ly thuyet ham dac trung

Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học - Trong cơ học: Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi trongquá trình đó: ∆W = W2 – W1 = A.. Phát biểu nguyên lí thứ nhất nhiệt độ

MỞ ĐẦU

Nhiệt động học là một khoa học nghiên cứu về sự biến hóa dạng năng lượng nàythành dạng dạng năng lượng khác và thiết lập các định luật của sự biến hóa đó

Nhiệt động học đã phát sinh và trở thành một ngành độc lập vào giữa thế kỷ thứ

19 khi nghiên cứu công của máy hơi nước

Sau đó phạm vi nghiên cứu của nhiệt động học được mở rộng hơn nhiều Hiệnnay, nhiệt động học nghiên cứu một số lớn những hiện tượng vật lí và hóa học có kèmtheo sự biến đổi năng lượng Chẳng hạn dựa vào những định luật của nhiệt động học,người ta nghiên cứu công của máy sinh hàn, các quá trình trong máy nén, trong động cơđốt trong và động cơ phản lực, các quá trình xảy ra trong điện phân, trong pin điện vàtrong phản ứng hóa học Những nghiên cứu bằng phương pháp nhiệt động học khôngnhững chỉ cho phép đưa đến sự cân bằng của năng lượng mà còn xác định chiều hướng

và giới hạn mà một quá trình có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định Như vậy,nhiệt động học cho phép điều khiển theo ý muốn những quá trình lí hóa học trong sảnxuất

Nhiệt động học căn cứ vào hai nguyên lí cơ bản là nguyên lí thứ nhất và nguyên líthứ hai Cả hai nguyên lí của nhiệt động học đều là kết quả của sự hệ thống hóa kinhnghiệm rộng lớn của loài người mà cho đến nay trong thực tế chưa có hiện tượng nàomâu thuẫn với chúng

Xin chân thành cảm ơn!

Huế, ngày 22 tháng 05 năm 2010

Sự tương đương giữa công và nhiệt: 4,18J = 1 Calo

Vậy công và nhiệt là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng Chúngkhông phải là năng lượng, không phải là hàm trạng thái mà là hàm của quá trình

Công có liên quan đến chuyển động có trật tự Còn nhiệt có liên quan đến chuyểnđộng hỗn loạn

II Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học

- Trong cơ học: Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi trongquá trình đó: ∆W = W2 – W1 = A

1 Phát biểu nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học:

Độ biến thiên năng lượng của hệ trong quá trình trao đổi bằng tổng công và nhiệt mà

hệ nhận được trong quá trình đó

∆W = W2 – W1 = A + Q

A, Q: Công và nhiệt hệ nhận được

A’ = - A, Q’ = - Q: Công và nhiệt hệ sinh và tỏa ra

Hệ đứng yên thì: W = U (nội năng)

Suy ra: trong quá trình biến đổi, độ biến thiên năng lượng của hệ bằng tổng công

và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó

∆U = U2 – U1 = A + Q

Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ:

dU = ∂A + ∂Q

2 Ý nghĩa của nguyên lí I nhiệt động học

- Nếu A > 0, Q > 0 => ∆U = U2 – U1 > 0: Nội năng tăng, hệ nhận công và nhiệt.Công sinh ra A’ < 0 và tỏa nhiệt ra: Q’ < 0

- Nếu A < 0, Q < 0 => U2 < U1 => Nội năng giảm, hệ sinh công A’ > 0 và tỏanhiệt Q’ > 0

- Nếu A = 0 và Q = 0 => U2 = U1: Nội năng được bảo toàn

- Định luật bảo toàn va chuyển hóa năng lượng:

Năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạngnày sang dạng khác, truyền từ vật này sang vật khác

3 Hệ quả nguyên lí I nhiệt động lực học:

- Không tồn tại động cơ vĩnh cửu loại I: Gỉa sử hệ thực hiện một chu trình kín vàtrở lại trạng thái ban đầu; Tức U2 = U1 -> ∆U = 0 => A = - Q hay –A = Q; Như vậy hệnhận công thì tỏa nhiệt, sinh công thì phải nhận nhiệt

Vậy nên: Trong một hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa

ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào

∆U = 0 => Q1 = - Q2

4 Ứng dụng của nguyên lí I nhiệt động lực học:

1) Qúa trình cân bằng và trạng thái cân bằng

a Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ là 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 bênngoài

Qúa trình cân bằng là trạng thái biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng tháicân bằng

Thực tế không có quá trình cân bằng; Qúa trình biến đổi rất chậm, trạng thái cânbằng được thiết lập trong toàn hệ trước khi chuyển sang trạng thái cân bằng tiếp theo(quá trình giả cân bằng)

b Công mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng

Áp suất tác dụng lên pittông: p = F/S

Công mà khối khí nhận được: ∂A = - Fdl = - pSdl

Sdl = dV => ∂A = - pdV

Công mà hệ nhận được trong quá trình V1 -> V2:

A: Diện tích dưới đường cong, trong chu trình A = Agiãn + Anén

c Nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng

* Nhiệt dung: Nhiệt dung riêng c của một chất là đại lượng vật lí có giá trị bằng lượng

nhiệt cần thiết mà một đơn vị khối lượng nhận được để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 độ

Q J c

22

Cp i Cv

Hệ số Poission

- Trong quá trình đẳng nhiệt:

p giảm do V tăng hoặc p tăng do V giảm

(Qúa trình đoạn nhiệt dốc hơn)

Nhiệt -> Động năng -> Thế năng.

* Tuy nhiên các quá trình ngược lại trên đều thõa mãn nguyên lí I nhiệt động lựchọc

- Không đánh giá được chất lượng nhiệt

- Không phân biệt được sự khác nhau giữa công và nhiệt

II Qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch

1 Định nghĩa:

a Qúa trình: A -> B -> là thuận nghịch nếu quá trình ngược B -> A, hệ trãi qua các

trạng thái trung gian như trong quá trình thuận A -> B Suy ra:

Hệ chỉ có thể trở về trạng thái cân bằng -> Qúa trình thuận nghịch là quá trình cânbằng -> Athuận = A’nghịch, Qthuận = Qnghịch

Hệ trở về trạng thái ban đầu, môi trường xunh quanh không biến đổi.

b Qúa trình không thuận nghịch:

Sau khi thực hiện QT thuận và QT nghịch đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môitrường xung quanh bị biến đổi

2 Thí dụ:

Qúa trình giãn đoạn nhiệt vô cùng chậm: QTTN

 Dao động của con lắc không ma sát có nhiệt độ bằng nhiệt độ bên ngoài: QTTN

* Các quá trình không thuận nghịch

- Các quá trình có ma sát: không thuận nghịch

- Truyền nhiệt từ vật nóng qua vật lạnh: Không thuận nghịch

- Qúa trình giãn khí trong chân không: Không thuận nghịch

III Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

1 Động cơ nhiệt:

- Máy biến nhiệt thành công như động cơ hơi nước, động cơ đốt trong

- Tác nhân: chất vận chuyển (hơi nước, khí,…) biến nhiệt thành công: là tuầnhoàn

- Hiệu suất của động cơ nhiệt:

Sau một chu trình: ∆U = - A’ + Q1 – Q2 = 0 => A’ = Q1 – Q2’

2 Phát biểu nguyên lý II nhiệt động lực học

a Phát biểu của Clausius: Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng

hơn

b Phát biểu của Thompson: Một động cơ không thể sinh công, nếu nó chỉ trao đổi nhiệt

với một nguồn nhiệt duy nhất

c Ý nghĩa: - Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai: lấy nhiệt chỉ từ 1 nguồn

(T thấp như nước biển) để sinh công

- Chất lượng nhiệt: T càng cao, chất lượng nhiệt càng cao.

IV Chu trình Carnot

1 Chu trình Carnot thuận nghịch gồm 4 quá trình TN:

- Giãn đẳng nhiệt: T1 = const, 1->2, nhận Q1 từ nguồn nóng

- Giãn đoạn nhiệt: 2->3, nhiệt độ giảm từ T1->T2

- Nén đẳng nhiệt: T2 = const, 3->4, thải Q2 (làm nguội)

- Nén đoạn nhiệt: 4->1, nhiệt độ tăng: T2 -> T1

=> Nhận xét: - Trong chu trình thuận 12341, hệ nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng,sinh công A’ và thải nhiệt Q2’ vào nguồn lạnh -> Động cơ nhiệt.

- Trong chu trình nghịch 14321, hệ nhận công lấy nhiệt (làm lạnh) từ nguồn lạnh

và thải nhiệt vào nguồn nóng -> Máy làm lạnh

2 Hiệu suất trong chu trình Carnot thuận nghịch:

2 1

' 1

c

Q Q

1

c

T T

ln 1

ln

c

V T V V T V

  

a) Phát biểu: Hiệu suất động cơ nhiệt thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot với cùng

nguồn nóng và nguồn lạnh, đều bằng nhau và không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy:  1   2

Hiệu suất của động cơ không thuận nghịch nhở hơn hiệu suất của động cơ thuậnnghịch:

Ta có: A’I – A’II = A’ > 0 => I + II = động cơ vĩnh cửu

Cũng tương tự khi  1   2 Vô lý Vậy:  1   2

c) Chứng minh KTN  TN :

Gỉa sử II là KTN ngoài nhiệt nhả cho nguồn lạnh còn nhiệt vô ích -> Q’2II > Q’2I

=>  2   1

2 Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt

Hiệu suất của động cơ thuận nghịch bất kì luôn nhỏ hơn hiệu suất của động cơ đóchạy theo chu trình Carnot thuận nghịch với cùng 2 nguồn nhiệt và tác nhân:

arnot

KTN TN TNC

    

Dấu “=” ứng với chu trình Carnot KTN

Hiệu suất của động cơ chạy theo chu trình Carnot thuận nghịch là hiệu suất cựcđại

3 Kết luận:

a) Hiệu suất cực đại luôn nhỏ hơn 1:

2 ax

c) Phương hướng nâng cao hiệu suất động cơ nhiệt:

Tăng ∆T -> (T1↑ & T2↓; Giam ma sát

d) Chất lượng nguồn nhiệt: Nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn thì chất lượng tốt hơn.

VI Biểu thức định lượng (toán học) của nguyên lí II nhiệt động lực học:

1 Đối với chu trình Carnot:

Dấu “=” ứng với CT Carnot thuận nghịch

Dấu “<” ứng với quá trình Carnot không thuận nghịch

2 Đối với chu trình nhiều nguồn nhiệt:

Q1, Q2,…,Qn ứng với nhiệt độ T1, T2,…, Tn (gồm các quá trình đẳng nhiệt và đoạnnhiệt liên tiếp nhau)

1

0

n i

i i

Q T







Các quá trình rất ngắn thì:

Bất đẳng thức Clausius là biểu thức địnhlượng của nguyên lý II NĐLH:

Tích phân Clausius đối với 1 chu trình không thể lớn hơn 0

VII Hàm etropy và nguyên lí tăng entropy

1 Tích phân Clausius theo quá trình thuận nghịch:

Tích phân

Q T



 Clausius theo các quá trình thuận nghịch từ trạng thái 1 -> 2 không

phụ thuộc vào các quá trình biến đổi mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng tháicuổi của quá trình

2 Hàm Entropi:

0

Q T





 n

0

Q T





 n

- Đối với quá trình không thuận nghịch:

Tích phân Clausius theo quá trình không thuận nghịch từ trạng thái 1->2 nhỏ hơn

độ biến thiên entropi của hệ trong quá trình đó

3 Nguyên lý tăng Entropi:

Qúa trình không thuận nghịch

Đây là biểu thức định lượng nguyên lí II NĐLH viết dưới dạng hàm entropi

- Qúa trình TN: ∆S = 0 (entropi không đổi)

- Qúa trình KTN: ∆S > 0 (entropi tăng)

- Trong thực tế các quá trình là KTN: Trong hệ cô lập các quá trình nhiệt động lựcluôn xảy ra theo chiều tăng entropi

- Hệ cô lập thực không thể 2 lần qua cùng một trạng thái Qúa trình chấm dứt thì Sđạt cực đại và hệ ở trạng thái cân bằng.

- Vật nhận nhiệt (2) phải có nhiệt T2 < T1

- Nguyên lý tăng entropi tương đương với nguyên lý II nhiệt động lực học

* Hiệu suất cực đại: Chu trình TN: ∆S2 + ∆S1 = ∆Q1 nhả từ nguồn nóng

4 Thuyết chết nhiệt vũ trụ và sai lầm của nó:

* Clausius coi vũ trụ là hệ cô lập và áp dụng nguyên lý II cho toàn vũ trụ: Khí Stăng đến cực đại vũ trụ ở trạng thái cân bằng -> chết

- Sai lầm của Clausius:

a) Áp dụng hệ cô lập trên trái đất cho toàn vũ trụ vô hạn.

b) Mâu thuẫn với ĐL bảo toàn biến hóa năng lượng.

c) Vũ trụ biến đổ không ngừng: Sao chết, sao mới, vùng nhiệt độ cao biến đổi entropi giảm.

d) Những thăng giáng lớn trong vũ trụ (Boltzmann).

e) Không tính đến trường hấp dẫn vũ trụ Thuyết vụ nổ Big Bang: entropi tăng đúng theo nguyên lý II.

5 Độ biến thiên entropi của khí lý tưởng

7 Ý nghĩa của nguyên lí NĐLH và Entropi:

- Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn Khi T1 = T2, hệ cânbằng không thể trở về trạng thái không cân bằng Hệ không qua 1 trạng thái 2 lần

- Trạng thái vĩ mô = tổng hợp các trạng thái vi mô -> Nhiều khả năng

W: Xác suất nhiệt động của trạng thái vĩ mô

Theo Boltzmann: S = k.lnw; k: hằng số Boltzmann

- Entropi là một hàm trạng thái đặc trưng cho mức độ hỗn loạn các phân tử

- Không thể đo trực tiệp entropi

1 Định nghĩa: Hàm nhiệt động là hàm trạng thái, mà khi trạng thái thay đổi thì vi phân

của nó là vi phân hoàn chỉnh

2 Các hàm thế nhiệt động:

a) Hàm nội năng U(S,V):

dU   Q   A   Q   A

Từ nguyên lý I:

Nếu T = const & V = const, thì d    0   c onst:

Trong quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích thuận nghịch, năng lượng tự do không đổi.Trong quá trình không thuận nghịch d 0

Nếu T = const & p = const thì dG = 0 -> G = const:

Trong quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thuận nghịch G không đổi Trong quá trìnhkhông thuận nghịch dG < 0

=> Trong quá trình đẳng áp, nhiệt lượng hệ nhận được bằng độ biến thiênEntanpi.

e Thế hóa  : Trong các phản ứng hóa học, liên kết thay đổi làm thay đổi nội năng ->

Sự thay đổi số phân tử cũng làm thay đổi nội năng => Thêm phần thế hóa i : của loạihạt i:

IX Điều kiện cân bằng nhiệt động lực học:

 Hệ 2 pha lỏng – khí (1-2) bão hòa khi:

Cân bằng về cơ học: p1 = p2 và trao đổi năng lượng giữa 2 pha bằng nhau T1 = T2, suy

KẾT LUẬN

Nhiệt động hóa học sử dụng các quan điểm và các kết luận của nhiệt động lí học.Trong nhiệt động hóa học, người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của các hệhóa học ở trong quá trình biến đổi của chúng và dự đoán biến thiên năng lượng củanhững quá trình đó độc lập với cách biến đối tốc độ phản ứng và với bản chất của nhữngsản phẩm trung gian được tạo nên trong phản ứng

Phương pháp nhiệt động lực hoc – Lý thuyết các hàm đặc trưng đã và đang thực

sự có tầm quan trọng lớn trong đời sống và sản xuất: Dựa vào cơ sở đó ta có thể điềukhiển các quá trình lí – hóa theo ý muốn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 HÓA HỌC VÔ CƠ T1 – Hoàng Nhâm – Nxb Giáo dục

2 Giáo trình Hóa lý nâng cao – PGS.TS Trần Thái Hòa – ĐHSP- Huế

3 Sách hóa lý của Diniels.F.Alberty

4 Sách Hóa Lý Cấu Tạo Phân Tử Và Liên Kết Hóa Học - Nhà xuất bản: NXB Khoahọc Kỹ thuật

5 Website: www.chemvn.net

www.hoahocvietnam.com www.hoahoc.org

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

A NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 2

I Khái niệm năng lượng – công và nhiệt 2

1 Năng lượng: 2

2 Công và nhiệt: 2

II Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học 2

1 Phát biểu nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học: 2

2 Ý nghĩa của nguyên lí I nhiệt động học 3

3 Hệ quả nguyên lí I nhiệt động lực học: 3

4 Ứng dụng của nguyên lí I nhiệt động lực học: 3

B- NGUYÊN LÍ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 8

I Những hạn chế của nguyên lí II 8

II Qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch 8

1 Định nghĩa: 8

2 Thí dụ: 9

III Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 10

1 Động cơ nhiệt: 10

2 Phát biểu nguyên lý II nhiệt động lực học 11

IV Chu trình Carnot 11

1 Chu trình Carnot thuận nghịch gồm 4 quá trình TN: 11

2 Hiệu suất trong chu trình Carnot thuận nghịch: 12

V Định lí Carnot, hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt 13

1 Định lí Carnot 13

2 Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt 13

3 Kết luận: 14

VI Biểu thức định lượng (toán học) của nguyên lí II nhiệt động lực học: 14

1 Đối với chu trình Carnot: 14

2 Đối với chu trình nhiều nguồn nhiệt: 14

VII Hàm etropy và nguyên lí tăng entropy 15

1 Tích phân Clausius theo quá trình thuận nghịch: 15

2 Hàm Entropi: 15

3 Nguyên lý tăng Entropi: 16

4 Thuyết chết nhiệt vũ trụ và sai lầm của nó: 17

5 Độ biến thiên entropi của khí lý tưởng 17

6 Đồ thị Entropi, Tính Q: 18

7 Ý nghĩa của nguyên lí NĐLH và Entropi: 19

8 Định lý Nernst: 19

VIII Các hàm thế nhiệt động: 19

1 Định nghĩa: Hàm nhiệt động là hàm trạng thái, mà khi trạng thái thay đổi thì vi phân của nó là vi phân hoàn chỉnh 19

2 Các hàm thế nhiệt động: 19

IX Điều kiện cân bằng nhiệt động lực học: 21

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23