Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք, թերմոդինամիկայի երեք հիմնական օրենքներից մեկը, էներգիայի պահպանման օրենքը թերմոդինամիկական համակարգի համար։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ձևակերպվել է 19-րդ դարի կեսին Յուլիուս Մեյերի, Ջեյմս Ջոուլի և Հերման Հելմհոլցի աշխատանքների արդյունքում^[1]։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն՝ թերմոդինամիկական համակարգը կարող է աշխատանք կատարել միայն իր ներքին էներգիայի կամ էներգիայի որևէ արտաքին աղբյուրների հաշվին։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը հաճախ ձևակերպվում է որպես առաջին սեռի հավերժական շարժիչի գոյության անհնարինություն։ Առաջին սեռի հավերժական շարժիքը աշխատանք պիտի կատարեր՝ առանց որևէ աղբյուրից էներգիա սպառելու։

Ձևակերպում խմբագրել

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մի քանի համարժեք ձևակերպումներ կան․

Ցանկացած մեկուսացված համակարգում էներգիայի պաշարը մնում է հաստատուն^[2]։ Սա Ջոուլի ձևակերպումն է (1842 թ․)։

Համակարգի ստացած ջերմաքանակը ծախսվում է նրա ներքին էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի դեմ աշխատանք կատարելու վրա։

Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մի վիճակից մյուսին անցնելիս հավասար է արտաքին ուժերի աշխատանքի և համակարգին հաղորդված ջերմաքանակի գումարին, այսինքն՝ կախված է միայն համակարգի սկզբնական ու վերջնական վիճակներից և կախված չէ այդ անցումն իրականացնելու եղանակից։ ԱՅս սահմանումը հատկապես կարևոր է քիմիական թերմոդինամիկայի համար^[2] (դիտարկվող պրոցեսների բարդության պատճառով։ Այլ կերպ ասած, ներքին էներգիան վիճակի ֆունկցիա է։ Ցիկլիկ պրոցեսում ներքին էներգիան չի փոփոխվում։

$\oint dU=0$
։

Համակարգի լրիվ էներգիայի փոփոխությունը քվազիստատիկ պրոցեսում հավասար է համակարգին հաղորդված $Q$ ջերմաքանակի, $\mu$ քիմիական պոտենցիալով $N$ նյութի քանակի հետ կապված էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի ու դաշտերի կողմից կատարված $A'$ աշխատանքի^[3] գումարին, հանած համակարգի կողմից արտաքին ուժերի դեմ կատարված $A$ աշխատանքը․
$\Delta U=Q-A+\mu \Delta N+A'$ ։

$\delta Q$ տարրական ջերմաքանակի, $\delta A$ տարրական աշխատանքի և $dU$ ներքին էներգիայի փոքր աճի համար թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ընդունում է հետևյալ տեսքը․

dU=\delta Q-\delta A+\mu dN+\delta A'

։

Աշխատանքի տարաբաժանումը երկու մասի, որոնցից մեկը նկարագրում է համակարգի վրա կատարված աշխատանքըմ իսկ մյուսը՝ հենց համակարգի կատարած աշխատանքը, ընդգծում է, որ այդ աշխատանքները կարող են կատարվել տարբեր բնույթի ուժերով տարբեր ուժերի աղբյուրների հետևանքով։

$dU$ -ն և $dN$ -ն լրիվ դիֆերենցիալներ են, իսկ $\delta A$ -ն ու $\delta Q$ -ն՝ ոչ։

Նշանների կանոնը ջերմության և աշխատանքի համար խմբագրել

Գիտական և ուսումնական գրականության մեջ կարելի է հանդիպել թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի ձևակերպման տարբերակների, որոնք տարբերվում են $Q$ -ից և $A$ -ից առաջ $+$ կամ $-$ նշաններով։ Այս տարբերությունները պայմանավորված են «աշխատանքի և ջերմության համար նշանների կանոններ» կոչվող համաձայնությամբ։ Ըստ IUPAC-ի հանձնարարականների՝ փակ համակարգում հավասարակշիռ պրոցեսի համար առաջին օրենքը գրվում է հետևյալ առնչության տեսքով^[4]․

\Delta U=Q+A.

(Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը IUPAC- ձևակերպումով)

Այս արտահայտության մեջ օգտագործված է ջերմության և աշխատանքի համար IUPAC-ի նշանների կանոնը,երբ նշանները $U$ -ից, $Q$ -ից և $A$ -ից առաջ համընկնում են, դրական է համարվում համակարգին տրված ջերմությունը և համակարգի վրա կատարած աշխատանքը, իսկ բացասական՝ համակարգից խլված ջերմությունը և համակարգի կատարած աշխատանքը։ IUPAC-ի նշանների համակարգը մտապահելու համար մնեմոնիկական «էգոիստական» կանոնը․ դրական է այն, ինչը մեծացնում է համակարգի ներքին էներգիան^[5]։

Մասնավոր դեպքեր խմբագրել

Դիտարկենք մի քանի մասնավոր դեպքեր․

Եթե $\delta Q>0$ , ապա համակարգին հաղորդվում է ջերմություն,
Եթե $\delta Q<0$ , վերցրվում է,
Եթե $\delta Q=0$ , ապա համակարգը ջերմափոխանակություն չի անում շրջակա միջավայրի հետ հետևյալ պատճառներից մեկով․ կամ գտնվում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում շրջակա միջավայրի հետ, կամ ադիաբատ մեկուսացված է։

Վերջավոր $1\to 2$ պրոցեսում տարրական ջերմաքանանակը կարող է ցանկացած նշանի լինել։ Ընդհանուր ջերմաքանակը, որը նշանակել ենք $Q$ , պրոցեսի բոլոր մասերում հաղորդված ջերմաքանակների հանրահաշվական գումարն է։ Պրոցեսի ընթացքում ջերմությունը կարող է մտնել համակարգ կամ դուրս գալ համակարգից տարբեր եղանակներով։

Համակարգի վրա կատարված աշխատանքի և էներգիա-նյութ հոսքի բացակայության դեպքում, երբ $\delta A'=0$ , $\delta Q=0$ , $dN=0$ , համակարգի կատարած $\delta A$ աշխատանքը հանգեցնում է նրան, որ $\Delta U<0$ , և համակարգի $U$ էներգիան նվազում է։ Քանի որ $U$ ներքին էներգիայի պաշարը սահմանափակ էր, ապա պրոցեսը, որում համակարգը անվերջ երկար ժամանակ աշխատանք է կատարում առանց դրսից էներգիա հաղորդելու, հնարավոր չէ, ինչն էլ արգելում է առաջին սեռի հավերժական շարժիչների գոյությունը։ Թերմոդինամիկայի առաջին սկզբունքը․

իզոբար պրոցեսի դեպքում․

Q=\Delta U+A=\Delta U+p\Delta V

,

իզոխոր պրոցեսի դեպքում ( $A=0$ )․

Q=\Delta U={m \over M}C_{V}\Delta T

,

իզոթերմ պրոցեսի դեպքում $(\Delta U=0)$ ․

Q=A={m \over M}RT\ln {V_{2} \over V_{1}}

։

Այստեղ $\ m$ -ը գազի զանգվածն է, $\ M$ -ը՝ մոլային զանգվածը, $\ C_{V}$ -ն՝ մոլային ջերմունակությունը հաստատուն ծավալի դեպքում, $\ p,V,T$ -ն՝ համապատասխանաբար գազի ճնշումը, ծավալը և ջերմաստիճանը, ընդ որում վերջին հավասարությունը ճիշտ է միայն իդեալական գազի համար։

Տես նաև խմբագրել

Ծանոթագրություններ խմբագրել

↑ Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. С. 231—235.
↑ ^2,0 ^2,1 Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия: Учеб. для хим.-тех. спец. вузов/Под ред. А. Г. Стромберга. — 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Высшая школа, 1988г.— 496 с.— с.62
↑ Տեսական և կիրառական քիմիայի միջազգային միության հանձնարարականի համաձայն՝ աշխատանքը քիմիական թերմոդինամիկայում պետք է նշանակել W (տես անգլ.՝ E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008) — p. 56.
↑ Cohen E. R. e. a., Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2007, էջ 56
↑ Коган В. Е. и др., Физическая химия, 2013, էջ 51

Գրականություն խմբագրել

The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 44: The Laws of Thermodynamics
Cohen E. R., Cvitaš T., Frey J. G. e. a. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 3rd ed. — Cambridge: The Royal Society of Chemistry Publishing, 2007. — XIV + 234 с. — ISBN 978-0-85404-433-7
Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. — М.: Изд-во МЭИ, 2004. — 159 с. — ISBN 5-7046-1094-3
Коган В. Е., Литвинова Т. Е., Чиркст Д. Э., Шахпаронова Т. С. Физическая химия / Науч. ред. проф. Д. Э. Чиркст. — СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013. — 450 с.
Кочергин С. М., Добреньков Г. А., Никулин В. Н. и др. Краткий курс физической химии / Под ред. Кондратьева С. Н.. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 312 с.

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 4, էջ 180)։

[1] Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. С. 231—235.

[stromberg-2] 2,0 ^2,1 Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия: Учеб. для хим.-тех. спец. вузов/Под ред. А. Г. Стромберга. — 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Высшая школа, 1988г.— 496 с.— с.62

[iupac-3] Տեսական և կիրառական քիմիայի միջազգային միության հանձնարարականի համաձայն՝ աշխատանքը քիմիական թերմոդինամիկայում պետք է նշանակել W (տես անգլ.՝ E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008) — p. 56.

[Cohen_E._R._e._a.,_Quantities,_Units_and_Symbols_in_Physical_Chemistry—2007——56-4] Cohen E. R. e. a., Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2007, էջ 56

[Коган_В._Е._и_др.,_Физическая_химия—2013——51-5] Коган В. Е. и др., Физическая химия, 2013, էջ 51

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]