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:
start text, i, s, h, end text, equals, minus, start text, P, end text, delta, start text, V, end text

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 (start text, W, end text) sistemaga energiya kiritish va chiqarishning asosiy yoʻllaridan boʻlib, joullarda (start text, J, end text) 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:

start text, i, s, h, end text, equals, start text, k, u, c, h, end text, times, start text, k, o, ʻ, c, h, i, s, h, end text.

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.

[Shoshmang-chi, porshen nima oʻzi?]

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:

start text, i, s, h, end text, equals, start text, w, end text, equals, minus, start text, P, end text, start subscript, start text, t, a, s, h, q, i, end text, end subscript, times, delta, start text, V, end text

bu yerda start text, P, end text, start subscript, start text, t, a, s, h, q, i, end text, end subscript tashqi bosim (sistemadagi gaz bosimiga qarshi boʻlgan) va delta, start text, V, end text gaz hajmining oʻzgarishi (gazning oxirgi va dastlabki hajmlarining farqi):

delta, start text, V, end text, equals, start text, V, end text, start subscript, start text, o, x, i, r, g, i, end text, end subscript, minus, start text, V, end text, start subscript, start text, d, a, s, t, l, a, b, k, i, end text, end subscript

Ish ham energiya kabi joullarda oʻlchanadi (bu yerda 1, start text, J, end text, equals, 1, start fraction, start text, k, g, end text, dot, start text, m, end text, squared, divided by, start text, s, end text, squared, end fraction). Ishning oʻlchov birligi sifatida siz boshqa oʻlchov birliklari ham fodalanilganini koʻrishingiz mumkin, masalan, bosim uchun atmosferadan va hajm uchun uchun litrdan foydalanilganda ish l, dot, start text, a, t, m, end text da ifodalanadi. Biz l, dot, start text, a, t, m, end text dan joulga oʻtish uchun oʻtish koeffitsiyenti start fraction, 101, point, 325, start text, J, end text, divided by, 1, space, l, dot, start text, a, t, m, end text, end fraction dan foydalanamiz.

Ishning ishorasi

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

Gaz ish bajarganda uning hajmi ortsa (delta, start text, V, end text, is greater than, 0), bajarilgan ish manfiy boʻladi.
Gazga nisbatan ish bajarilib gazning hajmi kamaysa (delta, start text, V, end text, is less than, 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, comma, 00, l edi. Gazning hajmi 2, comma, 50, l boʻlgunicha velosiped nasosini 1, comma, 10, start text, a, t, m, end text doimiy bosim bilan pastga qarab itaramiz. Gaz ustida qancha ish bajardik?

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

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

Agar biz formulaga start text, P, end text, start subscript, start text, t, a, s, h, q, i, end text, end subscript, start text, V, end text, start subscript, start text, o, x, i, r, g, i, end text, end subscript va start text, V, end text, start subscript, start text, d, a, s, t, l, a, b, k, i, end text, end subscript larni qoʻysak, quyidagilarni olamiz:

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

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:

start text, w, end text, equals, 0, comma, 55, start cancel, l, dot, start text, a, t, m, end text, end cancel, times, start fraction, 101, comma, 325, start text, J, end text, divided by, 1, start cancel, l, dot, start text, a, t, m, end text, end cancel, end fraction, equals, 56, start text, J, end text

Shunday qilib, velosiped nasosidagi gazni 3, comma, 00, l dan 2, comma, 50, l gacha siqish uchun 56, start text, J, end text 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 delta, start text, V, end text, equals, 0. Bunday hollarda start text, i, s, h, end text, equals, 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 delta, start text, V, end text, does not equal, 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:
start text, i, s, h, end text, equals, minus, start text, P, end text, delta, start text, V, end text