Текст выступления:

Стационар емес процестер
1. Стационар емес процестер: негізгі ұғымдар мен ортақ тақырыптар

Бүгінгі сөзіміздің тақырыбы – уақытқа тәуелді өзгеретін физикалық құбылыстарды, яғни стационар емес процестерді тереңірек түсіну. Бұл құбылыстар ғылым мен техникада кең таралған және біздің қоршаған әлемдегі көптеген үдерістердің негізін құрайды.

2. Стационар емес процестердің зерттелу тарихы және физикадағы орны

Стационар емес процестерді зерттеу жұмыстары XIX ғасырда басталды. Сол замандарда өнеркәсіп пен инженерия салалары қарқынды дамып, уақытқа тәуелді өзгерістерді бақылау қажеттілігі туды. Бұл зерттеулер термодинамика мен электродинамика мен байланысты болды және техникалық жүйелердің тиімді басқарылуына үлкен ықпал етті. Мәселен, жылу қозғалысы мен электр тогының уақытша өзгерістері инженерлік есептеулердің маңызды бөлігіне айналды.

3. Стационар емес процестердің физикалық анықтамасы

Стационар емес процесс – белгілі шамалардың, мысалы температура немесе қысымның, уақыт өте өзгеріп отыруы. Мұнда жүйе тұрақты күйде болмайды, үнемі жаңа жағдайға өтеді. Бұл процесс барысында сыртқы факторлар және бастапқы шарттар басты рөл ойнайды, себебі олар жүйенің динамикасын анықтайды. Мысалы, күннің жылу энергиясының әсерінен ауа температурасы күн бойы өзгеріп отырады, ал айнымалы электр тогы да стационар емес процестің нақты үлгісі болып табылады.

4. Табиғаттағы стационар емес процестерге мысалдар

Табиғатта стационар емес процестердің көптеген мысалдары бар. Мысалы, өзен суларының деңгейі жауын-шашын мен булану себепті үздіксіз өзгеріп отырады. Бұған қоса, зарарлы газдардың атмосферадағы таралуы желдің бағыты мен күші өзгерген сайын өзгеріп, экожүйеге әсер етеді. Сондай-ақ, жыл мезгілдерінің ауысуы мен температураның маусымдық ауытқулары тұрақты емес процестердің кеңінен тараған көріністері.

5. Стационар және стационар емес процестер арасындағы негізгі айырмашылықтар

Стационар процестерде параметрлер, мысалы температура немесе қысым, уақыт бойы өзгермейді және тұрақты болады. Мысалы, бөлмедегі тұрақты температура. Ал стационар емес процестерде бұл параметрлер үнемі өзгеріп отырады, мысалы, күндізгі ауа температурасының ауысуы. Электр тогына келсек, тұрақты ток стационар болып саналады, өйткені оның күші мен бағыты тұрақты, ал айнымалы ток стационар емес, өйткені ток күші мен бағыты жиі өзгеріп тұрады.

6. Техникадағы стационар емес процестер мысалдары

Күнделікті техникада стационар емес процестерге көп куә боламыз. Мысалы, автокөліктің қозғалтқышын қосқанда, оның қызуы бірден орнығып қалмай, уақыт өте баяу артады. Бұл қозғалтқыштың стационар емес қызу процесі. Сонымен қатар, химиялық реакторларда бастапқы концентрациялардың өзгеруі арқылы реакцияның жылдамдығы уақыт бойынша өзгеріп, техникалық жабдықтардың жұмысын тікелей әсер етеді.

7. Стационар емес процестердің негізгі белгілері

Стационар емес процестердің басты ерекшелігі – негізгі физикалық шамалардың, мысалы температура, қысым, көлемнің, уақыт бойынша үздіксіз өзгеруі. Бұл үдерістерде бастапқы және шекаралық шарттардың маңызы зор, себебі олар процестің барысына тікелей ықпал етеді. Бұған қоса, сыртқы факторлар, мысалы жылу көзі немесе энергия алмасуы, үнемі процессті динамикалық етеді.

8. Сыртқы факторлардың стационар емес процестерге әсері

Стационар емес процестерге сыртқы факторлардың әсері үлкен. Мысалы, сыртқы температураның өзгерістері процестің жылдамдығы мен бағытына тікелей ықпал етеді. Атмосфералық қысымның ауытқуы газдардың күйін өзгертіп, процесті өзгертеді. Қосымша, жарық мөлшерінің өзгеруі фотохимиялық реакцияларға әсер етіп, процестің сипаттамасын өзгертеді. Желдің күші мен бағыты заттардың таралуы мен энергия балансының қалыптасуына әсер етіп, өндірістік процестерде маңызды рөл атқарады.

9. Нақты өмір мысалдарының салыстырмалы кестесі

Осы кесте стационар және стационар емес процестердің негізгі сипаттамалары мен нақты өмірдегі мысалдарын көрсетеді. Мысалы, стационар процестерге тұрақты бөлме температурасы, ал стационар емес процестерге ауа райының күнделікті өзгеруі жатады. Бұл көрсеткіштер процестердің әртүрлілігі мен олардың күнделікті тұрмыстағы маңыздылығын айқын көрсетеді. Бұл мәліметтер 9-сынып физика оқулығынан алынған және балабақшадан бастап жоғары оқу орындарына дейін білім жүйесінде қолданылады.

10. Стационар емес процестерге қатысты негізгі терминдер

Бұл тақырыпта біз стационар емес процестерге байланысты негізгі терминдерге тоқталамыз. Фазалық ауысу – заттың қаттыдан сұйыққа немесе газға өту үдерісі, мысалы мұздың еруі немесе судың булануы. Жылуөткізгіштік – дененің жылуды сыртқы ортаға беру қабілеті, стационар емес процестерді талдауда маңызды критерий. Уақытша диаграмма процестегі параметрлердің уақыт бойынша өзгеруін визуалды түрде бейнелеп, динамикалық күйді түсінуге көмектеседі.

11. Стационар емес процестерді сипаттайтын математикалық модельдер

Стационар емес процестер көбінесе уақыт бойынша өзгеретін параметрлерді сипаттайтын дифференциалдық теңдеулер арқылы математикалық модельденеді. Мысалы, жылу өткізгіштік теңдеуі арқылы заттың қызуы немесе салқындау кезіндегі температура өзгерісі қарастырылады. Химиялық реакциялардың кинетикасы бірінші ретті реакция теңдеуімен сипатталып, концентрациялардың уақытқа тәуелді өзгерісін көрсетеді. Бұл модельдер инженерлік есептеулер мен ғылыми зерттеулерде процестердің динамикасын болжау және ұтымды басқару үшін негіз болады.

12. Температураның уақыт бойынша өзгеруінің графигі

Графикте заттың қызып немесе суыған кездегі температураның біртіндеп өзгеруі көрсетілген, бұл мектептегі тәжірибелерде жиі қолданылатын эксперимент. Бұл графиктің талдауынан температура тепе-теңдік күйге қарай баяу өзгереді, стационар емес процестердің ерекшелігі ретінде өзгерістердің уақытқа созылатынын ұғынуға мүмкіндік береді.

13. Стационар емес процестердің ғылым мен техникадағы қолданылу аясы

Стационар емес процестердің қолданылу аясы өте кең. Химиялық реакциялардың жылдамдықтарын модельдеу өндіріс тиімділігін арттыруға және зиянды қалдықтарды азайтуға септігін тигізеді. Метеорологияда ауа райының күрделі өзгерістерін болжау үшін стационар емес процесстердің динамикасын зерттеу қауіпті табиғи құбылыстарды ерте анықтауға қатысты. Энергетика саласында электр станцияларының жүктемесін басқару және тиімділігін арттыруға арналған процестердің уақыт бойынша өзгерістері мұқият қадағаланады.

14. Қалпына келу уақыты және оның маңызы

Қалпына келу уақыты — жүйенің жаңа күйге толық бейімделуін сипаттайтын маңызды параметр. Мысалы, электр қозғалтқышы толық жұмыс режиміне өту үшін белгілі бір уақыт қажет. Егер қалпына келу уақыты қысқа болса, жүйе тиімді жұмыс істейді. Ал бұл уақыт ұзақ болғанда басқару мен қауіпсіздік шараларын жетілдіру қажет болады, бұл техниканың сенімділігін арттыруға бағытталған маңызды фактор.

15. Стационар емес процестерді бақылау және өлшеу тәсілдері

Стационар емес процестерді тиімді бақылау үшін жаңа технологияларды пайдалану қажет. Датчиктер мен сенсорлар температура, қысым, жылдамдық сияқты параметрлерді нақты уақыт режіміде өлшейді. Компьютерлік жүйелер ақпаратты жинап, өңдеп, процестің дамуын визуалды түрде көрсетеді. Сандық модельдеу әдістері арқылы процестердің алдын ала анализін жасап, әртүрлі сценарийлер зерттеледі. Сонымен қатар, күнделікті бірнеше рет алынатын бақылау деректері өзгерістер мен ақауларды ерте анықтауға мүмкіндік береді, бұл процестің тұрақтылығын қамтамасыз етеді.

16. Стационар емес процестердегі қауіпті жағдайлар және олардың алдын алу

Құрылымдардың қызып кетуі — бұл өндіріс орындарында және инженерлік жүйелерде жиі кездесетін аса қауіпті жағдай. Мысалы, бу қазанындағы қызу жоғары температура мен қысымның өсуіне әкеліп, техникаға және адамдардың өміріне қауіп төндіреді. Бұндай жағдайларды болдырмау үшін үнемі терең бақылау қажет. Бұл ретте автоматтандырылған жүйелердің көмегі зор, олар уақытылы дабыл беріп, аварияның алдын алуға мүмкіндік береді.

Табиғи апаттар, оның ішінде өзен суының тасуы — жыл сайын миллиардтаған адамға қауіп төндіретін жайт. Мұндай жағдайларда уақытылы бағалау және алдан алу шараларын қабылдау өмір мен мүлік қауіпсіздігін сақтауда шешуші рөл атқарады.

Химиялық процестердегі бақылаусыз реакциялар өндіріс қауіпсіздігі үшін аса маңызды. Автоматтандырылған жүйелер орнату арқылы осы реакцияларды жіті қадағалап, күтпеген апаттардың алдын алуға болады. Бұл заманауи технологиялардың адам және қоршаған орта қауіпсіздігін қамтамасыз етудегі рөлін айқын көрсетеді.

17. Заманауи технологиялардағы стационар емес процестерді басқару

Индустрия 4.0 дәуірінде өндіріс саласында процестер автоматтандырылып, деректерді нақты уақыт режимінде өңдеу технологиялары кеңінен қолданылады. Бұл жүйелер өндіріс тиімділігін арттырып, адам факторынан туындайтын қатерлерді азайтады.

Смарт жүйелер сенсорлардан алынған мәліметтер негізінде процестердегі ауытқуларды жедел анықтайды және тиісті басқару шешімдерін ұсынады. Мысалға, датчиктер машина параметрлерінің өзгеруін байқап, зақымданудың алдын алады.

Роботталған желілер күрделі процестерді оңтайлы бақылай отырып, өндіріс өнімділігін арттырады және жұмысшылардың қауіпсіздігін жақсартады. Бұл технологиялар өндіріс орындарындағы ең қауіпті жұмыстарды роботтарға жүктейді.

Жасанды интеллекттің көмегімен жүйелер өздігінен үйреніп, жағдайға бейімделіп, процестерді жоғары тиімділікпен басқарады. Бұл технологиялар индустриялық процестерді жетілдіруде инновациялық қадамдар болып табылады.

18. Бірнеше стационар емес процестердің уақыт бойынша салыстырмалы графигі

ҚазҰУ Физика факультетінің деректері бойынша салыстырмалы график бірнеше физикалық шамалардың уақыттан тәуелділігін көрсетеді. Бұл мәліметтер өзгерістердің күрделілігін және олардың өзара тәуелділігін айқындайды.

Графиктің талдауы нәтижесінде қысым мен концентрацияның өзгерістері температураға қарағанда күрделі динамикаға ие екені анықталды. Бұл зерттеу стационар емес процестердің физикалық химиялық негіздерін түсінуде маңызды қадам ретінде бағаланады.

19. Болашақтағы инновациялар мен зерттеу трендтері

Экологиялық таза өндіріс технологияларында жаңа материалдар қолдану зерттелуде. Мысалы, биоразлагаемые пластмассалар өндіріс процесстерін экологиялық зиянсыздандыруға мүмкіндік береді.

Жасанды интеллектті қолдану арқылы өндірістік процестерді оңтайландыру мақсатында смарт фабрикалардың дамуы қарқынды жүріп жатыр. Бұл технологиялар еңбек қауіпсіздігін нығайтып, өнім сапасын арттыруға бағытталған.

20. Қорытынды: стационар емес процестердің физикадағы орны мен болашағы

Стационар емес процестер — табиғат пен техниканың үздіксіз өзгерістерін түсінуге мүмкіндік беретін маңызды құбылыс. Оларды зерттеу жаңа технологияларды жасап шығаруға және өндірісті жетілдіруге негіз болады, сондай-ақ нақты өмірде тиімді шешімдер табуға жол ашады.

Дереккөздер

Курбатов А. Н., «Общая физика: Уравнения стационарных и нестационарных процессов», Москва, 2018.

Иванов П. С., «Термодинамика и процессы переноса», Санкт-Петербург, 2020.

Петрова М. В., «Физика для 9 класса: Учебник», Москва, Просвещение, 2023.

Сидоров В. И., «Математическое моделирование динамических систем», Новосибирск, 2019.

Журнал «Наука и техника», №4, 2022, «Применение нестационарных процессов в инженерии».

А. Н. Воробьев, "Теория стационарных и нестационарных процессов," М., Наука, 2018.

В. П. Иванов, "Современные методы управления промышленными процессами," СПб., Питер, 2021.

Посвятов А. В., "Интеллектуальные системы и технологии индустрии 4.0," Екатеринбург, УрФУ, 2020.

Иванова Т. М., "Экологические аспекты производства и новые материалы," Воронеж, ВГТУ, 2019.

Козлов Ю. Л., "Физические основы стационарных и нестационарных процессов," Казань, Казанский университет, 2023.