Nguyên lý I nhiệt động lực hoc

Năng lượng: • Đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất trong hệ.-> trạng thái xác định, năng lượng xác định.. • Hệ không chuyển động, không đặt trong trường lực -> Năng lượng của hệ đú

Chương 8

Nguyên lý thứ nhất nhiệt

động lực học Bμi giảng Vật lý đại cương Tác giả: PGS TS Đỗ Ngọc Uấn

Viện Vật lý kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hμ nội

Đ1.Khái niệm năng lượng-công

vμ nhiệt

1 Năng lượng:

• Đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất trong hệ.-> trạng thái xác định, năng lượng xác định

=>Năng lượng lμ hμm của trạng thái.

• Hệ không chuyển động, không đặt trong trường lực -> Năng lượng của hệ đúng

bằng nội năng của hệ: W = U

Khối khí đẩy pít tông -> sinh công -> nội năng giảm -> trao đổi năng lượng; Nén: nhận công

Công vμ nhiệt lμ những đại lượng đo mức độ

trao đổi năng lượng Chúng không phải lμ năng lượng Chúng không phải lμ hμm trạng thái mμ

lμ hμm của quá trình

•Sự tương đương giữa công vμ nhiệt:

•Nung nóng khối khí, giữ V=const

->Chuyển động hỗn loạn tăng ->T tăng

->trao đổi năng lượng: nhận nhiệt

4,18j <=> 1calo

2 Công vμ nhiệt:

Đ2 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động

lực học Trong cơ học: Độ biến thiên năng l−ợng của hệ bằng công mμ hệ trao đổi trong quá trình đó:

ΔW = W2- W1= A -> Nhiệt?

1 Phát biểu nguyên lý thứ nhất nhiệt

động lực học:

Độ biến thiên năng l−ợng của hệ trong quá trình biến đổi bằng tổng công vμ nhiệt hệ

nhận đ−ợc trong quá trình đó

ΔW = W2- W1= A +Q

Công liên quan đến chuyển động có trật tự

Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn

=> A’=-A, Q’=-Q Công vμ nhiệt hệ sinh & toả ra

• Hệ đứng yên thì W=U (nội năng)

• => Trong quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận

đ−ợc trong quá trình đó:

ΔU = U2-U1= A+Q

Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ:

dU = δA + δQ

A, Q -Công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc

2 ý NghÜa nguyªn lý I N§LH:

• NÕu A>0, Q>0 => ΔU = U2-U1>0 néi n¨ng

t¨ng, HÖ nhËn c«ng vμ nhiÖt C«ng sinh ra A’<0

& nhiÖt to¶ ra Q’<0

• NÕu A<0, Q<0 => U2<U1=> Néi n¨ng gi¶m,

HÖ sinh c«ng A’>0 & to¶ nhiÖt Q’>0

• NÕu A=0 & Q=0 => U2=U1 Néi n¨ng b¶o toμn

• §Þnh luËt b¶o toμn vμ chuyÓn ho¸ n¨ng l−îng:

N¨ng l−îng kh«ng tù sinh ra vμ còng kh«ng tù

mÊt ®i, nã chØ chuyÓn ho¸ tõ d¹ng nμy sang d¹ng kh¸c, truyÒn tõ hÖ nμy sang hÖ kh¸c.

3 Hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt

Động Lực học:

‚ Không tồn tại động cơ vĩnh cửu loại I: Giả sử

hệ thực hiện một chu trình kín vμ trở lại trạng

thái ban đầu; Tức U2=U1-> ΔU = 0 => A=-Q

hay -A = Q; Nh− vậy hệ nhận công thì toả nhiệt, sinh công thì phải nhận nhiệt

ƒ Trong một hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt l−ợng do vật nμy toả ra bằng nhiệt l−ợng

do vật kia thu vμo:

ΔU = 0 => Q1 =-Q2

Đ3 ứng dụng nguyên lý thứ I nhiệt

động lực học

1 Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng

a Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ lμ

trạng thái trong đó mọi thông số trạng thái

không biến đổi theo thời gian. Trạng thái cân

bằng bị phá vỡ nếu chịu tác động từ bên ngoμi

Quá trình cân bằng lμ quá trình biến đổi gồm

một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng

Thực tế không có quá trình CB; QT biến đổi rất chậm: Trạng thái CB được thiết lập trong toμn hệ trước khi chuyển sang trạng thái CB tiếp theo

  QT giả cân bằng

áp suất tác dụng lên pít tông

p = F/S

Công khối khí nhận được:

δA=-F.dl=-pSdl

S.dl=dV => δA = -pdV

Công hệ nhận được trong quá trình V1=> V2

∫ = ∫ ư

= 2

1

V

V

2

1

pdV dA

A

A bằng diện tích dưới

đường cong

Trong chu trình A bằng tổng đại số Agiãn+Anén

b Công mμ hệ nhận được trong quá trình CB

Nén chậm

F

dl<0

S

p

Nén

V2 V1V

2 A>0

1

Giãn

V1 V2V

1 A<0

2 p

c Nhiệt mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB

Nhiệt dung phân tử(1 mol): C = μ.c J/(mol.K) Nhiệt hệ nhận đ−ợc:

CdT

m Q

μ

= δ

Nhiệt dung: riêng c của một chất lμ đại l−ợng vật lý có giá trị bằng l−ợng nhiệt cần thiết mμ một đơn vị khối l−ợng nhận đ−ợc để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 độ.

C = Cv trong quá trình đẳng tích

C = Cp trong quá trình đẳng áp

kg.K

j

v

Đ

dT

m

Q

c δ

=

p

V2

1

2

V

V1

2 Quá trình đẳng tích

• V= const

•P/T = const (ĐL Gay-Lussac)

T 2

iR

m

μ

= Δ

T C

m

μ

=

2

iR

Cv =

2 1

3 2

2 1

1

T

p T

p T

p

=

=

•Nhiệt nhận đ−ợc:

1

T

Δ

V

p

•Công A= p(V1-V2)=0

• =>ΔU = Q

• Biến thiên nội năng:

3 quá trình đẳng áp

• p = const

3 1

1

T

V T

V T

V

=

=

• Nhiệt hệ nhận đ−ợc: Q= ΔU -A

T 2

iR

m

μ

=

T R

m T

2

iR

m

μ

+

Δ μ

=

=> R=CP-CV R

2

2

i

CP +

=

i

2 i

C

C

V

P = +

= γ

T R

m V

μ

= Δ

V

p

+p(V2-V1)

Hệ số Poisson

T C

m T

) R C

(

m T

)

R 2

iR (

m

μ

= Δ

+ μ

= Δ

+ μ

=

• Công nhận đ−ợc: A=-p(V2-V1) 2 1 3

v2 v1 v3

4 quá trình đẳng nhiệt

• T=const =>T1=T2 =T

• pV=const (ĐL Boyle-Mariotte)

∫ −

= 2

1

v

v

pdV A

2

1 1

2 1

2 1

1

V

V ln RT

m V

V ln RT

m V

V ln V

p

A

μ

= μ

−

=

−

=

1

2

V

V ln RT

m A

Q

μ

=

−

=

p 3

p1 1

p2 2

v1 v2 v

p1V1=p2V2=pV

p=p1V1/V

•ΔU=0 => A=-Q hay Q=-A

• Công nhận đ−ợc:

∫ −

1

v

v

1 1

V

dV V

p

5 Qóa tr×nh ®o¹n nhiÖt

• δQ=0 hay Q=0

• p t¨ng do V↓ & T↑

• dU= δA ( Nguyªn lý I N§H)

; dT C

m dT

2

iR

m

μ

= μ

=

const V

ln ) 1 (

T

V

dV RT

dT C

⇒

-pdV A

δ = pV m RT

μ

=

0

V

dV C

R T

dT

V

=

+

1 C

C C

C

R

V

V P

V

− γ

=

−

=

const

TV γ −1 =

const )

TV ln( γ −1 =

1

const p

T

1

> γ

=

γ

γ

−

const

pVγ =

• Về phương diện vật lý: Trong QT đoạn nhiệt

p↓ do V↑ & T↓ còn khi p ↑ do V ↓ & T ↑

Đoạn nhiệt dốc hơn

T=const->pV=const

δQ=0->pVγ =const

p

v

T 2

iR

m

μ

= Δ

• Độ biến thiên nội năng

trong QT đoạn nhiệt:

Công mμ hệ nhận được trong QT đoạn nhiệt:

• Về mặt toán học:

PVγ = const & γ>1

Trong QT đẳng nhiệt:

p↓ doV↑ hay p↑do V↓

C«ng do hÖ sinh ra: A’=-A

T 2

iR

m U

Q U

μ

= Δ

=

− Δ

=

= 2

1

V

V

) pdV (

A

1 1

1V m RT

p

μ

=

C«ng AnhËn trong

qt ®o¹n nhiÖt

V1->V2:

1

) V

V ( V p

V

dV V

p A

1 1

1 2 1

1 V

V

1 1

2

−

=

−

∫ γ

1

V p

V

p

− γ

−

=

1

1 2

1 1

T ) 1 (

) T T

( V

p

− γ

−

= A

γ

γ = 2 2

1

1V p V p

vμ thay

Nh©n vμo

γ

γ γ

V

V p

p V

p

= δ

Nhiệt dung: riêng< /i> c của chất lμ đ? ?i l−ợng vật lý có giá trị l−ợng nhiệt cần thiết mμ đơn vị kh? ?i l−ợng nhận đ−ợc để nhiệt độ tăng thêm độ.< /i>

C = Cv... Trạng th? ?i cân hệ lμ

trạng th? ?i thông số trạng th? ?i< /i>

không biến đ? ?i theo th? ?i gian.< /i> Trạng th? ?i cân

bằng bị phá vỡ chịu tác động từ bên ngo? ?i

Quá trình... trình biến đ? ?i gồm< /i>

một chu? ?i liên tiếp trạng th? ?i cân bằng< /i>

Thực tế khơng có q trình CB; QT biến đ? ?i chậm: Trạng th? ?i CB thiết lập toμn hệ trước chuyển sang trạng th? ?i CB