NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC pdf

Các định luật này biểu thị mới liên hệ giữa các dạng năng lượng, sự biến đổi qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lương và các đại lương liên quan đến năng lượng như công cơ học v

Nguyễn Đào Cẩm Phương K37.102.081

Lê Nguyễn Minh Phương K37.102.082

Bài tiểu luận Chuyên ngành: Nhiệt học

TP HỒ CHÍ MINH Tháng 10/2012

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

**********

Nhóm thực hiện: Nhóm 6, Lớp SP Lý 2B Nguyễn Thọ Dương K37.102.008

Trần Ái Nhân K37.102.069

Nguyễn Lan Nhi K37.102.073

Nguyễn Tấn Phát K37.102.079

Nguyễn Đào Cẩm Phương K37.102.081

Lê Nguyễn Minh Phương K37.102.082

TS Nguyễn Lâm Duy

GV Nguyễn Thanh Loan

Tp HỒ CHÍ MINH THÁNG 10/2012

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 3

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

LỜI NÓI ĐẦU 5

1 CHƯƠNG I: LƯỢC SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 7

2 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 13

2.1 Năng lượng chuyển động nhiệt và nội năng của khí lí tưởng 13

2.1.1 Đối với các khí đơn nguyên tử 13

2.1.2 Đối với khí lưỡng nguyên tử 14

2.1.3 Đối với khí đa nguyên tử 15

2.1.4 Nội năng của khí lí tưởng 16

2.2 Nhiệt lượng và công cơ học 17

2.2.1 Nhiệt lượng 17

2.2.2 Công cơ học 18

2.2.3 Đơn vị của nhiệt lượng 19

2.2.4 Mối liên hệ giữa nhiệt lượng và công 19

2.2.5 So sánh sự truyền nhiệt lượng và thực hiện công 22

2.2.6 Sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công 23

2.2.7 Sự biến nhiệt thành công 23

2.3 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học 24

2.3.1 Cơ sở của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học 24

2.3.2 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học 24

2.3.3 Biểu thức giải tích của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học 25

2.4 Nhiệt dung riêng của các chất khí lí tưởng 26

2.4.1 Các định nghĩa 26

2.4.2 Nhiệt dung riêng đẳng tích 27

2.4.3 Nhiệt dung riêng đẳng áp 27

2.4.4 Tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích 28

3 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 30

3.1 Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng tích 30

3.1.1 Đặc điểm 30

3.1.2 Bài tập vận dụng 30

3.2 Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng áp 31

3.2.1 Đặc điểm 31

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 4

3.2.2 Bài tập vận dụng 31

3.3 Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng nhiệt 32

3.3.1 Đặc điểm 32

3.3.2 Bài tập vận dụng 33

3.4 Các bài toán liên quan đến quá trình đoạn nhiệt 33

3.4.1 Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch của khí lí tưởng 33

3.4.2 Công của khối khí trong quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch 34

3.4.3 Bài tập vận dụng 35

3.5 Các bài toán liên quan đến quá trình politropic thuận nghịch của khí lí tưởng 37

3.5.1 Định nghĩa 37

3.5.2 Phương trình của quá trình politropic thuận nghịch 37

3.5.3 Công của khối khí trong quá trình politropic thuận nghịch 39

3.5.4 Bài tập vận dụng 39

3.6 Các bài toán liên quan đến các quá trình biến đổi của khí lí tưởng trong xilanh 42

3.7 Tổng kết công thức của các quá trình biến đổi thường gặp 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 5

LỜI NÓI 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 kể 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 biến đổi 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 Nhiệt động lực học được xây dựng dựa trên ba nguyên lí cơ bản được trình bày theo giản đồ sau:

Nguyên lí

thứ 0

Nguyên lí thứ I

Nguyên lí thứ II

Nhiệt độ và

tính chất của

nhiệt độ

Định luật bảo toàn năng lượng vận dụng vào các hiện tượng nhiệt

Các quá trình bất thuận nghịch trong

tự nhiên

Nguyên lí I + II đóng vai trỏ chủ yếu

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 6

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

Với mong muốn mang đến cho đọc giả cái nhìn tổng quan nhất về nguyên

lí thứ nhất của nhiệt động lực học cũng như những ứng dụng của nó, nhóm chúng tôi trình bày bài tiểu luận này với 3 chương có nội dung như sau:

Chương 1: Lược sử phát triển ngành nhiệt động lực học

Chương 2: Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học

Chương 3: Ứng dụng của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học

Hi vọng rằng với bài tiểu luận này chúng tôi sẽ giúp đọc giả có được những thông tin tổng quan nhất về lí thuyết cũng như ứng dụng của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học, giúp đọc giả có thể tổng hợp được những kiến thức liên quan đến nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học và đồng thời có hiểu biết sơ bộ về lịch sử phát triển của ngành nhiệt động lực học

Trong quá trình thực hiện bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi khó tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được những đóng góp ý kiến chân thành từ quí đọc giả

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 7

1 CHƯƠNG I: LƯỢC SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh của các nhiệt biểu, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức

Gabriel Fahrenheit (1686-1736) - người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu

tiên mang tên ông Trong thang nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F là nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá và sôi của nước Năm 1742, nhà bác

học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701-1744) cũng xây dựng nên một thang đo

nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân

Gabriel Fahrenheit Anders Celsius

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 8

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các

vật thể Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu

động học của các chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển

động vi mô của các hạt Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier (1743-1794)

lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu

Daniel Bernoulli Antoine Lavoisier

Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến

mãi thế kỉ thứ 19 với tên của nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi

Carnot (1796-1832) cùng với cuốn sách của ông mang tên "Ý nghĩa của nhiệt

động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này" Ông đã nghiên cứu

những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng

để thực hiện công dưới dạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lượng (tiền đề cho nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt, khái niệm về quá trình thuật nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lí thứ hai Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt như một dòng chất lưu

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 9

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lý

người Anh James Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệm

và bởi nhà vật lý người Đức Robert von Mayer (1814-1878) trên phương diện

lý thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương

về công và nhiệt trong những năm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyển hoá năng lượng Chúng ta đã biết rằng sự ra đời của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học là do một công lao to lớn của Mayer

James Prescott Joule Robert von Mayer

Nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương

trình trạng thái của chất khí lí tưởng vào năm 1843

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 10

Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của Sadi Carnot và được công thức hoá một cách chính xác

bởi nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius (1822-1888) - người đã đưa ra khái

niệm entropy vào những năm 1860

Rudolf Clausius

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 11

Những nghiên cứu trên đây đã cho phép nhà phát minh người Tô Cách Lan

James Watt (1736-1819) hoàn thiện máy hơi nước và tạo ra cuộc cách mạng

công nghiệp ở thế kỉ thứ 19

James Watt

Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann

(1844-1906), người đã góp phần không nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê và phát triển lý thuyết về chất khí vào năm 1877 Tuy nhiên, đau khổ vì những người cùng thời không hiểu và công nhận, ông đã tự tử khi tài năng còn đang nở rộ Chỉ đến mãi về sau thì tên tuổi ông mới được công nận và người ta đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, công thức nổi tiếng W = k.logO mà ông đã tìm ra

Ludwig Boltzmann

Riêng về lĩnh vực hoá nhiệt động, chúng ta phải kể đến tên tuổi của nhà vật

lý Đức Hermann von Helmholtz (1821-1894) và nhà vật lý Mỹ Willard

Gibbs (1839-1903) Chính Gibbs là người đã có những đóng góp vô cùng to lớn

trong sự phát triển của vật lý thống kê

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 12

Hermann von Helmholtz Willard Gibbs

Cuối cùng, để kết thúc lược sử của ngành nhiệt động học, xin được nhắc

đến nhà vật lý người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã

được nhận giải Nobel năm 1977 về những phát triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng

Ilya Prigonine

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 13

2 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA

2.1.1 Đối với các khí đơn nguyên tử

Đối với các chất khí mà phân tử của các khí chỉ gồm một nguyên tử (ví dụ

He, Ne, Ar, …) thì có thể coi phân tử như là một chất điểm

Phân tử đơn nguyên tử chỉ có động năng của chuyển động tịnh tiến còn động năng ứng với chuyển động quay của phân tử thì coi như không có Thật vậy ta đã biết cấu tạo của một nguyên tử gồm một hạt nhân tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử và một vành nhẹ của các electron Khi các phân tử va chạm với nhau thì ngoài việc trao đổi cho nhau động năng của chuyển động tịnh tiến, phân tử này còn truyền cho vành electron của phân tử kia một xung lượng quay Nhưng xung lượng này không làm quay được hạt nhân vì giữa hạt nhân

và vành electron không có sự liên kết rắn chắc Hơn nữa vì moment quán tính J của một nguyên tử rất nhỏ có thể coi bằng không dó đó động năng của chuyển động quay của phân tử cũng coi như bằng không

Vậy đối với khí lí tưởng đơn nguyên tử, nếu khí gồm N phân tử thì năng lượng chuyển động nhiệt của nó sẽ là

3

( )2

E N w NkT J

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 14

Và đối với một kmol chất khí này thì năng lƣợng chuyển động nhiệt là

2.1.2 Đối với khí lưỡng nguyên tử

Phân tử lƣỡng nguyên tử có thể coi nhƣ một hệ gồm 2 nguyên tử cách nhau một khoảng nào đó trong không gian

Giả sử khoảng cách giữa các nguyên tử không đổi thì một hệ nhƣ vậy, nói chung, có 6 bậc tự do Thật vậy vị trí và cấu tạo của phân tử này đƣợc xác định bởi 3 bậc tự do của chuyển động tịnh tiến của khối tâm và 3 bậc tự do xác định chuyển động quay quanh 3 trục vuông góc với nhau quanh khối tâm Tuy nhiên thực nghiệm và lý thuyết chứng minh rằng sự quay của các phân tử quanh trục nối tâm của hai nguyên tử không xảy ra Nhƣ vậy để xác định sự quay có thể của phân tử lƣỡng nguyên tử chỉ cần 2 toạ độ

Tóm lại, đối với phân tử lƣỡng nguyên tử thì số bậc tự do bằng 5 trong đó

3 bậc tự do ứng với chuyển động tịnh tiến và 2 bậc tự do ứng với chuyển động quay Vậy động năng trung bình của phân tử lƣỡng nguyên tử là:

tt q

Trong đó: tt là động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến

qlà động năng trung bình của chuyển động quay

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 15

Và đối với một kmol chất khí này thì năng lượng chuyển động nhiệt là

2.1.3 Đối với khí đa nguyên tử

Đối với phân tử có 3 hay nhiều nguyê tử liên kết rắn chắc với nhau thì có 3 bậc tự do tịnh tiến và 3 bậc tự do quay, trừ trường hợp các nguyên tử nằm trên cùng đường thẳng, khi đó số bậc tự do chỉ có 2

Vậy năng lượng chuyển động nhiệt của khí lí tưởng đa nguyên tử gồm N phân tử sẽ là

mà các nguyên tử dao động điều hoà thì theo định luật phân bố năng lượng, năng lượng ứng với mỗi bậc tự do dao động sẽ gồm 2 phần: một phần năng lượng dưới dạng động năng có giá trị bằng kT, một phần năng lượng dưới

dạng năng lượng dưới dạng thế năng cũng có giá trị bằng kT Như vậy, năng lượng ứng với 1 bậc tự do dao động là kT = kT Từ đó suy ra về phương diện phâ bố năng lượng thì một bậc tự do dao động tương ứng với hai bậc tự do tịnh tiến hoặc quay

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 16

2.1.4 Nội năng của khí lí tưởng

Nội năng của một vật bao gồm toàn bộ các dạng năng lượng trong một vật, nghĩa là gồm năng lượng chuyển động nhiệt (tổng năng lượng chuyển động của các phân tử), thế năng tương tác giữa các phân tử, thế năng tương tác giữa các nguyên tử trong từng phân tử, động năng và thế năng tương tác của các hạt cấu tạo nên nguyên tử,… Tất cả các dạng năng lượng sau (trừ 2 dạng năng lượng đầu tiên) gọi tóm lại là năng lượng bên trong các phân tử

Đối với 1 kmol vật chất ta gọi

E0 là năng lượng chuyển động nhiệt

Et là tổng thế năng tương tác giữa các phân tử

Ep là tổng năng lượng bên trong các phân tử

Vậy nội năng U0 của 1 kmol vật chất được biểu thì bằng công thức

U0 = E0 + Et + Ep

Khi làm thay đổi trạng thái của vật thì nội năng sẽ biến thiên một lượng là

dU0 = dE0 + dEt + dEpNhưng với những cách làm thay đổi thông thường trạng thái của vật chất thì không thể làm thay điổ năng lượng bên trong các phân tử Do đó dEp = 0 Vậy

dU0 = dE0 + dEt

Đối với khí lí tưởng thì thế năng tương tác giữa các phân tử rất nhỏ, có thể

bỏ qua Do đó Et = 0 Suy ra dEt = 0 Vậy

dU0 = dE0

Khi nhiệt độ thay đổi một lượng dT thì độ biến thiên nội năng của 1 kmol khí lí tưởng sẽ là

dU0 = dE0 = RdT

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 17

2.2 NHIỆT LƯỢNG VÀ CÔNG CƠ HỌC

2.2.1 Nhiệt lượng

Hệ nhiệt động, biên và môi trường

Hệ nhiệt động: là khoảng không gian chứa đầy vật chất Đó là một phần của thế giới vật lý

Môi trường: là khoảng không gian vật chất không chứa hệ Hệ và môi trường là một cặp Trong những trường hợp đặc biệt có thể đổi chỗ cho nhau Biên là vùng không gian phân biệt giữa hệ và môi trường

Ta gọi TS là nhiệt độ của hệ

TE là nhiệt độ của môi trường

Q là nhiệt lượng trao đổi giữa môi trường và hệ

Có trể xảy ra các trường hợp sau:

TS > TE; nhiệt lượng truyền từ hệ ra môi trường (hệ toả nhiệt; Q<0)

TS < TE; nhiệt lượng truyền từ môi trường vào hệ (hệ nhận nhiệt; Q>0)

TS = TE; không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường (Q=0)

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 18

Nói tóm lại, Q có thể nhận các giá trị sau:

= 0, không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường

Q < 0, hệ toả nhiệt cho môi trường

>0, hệ nhận nhiệt từ môi trường

Như vậy, nhiệt lượng là năng lượng chuyển giữa 1 hệ và môi trường

quanh nó vì có sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng

Sự trao đổi nhiệt lượng đó gây nên các hệ quả:

Khi hệ nhận nhiệt thì nội năng của hệ tăng Khi hệ toả nhiệt thì nôi năng của hệ giảm Khi không có sự trao đổi nhiệt thì nội năng của hệ được bảo toàn

2.2.2 Công cơ học

Năng lượng cũng có thể được chuyển giữa một hệ và môi trường xung quanh nó nhờ công (Kí hiệu: A) Nó luôn luôn liên kết với lực tác dụng lên hệ trong một chuyển dời của hệ

Công A cũng có các giá trị:

= 0, khi không có lực tương tác

A < 0, khi hệ nhận công (hoặc công thực hiện trên hệ)

>0, khi hệ sinh công (hoặc hệ thực hiện công)

Vậy khi có sự trao đổi năng lượng dưới dạng công cũng có các hệ quả sau:

Nếu hệ nhận công thì nội năng của hệ tăng

Nếu hệ sinh công thì nội năng của hệ giảm

Nếu công bằng 0 thì nội năng của hệ được bảo toàn

Như vậy sự trao đổi năng lượng thông qua công và nhiệt đã làm biến đổi

nội năng của hệ

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 19

2.2.3 Đơn vị của nhiệt lượng

Căn cứ vào bản chất vật lý thì nhiệt lượng và công cơ học phải đo bằng cùng đơn vị Trong hệ SI là Jun (J)

Nhưng trong quá trình phát triển vật lý học, lúc đầu chưa hiểu được bản chất của các hiện tượng nhiệt, dựa vào thuyết “chất nhiệt” người ta đã quy ước

đo nhiệt lượng bằng calo (viết tắt là cal)

Calo là nhiệt lượng để làm nóng 1 gam nước ở áp suất chuẩn ( p = 760mmHg) từ 19,5oC đến 20,5o

Ngày nay người ta thấy rằng Calo không liên quan gì tới sự làm nóng nước

cả Nhiệt lượng ngày càng được nhiều người tính ra jun hơn là calo hay Btu Tuy nhiên, clo vẫn tiếp tục được dung trong lĩnhvực hoá học và Btu dung trong một số ứng dụng kĩ thuật

2.2.4 Mối liên hệ giữa nhiệt lượng và công

Xét hệ nhiệt động chứa 1 mol khí lí tưởng trong 1 xilanh có pittông chuyển động với tiết diện cắt ngang của pittông là S Các trạng thái của hệ trong xilanh được xác định bằng các thông số nhiệt động (p,V,T)

Gọi trạng thái đầu (i) và thạng thái cuối (f) của hệ được đặc trưng bằng các thông số là pi, Vi, Ti và pf, Vf, Tf

Nếu F là lực của khối khí tác dụng lên pittông làm nó dịch chuyển một đoạn x thì công thực hiện được là:

A = F.x = p.S.x

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 20

Ở đây S.x = V, đó là sự thay đổi thể tích dưới tác dụng của lực F Vậy:

A = p.V

Ta có thể viết biểu thức này dưới dạng vi phân:

dA = pdV Nếu công dA là dương thì chất khí đã thực hiện công lên pittông tương ứng với sự thay đổi thể tích của xylanh là dV>0 (thể tích tăng lên)

Nếu công dA là âm thì công đã được thực hiện lên khối khí, tương ứng với sự thay đổi thể tích của xylanh là dV<0 ( thể tích giảm xuống)

Để đảm bảo chắc chắn áp suất không thay đổi ta phải thay đổi dV vô cùng nhỏ, nghĩa là lấy giới hạn của dV0

Khi thể tích khí thay đổi từ Vi tới Vf thì công tổng cộng thực hiện bởi chất khí là:

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 21

Một hệ có thể chuyển từ một trạng thái ban đầu cho trước bằng vô số quá trình Công A và nhiệt lượng Q sẽ có những giá trị khác nhau cho mỗi quá trình

này Ta nói rằng, nhiệt lượng và công là những đại lượng phụ thuộc vào đường

đi Có rất nhiều cách để đưa khí từ trạng thái i đến trạng thái f Sau đây là 1 vài

hạ từ Ta đến Tf Nhiệt lượng trong bước này là âm

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 22

Trong quá trình toàn phần iaf, công thực hiện là dương và thực hiện chỉ trong bước ia Nhiệt được chuyển trong cả hai bước ia và if, là dương trong bước thứ 1 và âm trong bước 2

Cách 3:

Quá trình này gồm 2 bước được tiến hành theo chiều ngược lại của cách 2 Công A trong trường hợp này nhỏ hơn với trường hợp 2, vì nhiệt lượng toàn phần bị hấp thụ

Cách 4

Theo giãn đồ (p,V) trên ta có nhận xét là có thể làm cho công thực hiện lớn bao nhiêu tuỳ ý (đi theo đường icdf) hoặc lớn bao nhiêu tuỳ ý ( đi theo chiều ngược lại theo mũi tên đứt nét)

2.2.5 So sánh sự truyền nhiệt lượng và thực hiện công

Giống: đều là những phần năng lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác với nhau chứ không phải là những dạng năng lượng

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 23

- Xảy ra trực tiếp giữa những nguyên

tử hay phân tử chuyển động hỗn

loạn

- Xảy ra giữa những vật vĩ mô

- Gắn liền với sự chuyển dời định hướng

- Trực tiếp dẫn đến sự tăng nội năng

của hệ

- Trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ

2.2.6 Sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công

- Là đại lượng đặc trưng cho khả

năng sinh công

- Không phải là những dạng năng lượng

- Năng lượng luôn tồn tại cùng vật

chất

- Chỉ xuất hiện khi có sự truyền hoặc biến đổi năng lượng

- Mỗi trạng thái xác định tương ứng

với một giá trị năng lượng, không

phụ thuộc vào quá trình biến đổi

trạng thái

- Phụ thuộc trực tiếp vào quá trình biến đổi trạng thái và chỉ tồn tại cùng với quá trình

2.2.7 Sự biến nhiệt thành công

Xét ví dụ:

- Khi đun nóng khí trong một xylanh có pittông ta đã truyền 1 phần năng lượng chuyển động nhiệt có trong chất đốt cho chất khí => Truyền năng lượng dưới hình thức nhiệt

Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 24

- Sau đó, nội năng của khí tăng lên sẽ biến đổi 1 phần thành cơ năng cho pittông ( khí trong xylanh đẩy pittông) và 1 phần thành nhiệt năng

=> Xảy ra theo hình thức công

Kết quả của 2 quá trình này gọi là sự biến nhiệt thành công

Khái niệm: là sự biến đổi cách truyền năng lượng dưới hình thức nhiệt sang cách truyền năng lượng dưới hình thức công

Đặc điểm: không có sự biến đổi trực tiếp nào từ nhiệt năng sang cơ năng

mà phải thong qua khâu trung gian là tư nhiệt năng sang nội năng và tư nội năng sang cơ năng

hình thức nhiệt hình thức công Nhiệt năng Nội năng Cơ năng

2.3 NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2.3.1 Cơ sở của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học

Nguyên lí thứ nhất trong nhiệt động lực học, thực chất là sự mở rộng và chính xác hóa định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng áp dụng cho các hiện tượng nhiệt: “Năng lượng không tự sinh ra từ hư vô và cũng không biến mất

mà chỉ biến hóa từ dạng này sang dạng khác”

Năng lượng là hàm của trạng thái

Ở mỗi trạng thái xác định, nội năng của hệ chỉ có 1 giá trị hay nói cách khác, nội năng là hàm đơn giá của trạng thái

2.3.2 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học

Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học là sự tổng hợp hóa những nhận xét thực tiễn và những kết quả đạt được trong khi làm thực nghiệm vì vậy ta chỉ có thể công nhận chứ không đặt vấn đề chứng minh