirgi} - V_{dastlabki}$ ‍

Ish ham energiya kabi joullarda oʻlchanadi (bu yerda

1 J = 1 \frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}}

). Ishning oʻlchov birligi sifatida siz boshqa oʻlchov birliklari ham fodalanilganini koʻrishingiz mumkin, masalan, bosim uchun atmosferadan va hajm uchun uchun litrdan foydalanilganda ish

l \cdot atm

da ifodalanadi. Biz

l \cdot atm

dan joulga oʻtish uchun oʻtish koeffitsiyenti

\frac{101.325 J}{1 l \cdot atm}

dan foydalanamiz.

Ishning ishorasi

Shartli ravishda manfiy ish sistemaga tashqi muhitdan ish bajarilganda yuzaga keladi.

Gaz ish bajarganda uning hajmi ortsa ( $Δ V > 0$ ‍), bajarilgan ish manfiy boʻladi.
Gazga nisbatan ish bajarilib gazning hajmi kamaysa ( $Δ V < 0$ ‍), ish musbat boʻladi.

Ishning ishorasini eslab qolishning bir yoʻli gaz energiyasi oʻzgarishi haqida oʻylab koʻrishdir. Gaz tashqi bosimga qarshi kengayish ishi bajarganda tashqi muhitga oʻz energiyasidan maʼlum qismini chiqarishi kerak. Demak, manfiy ish gazning umumiy energiyasini pasaytiradi. Gaz siqilgan vaqtda gazga energiya oʻtadi va gazning energiyasi ortadi, natijada musbat ish bajariladi.

Masala: gaz ustida bajarilgan ishni hisoblang

PV ish uchun tenglamadan qanday foydalanishni tushunish uchun velosiped nasosini tasavvur qiling. Velosiped nasosidagi havo bilan porshen ichidagi ideal gaz bir-biriga yaqin deb olamiz. Nasosdagi havoni siqish orqali uni ustida ish bajaramiz. Dastlab gazning hajmi

3, 00 l

edi. Gazning hajmi

2, 50 l

boʻlgunicha velosiped nasosini

1, 10 atm

doimiy bosim bilan pastga qarab itaramiz. Gaz ustida qancha ish bajardik?

Biz gaz ustida qancha ish bajarganimizni topish uchun oldingi boʻlimdagi formuladan foydalanamiz:

$\begin{aligned} w & = - P_{tashqi} \times Δ V \\ = - P_{tashqi} \times (V_{oxirgi} - V_{dastlabki}) \end{aligned}$ ‍

Agar biz formulaga

P_{tashqi}

V_{oxirgi}

V_{dastlabki}

larni qoʻysak, quyidagilarni olamiz:

$\begin{aligned} w & = - 1, 10 atm \times (2, 50 l - 3, 00 l) \\ = - 1, 10 atm \times - 0, 50 l \\ = 0, 55 l \cdot atm \end{aligned}$ ‍

Keling, hisob-kitobimiz mantiqiy toʻgʻri ekaniga ishonch hosil qilish uchun ishning ishorasini tekshiraylik. Biz bilamizki, bu yerda gaz ustida ish bajarilgan, chunki gaz hajmi kamaygan. Demak, biz hisoblagan ishning qiymati musbat qiymatga ega boʻlishi kerak va bu bizning natijamizga mos keladi. Uraaa! Hisoblangan ishimizni oʻtish koeffitsiyentidan foydalangan holda joulga oʻzgartirishimiz mumkin:

$w = 0, 55 l \cdot atm \times \frac{101,325 J}{1 l \cdot atm} = 56 J$ ‍

Shunday qilib, velosiped nasosidagi gazni

3, 00 l

dan

2, 50 l

gacha siqish uchun

56 J

ish bajarar ekanmiz.

Hajm yoki bosim doimiy boʻlgandagi ish

Kimyo darslarida ishni hisoblash uchun keng tarqalgan bir qancha jarayonlar mavjud va ular bizga ishni tanib olishimizga yordam beradi. Ushbu holatlarda ish qanday hisoblanishini muhokama qilamiz.

Oʻzgarmas hajmdagi jarayonlar

Baʼzi reaksiya va jarayonlar bomba kalorimetri kabi qattiq va germetik konteynerlarda olib boriladi. Hajm oʻzgarmas boʻlganda ish bajarilmaydi, chunki

Δ V = 0

. Bunday hollarda

ish = 0

va sistema uchun energiya oʻzgarishi issiqlik uzatilishi kabi usullarda sodir boʻladi.

Stol (yoki pech) ustidagi reaksiyalar: oʻzgarmas bosim ostida boradigan reaksiyalar

Kimyoda biz koʻpincha oʻzgarmas bosimdagi kimyoviy reaksiyalarda sodir boʻladigan energiyaning oʻzgarishi bilan qiziqamiz. Masalan, siz stol ustidagi ogʻzi ochiq stakanda reaksiyani olib borishingiz mumkin. Ushbu sistemada doimiy bosim ostida boʻladi, chunki sistemadagi bosim atrofdagi atmosfera bosimi bilan tenglashib turadi.

Bu jarayonlarda sistemaning hajmi oʻzgaradi, yaʼni

Δ V \neq 0

va ish nolga teng boʻlmaydi. Issiqlik sistema (bizning reaksiyada) va atrof-muhit oʻrtasida almashinishi mumkin, reaksiyada energiya oʻzgarishini hisoblayotganda bajarilyotgan ishni ham inobatga olish kerak. Reaksiya vaqtida gaz hosil boʻlsa yoki yutilsa, yaʼni reaksiya davomida gazsimon reagent va gaz mahsulotning moli oʻzgarsa, ishga sarflangan energiyaning ulushi sezilarli darajada boʻladi.

Boshqa kimyoviy jarayonlar natijasida ham kichik hajm oʻzgarishlari sodir boʻladi, masalan, suyuq fazadan qattiq fazaga oʻtganda. Bunday hollarda ish tufayli energiya oʻzgarishi juda kam boʻladi va hatto energiya oʻzgarishini hisoblashda eʼtiborga olinmasligi mumkin. Ish, issiqlik va energiya uzatishning boshqa shakllari oʻrtasidagi oʻzaro bogʻliqlik termodinamikaning birinchi qonuni nuqtayi nazaridan koʻrib chiqiladi.

Xulosalar

Ish bu – biron-bir kuchga qarshi harakat qilish uchun zarur boʻgan energiya.
Sistemaning energiyasi issiqlik uzatilishi natijasida ishga va boshqa energiya turlariga oʻzgarishi mumkin.
Gazlar quyidagi tenglama boʻyicha kengayish yoki siqilish ishlarini bajaradi:
$ish = - P Δ V$ ‍

Mavzuga oid manbalar

Ushbu maqola quyidagi maqolalar bilan uzviy bogʻlangan:

“Termodinamikaning birinchi qonuni” UC Davis ChemWiki dan, CC BY-NC-SA 3.0 US.
"Ish" UC Davis ChemWiki dan, CC BY-NC-SA 3.0 US.

Maqola CC BY-NC-SA 4.0 litsenziyasi asosida litsenziyalangan.

Qoʻshimcha maʼlumotlar

McMurry, J.E. and Fay, R.C. (2014). Internal Energy and Enthalpy of Molecules. In General Chemistry: Atoms First (2nd ed., pp. 281-282), Upper Saddle River, NJ: Pearson.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.

Kimyo

Course: Kimyo > Unit 15