Termodinamika və 3 qanunu
Digərləri 18 İyn 2019 22:55:00 246 0
Elm günü-gündən inkişaf edərək, özünü durmadan yeniləyir. Müasir texnologiyanın yaranmasına təkan verir, alimlər tərəfindən yeni nəzəriyyələr ortaya qoyulur və ya bir başqa nəzəriyyə yalnışlanaraq "arxivə" qoyulur. Artıq kvant fizikası, sim nəzəriyyəsi, M nəzəriyyəsi və başqa nəzəriyyələr dillər əzbərinə çevrilmişdir. Kvant fizikasının adını uşaqdan-böyüyə demək olar ki, hər kəs eşidir. Ölkəmizdə iş daha geniş "vüsət" almaqdadır. Belə ki, Youtube platformasından kvant fizikasına aid sənədli film izləyənlər belə sosial şəbəkələrdə buna aid status yazaraq özünü fizikanın, xüsusən kvant fizikasının bilicisi kimi göstərir. Bu yaxşı haldır, təbii ki, izləmək, öyrənmək yaxşıdır, ancaq daha özünü sanki illərdir CERN-də təcrübə aparan fiziklər kimi qələmə vermək düzgün deyil. Bir də əsas məsələ budur ki, təməl nəzəriyyələri bir kənara qoyaraq, ancaq Kvant, Sim və sair şeylərdən danışmaları məni düşündürməyə vadar et və bu yazını yazmağa qərar verdim.
Bu yazıda sizlərə fizikanın ən təməl və gözəl, bir o qədərdə ağır qolu olan Termodinamika haqqında məlumat verəcəyəm. Yazıma başlamazdan əvvəl Termodinamikanın ağırlığını sizlərə bu cümlələrlə çatdırmaq istəyirəm: "Əgər siz gənc fiziksizsə, sizin əlinizdə yeni bir nəzəriyyəniz varsa və sizin nəzəriyyəniz Maksvel Elektrodinamikası ilə uyğun gəlmirsə, sizin haqlı olma ehtimalınız haradasa mümkündür. Ola bilsin, Maksvel səhv edib. Ancaq sizin nəzəriyyəniz Termodinamika ilə üst-üstə düşmürsə, ona ziddirsə, sizin haqlı olma ehtimalınız 0-a bərabərdir. Siz nəzəriyyənizi heç üzə çıxarma zəhmətinə belə qatlanmayın". İndi isə termodinamikaya daxil olaraq onun sirrini açmağa başlayaq.
Termodinamika nədir? Hərfi mənası istilik qüvvəsi (termo, diamika) deməkdir. Termodinamika temperaturla bağlı olan prosesləri öyrənən fizika sahəsidir. Daha dəqiq tərifini versəm, Termodinamika enerjinin və qanunların bir növdən digərinə çevrilmələrini öyrənən elm sahəsidir. İşçi maddələrin köməyi ilə istilik və mexaniki enerjilərin qarşılıqlı çevrilməsinə baxılan hissəsi texniki termodinamika adlanır. Bir-biri ilə və ətraf mühitlə qarşılıqlı əlaqəsi olan cisimləri göstərən termodinamik sistem texniki termodinamikanın əsaslarından biridir. Termodinamik sistemlərə misal olaraq silindirdə porşenin hərəkəti ilə genişlənən və ya sıxılan qazları göstərmək olar. Termodinamika istilik hadisələri bağlı olduğu üçün bu hadisələri analiz edərkən bir neçə paramtrlərdən istifadə edilir. Bu parametrlərə hal göstəriciləri də deyilir. Hal göstəriciləri - istilik, təzyiq və xüsusi çəki ilə müəyyən edilir. Bu parametrlər bəzən sistemin funksiyası adlanır. İstilik - makroskopik sistemin termodinamik tarazlıq halını xarakterizə edən fiziki kəmiyyətdir. Termodinamik fizika inkişaf etdirildikcə artıq aksiom halını alan qanunlar ortaya qoyuldu. Belə ki, əvvəlcə qanun olaraq ortaya atılan daha sonra fiziki-riyazi metodlarla isbatlanan qanunlar o qədər dəqiq bir şəkildə işlədi ki, artıq o qanunlar aksiom halını aldı.
Termodinamikanın 3 qanunuTermodinamikanın 1-ci qanunu
Termodinamikanın birinci qanunu enerjinin saxlanma qanununun həm də istilik hadisələrinə tətbiqindən ibarətdir. Bu qanunu ifadə etməzdən əvvəl mexanikada enerjinin saxlanma qanununu bir daha yada salaq: daxilində yalnız konservativ qüvvələr təsir göstərən qapalı sistemin tam mexaniki enerjisi sabitdir. Bəs sistem daxilində həm də qeyri-konservativ, məsələn, sürtünmə qüvvəsi təsir göstərdikdə hansı hadisələr baş verir ki, mexaniki enerjinin saxlanma qanunu pozulur? Bu zaman mexaniki enerjinin bir hissəsi sürtünmə nəticəsində istiliyə çevrilir. Enerjinin istiliyə çevrilən hissəsini (sürtünmə nəticəsində ayrılan istilik miqdarını) də nəzərə alsaq, bu halda da tam enerjinin saxlandığını deyə bilərik. Mexanika bəhsində istilik miqdarı anlayışı olmadığına görə enerjinin saxlanma qanununun təsir dairəsi məhdudlaşır. Bu məhdudluq istilik hadisələri də nəzərə alındıqda aradan qaldırılır. Məlum olduğu kimi, qazın daxili enerjisinin dəyişməsi, onun üzərində görülən, yaxud qazın özünün gördüyü işlə bağlıdır.
Deməli, sistemin daxili enerjisi və görülən makroskopik iş bir-biri ilə əlaqədar kəmiyyətlərdir. Bəs sistemə xarici istilik mənbəyindən müəyyən istilik miqdarı verdikdə, sistemdə hansı dəyişikliklər baş verir? Termodinamikanın birinci qanunu bilavasitə bu sualla əlaqədardır. Həmin qanunun məzmunu belədir: sistemə verilən istilik miqdarı (δQ), onun daxili enerjisinin artmasına ( dE ) və sistem tərəfindən xarici qüvvələrə qarşı görülən işə (δA) sərf olunur. Riyazi olaraq termodinamikanın birinci qanunu belə ifadə olunur:
ΔQ = ΔU + ΔA ΔQ - İstilik miqdarı (cismə kənardan verilən istilik miqdarı) ΔU - Cismin daxili enerjisinin artması ΔA - Enerjinn sərf olunduğu iş
Termodinamikanın 1-ci qanunundan belə bir maraqlı nəticə alınır. Ətraf cisimlərdə heç bir dəyişiklik etmədən heçdən iş görmək olmaz. Heçdən iş görə bilən belə bir qurğu olsaydı, onu daimi mühərrik adlandırmaq olardı. Bunu nəzərə alaraq daimi mühərrikə belə tərif vermək olar: Yeganə nəticəsi heçdən iş görməklə nəticələnən proses əsasında işləyən qurğu birinci növ daimi mühərrik adlanır. Birinci növ daimi mühərrik yaratmaq üçün göstərilən çoxlu sayda cəhdlərə baxmayaraq bu qurğu termodinamikanın birinci qanuna zidd olduğundan həmin cəhdlərin hamısı iflasa uğramışdır. Termodinamikanın birinci qanununu şərh və təhlil edərkən onun tətbiq olunduğu sistem üzərinə heç bir şərt qoymadıq. Bu səbəbdən termodinamikanın birinci qanunu istənilən termodinamik sistem üçün doğrudur. Xüsusi halda sistem qapalı (izolə olunmuş) olarsa, onun xariclə heç bir əlaqəsi olmadığından dQ=0 və dA=0 olur. Bunları yuxarıdaki formulda nəzərə alsaq, dE=0 və buradan, E=sabit alırıq.
Deməli, qapalı sistem daxilində hansı proseslərin getməsindən asılı olmayaraq onun daxili enerjisi dəyişmir. Bu ifadə qapalı sistemlər üçün termodinamikanın birinci qanunudur. Unutmamaq lazımdır ki, termodinamika yalnız çoxlu sayda zərrəciklərdən ibarət sistemləri öyrənə bildiyindən birinci qanunu ayrı-ayrı atom, yaxud molekullara tətbiq etmək olmaz. Bu mənada termodinamikanın birinci qanunu mexanikada enerjinin saxlanma qanununa nəzərən məhduddur. Bundan fərqli olaraq ayrılıqda götürülmüş atom və molekullara, həmçinin az sayda zərrəciklərdən ibarət sistemlərə mexaniki enerjinin saxlanma qanununu tətbiq etmək olar. Birinci qanunun izahının sonunda enerjinin saxlanma qanununun tarixinə çox qısa nəzər salaq.
Bu qanun üç böyük alimin adları ilə bağlıdır. Bunlar Mayer, Helmhols və Couldur. Məşhur yapon fizikaşünası R. Kubo bu 3 alim haqqında deyir: "Yulius Robert Mayer (1814-1878) həqiqətən dahidir. O, bizim dünyaya yeganə bir məqsədlə - belə böyük kəşf etmək məqsədilə təşrif buyurdu. German Lüdviq Ferdinand Helmhols (1821-1894) bu qanunu "Erhaltung der Kraft", yəni enerjinin saxlanma qanunu adlandırdı. Mayer kim o, da fəaliyyətə həkim olaraq başladı, mənalı ömrünü isə o zamanın böyük fizioloqu və fizikaşünası kimi yaşadı. Ceyms Preskott Coul (1818-1889) 40 ildən çox müddət ərzində iş və istiliyin ekvivalentliyini eksperimental tədqiq etməklə məşğul oldu. Bu üç nəhənglərdən həmin qanunu müəyyənləşdirməyə müyəssər olan birinci şəxs və bu sahədəki fəaliyyəti etiraf olunan sonuncu şəxs Mayer olmuşdur."
Termodinamikanın 2-ci qanunu
Bu qanun sistemin entropiyasının yüksəlməsi qanunu kimi də bilinir. Mahiyyəti budur ki, qapalı sistemdə baş verən bütün istilik prosesləri üçün entropiyanın artması zəruridir, qapalı sistemin entropiyasının mümkün maksimum qiyməti (kəmiyyəti) istilik tarazlığında əldə olunur. Termodinamikanın II qanununun kəşfi fransız alimi S.Karlo (1796-1832), ingilis fiziki U. Tomson və R. Klauzisin işləridir. Bu kəşf 19-cu əsrin 50-ci illərində baş vermişdir. Qeyri-taraz proseslərin termodinamikasının banilərindən biri Belçika alimi İ.R. Priqojin (1917-2003) özünün mühazirələrindən birində (1977-ci ildə) demişdir: Elm tarixində termodinamikanın II qanunu izah etməli olduğu hadisələr çərçivəsindən kənara çıxaraq elmdə görkəmli rol oynadı.