nghiên cứu chương trình cơ sở nhiệt động lực học LOP 10

Tùy theo tính chất của chuyển động và tương tác giữa các phân tử cấu tạo nênvật, ta có thể hiểu nội năng bao gồm:+ động năng của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử tịnh tiến và q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -  -

TIỂU LUẬN MÔN HỌC PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG GHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN PHẦN: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện:

PGS TS Lê Công Triêm Nguyễn Thị Thanh Nga

Lê Thanh Sơn Lớp LL&PPDH Vật lý – K23

Huế, tháng 4 năm 2015

MỤC LỤC

2.2.1 Nguyên lý I của Nhiệt động lực học 10 2.2.2 Nguyên lý II của Nhiệt động lực học 16TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

MỞ ĐẦU

Để nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngoài phươngpháp động học phân tử, người ta còn dùng phương pháp nhiệt động lực học Phươngpháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử màkhảo sát các hiện tượng xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng lượng

đi kèm với các hiện tượng ấy

Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa trên hai nguyên lý cơ bản được rút ra từ thựcnghiệm gọi là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học Nhờcác nguyên lý này, không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của vật, ta cũng có thể rút ranhiều kết luận về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau

Nhằm hiểu sâu hơn nội dung kiến thức của phần “Cơ sở của Nhiệt động lực

học”, trong tiểu luận này tôi đi sâu nghiên cứu những kiến thức cơ bản của phần“cơ

sở của Nhiệt động lực học”

NỘI DUNG

1 KIẾN THỨC CƠ BẢN

1.1 Các khái niệm

- Nội năng

- Công và nhiệt lượng

- Máy nhiệt (động cơ nhiệt, máy lạnh)

1.2 Các nguyên lý

- Nguyên lí I của Nhiệt động lực học

- Nguyên lí II của Nhiệt động lực học

1.3 Ứng dụng

- Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình của khí lý tưởng

- Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh

2 NỘI DUNG KIẾN THỨC

W = Wđ + Wt + U

Tùy theo tính chất của chuyển động và tương tác giữa các phân tử cấu tạo nênvật, ta có thể hiểu nội năng bao gồm:

+ động năng của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay);+ thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử giữa chúng;

+ động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử; + năng lượng các vỏ điện tử của các nguyên tử và ion;

+ năng lượng trong hạt nhân nguyên tử;

+ năng lượng của bức xạ điện từ

Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng không phải là nội năng U,

mà là độ biến thiên nội năng ∆U khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.Trong các quá trình chuyển trạng thái chỉ có động năng và thế năng của các phân tửcấu tạo nên vật thay đổi, còn tất cả các thành phần khác của nội năng hầu như không

biến đổi trong những quá trình đó Do đó, để đơn giản trong NĐLH có thể coi nội

năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng chuyển động nhiệt của các phân

tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử

Ở mỗi trạng thái, hệ có một nội năng xác định Khi trạng thái của hệ thay đổi thìnội năng của hệ thay đổi và độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình biến đổi chỉphụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình biến

đổi cho nên nội năng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ Ta nói rằng nội năng là một

hàm trạng thái.

* Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi,

do đó nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của vật

* Khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật thayđổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vàothể tích của vật

Vậy, nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật Nộinăng là hàm số của nhiệt độ và thể tích : U = f(T, V)

Đối với khí lí tưởng người ta bỏ qua tương tác giữa các phân tử lúc không vachạm, nên cũng bỏ qua tương tác giữa chúng, do đó nội năng của khí lý tưởng là tổng

động năng chuyển động nhiệt của các phân tử Nội năng của khí lí tưởng chỉ còn phụthuộc vào nhiệt độ của khi, tức nội năng là hàm số của nhiệt độ U = f(T).

* Phân biệt hai khái niệm nội năng và nhiệt năng

+ Nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng chuyển động nhiệt của

các phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử.

+ Nhiệt năng là năng lượng của chuyển động nhiệt, nghĩa là động năng củachuyển động của các phân tử cấu tạo nên hệ Theo cách hiểu này thì nhiệt năng là mộtphần của nội năng Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng

* Các cách làm biến đổi nội năng của hệ

Vì nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ nên nếu ta làm thay đổinhiệt độ và thể tích của hệ thì nội năng thay đổi Vậy hai cách làm thay đổi nội năng

của hệ là thực hiện công và truyền nhiệt lượng.

2.1.2 Công và nhiệt lượng

Sự thực hiện công và sự truyền nhiệt lượng là hai hình thức truyền năng lượng khicác hệ khác nhau tương tác với nhau

+ Sự thực hiện công là hình thức truyền năng lượng giữa các vật vĩ mô tươngtác với nhau và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời có định hướng của vật (haymột phần của vật)

+ Sự truyền nhiệt là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa cácnguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên các vật đang tương tác

Như vậy, sự truyền nhiệt cho hệ chỉ là sự truyền cùng một dạng năng lượng (nănglượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử) từ nơi này đến nơi khác và trực tiếpdẫn đến sự tăng nội năng của hệ được truyền nhiệt lượng Còn sự thực hiện công đốivới hệ thì có thể là sự truyền cùng một dạng năng lượng bất kì nào đó (trừ sự truyền

năng lượng chuyển động nhiệt) từ nơi này đến nơi khác hay có thể là sự biến đổi giữanhững dạng năng lượng khác nhau và trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượngbất kì của hệ (động năng, thế năng, nội năng…).

+ Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng giữa các

hệ nhưng công liên quan đến chuyển động có trật tự còn nhiệt liên quan đến chuyểnđộng hỗn loạn của các phân tử của hệ

* Phân biệt sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công

+ Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động và tương tác của vật

chất Năng lượng luôn tồn tại cùng vật chất Năng lượng là hàm trạng thái

trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ Vì vậy công và nhiệt là những hàm của

quá trình, không phải là những hàm trạng thái.

2.1.2.1 Công của áp lực trong quá trình cân bằng

Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái không biến đổi theo thời gian và tínhbất biến đó không phụ thuộc vào các quá trình của ngoại vật

Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng

thái cân bằng

Theo định nghĩa này thì quá trình cân bằng là một quá trình lý tưởng vì trongquá trình biến đổi hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng tiếptheo thì trạng thái cân bằng trước bị phá vỡ tức nó thay đổi theo thời gian Tuy nhiênnếu quá trình được thực hiện rất chậm để có đủ thời gian thiết lập lại sự cân bằng mớicủa hệ thì quá trình đó được coi là quá trình cân bằng

Khảo sát quá trình nén khí trong xilanh.

Ngoại lực tác dụng lên pittông là F Khi pitông dịch chuyển một đoạn ∆ l, thìkhối khí nhận được công ∆ = − ∆ A F l (1)

Vế phải có dấu trừ vì khi nén ∆ < l 0, khối khí thực sự nhận công ∆ > A 0

Vì quá trình là cân bằng nên ngoại lực F có giá trị luôn luôn bằng lực do khối khítác dụng lên pittông Nếu gọi p là áp suất của khí lên pittông và S là diện tích củapittông thì F = pS (2)

Từ (1) và (2), suy ra công mà khối khí nhận được ∆ = − ∆ = − ∆ A pS l p V ,

trong đó ∆ = ∆V S l là độ biến thiên thể tích của khối khí ứng với độ dịch chuyển∆ l

l

∆

Như vậy công mà hệ thực hiện trong một quá trình bằng diện tích hình thangcong giới hạn bởi đường biểu diễn quá trình, trục hoành và hai đường trục tung đi quahai điểm đầu và điểm cuối của quá trình

Nếu khối khí đó giãn nở thì thể tích của khí tăng lên, do đó công mà khối khínhận được tính theo (3) có giá trị âm, nghĩa là khối khí đã sinh công A’ =-A

Nếu trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu thì hệ đã thực hiện một chu trình cân

Dấu của A’ là dương nếu chiều diễn biến của quá trình là chiều kim đồng hồ trênchu vi của diện tích có gạch chéo Dấu của A’ âm nếu chiều diễn biến của quá trình làngược lại.

1 cal = 4,18 J hay 1J = 0,24 cal

* Công thức tính nhiệt lượng

+ Nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra của vật khi nhiệt độ của vật thay đổi :

Q = mc T ∆ (6)

trong đó, c là nhiệt dung riêng của chất tạo nên vật (J/kg.K),

m là khối lượng của vật (kg),

∆T là độ biến thiên nhiệt độ của vật (K),

hoặc

Q m C T , ( C µ c ) (7)

µ

với C là nhiệt dung phân tử của chất cấu tạo nên vật (J/mol.K),

µ là khối lượng của một mol chất (kg/mol)

Nếu vật biến đổi đẳng tích, thì m V

Q C T (8)

μ

với CV là nhiệt dung phân tử đẳng tích

Nếu vật biến đổi đẳng áp, thì P

+ Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy m (kg) nhiên liệu : Q = m q (10)

trong đó, q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg)

+ Nhiệt lượng nóng chảy: Q = λm, trong đó λ là nhiệt nóng chảy riêng (J/kg)

+ Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi riêng (J/kg)

2.2 Các nguyên lý của Nhiệt động lực học

2.2.1 Nguyên lý I của Nhiệt động lực học

2.2.1.1 Phát biểu: Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ

có giá trị bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó

∆U = A + Q (11)

Có thể phát biểu nguyên lý I theo cách sau: nhiệt truyền cho hệ trong một quátrình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quátrình đó

Q = ∆U – A (12)

Các đại lượng ∆U, A, Q có thể dương hoặc âm

 Quy ước về dấu:

Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng,

Q < 0: hệ truyền nhiệt lượng,

A > 0: hệ nhận công,

A < 0: hệ thực hiện công

2.2.1.2 Hệ quả của nguyên lý I

2.2.1.3 Đối với hệ cô lập

Hệ cô lập thì không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài

Ta có A = Q = 0 Theo (11) ta có ΔU = 0 hay U = const

Vậy, nội năng của hệ cô lập được bảo toàn

Nếu hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và giả sử Q1 , Q2 là nhiệtlượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì Q1 + Q2 = Q = 0 hay Q1 = – Q2(13)

Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vậtnày tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia đã thu vào

Ví dụ:

Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh thì nhiệt lượng màmiếng đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào

2.2.1.4 Đối với hệ biến đổi theo chu trình

Sau một chu trình, hệ trở về trạng thái ban đầu, ta có ΔU = 0 hay U = const

Vậy, nội năng của hệ biến đổi theo chu trình được bảo toàn.

Từ (11) suy ra A + Q = 0 hay A = – Q (13’)

Vậy, trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do hệtỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận được từ bênngoài

Do đó, người ta còn phát biểu nguyên lý I như sau không thể thực hiện được

động cơ vĩnh cửu loại một (động cơ vĩnh cửu loại một là loại động cơ có thể sinh công

mà không cần tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc chỉ tiêu thụ một phần năng lượng íthơn công sinh ra)

2.2.1.3 Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình cân bằng của khí lý tưởng

2.2.1.3.1 Quá trình đẳng tích

Quá trình đẳng tích là quá trình biến đổi trạng thái khi thể tích không đổi

Phương trình V = const hay p const

Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng tích từ trạng thái 1 sang trạng thái 2

 Công mà khối khí nhận được trong quá trình đẳng tích

Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất không đổi.

Phương trình p = const hay V const

T =

Ví dụ:

Quá trình đốt nóng hay làm lạnh khối khí đựng rong một xilanh với pittông cóthể di chuyển tự do (sao cho áp suất của khối khí luôn bằng áp suất của khí quyển )

Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2

 Công mà khí nhận được trong quá trình đẳng áp

Từ (3) ta có

Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi nhiệt độ không đổi.

Phương trình T = const hay pV = const

Ví dụ:

Quá trình nén hoặc giãn một khối khí tiếp xúc vói một môi trường lớn có nhiệt độkhông đổi hay bình điều nhiệt.Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng nhiệt từ trạngthái 1 sang trạng thái 2

V

RT m p

2.2.1.3.4 Chu trình

Do trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình trùng nhau nên độ biến thiên nội

năng trong chu trình bằng 0 tức ∆U = 0

Công và nhiệt lượng mà hệ nhận được trong chu trình

Áp dụng nguyên lý I của NĐLH: ∆U = A + Q suy ra A = -Q

Ta có thể tóm tắt các biểu thức chính trong các quá trình cân bằng của khí lí tưởng theo bảng sau

trình

Phương trình của quá trình

2.2.1.4 Ý nghĩa của nguyên lý I Nhiệt động lực học

Nguyên lý I có một vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng nhưtrong khoa học và kĩ thuật

Ăngghen là người đầu tiên nêu lên được tính tổng quát của nguyên lý I Ăngghenkhẳng định rằng nguyên lý I chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động, một cơ

sở của chủ nghĩa duy vật biện chứng

Độ tăng hay giảm nội năng của hệ sẽ bằng độ giảm hay tăng năng lượng của hệkhác đang trao đổi năng lượng với hệ Nếu hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng tháikhác theo những quá trình khác nhau, nhiệt lượng và công hệ nhận được trong mỗiquá trình đó là khác nhau nhưng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận đượctrong các quá trình lại như nhau và bằng độ biến thiên nội năng của hệ Nguyên lý I là

sự vận dụng dịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt Không thể có một máy nào làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêmnăng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho nó

Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ giữa độ biến thiên nội năng và công , nhiệt

lượng trong một quá trình biến đổi.

2.2.1.5 Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học

Tất cả các quá trình vĩ mô trong tự nhiên đều phải tuân theo nguyên lý I Tuynhiên có một số quá trình vĩ mô phù hợp với nguyên lý I không xảy ra trong thực tế

đá khác với nhiệt lượng thu được từ 1 kg gỗ)

+ Nguyên lý I chưa nêu lên sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa giữa công

và nhiệt Theo nguyên lý I thì công và nhiệt là tương đương nhau và có thể chuyển

hóa lẫn nhau Thực tế chứng tỏ rằng công có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệtnhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thànhcông

2.2.2 Nguyên lý II của Nhiệt động lực học

Nguyên lý II của NĐLH khắc phục những hạn chế của nguyên lý I và đóng mộtvai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các máy nhiệt

2.2.2.1 Các khái niệm

2.2.2.1.1 Quá trình thuận nghịch

Một quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 được gọi là thuậnnghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược đó, hệ điqua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận

Như vậy đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận vàquá trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh khôngxảy ra một biến đổi nào cả.

Ví dụ:

- Con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của mộitrường;

- Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm; …

Đa số các quá trình cơ học không có ma sát đều là quá trình thuận nghịch

2.2.2.1.2 Quá trình không thuận nghịch

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

Do đó đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quátrình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi

* Nếu trong chu trình tác nhân truyền nhiệt cho ngoại vật thì nhất thiết nó phảinhận công của ngoại vật Đó là nguyên tắc hoạt động của máy lạnh

Động cơ nhiệt và máy lạnh có tên gọi chung là máy nhiệt Máy nhiệt là một hệ

hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt hoặc biến nhiệt thành công

2.2.2.2.1 Động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công.