Ջերմադինամիկայի Հիմունքները

Մակրոսկոպական Պարամետրեր

Յուրաքանչյուր մակրոսկոպական համակարգ կազմված է հսկայական թվով ատոմներից և մոլեկուլներից: Մասնիկների թվի հսկայական լինելու պատճառով հնարավոր չէ համակարգի վիճակը նկարագրել մեխանիկական եղանակով, այն է տալով յուրաքանչուր մասնիկի վրա ազդող ուժերը և բոլոր մասնիկների սկզբնական արագություններն ու դիրքերը: Սակայն մակրոսկոպական համակարգի ներքին վիճակը կարելի է նկարագրել այնպիսի մեծությունների միջոցով, որոնք բնութագրվում են համակարգն ամբողությամբ: Այդ մեծությունները կոչվում են մակրոսկոպական կամ ջերմադինամիկական պարամերտրեր:

Ջերմադինամիկական Պրոցես

Եթե մակրոսկոպական համակարգը որոշակի ջերմադինամիկական վիճակում է, ապա այդ վիճակը բնութագրող մակրոսկոպական պարամետրերը հայնտի են: Ջերմադինամիկական պրոցես է կոչվում մակրոսկոպական համակարգի անցումը մի ջերմադինամիկական վիճակից մյուսին:

Ջերմաստիճանի Գաղափարը

Ջերմային երևույթներն ուսումնասիրելիս սահմանվում է ֆիզիկական մի նոր մեծության՝ ջերմաստիճանի գաղափարը: Այն ֆիզիկա է մտել կենցաղում տաքի և սառի մասին ունեցած պատկերացումներից, որոնք հիմնված են մեր զգայական փորձի վրա: Սակայն զգայությունները միարժեք չեն. Դրանք կախված են ինչպես անհատից, այնպես էլ շրջակա միջավայրից: Օրինակ՝ սենյակում մետաղե իրերը միշտ թվում են ավելի սառը, քան փայտե կամ պլաստմասսայե առարկաները:                                                                                                                                                                         Սակայն միշտ չէ, որ հնարավոր է մարմնի ջերմային վիճակը որոշել շոշափելով և, բացի այդ, հնարավոր չէ տալ քանակական և օբյեկտիվ բնութագիր: 

Ջերմաստիճանի Չափումը

Ջերմաստիճանի չափումը հիմնված է հետևյալ փորձնական փաստերի վրա:

1. Եթե երկու մարմին առանձին-առանձին ջերմային հավասարակշության մեջ են երրորդ մարմնի հետ, ապա երեքն էլ ունեն միևնույն ջերմաստիճանը:

2. Մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունն ուղեկցվում է մարմնի վիճակը բնութագրող առնվազն մեկ պարամետրի թոթոխությամբ:

Ջերմաստիճանի չափման համար անհրաժեշտ է ստեղծել ջերմաստիճանային սանդղակ, և ջերմաստիճանն արտահայտել թվերով:

Ներքին Էներգիա

Մակրոսկոպական համակարգի ներքին վիճակը բնութագրվում է ջերմադինամիկական պարամետրեի միջոցով, որոնք չափվում են տարբեր սարքերի օգնությամբ: Եթե համակարգի վիճակը ժամանակի ընթացքում փոփոխվում է, ապա փոփոխվում են նաև ջերմադինամիկական պարամետրերը:                                                                                                                                                                       Մակրոսկոպական մարմինները, մեխանիկական էներգիայից բացի, օժտված են նաև ներքին էներգիայով: Մարմնի ներքին էներգիան մարմնի մասնիկների՝ մարմնի զագվածների կենտրոնի նկատմամբ քաոսային շարժման կինետիկ էներգիաների և միմյանց հետ փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիաների գումարն է:

Մարմնի լրիվ էներգիայի սահմանում՝

 մարմնի լրիվ էներգիա

 մարմնի ներքին էներգիա

 մարմնի կինետիկ էներգիա

 մարմնի պոտենցիալ էներգիա

Աշխատանքը Ջերմադինամիկայում

Համաձայն մեխանիկական աշխքատանքի սահմանման՝

Որտեղ -ն ազդող ուժն է, -ը՝ տեղափոխությունը, -ն՝ ուժի և տեղափոխության վեկտորներով կազմված անկյունը: Սույն սահմանման մեջ ենթադրվում է,  որ  տեղափոխության ընթացքում  ուժը մոդուլով և ուղղությամբ մնում է հաստատուն: Եթե արտաքին ուժը մարմնի վրա աշխատանք է կատարում, ապա փոփոխվում է մարմնի կինետիկ էներգիան: Սովորաբար ջերմադինամիկայում ուսումնասիրվում են ջերմային երևույթներն այնպիսի համակարգում, որն իբրև ամբողջություն անշարժ է, սակայն որի տարբեր մասեր կարող են տեղաշարժվել իրար նկատմամբ: Տեղաշարժման հետևանքով փոխվում է համակարգի ծավալը, և կատարվում է աշխատանք: Ջերմադինամիկայում արտաքին ուժի կատարած աշխատանքը մարմնի ներքին էներգիայի փոփոխության չափն է:

Ջերմաքանակ

Սահմանում՝ Ջերմափոխանակման պրոցեսում համակարգին տրված կամ նրանից վերցված էներգիան կոչվում է ջերմաքանակ:      

Երբ ջերմադինամիկական համակարգն աշխատանք է կատարում, այդ պրոցեսում փոխվում է նրա վիճակը, հետևաբար՝ նաև համակարգի ներքին էներգիան: Սակայն համակարգի վիճակը կարելի է փոփոխել նաև առանց աշխատանք կատարելու: Մոլեկուլային-կինետիկ տեսության համաձայն՝ ջերմահաղորդման պրոցեսում տաք մարմնի մոլեկուլները, փոխազդելով սառը մարմնի մոլեկուլների հետ, նրանց են հաղորդում իրենց կինետիկ էներգիայի մի մասը. Տաք մարմնի ներքին էներգիան նվազում է, իսկ սառը մարմնինը աճում: Տաք մարմինը, որպես ջերմաքանակ, սառը մարմնին է տալիս որոշակի ներքին էներգիա: Այն ջերմաքանակը, որն անհրաժեշտ է m զանգվածով մարմնի ջերմաստիճանը 1Կ-ով փոփոխելու համար, կոչվում է ջերմունակություն (C). Այն արտահայտվում է Ջ/Կ միավորով: Հաճախ օգտագործում են նաև մեկ մոլ նյութի կամ մոլային ջերմունակույան (Cμ) հասկացությունը: Մոլային ջերմունակությունն արտահայտվում է Ջ/(մոլ•Կ) միավորով: 

Ջերմադինամիկայի Առաջին Օրենքը

Մեխանիկայում փակ համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիան պահպանվում է, եթե համակարգում բացակայում են շփման ուժերը, Այսինքն՝ եթե համակարգի մարմինները փոխազդում են միմիայն գրավիտացիոն և առաձգականության ուժերով:  Ամեն մի համակարգում միշտ առկա են մարմինների շարժումը խոչնդոտող դիմադրության ուժեր, որոնք ոչ պոտենցիալային բնույթ ունեն, այսինքն՝ այդ ուժերի կատարած աշխատանքը փակ հետագծով զրոյից տարբեր մեծություն է և կախված է հետագծի ձևից: Այս ուժերի գործողության հետևանքով համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիան ժամանակի ընթացքում նվազում է և հավասարվում զրոյի: Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մի վիճակից մյուսին անցնելիս հավասար է համակարգի վրա արտաքին ուժերի կատարած աշխատանքի և համակարգին տրված ջերմաքանակի գումարին:

Ջերմաշարժիչների Գործողության Սկզբունքը

Ջերմադինամիկական համակարգի ներքին էներգիան կարելի է մեծացնե՝ նրան ջերմաքանակ հաղորդելով կամ նրա վրա աշխատանք կատարելով: Մյուս կողմից՝ համակարգի ներքին էներգիայի հաշվին կարելի է կատարել մեխանիկական աշխատանք: Տրանսպորտում, արդյունաբերության և գուղատնտեսության մեջ տարբեր սարքերի ու մեխանիզմների աշխատանքի համար անհրաժեշտ է մեխանիկական էներգիա, ուստի ներքին էներգիայի փոխակերպումը մեխանիկականի մեծ նշանակություն ունի հասարակության պրակտիկ գործունեության համար: Այդ փոխակերպումն իրականացնում են ջերմաքմեքենաները կամ ջերմաշարժիչները, որոնք վառելիքի կամ էներգիայի այլ աղբյուրի ներքին էներգիան փոխակերպում են մեխանիկական էներգիայի: Այլ կերպ ասած՝ ջերմաշարժիչում մոլեկուլների քաոսային շարժման էներգիան փոխակերպվում է կարգավորված շարժման էներգիայի:

Ջերմաշարժիչների Կիրառությունները

Ջերմաշարժիչները բացառիկ կարևոր դեր ունեն հասարակության կյանքում, տեխնիկայի, հատկապես էներգետիկայի և տրանսպորտի, ինչպես և գիտության զարգացման համար: Բավական է նշել, որ ջերմադինամիկան՝ որպես ֆիզիկայի առանձին բնագավառ, հիմնականում ձևավորվել է ջերմաշարժիչների կառուցմանը և կատարելագործմանը նվիրված հետազոտությունների հիման վրա: Ներքին այրման շարժիչի գյուտը կյանքի կոչեց ավտոմեքենաշինությունը և ավիացիան, գազատուրբինի ստեղծումը հանգեցրեց ինքնաթիռների արագության և բեռնամբարձության շեշտակի աճի, իսկ ռեակտիվ շարժիչների ստեղծումը հնարավոր դարձրեց տիեզերական թռիչքները: Առանց այս ջեմաշարժիչների՝ ժամանակակից քաղաքակրթությունը ստեղծվել չէր կարող: Սակայն, լինելով քաղաքակրթության «շարժիչ ուժերից» կարևորագույնը, ջերմաշարժիչներն այսօր արդեն լուրջ բնապահպանական խնդիրներ են առաջադրում: Ջերմաշարժիչներում վառելիքը երբեք լրիվ չի այրվում, ուստի՝ մթնոլորտ արտանետված այրման արգասիքներն աղտոտում են այն մարդում ր կենդանիների համար վնասակար նյութերով (օրինակ CO₂, SO₂, H²S, NO և այլն), որոնք, ռեակցիայի մեջ մտնելով ջրի հետ, առաջացնում են թթվային անձրևներ: Մթնոլորտի աղտոտումը նվազեցնելու նպատակով ներկայումս ձեռնարկվում են միջոցներ, որոնցից են վառելիքի լրիվ այրմանն ուղղված աշխատանքները, ջերմակայանների և ներքին այրման շարժիչների արտանետած գազերի ավելի խնամքով զտումը, ինչպես նաև ավելի «մաքուր» վառելիքի որոնումները: