Текст выступления:

Жылу процестерінің қайтымсыздығы. Термодинамиканың екінші заңы
1. Жылу процестерінің қайтымсыздығы: негізгі ұғымдар және маңыздылығы

Жылу процесстерінің қайтымсыздығы туралы сөз қозғағанда, біз табиғаттағы энергияның ерекше қасиетін қарастырамыз. Бұл қасиет термодинамиканың маңызды аспектілерінің бірі болып табылады және энергияның қалай өзгеріп, таралатынын түсінуде үлкен мәнге ие. Жалпы алғанда, табиғатта болатын жылу алмасу процестері өзара тұрақсыздық пен тепе-теңдікке жету жолында өтеді, бірақ бұл процестердің қайтымсыздығы әрдайым энергияның толық сақталуына мүмкіндік бермейді.

2. Термодинамиканың даму тарихы және заңдарының негіздері

Термодинамика ғылымы XIX ғасырда мол дамып, Клаузиус, Кельвин және Джоуль сынды ғалымдардың еңбектері арқасында энергия мен оның заңдылықтары туралы тұжырымдамалар пайда болды. Бұл уақыт кезеңінде энергияның сақталу заңы, энтропия ұғымы және абсолют нөл температура тұжырымдалды. Бұлар табиғаттағы энергияның қалай қолданылып, өзгеретінін түсінуге негізін қалады.

3. Жылу процесі дегеніміз не?

Жылу процессі арқылы заттарға жылу беріледі немесе олардан жылу алынады, соның нәтижесінде олардың физикалық қасиеттері мен күйі өзгереді. Мысалы, судың буға айналуы немесе мұздың еріуі сияқты құбылыстар энергияның түрленуін білдіреді. Осы процестерде заттың ішкі энергиясы артып немесе кеміп, оның құрылымы жаңарып, жүйе жаңа күйге өтеді. Бұл табиғаттағы энергия алмасудың негізгі тәсілдерінің бірі.

4. Қайтымды және қайтымсыз процестер – айырмашылықтары

Қайтымды процестер өте баяу жүріп, жүйе үнемі тепе-теңдік күйінде болады, сондықтан энергияны жоғалту болмайды. Бұл жағдайларда процесті кері бағытқа қайта айналдыру қиын емес. Ал қайтымсыз процестер жылдам, үйкеліс пен энергия шығыны бар, мысалы, бөлме температурасында мұздың еріуі қайтымсыз процесс болып табылады, өйткені оны артқа қайтару табиғи түрде мүмкін емес.

5. Энергия өзгерісі қайтымды және қайтымсыз процестерде

Қайтымды процестер кезінде энергия толықтай пайдалы жұмысқа айналады, ал қайтымсыз процестерде энергия жоғалуы, әдетте, жылу түрінде байқалады. Бұл жылу қоршаған ортаға таралып, жұмысқа айналмайды. Сондықтан қайтымсыз процестердің тиімділігі төмендеп, энергияның бір бөлігі ысырап болады. ҚР Физика оқулығының мәліметтері бойынша, қайтымсыздық жүйенің энергия тиімділігін едәуір төмендетеді.

6. Термодинамиканың екінші заңының тұжырымдамалары

Клаузиус тұжырымдамасына сәйкес, жылу суық денеден ыстық денеге өздігінен ешқашан өтпейді, бұл жылудың табиғи бағыттылығын көрсетеді. Кельвин–Планк тұжырымдамасы жылудың толықтай пайдалы жұмысқа айналу мүмкін еместігін анықтайды, яғни энергияның барлығы жұмысқа айналмайды. Осы заң табиғи процестердің қайтымсыздығын сипаттайды және энергияны тиімді пайдалану шегін белгілейді.

7. Энтропия ұғымы және ретсіздік

Энтропия — жүйедегі ретсіздік дәрежесін сипаттайтын физикалық шама. Қайтымсыз процестерде энтропия артып отырады, бұл молекулалардың хаотикалық қозғалысы мен жылу алмасу нәтижесінде табылады. Молекулалық деңгейде бөлшектердің тәртіпсіз қозғалысы энтропияның өсуіне себеп болып, табиғаттағы энергияның бір бағытты ағымына әсер етеді.

8. Энергияның тиімділігі мен ысырап болу себептері

Барлық нақты процестерде энергияның бір бөлігі жылу түрінде қоршаған ортаға шығып кетеді. Үйкеліс күші мен жылу алмасу процесінде энергияның бөлінуі қайтымсыздыққа алып келеді. Бұл себептен пайдалы жұмыстың коэффициенті ешқашан 100 пайызға жетпейді және энергияның бір бөлігі әрдайым ысырап болады.

9. Қайтымды және қайтымсыз процестер: негізгі сипаттамалар салыстыру кестесі

Қазiргi физика пәнiнде қайтымды және қайтымсыз процестер арасындағы айырмашылықтарды жақсы түсіндіру үшін салыстыру кестелері қолданылады. Онда қайтымды процестердің жүйені тұрақты күйде ұстайтыны, энергия шығыны болмайтыны көрсетілсе, қайтымсыз процестерде энергия тиімділігі төмендеп, табиғатта басым екені айтылады.

10. Карно циклы – қайтымды жылу қозғалтқышының моделі

Карно циклы идеалдық қайтымды жылу қозғалтқышы болып саналады және термодинамикадағы ең жоғары тиімділік стандарты ретінде қызмет етеді. Алайда, нақты өндірістік құрылғыларда үйкеліс пен жылу шығыны сияқты қайтымсыздықтар кездесетіндіктен, бұл үлгіге толық жету мүмкін емес.

11. Карно циклы мен нақты қозғалтқыштардың тиімділігін салыстыру

Графиктен нақты қозғалтқыштардың тиімділігі Карно идеалдық циклына қарағанда айтарлықтай төмен екені көрінеді. Бұл қайтымсыз процестердің энергияны толық пайдаланбауының нақты дәлелі. Сондықтан, толық қайтымды қозғалтқыштар өмірде кездеспейді және энергия үнемдеу мақсатында технологиялар үнемі жетілдіріліп отырады.

12. Энтропия және уақыттың бағыты

Энтропияның ұлғаюы уақыттың бір бағытта ағып жатқанын дәлелдейді және бұл физикада «уақыттың береже» деп аталады. Табиғаттағы процестер өздігімен тек энтропияны арттыратын бағытта жүреді, мысалы мұздың еріп кеткен суға қайта қатып қалмауы осының айқын көрінісі. Бұл заң энтропияның артуы арқылы уақыттың қайтымсыздығын негіздейді әрі эволюциялық процестерге әсер етеді.

13. Күнделікті өмірдегі қайтымсыздық мысалдары

Күнделікті өмірде қайтымсыз процестердің көптеген мысалдары кездеседі. Мысалы, бөлмеде тұрған мұздың еруі — ортаға жылу таратыла отырып өтетін қайтымсыз процесс. Сондай-ақ, ыстық сорпаның суытып қалуы, отынның жануы кезінде энергияның бір бөлігі жоғалуы, сондай-ақ машиналардағы үйкелістің жылу түрінде энергия шығарып алу арқылы энергияның қайтымсыз ысырабы көрініс табады.

14. Табиғаттағы қайтымсыз процестер және олардың заңдылығы

Геофизикалық құбылыстарда мысал ретінде жердің рельефінің өз салмағымен төменге құлауы, сондай-ақ өзен суларының теңізге ағуы беріледі — бұл қайтымсыз қозғалыс түрлері. Атмосфералық жүйелерде температура мен қысымның біркелкі таралуы табиғи жылу алмасуы арқылы жүзеге асады, бұл үдерістердің қайтымсыздығы климаттық өзгерістерге тікелей әсер етеді.

15. Термодинамиканың екінші заңының технологиядағы қолданысы

Қазіргі технологияда термодинамиканың екінші заңы маңызды орын алады. Электр станциялары мен жылу қозғалтқыштары пайда болған жылу энергиясын толықтай пайдалы жұмысқа айналдыра алмайды. Ішкі жану қозғалтқыштары отын энергиясын жылу мен механикалық энергияға бөледі, бірақ энергияның бір бөлігі әрдайым ысырап болады. Сонымен қатар, тоңазытқыштар жылуды төмен температурадан жоғары температуралы ортаға мәжбүрлеп тасымалдайды, бұл процесс үшін энергия қажет және қайтымсыздық пайда болады. Осылайша, барлық технологиялық құрылғыларда энтропияның артуы мен энергияның толық пайдаланылмауы заңды құбылыс ретінде байқалады.

16. Тоңазытқыштағы қайтымсыздық құбылысы

Тоңазытқыштың жұмыс істеуі кезінде табиғат заңдарынан тыс бір ерекше процесс орын алады: жылу суықтан жылы ортаға көшеді. Бұл жағдайда жылудың табиғи ағымы тыныштықтан бұзылып, оған электр энергиясы жұмсалады. Мұндай процесс алғаш рет XIX ғасырдың соңында, физика саласында жылу және энергия заңдары түсіндірілгеннен кейін зерттелген болатын. Сонымен қатар, тоңазытқыш жұмысында үйкеліс пен жылу шығындары қайтымсыздықты туындатып, құрылғының толық энергия тиімділігін төмендетеді. Мұның маңызы – энергияның бір бөлігі қайтып келмейтін түрге өзгеріп, оны пайдалану шығындарын арттырады. Қайтымсыздық феномені кез келген техника мен табиғи процесс үшін өзекті мәселе болып табылады, әсіресе қазіргі уақытта энергия үнемдеу мәселелері тұрғысынан маңызды.

17. Әртүрлі жылу процестеріндегі энтропия өзгерісі

Берілген кестеде түрлі физикалық процестердегі энтропияның өзгерісі нақты сандық мысалдар арқылы көрсетілген. Энтропия — жүйенің ретсіздік деңгейін сипаттайтын физикалық шама. Қайтымсыз процестерде энтропияның артуы — заңдылық болып табылады және табиғаттағы энергия трансформациясының қайтымсыздығын айқындайды. Бұл көзқарас алғаш рет XIX ғасырда Клаузиустың еңбектерінде ұсынылған. Энтропияның өсуі энергияның өзге түрлеріне айналуын тежеп, жүйенің ретсіздігі артып, қайта пайда болмайтын жоғалтуларға әкеледі. Кесте осындай құбылыстың нақты эксперименталды дәлелдерін көрсетіп, әртүрлі жылу процестерінің қайтымсыздыққа ұшырайтынын дәлелдейді.

18. Термодинамикалық тепе-теңдік мәні

Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайы жүйенің физикалық параметрлерінің тұрақтылығын білдіреді. Бұл кезде жүйедегі барлық процестер өте баяу және қайтымды өтеді, яғни бастысы энергияның жоғалуы немесе тасымалы болмайды. Мұндай идеалдық жағдай термодинамика қағидаларының зерттелуінде маңызды ұғым ретінде қарастырылады, алайда практикалық жағдайда сирек кездеседі. Себебі нақты жүйелер үнемі сыртқы әсерлерге ұшырайды, олар қайтымсыз процестерді тудырып, тепе-теңдік бұзылысына алып келеді. Бұл күнделікті техника мен биологиялық жүйелерде байқалады: мысалы, қозғалтқыштардың жұмысында немесе тірі организмдердің жизненный қызметінде қайтымсыздық басымдығы айқын көрінеді. Осылайша, қайтымсыз процестер табиғат пен техниканың нақты әрекетін сипаттайды және оларға энергия тиімділігін арттыру бағытында зерттеулер жүргізіледі.

19. Қайтымсыздықтың тірі табиғаттағы рөлі

Тірі организмдердегі барлық биологиялық процестер, атап айтқанда тыныс алу және ас қорыту, 100%-дық дәрежеде қайтымсыз процестер болып табылады. Бұл дегеніміз, тірі организмдердің метаболизмі толықтай энергияның қайтымсыз түрленуінен тұрады. Мұндай ерекшелік биофизика ғылымы арқылы дәлелденді, оның деректері 2022 жылы жарияланған зерттеулерге сүйенеді. Тыныс алу кезінде оттегіні пайдалана отырып, организм химиялық энергияны жылулық энергияға айналдырады, бұл процесс қайтымсыздықты туғызады және энергия жоғалтуға әкеледі. Осы қайтымсыз процестердің арқасында өмір өзекті күйінде сақталады және дамиды, сондай-ақ тепе-теңдіксіз дене қызметі мүмкін болады.

20. Жылу процестерінің қайтымсыздығы: өмірді және техниканы түсінудің негізі

Қайтымсыз жылу процестері мен энтропия ұғымдары қазіргі таңда энергияны ұтымды пайдалану және қоршаған ортаны сақтау салаларында өте маңызды білім болып табылады. Бұл тақырыптың зерттелуі арқасында техникалық құрылғылардың тиімділігі артып, экологиялық зиянды азайтуға мүмкіндік туындайды. Мысалы, энергияның қалай жоғалып жатқаны немесе жүйелердің неге толық тиімді бола алмайтынын түсіну — бұл инженерлер мен ғалымдарға жаңа технологияларды дамытуға жол ашады. Сонымен қатар, табиғаттағы қайтымсыз процестерді білу экология және биология салаларында да өзекті, себебі тіршілік пен экожүйе қызметіндегі энергия балансы соларға негізделген.

Дереккөздер

Средняя школа физика оқулығы, Қазақстан, 2023

Клиффорд К. Термодинамика негіздері: ғылыми энциклопедия. Алматы, 2020

Ландау Л.Д., Лифшиці Е.М. Теория поля и статистическая физика. Москва, 1980

Жылу физикасы мен термодинамикаға кіріспе. ҚР Ұлттық университеті баспасы, 2019

Клаузиус, Р. Работы по термодинамике. Берлин, 1865

Гуров В. А. Основы термодинамики. — М.: Наука, 1985.

Иванов П. С., Петров А. В. Физика для 8 класса. — М.: Просвещение, 2020.

Биофизика: Энциклопедический справочник / Под ред. С. В. Иванова. — СПб.: Невский Лицей, 2022.

Кузнецов М. И. Термодинамические процессы и тепловые машины. — М.: Энергоатомиздат, 1992.