Termodinamikanın I qanunu
Gündəlik həyatda görürük ki, enerji heçdən yaranmır və yox olmur.
Ekvivalent miqdarda bir növdən digər növə çevrilir. Bu enerjinin saxlanması
qanunudur. Klauzius bu qanunu termodinamikanın I qanunu adlandırıb.
Termodinamikanın I qanununda daxili enerji anlayışı mühüm rol oynayır. Sistemin
daxili enerjisi dedikdə sistemin bütövlükdə götürülmüş kinetik enerjisi və onun
vəziyyətindən asılı olan potensial enerjisi nəzərə alınmadan malik olduğu bütün
enerjilərin cəmi nəzərdə tutulur. Daxili enerjinin qiymətini təyin etmək və ya
hesablamaq mümkün deyil. Yalnız müxtəlif proseslər zamanı daxili enerji
dəyişməsini
müəyyən
etmək
mümkündür.
Termodinamikada
müxtəlif
hesablamalarda məhz daxili enerji dəyişməsindən istifadə olunur.
Enerji heçdən yaranmadığı üçün termodinamikanın I qanununa görə enerji
sərf etmədən iş görən mühərrik, yəni I növ əbədi mühərrik mümkün deyil.
Termodinamikanın I qanununu aşağıdakı kimi də ifadə etmək olar:
Sistemə verilən istilik sistemin daxili enerjisinin artmasına və sistemin iş
görməsinə sərf olunur. Rifazi ifadəsi aşağıdakı kimidir:
Q=ΔU+W (1)
Q- istilik: W-görülən iş,
ΔU- daxili enerji dəyişməsi.
Daxili enerji hal funksiyasıdır. Ümumilikdə götürüldükdə istilik və iş hal
funksiyası deyillər. Ancaq (1) tənliyindən göründüyü kimi, onların fərqi hal
funksiyasıdır:
Q -W =ΔU
Sonsuz kiçik proseslər üçün (1) ifadəsi aşağıdakı kimi yazılır.
Q=dU+
W (1’)
Termodinamikanın I qanununu müxtəlif proseslərə tətbiq edək:
a) T=const. İzotermik proseslər. Əgər sistemdəki işçi cisim ideal qazdırsa,
ideal qazın daxili enerjisi təzyiq və həcmdən asılı olmayıb, yalnız temperaturun
funksiyasıdır. Ona görə də izotermik proses zamanı ΔU=0 olacaq, Q
T
=W (2)
(indeksdə yazılmış parametr proses zamanı həmin parametrin sabit qaldığını
göstərir). Əgər sistemdə yalnız genişlənmə işi görülərsə onda, W=pΔV. Sonsuz
68
kiçik proseslər üçün
W=pdV olur. (2) tənliyini sonsuz kiçik proses üçün yazıb,
inteqrallasaq alarıq. (Nəzərə alaq ki, ideal qazlar üçün
V
nRT
p
).
Onda
2
1
2
1
V
V
V
V
T
V
dV
nRT
pdV
Q
2
1
1
2
ln
ln
P
P
nRT
V
V
nRT
b)V=const – İzoxor proseslərdə götürülən iş sıfra bərabərdir. Ona görə də (1)
tənliyinə görə W=0; Q
V
=ΔU olur. Başqa sözlə izoxor proseslər zamanı sistemə
verilən istilik sistemin daxili enerjisinin artmasına sərf olunur. Sonuncu tənlikdən
görünür ki, izoxor proseslər zamanı istilik hal funksiyasıdır.
c) P=const. İzobar proses üçün termodinamikanın I qanununu aşağıdakı kimi
yazarıq:
Q
p
= ΔU+pΔV və ya
Q
p
= U
2
-U
1
+p(V
2
-V
1
)=U
2
- pV
2
–(U
1
+pV
1
)= H
2
-H
1
=ΔH
U- hal funksiyasıdır, hal parametrlərinin hasili olan pV də hal funksiyasıdır.
Ona görə də bunların cəmi hal funksiyasıdır və entalpiya adlanır.
H=U+pV
Sonuncu tənlikdən göründüyü kimi izobar proseslərdə istilik entalpiya
dəyişikliyinə bərabər olub, hal funksiyasıdır.
Termokimya. Hess qanunu.
Kimyəvi reaksiyalar istiliyin ayrılması və ya udulması ilə müşayət olunurlar.
Reaksiya zamanı müşahidə olunan istilik miqdarına reaksiyanın istilik effekti
deyilir. Adətən reaksiyanın istilik effekti dedikdə reaksiya tənliyində stexiometrik
əmsallar qədər mol miqdarında götürülmüş maddələr reaksiyaya girdikdə
müşahidə olunan istilik miqdarı nəzərdə tutulur. Reaksiyanın istilik effekti
reaksiyada iştirak edən maddələrin təbiətindən başqa, onların aqreqat halından və
xarici şəraitdən də asılıdır. Ona görə də istilik effekti göstərildikdə bunlar da
nəzərə alınmalıdır. İstilik effektinin göstərilməsinin iki üsulu mövcuddur:
1.Termokimyəvi
2. Termodinamiki
Termokimyəvi üsulda reaksiyanın istilik effekti birbaşa tənlikdə göstərilir.
Əgər istilik ayrılırsa işarəsi «+», udulursa işarəsi «-» olur.
Termodinamik üsulda tənliyin yanında reaksiya nəticəsində sistemin
entalpiya dəyişikliyi göstərilir. Qeyd edək ki, istilik ayrılırsa ΔH<0, udulursa ΔH
>0 olur. Məsələn.
2H
2
(q)+O
2
(q)=2 H
2
O(m)+572 kC
2H
2
(q)+O
2
(q)=2 H
2
O(m) ΔH
0
298
=-484 kC
69
ΔH
0
298
prosesin 298 K-də, atmosfer təzyiqində getdiyini göstərir. Qeyd edək
ki, verilmiş bu reaksiyaların istilik effektlərinin fərqi 88 kC-dur ki, bu da 2 mol
suyu maye halından qaz halına keçirmək üçün sərf olunan istilikdir.
H
2
O(m)→ H
2
O(q) ΔH
0
298
=44 kC
Termokimyada əmələ gəlmə və yanma istilikləri mühüm əhəmiyyətə
malikdir.
Verilmiş şəraitdə bəsit maddələrdən 1 mol mürəkkəb maddə əmələ gəldikdə
müşahidə olunan istilik effektinə həmin maddənin əmələ gəlmə istiliyi deyilir. Hər
hansı bir element bir neçə allotropik modifikasiya əmələ gətirirsə, verilmiş şəraitdə
davamlı modifikasiya götürülür. Məs., karbon üçün qrafit, kükürd üçün rombik
forma və s.
Tərifdən görünür ki, bu bəsit maddələrin əmələ gəlmə istilikləri sıfırdır.
Əmələ gəlmə istiliyi ΔH
f
-lə işarə olunur, məsələn:
H
2
(q)+Cl
2
(q)=2 HCl(q) ΔH
0
298
=-184 kC
Bu tənliyə görə ΔH
0
f, 298
(HCl)=-92kC/mol 298 temperaturu, o-prosesin 1
atmosfer təzyiqində getməsini göstərir.
1 mol maddə O
2
-də yanarkən müşahidə olunan istilik effektinə həmin
maddənin yanma istiliyi deyilir. Bu zaman nəzərdə tutulur ki, maddənin tərkibində
olan elementlər yüksək oksidləşmə dərəcəsinə oksidləşirlər. Əks halda alınan
məhsullar göstərilməlidir. Adətən nəzərdə tutulur ki, yanma zamanı CO
2
, H
2
O,
P
2
O
5
, SO
2
, üzvi maddələr yandıqda N
2
alınır. Tərifdən göründüyü kimi baş
oksidlərin yanma istiliyi sıfra bərabərdir.
2C
2
H
2
(q)+O
2
(q)=4CO
2
(q) +2 H
2
O (q)
ΔH
0
298
=-2600 kC
ΔH
0
c,298
(C
2
H
2
) =-1300 kC/mol
İndeksdəki c-yanma istiliyini göstərir.
Reaksiyalar adətən sabit təzyiq və ya həcmdə aparılır. Reaksiyanın izoxor və
izobar istilikləri arasındakı əlaqəni müəyyən edək. Bildiyimiz kimi ΔH =
ΔU+pΔV və ya Q
p
= Q
v
+pΔV . İdeal qazlar üçün pΔV=ΔnRT, onda Q
p
= Q
v
+
ΔnRT alınır. Burada Δn- reaksiyası nəticəsində qaz mollarının sayının
dəyişməsidir.
Termodinamikanın I qanunundan bildiyimiz kimi Q
p
və Q
v
- hal
funksiyalarıdır. Ona görə də onlar reaksiyanın getdiyi yoldan və mərhələlərin
sayından asılı olmayıb, yalnız ilkin maddələrin və məhsulların növündən və
halından asılıdır. Bu, termodinamikanın I qanunu müəyyənləşməmişdən əvvəl
Hess qanunu kimi məlum idi. Hess qanununu aşağıdakı sxem üzrə izah edək:
70
Qrafit kabon dioksidə 2 cür oksidləşir. I halda qrafit1 mol oksigenldə
oksidləşərək karbon dioksidə çevrilir. II halda oksidləşmə mərhələli gedir. Qrafit
əvvəlcə karbon monoksidə, sonra karbon dioksidə oksidləşir. Hess qanununa görə
hər 2 yolla oksidləşmə zamanı istilik effektləri bərabər olduğundan
ΔH
1
= ΔH
2
+ΔH
3
olur.
Hess qanunundan aşağıdakı mühüm nəticələr çıxır:
1. Düz reaksiyanın istilik effekti ədədi qiymətcə tərs reaksiyanın istilik
effektinə bərabər olub, işarəcə əksdir.
2. Reaksiyanın istilik effekti bərabərdir: məhsulların əmələ gəlmə
istiliklərinin cəmi, minus başlanğıc maddələrin əmələ gəlmə istiliklərinin
cəmi.
i
f
i
reak
H
H
,
məh
bas
i
f
i
H
,
Aşağıdakı reaksiya üçün
Al
2
O
3
+3SO
3
→ Al
2
(SO
4
)
3
ΔH
2
=?
ΔH
2
= ΔH
f
(Al
2
(SO
4
)
3
) -[ΔH
f
(Al
2
O
3
)+3ΔH
f
(SO
3
)]
3.Reaksiyanın istilik effekti bərabərdir: başlanğıc maddələrin yanma
istiliklərinin cəmi, minus məhsulların yanma istiliklərinin cəmi.
i
c
i
reak
H
H
,
baş
i
c
i
H
,
məh
Aşağıdakı reaksiyalar üçün ΔH aşağıdakına bərabərdir:
C
2
H
2
+2H
2
→ C
2
H
6
ΔH=?
ΔH= ΔH
c
(C
2
H
2
)+2ΔH
c
(H
2
)-ΔH
c
(C
2
H
6
)
Reaksiyanın istilik effektinin temperaturdan asılılığı.
Kirxhof tənliyi.
Reaksiyanın
istilik
effektinin
temperaturdan
asılılığını
müəyyənləşdirməzdən əvvəl istilik tutumu anlayışı ilə tanış olaq. Verilmiş
maddəni 1
0
qızdırmaq üçün lazım olan istilik miqdarına istilik tutumu deyilir.
Əgər maddə 1 qramdırsa xüsusi istilik tutumu; 1 moldursa molyar istilik tutumu
adlanır. Proses sabit təzyiqdə gedirsə, izobar istilik tutumu (C
p
); proses sabit
həcmdə gedirsə, izoxor istilik tutumu (C
V
) adlanır. Əgər sistemə verilmiş sonsuz
kiçik
Q istiliyi nəticəsində temperatur dT qədər artmışsa, onda
dT
Q
C
həqiqi
71
istilik tutumudur. Əgər sistemə verilən istilik sonlu olarsa, onda
T
Q
C
-orta istilik
tutumu adlanır. İdeal qazlar üçün molyar istilik tutumları arasındakı əlaqə belədir:
C
p
-C
v
=R
C
p
ona görə C
v
–dən böyükdür ki, sabit təzyiqdə sistemə verilən istilik onun
qızmasından əlavə həmçinin sistemin iş görməsinə də sərf olunur (izoxor prosesdə
genişlənmə işi sıfra bərabərdir).
İstilik tutumunun temperaturdan asılılığı məlumat kitabında aşağıdakı kimi
verilir:
C=a
1
+a
2
T+ a
3
T
2
və ya
C=a+bT- dT
-2
Burada a,b,d empirik əmsallardırlar.
Reaksiyaların istilik effektləri ona görə temperaturdan asılıdır ki,
məhsulların və başlanğıc maddələrin istilik tutumu və onların temperaturdan
asılılığı fərqli olur. İstilik effektinin temperaturdan asılılığını müəyyən etmək üçün
aşağıdakı ifadələrə baxaq:
p
p
p
C
T
H
T
H
(1)
V
V
V
C
T
U
T
U
(1’)
p
C
dT
H
d
)
(
(2)
V
C
dT
U
d
)
(
(2’)
(2) ifadələri göstərir ki, reaksiyanın istilik effektinin temperatur asılılığını
müəyyən etmək üçün istilik tutumlarının fərqini bilmək lazımdır.
i
p
i
p
C
C
məh
i
p
i
C
baş
-stexiometrik əmsaldır.
Stexiometrik əmsal kimyəvi reaksiya tənliyində maddənin formulu
qarşısındakı əmsala deyilir.
aA+bB→ dD+lL
reaksiyası üçün
ΔC
p
= dC
p
(D)+
l
C
p
(L)- [aC
p
(A)+bC
p
(B)] olar.
72
(2) tənliyindən görünür ki, ΔC
p
>0 olarsa,
0
dT
H
d
olur. Yəni, temperatur
artdıqca istilik effekti artır.
ΔC
p
<0 olarsa,
0
dT
H
d
olur. Temperatur artdıqca istilik effekti azalır.
Verilmiş temperaturda istilik effektinin qiymətini müəyyənləşdirmək üçün
(2) tənliyini inteqrallayaq:
2
1
1
2
T
T
p
dT
C
H
H
Əgər ΔC
p
sabit olarsa ΔC
p
=const, onda
1
2
1
2
T
T
C
H
H
p
olar.
73
Mövzu 11: Termodinamikanın II və III qanunu. Entropiya.
Termodinamik potensiallar.
Termodinamikanın I qanunu müxtəlif proseslər üçün enerjinin ekvivalent
miqdarda bir növdən digər növə çevrildiyini göstərir. Ancaq enerjinin çevrilmə
istiqamətini müəyyən etmir. Termodinamikanın II qanunu enerji çevrilməsinin
istiqamətini müəyyən edir. Başqa sözlə, verilmiş temperatur, təzyiq və qatılıqda
prosesin hansı istiqamətdə baş verdiyini müəyyənləşdirir.
Termodinamikanın II qanununu müxtəlif cür ifadə etmək olar.
1.İstilik özbaşına soyuq cisimdən isti cismə keçə bilməz (Klauzius).
2. Prosesin yeganə nəticəsi istiliyin işə çevrilməsi ola bilməz (Tomson).
3. II növ əbədi mühərrik, yəni qızdırıcıdan aldığı istiliyin bir hissəsini
soyuducuya vermədən hamısını işə çevirən mühərrik mümkün deyildir (Ostvald).
Termodinamikanın II qanununun riyazi ifadəsini Karno vermişdir (fransız
alimi). Karno istilik maşınında tsikli (Karno tsiklini) öyrənmişdir. Karno tsikli 4
mərhələdən ibarətdir.
I mərhələdə işçi cisim sabit T
1
temperaturunda qızdırıcıdan Q
1
istiliyi alaraq
izotermik genişlənir.
II mərhələdə işçi cisim adiabatik genişlənir (Q=0).
III mərhələdə T
2
temperaturunda sıxılır. Bu zaman soyuducuya Q
2
istiliyi
verir.
IV mərhələdə adiabatik sıxılaraq ilkin halına qayıdır (Q=0).
Karno müəyyən etmişdir ki, işçi cisim qızdırıcıdan aldığı Q
1
istiliyinin Q
2
hissəsini soyuducuya verir. Yalnız Q
1
-Q
2
hissəsini isə çevirir. Yəni W= Q
1
-Q
2
.
Ona görə də istilik maşınının faydalı iş əmsalı
1
2
1
Q
Q
Q
olur.
Texniki termodinamika kursundan məlumdur ki, istilik maşınının maksimal
faydalı iş əmsalı işçi cismin növündən asılı olmayıb qızdırıcı və soyuducunun
temperaturları ilə müəyyənləşir.
74
1
2
1
max
T
T
T
max
olduğundan, aşağıdakı alınır:
1
2
1
T
T
T
1
2
1
Q
Q
Q
0
2
2
1
1
T
Q
T
Q
(1)
Karno tsiklini sonsuz kiçik tsikllərə bölə bilərik. Hər bir sonsuz kiçik tsikl
üçün (1) ifadəsini aşağıdakı kimi yaza bilərik:
0
2
2
1
1
T
Q
T
Q
(2)
(1) və (2) ifadələrindəki bərabərlik işarəsi dönər proseslərə, kiçikdir işarəsi
dönməyən prosesə aiddir. Qeyd edək ki, dönər proseslər zamanı görülən iş
maksimal olur. Dönər proseslər tarazlıqda gedir. (2) ifadələrini cəmləməklə (1)
ifadəsini almaq olar. Riyazi baxımdan bunu aşağıdakı kimi ifadə etmək olar:
0
T
Q
Dəyişməsi dönər proses zamanı gətirilmiş istiliyə bərabər olan funksiyanı
entropiya adlandıraq (
T
Q
ifadəsinə gətirilmiş istilik deyilir).
Tərifə görə
T
Q
dS
r
donя
olar.
0
S
d
olur.
Bu onu göstərir ki, entropiya hal funksiyasıdır. Aydındır ki,
T
Q
T
Q
n
y
donm
r
don
я
я
я
olduğuna görə aşağıdakı ifadələri yaza bilərik:
T
Q
T
Q
dS
n
y
donm
r
don
я
я
я
Buradan
T
Q
dS
ifadəsini alarıq. Əgər sistem izolə olunmuşdursa, onda
ətraf mühitlə istilik mübadiləsində olmur. Q=0. Nəticədə
0
dS
olur. Başqa sözlə
75
əgər proses dönərdirsə dS=0, proses dönməyəndirsə dS>o olur. Yəni özbaşına
gedən proseslər zamanı entropiya artır.
Müxtəlif proseslər zamanı entropiya
dəyişməsinin hesablanması
Fərz edək ki, sistem bir haldan digər hala 2 yolla keçir. I halda proses
dönərdir. II halda proses dönməyəndir. Bildiyimiz kimi
T
Q
dS
n
y
donm я
я
T
Q
dS
r
donя
Yəni proses dönər olduqda entropiya dəyişikliyi gəlirilmiş istiliyə
bərabərdir. Proses dönməyən olduqda entropiya dəyişikliyi gəlirilmiş istilikdən
böyük olur. Entropiya hal funksiyası olduğuna görə sistem bir haldan ikinci hala
keçdikdə onun qiymətinin dəyişməsi prosesdən asılı olmayıb sistemin ilkin və son
halından asılıdır. Yəni, prosesin dönər və ya dönməyən baş verməsindən asılı
olmayaraq entropiya dəyişikliyinin qiyməti sabitdir. Bu bizə imkan verir ki,
müxtəlif proseslər zamanı prosesin dönər baş verdiyini qəbul edərək entropiya
dəyişikliyini hesablayaq.
Yuxarıdakı tənliklər onu göstərir ki, dönər proseslər zamanı gəlirilmiş istilik
dönməyən proseslər zamanı müşahidə olunan gətirilmiş istilikdən böyük olur.
Müxtəlif proseslər zamanı entropiya dəyişikliyinin hesablanmasına baxaq.
1. T=const. İzotermik proseslər. Bu proseslərə misal olaraq maddələrin
aqreqat və polimorf çevrilmələrini göstərmək olar.
a) Əgər proses sabit həcmdə gedirsə (V=const), onda
T
dU
dS
;
T
U
S
olar.
b) Əgər proses sabit təzyiqdə gedirsə (p=const), onda
T
dH
dS
;
T
H
S
olur.
76
2. İstənilən maddənin T
1
temperaturdan T
2
temperatura qızması zamanı
entropiya dəyişikliyi belə hesablanır:
Əgər V sabitdirsə (V=const)
T
dT
C
T
dU
dS
v
Qəbul etsək ki, C
V
=const, onda
1
2
ln
T
T
C
S
V
olar.
n mol maddə üçün
1
2
ln
T
T
nC
S
V
olacaq.
Əgər P=const olarsa, onda
T
dT
C
T
dH
dS
p
olar.
C
p
-ni sabit qəbul etsək, onda
1
2
ln
T
T
C
S
p
n mol maddə üçün
1
2
ln
T
T
nC
S
p
olar.
3. İdeal qazın iştirakı ilə baş verən proseslər . Bildiyimiz kimi
TdS=dU+pdV
dU=nC
v
dT və
V
nRT
P
olduğundan.
Bu ifadəni yuxarıda nəzərə alsaq
V
dV
nR
T
dT
nC
dS
v
alarıq. Tənliyi inteqrallayaq:
77
2
1
dS
V
dV
R
n
T
dT
nC
V
V
T
T
v
2
1
2
1
1
2
1
2
ln
ln
V
V
nR
T
T
nC
S
v
(1)
İdeal qazlar üçün C
V
=C
p
-R və
2
2
2
1
1
1
T
V
P
T
V
P
olduğundan (1) tənliyini
aşağıdakı kimi yazarıq:
2
1
1
2
ln
ln
P
P
nR
T
T
nC
S
p
(2)
Əgər proses sabit temperaturda baş verirsə. Onda (1) və (2) tənliklərindən
2
1
1
2
ln
ln
P
P
nR
V
V
nR
S
alınar.
Əgər proses sabit həcmdə baş verirsə, onda (1) tənliyindən alırıq:
1
2
1
2
ln
ln
P
P
nC
T
T
nC
S
V
V
Çünki sabit həcmdə
1
2
1
2
P
P
T
T
.
Proses sabit təzyiqdə baş verirsə (2) tənliyinə görə
1
2
1
2
ln
ln
V
V
nC
T
T
nC
S
p
p
İdeal qazların qarışması zamanı entropiya dəyişikliyini hesablayaq. Qəbul
edək ki, sabit təzyiq və temperaturda I qabda n
1
mol 1 qazı, II qabda n
2
mol 2
qazı vardır. I qabın həcmi V
1
, II qabın həcmi V
2
-dir. I və II qablar arasında yarığı
olan arakəsmə vardır. Yarıq açıldıqda 1 qazı II qaba, 2 qazı I qaba diffuziya
edəcəkdir. Diffuziya o vaxta kimi davam edəcəkdir ki, I və II qabda 1 və 2
qazlarının konsentrasiyası bərabər olsun. Diffuziya dönməyən prosesdir. Ancaq
yuxarıda qeyd etdiyimiz kimi, prosesin dönər baş verdiyini qəbul etsək entropiya
dəyişikliyini hesablaya bilərik: 1 qazı
V
1
həcmindən V
1
+ V
2
həcminə genişlənir.
Ona görə də onun entropiyasının dəyişməsi
1
2
1
1
1
ln
V
V
V
R
n
S
olar.
78
2 qazı V
2
həcmindən V
1
+ V
2
həcminə genişləndiyindən onun entropiyasının
dəyişməsi
2
2
1
2
2
ln
V
V
V
R
n
S
olar. Entropiya dəyişikliyi additiv kəmiyyət olduğuna görə ümumi entropiya
dəyişikliyi
2
1
S
S
S
olur.
Bunu nəzərə alsaq, tənlik aşağıdakı şəklə düşər.
2
1
S
S
S
2
2
1
2
1
2
1
1
ln
ln
V
V
V
n
V
V
V
R
n
R
Tənliyin sağ tərəfini n
1
+n
2
-yə vuraq və bölək. Onda alarıq:
2
2
1
1
2
1
ln
ln
)
(
x
x
x
x
n
n
R
S
Burada x
1
və x
2
1 və 2 qazının mol paylarıdır.
2
1
1
2
1
1
1
V
V
V
n
n
n
x
2
1
2
2
1
2
2
V
V
V
n
n
n
x
Əgər qaz qarışığının mol miqdarı 1 mol olarsa, yəni n
1
+n
2
=1, onda
2
2
1
1
ln
ln
x
x
x
x
R
S
olur.
Termodinamikanın III qanunu I və II qanunlar kimi postulat xarakteri daşıyır
və aşağıdakı kimi ifadə olunur: ideal kristallik maddənin 0 K temperaturda
0> Dostları ilə paylaş: |