Bài giảng vật lý đại cương 1 chương 5 các nguyên lý nhiệt động học

Chương V CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC I Nguyên lý thứ nhất NĐH 1 Công và nhiệt Công và nhiệt là các đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ * Khi các vật vĩ mô tương tác với nha[.]

Chương V CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC

I Nguyên lý thứ nhất NĐH

1.Công và nhiệt:

Công và nhiệt là các đại lượng đặc trưng

cho mức độ trao đổi năng lượng giữa các

hệ.

* Khi các vật vĩ mô tương tác với nhau

chúng trao đổi năng lượng dưới dạng công

* Khi năng lượng được trao đổi trực tiếp

giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của các vật tương tác với nhau, chúng trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt

2 Phát biểu nguyên lý I:

Các đại lượng có thể dương hay âm

Qui ước:

* thì hệ thực sự nhận công và nhiệt

* thì hệ thực sự sinh công và tỏa nhiệt

* Nếu A < 0 thì hệ sinh công A’ = -A

* Nếu Q < 0 thì hệ tỏa nhiệt Q’ = -Q

NL 1 cho quá trình biến đổi VCB:

Chú ý: Nội năng là hàm trạng thái còn công và

nhiệt là hàm quá trình.

Q A



Q A

U , ,



0 ,

0 

 Q

A

0 ,

0 

 Q

A

dU    A Q

Nếu hệ là một máy làm việc tuần hoàn thì sau mỗi chu kỳ hệ trở về trạng thái ban

đầu Do đó độ biến thiên nội năng của hệ

∆U = 0 Theo NL I, ta có A = -Q.

Vậy, không thể chế tạo một máy làm việc

tuần hoàn mà công do nó sinh ra nhiều hơn nhiệt mà nó nhận được Đây cũng là một

cách phát biểu nữa của NL I Nói cách

khác, không thể chề tạo được động cơ vĩnh

cửu loại I.

II Công và nhiệt trong quá trình cân bằng –

Nhiệt dung

1.ĐN: TTCB của hệ là trạng thái không biến đổi

theo thời gian nếu hệ không tương tác gì với môi trường

• Trạng thái CB của khối khí được xác định bằng

hai trong ba thông số p, V, T.

• Một hệ không tương tác với bên ngoài nghĩa là

không trao đổi công và nhiệt bao giờ cũng tự

chuyển tới TTCB.

• QTCB là chuỗi liên tiếp các TTCB

2.Công trong QTCB

Giả sử khối khí được biến đổi theo một QTCB, trong đó thể tích biến đổi từ V 1 đến V 2 Ngoại lực tác dụng lên piston là F Khi piston di chuyển một đoạn dl, thì khối khí nhận được một công :

dA = -Fdl = -p.S.dl = -p.dV

p là áp suất khối khí tác dụng lên piston, S là

diện tích piston

dl

Công mà khối khí nhận được trong quá

trình biến đổi thể tích từ V1 đến V2 là

Trị tuyệt đối của A bằng diện tích giới hạn bởi đường cong biểu diễn QTCB, trục

hoành và hai đường 1V1 và 2V2 Nếu khối

khí giãn nỡ, thể tích tăng thì A < 0, khối khí sinh công, nếu khối khí bị nén thể tích giảm

A > 0, khối khí nhận công.

   



2 1

V

V

pdV dA

A

• Nếu quá trình biến đổi theo một đường kín, thì

trị tuyệt đối của A bằng diện tích của đường kín

đó A > 0 nếu quá trình diễn tiến ngược chiều kim đồng hồ, A < 0 nếu QT diễn tiến cùng chiều kim đồng hồ.

p

1

2

p

V 1 V 2

3 Nhiệt dung

Nhiệt dung riêng c của một chất là một đại

lượng,có trị số bằng nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng của chất đó để nhiệt độ nó tăng lên một độ

Đối với một chất, ngoài nhiệt dung riêng người ta còn dùng một đại lượng gọi là nhiệt dung phân tử

C Đó là một đại lượng có trị số bằng nhiệt lượng

cần truyền cho một mol chất đó để nhiệt độ nó

tăng lên một độ

mcdT

dQ mdT

dQ

* Liên hệ giữa nhiệt dung phân tử và ND

riêng:

là số mol

Vậy C =µc

CdT

m dQ

ndT

dQ C











m

n 

* Nhiệt dung phân tử đẳng tích và NDPT đẳng áp

Áp dụng NLI cho một mol khí:

• Nếu khối khí được nung nóng đẳng tích dV = 0

nên :

Mà biểu thức nội năng cho một mol khí:

Vậy nhiệt dung phân tử đẳng tích :

pdV dU

CdT dA

dU

dQ     

dT

dU

C v 

RdT

i dU

RT

i U

2



R

i

C v

2



• Nếu khối khí được nung nóng đẳng áp thì

PTTTKLT cho mol khí :

Vậy nhiêt dung phân tử đẳng áp:

• Hệ số Poisson hay chỉ số đoạn nhiêt

dT

dV p

dT

dU

C p  

R dT

dV p

RdT pdV

RT

pV     

R

i R

C

2

2









i

i C

C

v

p  2







III Ứng dụng NLI vào các QTCB:

1) QT đẳng tích (V = const)

Q Q

A U

T T

C

m dT

C

m dQ

Q

pdV A

v T

T v

V

V

























) (

0

1 2

2

1

2

1





2 QT Đẳng Áp (p = const)

) (

)

( 2

) (

) (

1 2

1 2

1 2

2

1

2 1

2

1

T T

C

m T

T R

i

m Q

A U

T T

C

m dT

C

m dQ

Q

V V

p pdV

A

v

p T

T p

V

V









































3 QT Đẳng Nhiệt ( T = const)

A Q

U

p

p RT

m V

V RT

m

V

dV RT

m pdV

A

V

V

V

V



















0

ln

ln

1

2 2

1

2

1

2

1







4 QT Đoạn Nhiệt ( Q = 0 hay dQ = 0)

* PT Trạng thái trong QT Đoạn Nhiệt

Ta có:

) (



dT C

m pdV

pdV dA

dT C

m dA

dU

v

v































V

dV C

R T

dT

dT C

m dV

V

RT m

v

v





1







v

v p

C C

C R

const V

T

const V

T













)

ln(

ln ) 1 (

ln

1





Mà

Tích phân phương trình trên ta được:

Vậy:

Đây là phương trình liên hệ giữa T và V trong quá trình đoạn nhiệt

PT liên hệ giữa p và V:

PT liên hệ giửa T và p:

const

TV  1 

const

pV  

const







1

* So sánh độ dốc của đường đẳng nhiệt và đường đoạn nhiệt.

Đường đẳng nhiệt

Đường đoạn nhiệt

Vậy tang của góc nghiêng đường đoạn nhiệt lớn hơn tang góc nghiêng của đường đẳng nhiệt γ lần

1

0

pV const p V V dp

dp p

dV V







  

V

p

đường đoạn nhiệt

đường đẳng nhiệt

V Nguyên lý thứ II Nhiệt động học

1 Các hạn chế của NLI: NLI không cho ta biết

chiều diễn tiến của quá trình thực tế xảy ra

2 Quá trình TN và QTKTN

* Một quá trình biến đổi cuả hệ từ TT 1 sang TT2

được gọi là thuận nghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong QT đó hệ đi qua các

TT trung gian như trong QT thuận.

Theo ĐN này thì QTTN cũng là QTCB.

* QT không TN là QT mà khi tiến hành theo chiều

ngược lại, hệ không đi qua đầy đủ các TT trung gian như trong QT thuận