Những hạn chế của nguyên lý 1 nhiệt động lực học quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ 1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC - QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG - NHÓM 1 - VLY1013.001 GIẢNG VIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ 1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC - QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG - NHÓM 1 - VLY1013.001

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

HUẾ, THÁNG 12 NĂM 2021

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 2

I Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 2

II Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 3

III Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch 4

1 Định nghĩa 4

2 Ví dụ 5

KẾT LUẬN 8

BÀI TẬP 9

MỞ ĐẦU

Sự phát triển của nhiệt động lực học là một vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa học Nhiệt động lực học nghiên cứu về nhiệt trong lĩnh vực Vật lý học Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ Nhiệt độ không biểu diễn bằng những đại lượng cơ học cơ bản như khối lượng, độ dài và thời gian, nó biểu thị một quan điểm cơ bản riêng Khi nghiên cứu những tính chất của vật chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của một tập hợp rất lớn các phân tử mà phải kế đến những lực tương tác giữa chúng thì người ta vận dụng những định luật tổng quát, luôn luôn nghiệm đúng với thực tiễn, không phụ thuộc vào tính chất chuyển động của các phân tử, sự tương tác giữa chúng và vào cấu trúc của vật chất Các định luật này biểu thị mới liên hệ giữa các dạng năng lượng, sự biển đối qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lương và các đại lương liên quan đến năng lượng như công (cơ học) và nhiệt,

Được thành lập do sự tổng quát hoá những kinh nghiệm, các định luật nói trên còn được gọi là các nguyên lí nhiệt động lực học Các nguyên lí này không đi sâu giải thích bản chất vật lý của hiện tượng nhưng rất cần thiết cho kỹ thuật

Trong đó nguyên lí thứ nhất có một vai trò quan trọng Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học chính là nguyên lí bảo toàn và biến hoá năng lượng áp dụng trong các quá trình có liên quan đến sự biến đổi nội năng sang cơ năng và nhiệt năng hoặc sang các dạng năng lượng khác và ngược lại

NỘI DUNG

I Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Nhiệt động bọc nghiên cứu các điều kiện và quan hệ biến đổi định lượng của năng lượng từ dạng này qua dạng khác Cơ sở ni nhiệt động học là hai nguyễn lí rút ra từ thực nghiệm

Độ biến thiên năng lượng toàn phần ∆W của hệ trong một quá trình biến đổi vỉ

mô có giá trị bằng công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong qua

∆W = A + Q Trong biểu thức này, các đại lượng đều đo bằng các đơn vị giống nhau

Ở trên ta đã giả thiết rằng cơ năng của hệ không đổi (Wđ + Wt = const), do đó theo công thức ∆W = ∆U ta có

∆U = A + Q Nghĩ là: trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổng của công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó

Trong một số trường hợp, để tính toán thuận tiện, người ta dùng các kí hiệu và phát biểu sau

a. Nếu A và Q là công và nhiệt mà hệ nhận được thì A’ = -A và Q’ = -Q là công

và nhiệt của hệ sinh ra

b. Từ công thức ∆U = A + Q, có thể viết

Q = ∆U + A’

Và nguyên lý thứ nhất có thể phát biểu như sau: nhiệt tuyền cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó

Các đại lượng AU, ∆, Q cơ thể dương hay âm

Nếu A > 0 và Q > 0 thì ∆U > 0, nghĩa là khi hệ thực sự sinh công và toả nhiệt ra bên ngoài thì nội nàng của hệ tăng

Nếu A < 0 và Q < 0 thì ∆U < 0, nghĩa là khi hệ thực sự sinh công và toả nhiệt ra bên ngoài thì nội nàng của hệ giảm [1]

II Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Hệ quả 1: Giả sử hệ thực hiện 1 quá trình kín (sau này gọi là chu trình), tức là sau một quá trình biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu

AU = U2 - U1 = 0 = A + Q→ A = -Q Như vậy nếu hệ nhận công A > 0 thì Q < 0, tức là hệ sẽ tỏa nhiệt

Nếu hệ nhận nhiệt Q > 0 thì A < 0, tức là sẽ sinh công

Một động cơ muốn sinh công thì phải nhận nhiệt từ bên ngoài Không có một động cơ nào sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng → Không tồn tại động

cơ vĩnh cửu loại 1

Hệ quả 2: Giả sử ta có hệ cô lập, gồm 2 vật chi trao đổi nhiệt với nhau Q1 và Q2

là nhiệt mà 2 vật nhận được

Q1 + Q2 = 0 → Q1 = -Q2 = Q2’

Tức là trong một hệ cô lập chỉ gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào [2]

Tất cả các quá trình vỉ mô trong tự nhiên đểu phải tuân theo nguyên lí thứ nhất Nhưng ngược lại, một quá trình vỉ mô phù hợp với nguyên lí thứ nhất có thể vẫn không xảy ra trong thực tế Ta hāy xét một vài thí dụ :

a. Xét một hệ cô lập gổm hai vật có nhiệt độ khác nhau: khi đặt hai vật tiếp xúc nhau thì chúng sē trao dổi nhiệt với nhau Theo nguyên lí thứ nhất nhiệt luợng toả

ra từ vật này bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào, còn trong bệ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hoặc từ vật lạnh sang vật nóng thì nguyên

lý thứ nhất sẽ không bị vi phạm Tuy nhiên, thực tế cho biết rằng trong hệ cô lập, quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng không xảy ra mà chỉ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh

b. Một hòn đá có khối lượng m được nâng lân độ cao Z trong chân không, thế năng của nó là mgZ Nếu nó rơi xuống đất, thế năng giảm dần, còn động năng của

nó tăng dần Lúc va chạm với đất động năng của nó đạt được giá trị mgZ Sau khi

va chạm động năng này biến đi nhưng làm đất nóng lên Hiện tượng xảy ra theo đúng nguyên lý thứ nhất Nếu ta hình dung hiện tượng ngược lại: hòn đá nằm trên mặt đất lấy một lượng nhiệt đúng bằng lượng nhiệt nói ở trên, đưa nó lên được một độ cao Z Trong quá trình này, nguyên lý thứ nhất không bị vi phạm Tuy nhiên, trong thực tế không xảy ra quá trình đó

Trong vấn đề này, nguyên lý thứ nhất cũng nêu lên sự khác nhau trong quá trình chuyển hoá giữa công và nhiệt Theo nguyên lý thứ nhất, công và nhiệt tương đương nhau và có thể chuyễn hoá lẫn nhau, nhưng thực tế chỉ rõ rằng công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt nhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thành công được

Nguyên lý thứ nhất cũng không đề cập tới vấn đề chất lượng của nhiệt Trong thực tế nhiệt lượng Q lấy ở môi trường có nhiệt độ cao, chất lượng cao hơn nhiệt lượng đó lấy ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn [1]

III.Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch

1 Định nghĩa

• Quá trình thuận nghịch

Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 và ngược lại từ trạng thái 2 sang trạng thái 1 qua tất cả các trạng thái trung gian mà quá trình thuận đã đi qua

Trên giản đồ trạng thái, đồ thị của quá trình thuận và đồ thị của quá trình nghịch

sẽ trùng nhau Công và nhiệt hệ nhận được trong quá trình nghịch bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận

Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng

→ Đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch để đưa hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không xảy

ra một biến đổi nào [2]

• Quá trình không thuận nghịch

Đối với một quá trình không thuận nghịch, công và nhiệt mà hệ nhận vào từ bên ngoài trong quá trình ngược không bằng công và nhiệt mà hệ cung cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận

Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều nghịch, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận

Công và nhiệt hệ nhận được từ bên ngoài trong quá trình nghịch không bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận

→ Đối với quá trình không thuận nghịch, sau khi hệ thực hiện quá trình thuận

2 Ví dụ

• Quá trình thuận nghịch

Ta xét một con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của môi trường (h 9-2) Do các điều kiện này nên không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài Trong nửa chu kì đầu, con lắc đi được quãng đường từ vị trí 1 đến vị trí 2

về 1 Sau quá trình thuận và quá trình nghịch, công của trọng lực sinh ra bằng không Kết quả là môi trường xung quanh không bị biến đổi

Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm cũng là một quá trình thuận nghịch Xét một khối khí đựng trong một xilanh đặt trong vỏ cách nhiệt với bên ngoài (h 9-3) Giả sử khối khí giản vô cùng chậm từ thể tích V1 đến thể tích V2 đến quá trình có thể được coi là quá trình cân bằng Nếu tiến hành ngược lại : nén khí vô cùng chậm từ thể tích V2 đến thể tích V1 , khối khí sẽ đi qua các trạng thái cân bằng trung gian như trong quá trình thuận Công mà khối khí nhận được trong quá trính nén bằng công do khí sinh ra trong quá trình thuận Do đó sau khi trở về trạng thái ban đầu, khối khí không trao đổi công ở bên ngoài Vỉ có vỏ cách nhiệt nên khối khí không trao đổi nhiệt với bên ngoài Kết quả là sau khi trở về trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không thay đổi

• Quá trình không thuận nghịch

Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh cũng là một quá trình không thuận nghịch Quá trình này xảy ra một cách tự phát, không cần có một tác động nào ở bên ngoài

Quá trình này sẽ chấm dứt khi nhiệt độ của 2 vật đó cân bằng nhau Muốn có một quá trình ngược lại: Nhiệt từ vật lạnh truyền sang cho vật nóng thì phải có tác động bên ngoài Kết quả là sau khi vật nóng truyền nhiệt cho vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi

KẾT LUẬN Ngành nhiệt động lực học là một ngành quan trọng của Nhiệt học nói riêng và

ngừng Chính nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực là một nền tảng vô cùng quan trọng cho sự phát triển đó

Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học là sự tổng quát hoá những nhận xét thực tiễn và những kết quả đạt được trong thí nghiệm Nó là sự vận dụng định luật bảo toàn năng lượng vào các hiện tượng nhiệt

Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học có những ứng dụng quan trọng không những trong việc giải các bài toán mà còn giải thích được nhiều hiện tượng trong cuộc sống hằng ngày