Termodinamika

Termodinamika so’zi ikkita yunon so’zidan tashkil topgan: «terme» – «issiqlik» va «dinamik» – «kuch». Termodinamika issiqlik mashinalari: bug’ qozonlari, ichki yonuv dvigatellari va b. da yuz beruvchi protsesslar haqidagi, ya’ni issiqlikning mexanik harakatga, ishga aylanishi haqidagi fan sifatida vujudga keldi. Hozirgacha uning bo’limlaridan biri shu masalalarni (faqat u reaktiv dvigatellar nazariyasini ham, yadro reaktorlarini va b. ko’plab narsalarni ham) o’rganadi.

O’z taraqqiyoti jarayonida termodinamika g’oyat kengaydi va fundamental fizika fani xarakterini oldi. Hozirda amalda materiyaning energiya ajratish yoki yutish, ish bajarish, moddaning ko’chishi va sh. k. bilan bog’liq bo’lgan har qanday o’zgarish protsesslari uning tadqiqot manbai hisoblanadi. Termodinamika kengayish va siqilish, isish va sovish, erish va qotish, bug’lanish va kondensatsiya, ximiyaviy reaksiyalar, issiqlik nurlanish va b. protsesslarni o’rganadi.

Bu barcha protsesslar bo’yicha u uchta asosiy savolga javob beradi:

1) Berilgan sharoitlarda shu protsess yuz berishi mumkinmi?

2) Agar protsess yuz berishi mumkin bo’lsa, u qaysi yo’nalishda (albatta, bu holda ham berilgan sharoitlarda) sodir bo’ladi?

3) Protsess nima bilan tugaydi?

Bu oxirgi, endi vaqtga bog’liq bo’lmaydigan adolat termodinamikada issiqlik muvozanati holati deb ataladi. Termodinamika bu savollarga uning asosiy mazmunini tashkil etgan uchta qonun yordamida javob beradi.

Termodinamikaning b i r i n ch i  q o n u n i g a ko’ra, har qanday jism U ichki energiyaga ega bo’lib, agar jism A ishni bajarsa, bu energiya kamayishi, agar jismga Q issiqlik berilsa, energiya ortishi mumkin: ΔU = Q - A

Termodinamikaning birinchi qonuni – bu energiyaning saqlanish qonuni. Undan, xususan, agar jismning ichki energiyasi doimiy bo’lsa  ΔU=0 hamda issiqlik olmasa va bermasa Q=0 , bu holda u ish bajara olmaydi: A = 0. Binobarin, hech narsadan ish hosil qilib bo’lmaydi yoki ishni hech narsaga aylantirib bo’lmaydi. Hech narsadan ish hosil qiluvchi qurilma yoki mashinaga birinchi tur abadiy dvigatel deyiladi. Termodinamikaning birinchi qonuni birinchi tur abadiy dvigatelni rad qiladi.

Bu qonunning o’rnatilishi asosan 1842 yillarda birinchi bo’lib issiqlik va ishning bir-biriga aylanishi mumkinligi g’oyasiga kelgan nemis vrachi Y. Mayerning, 1843 yilda birinchi bo’lib issiqlikning mexanik ekvivalentini hisoblab topgan ingliz fizigi J. Joulning hamda 1847 yilda birinchi qonunni ta’riflagan va uning energiyaning saqlanish qonuni sifatida umumiy ma’nosini anglagan nemis olimi G. Gelmgoltsning nomlari bilan bog’liq  .

Termodinamika ikkinchi qonuni ning g’oyasi fransuz injeneri S. Karnoning nomi bilan bog’liq bo’lib, u 1824 yilda Karno siklini – issiqlik mashinasidagi aylanma protsessni yaratdi. Bu sikl natijasida jism ish bajarib, so’ngra shu ishning bir qismidan foydalangan holda boshlang’ich holatga qaytadi. U birinchi bo’lib issiqlik qizigan jismdan sovuqroq jismga uzatilgandagina foydali ish olish mumkinligini ko’rsatib berdi.

Karno g’oyalarini rivojlantira borib, ingliz fizigi U. Tomson 1851 yilda ikkinchi qonunni ta’rifladi: «Tabiatda birdan-bir natijasi issiqlik rezervuarining sovishi hisobiga olingan mexanik ishdan iborat protsessning bo’lishi mumkin emas». Bu ta’rif issiqlik va ishning bir-biriga aylanishlari teng qiymatli emasligini ko’rsatadi: ishni to’liq issiqlikka aylantirish (ishqalanish yo’li bilan, elektr toki bilan qizdirish va b. usullar bilan) mumkin bo’lgani holda issiqlikni to’liq ishga aylantirib bo’lmaydi. Issiqlikni bir necha marta va to’liq ishga aylantiradigan mashinaga ikkinchi tur abadiy dvigatel deyiladi. Ikkinchi qonun ikkinchi tur abadiy dvigatelni rad etadi. U. Tomsondan mustaqil ravishda 1850 yilda nemis fizigi R. Klauzius ikkinchi qonunning ta’rifini berdi: «Issiqlik sovuqrok jismdan issiqroq jismga o’z-o’zicha o’tishi mumkin emas». Bu ta’rif real protsesslarning bir yoqlama ekanligini ko’rsatadi. Haqiqatan ham, termodinamikaning birinchi qonuni yuqoridagidek issiqlik o’tishini taqiqlamaydi (energiyaning saqlanish qonuni bajarilsa bas), biroq bu hech qachon sodir bo’lmaydi. Biz protsesslarning bir tomonliligiga juda ko’p boshqa misollarni keltirishimiz mumkin: gazlar idishda aralashgani holda o’zlaricha ajralmaydi; qand chaqmog’i suvda erigani holda chaqmoq tarzida qaytadan ajralmaydi; simni akkumulyatordan qizdirish mumkin, biroq (avtomobilchilarning ranjishlariga qaramay! ) issiq sim yordamida akkumulyatorni zaryadlab bo’lmaydi va h.k.

Klauzius 1865 yilda o’z-o’zicha sodir bo’luvchi protsesslarning yo’nalishi hakidagi masalani yangi funktsiya – entropiyani kiritish bilan yechdi hamda uning eng muhim xususiyatini aniqlab berdi: termoizolyatsiyalangan sistemalarda protsesslar o’z-o’zicha entropiyaning oshishi yo’nalishida boradi; issiqlik muvozanati holatida entropiya maksimum qiymatga erishadi. Bu funksiya sistemadagi tartibsizlik o’lchovidir; binobarin, o’z-o’ziga o’tuvchi protsesslar tartibsizlikning ortishi tomoniga boradi.

Entropiyaning absolyut kattaligini hisoblash nemis fizik-ximigi V. Nernst nomi bilan bog’liq. 1906 yilda u temperatura absolyut nolga intilganda har qanday o’zgarish bilan bog’liq bo’lgan entropiya o’zgarishi ham nolga intilishini aniqladi. Keyinchalik, T → O da oddiy kristall jismlar entropiyasining absolyut qiymati ham nolga intilishi ko’rsatilgan edi. Bu termodinamikaning uchinchi qonunidir.

Ichki energiya, entropiya va b. funksiyalarni kiritayotganda termodinamika ularning tabiati bilan qiziqmaydi hamda ularni jismlarning tuzilishi bilan, ya’ni jismlarning qanday zarralardan tuzilganligi, bu zarralar qanday xossalarga egaligi, ularning o’zaro qanday ta’sirlashishi bilan bog’lamaydi. Unda asosiy qonunlar insoniyatning ko’p asrli tajribasi umumlashmasidan iborat bo’lgan postulatlar tarzida kiritiladi. Shu sababli, ular har qanday protsesslar va har qanday moddalar: qattiq, suyuq, gazsimon, plazma, metallar, yarimo’tkazgichlar, dielektriklar va b. uchun o’rinlidir. A. Eynshteyn quyidagicha yozgan edi: «Nazariyaning dastlabki shart-sharoitlari qanchalik sodda, u qamrab oladigan hodisalar qanchalik muhimroq xilma-xillikka ega, uning qo’llanish sohasi qanchalik keng bo’lsa, u shunchalik ta’sirchan bo’ladi. Aynan shuning uchun ham klassik termodinamika menda juda chuqur taassurot qoldiradi.

U yagona umumiy fizik nazariyadir va men ishonamanki, u o’z asosiy holatlarining qo’llanilish doirasida hech qachon rad qilinmaydi».