Қайтымды және қайтымсыз процестер

           Қайтымды  және қайтымсыз процестер  

       Термодинамика физиканың бір  бөлімі ретінде энергия мен  жұмыстың арасындағы қатысты  қарастырады. Термодинамиканы кейде  жылудың жалпы теориясы деп  те атайды, термодинамикалық дене  немесе термодинамикалық жүйе  деп белгілі бір көлемге ие болатын затты айтады. Мысалы, цилиндр поршенінің астындағы газды термодинамикалық дене деп айта аламыз. Термодинамикалық жүйе (дене) үш параметрмен (Т температура, V көлем және Р қысым) сипатталады. Термодинамикалық жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін термодинамикалық процесс деп атайды. (Бір күйден екінші күйге өткенде бір параметрдің мәні өзгерсе болғаны). Айталық, термодинамикалық жүйе бір күйден (У₁, Р_1, Т₁) екінші күйге (У₂, Р₂, Т₂ ) өтті, яғни бірнеше күйлерді басынан кешірді делік.

     Қайтымды  термодинамикалық  процесс деп  жүйенің алғашқы күйіне қоршаған ортаға ешқандай өзгерістер қалдырмай  оралуы айтылады. Қайтымды процестерге  тек тепе – теңдік процестер ғана жатады. Өйткені, тепе – теңдік процесінде жүйе бір – бірінен айырмашылығы өте аз көптеген күй тізбегінен өтеді. Мұндай күй тізбегі әуелі бір бағытта, сонан соң кері бағытта өткен кезде кез келген аралықта жүйені қоршаған ортадағы өзгерістер тек мәндерінің теріс немесе оң таңбаларымен ғана ерекшеленеді. Сондықтан жүйе өзінің бастапқы күйіне қайта оралғанда айнала қоршаған ортада болған өзгерістер қайта жойылып, бастапқы күйге келеді.

     Қайтымды  процеске мысал келтірейік. Абсолют  серпімді дененің, мысалы, шардың көлбеу жазықтықпен кедергісі жоқ ортада еркін түсуін қарастырайық. Егер дене горизонталь жазықпен абсолют серпімді соғысса, ол өзінің бастапқы орнына сол траекториямен қайтып оралады. Бұл жере процесс толық қайталанып отыр. Айналадағы ортада қандай да бір өзгерістер болмасын, дене өзінің бастапқы орнына қайта оралады. Үйкеліссіз тербеліп тұрған маятниктің қозғалысын да осындай қайтымды процестің мысалы ретінде қарастыруға болады: маятник өзінің жарты период ішінде А нүктесінен В нүктесіне дейін жүрген жолын екінші жарты период ішінде кері бағытпен қайта жүріп өтеді және А нүктесіне айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер болмастан оралады.

     Сонымен, жалпы алғанда ойша үйкеліссіз өтетін және серпімсіз соқтығулар қатыспайтын  “таза” механикалық процестердің барлығын да қайтымды процесс деп  қарастыруға болады.

     Денені  бір күйден екінші күйге келтіретін процесс үшін термодинамиканың бірінші бастамасын жазайық:

                            ∆Q_1,2 = ∆U_1,2+∆А_1,2                                           (1)

       Сыртқы әсерді өзгерте отырып, жүйені 2-күйден алғашқы 1-күйіне  қайта алып келуге болады, сонда:

                                            ∆Q_2,1 = ∆U_2,1+∆А_2,1                                          (2) 

     Бұл тектес процестер циклдік немесе тұйық деп аталады. Жоғарыда қарастырғанымыздай, ішкі энергия жүйе күйінің функциясы болып табылады, сондықтан (1) мен (2) қосу арқылы мынаны аламыз:

                                            ∆Q_1,2+∆Q_2,1=∆А_1,2+∆А_2,1                  (3)

1 – күйден 2 –  күйге өту тепе – теңдік  процесс болсын, яғни зерттелетін  жүйенің температурасы мен жылу  көзінің (қоршаған ортаның) температура айырымы, сондай – ақ ішкі және сыртқы қысымдар айырымы өте аз жағдайда өтсін дейік. Сонда сыртқы әсерді өзгертіп, (бағытын теріс, қарама – қарсы өзгерте отырып) бірінші жағдайда (1→2) орын алған күй кезеңдерінен тепе – теңдік жағдайда қайта өткізіп, жүйені екінші күйден бірінші күйге қайтаруға болады (1 - сурет). Бұл жағдайда, әрине  ∆А_1,2=-∆А_2,1, болады да, (3) бойынша  ∆Q_1,2+∆Q_2,1=0.

Сыртқы денелердің өзгерісі әдетте, олардың үстінен

немесе олардың  өзінің жүйе үстінен жұмыс істеуіне

және жылу беруіне  байланысты болады да, қарасты-

рылатын жағдайда бұл жұмыстардың қосындысы 0-

ге тең болғандықтан, жүйе біраз өзгерістерден соң  өзінің алғашқы 1 күйіне қайтып келеді.

Тәжірибелерден  температуралар айырымының нәтижесінде  олардың азаю бағытында жүретін жылу беру процестері, мұндай процестерге квази тепе – теңдік (тепе – теңдік күй тізбегі ) өзгерістерге ұшырайтын денелер қатысуына қарамай, қайтымсыз процеске жатады. Кез келген денелердің тепе – теңдік өзгерістері қайталанатын процесс болады деп айта алмайтынымыз осыдан шығады. Мынадай бір мысал келтірейік. Температуралары Т₁ және Т₂ болатын екі дене берілсін ( Т₁ > Т₂). Егер осы денені жылуды нашар өткізетін өткізгішпен жалғасақ, жылу алмасу өте жай өтеді де, бұл процесс квази тепе – теңдік (тепе – теңдік күй тізбегі ) жағдайда өтеді. Екі дененің температурасы

 бірдей мәнге  ие болған соң, өткізгішті алып  тастап (2 – сурет),

бірінші денені температурасы Т₁ тең термостаттың көмегімен

бастапқы күйіне тепе – теңдік жағдайында келтіруге болады.

Мұндай операцияны екінші денеге де қатысты басқа бір  термо-

статтың көмегімен  жүргізуге болады. Бұл қарастырылған  жағ-

дайда екі дене де өздерінің бастапқы күйлеріне  тепе – теңдік

жағдайда келтіріліп отыр. Дегенмен бұл процесс жалпы  қайталанбайтын процеске жатады. Себебі температурасы Т₁ термостат белгілі бір жылуды берсе, дәл сондай жылуды Т₂ болатын термостат алып отыр. Сонымен 1 және 2 денелер өздерінің бастапқы күйлеріне квази тепе – теңдік жағдайда қайтып оралғанымен қоршаған ортада (термостаттарда) белгілі өзгерістер қалып отыр.

(3) теңдеуімен  сипатталатын денелердің тура  және кері бағыттарда өтетін  өзгерістерін қайта қарастырайық. Егер тура бағыттағы процесс  (1→2) ішкі және сыртқы күштердің  шектік айырымдары болуына байланысты  тепе – теңдікте болмаса, онда бірдей сыртқы денелерді пайдалана отырып, процесті кері бағытта, жүйенің тура бағытта және кері бағытта жасаған жұмыстары бір – бірін жоятындай етіп, жүргізуге болмайды:

∆А_1,2≠∆А_2,1

     Сонымен, кез келген тепе – теңсіз процесс  қайталанбайтын процесс болып табылады, яғни тепе – теңсіз өзгеріске ұшыраған денені сыртқы әсерлердің көмегімен бастапқы күйіне қайта келтіруге болады, бірақ бұл жағдайда сыртқы ортадағы денелерде белгілі өзгерістер қалады  ∆А_1,2+ ─∆А_2,1 ≠  0;   ∆Q_1,2+∆Q_2,1   ≠  0.

     Қайталанбайтын процестің айқын мысалы ретіне газдың бос кеңістікте (вакуумда) ұлғаюын айтуға болады. Мұндай жағдайда газ ұлғаю барысында жұмыс істемейді (сыртқы денелер жоқ). Бұл мысалда кез келген қайталанбайтын процесс бір бағытта өз еркімен жүреді де, ал оны (газды) бастапқы күйіне қайта алып келу үшін белгілі бір жұмыс атқаруға тура келеді де (мысалы, газды сығу), бұл қоршаған денелердегі белгілі өзгерістердің өтуіне әкеп соғады.

     Қайталанбайтын  процестің физикалық табиғатын  екі газдың өзара диффузиясымен  жақсы түсіндіруге болады. Мысалы, цилиндр ішіндегі қалқанның бір жағында гелий (кіші молекулалар), ал екінші жағында аргон (үлкен молекулалар) орналасқан болсын. Қалқанды алсақ, екі газдың арасында диффузия жүре бастайды. Гелий молекулалары аргон молекулаларымен соқтығыса отырып, біртіндеп аргон орналасқан көлемге, ал аргон молекулалары, керісінше, гелий орналасқан көлемге өте бастайды. Осындай бөлшектердің көптеген соқтығысулары жүйені қайталанбайтын өзгерістерге әкеледі.

     Егер  осы соқтығысуларды біз киноға түсіріп алып, кері қарай жүргізсек, көптеген соқтығысулардың нәтижесінде газдардың өз еркімен бөлінгенін көрер едік. Бірақ табиғатта мұндай құбылыстар бақыланбайды. Қарастырылған мысалда тәжірибенің басында жүйеде белгілі бір тәртіп бар еді, яғни екі түрлі газ цилиндрдің екі бөлігінде орналасқан болатын. Молекулалардың хаосты соқтығысуларының нәтижесінде бастапқы тәртіп бұзылады. Тәртіпті, ретті жағдайдан тәртіпсіз, ретсіз жағдайға көшу – қайталанбайтын процестердің негізгі физикалық мағынасы, міне, осында жатыр. Сонымен барлық процестерді қайталанбайтын және қайталанатын деп екіге бөлдік. Осыған сәйкес термодинамиканың екінші бастамасы да қайталанатын және қайталанбайтын процестер үшін тұжырымдалады.

Әл –  Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Универстиеті 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат: 

Қайтымды  және қайтымсыз

процестер 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Орындаған: Медянова Б.С. 113 МВ

        Тексерген: Мухамеденқызы В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Алматы - 2010