Nhiệt động lực học kỹ thuật

Chương I. NHỮNG KHÁI NIỆM cơ BẢN 1.1. Hệ 1.1.1. Định nghĩa 1.1.2. Trạng thái của hệ 1.1.3. Quá trình chuẩn cân bằng 1.1.4. Quá trình thuận nghịch 1.2. Áp suất 1.2.1. Áp suất chất khí 1.2.2. Áp suất chất lỏng 1.3. Thể tích 1.4. Khối lượng 1.4.1. Định nghĩa 1.4.2. Tính chất 1.4.3. Khối lượng tương đối tính 1.4.4. Khối lượng riêng 1.4.5. Khối lượng riêng trung bình, tỷ khối 1.5. Nhiệt độ 1.5.1. Các định nghĩa 1.5.2. Các thang đo nhiệt độ 1.5.3. Sự thay đổi nhiệt độ của khí thực 1.6. Trọng lượng riêng 1.6.1. Các định nghĩa 1.6.2. Tính toán, xác lập 1.7. Lượng chất 1.7.1. Định nghĩa 1.7.2. Tính toán, xác lập 1.8. Thể tích phân tử 1.8.1. Định nghĩa và ký hiệu 1.8.2. Tính toán, xác lập 1.8.3. Các tính chất 1.9. Trọng lượng phân tử 1.9.1. Định nghĩa và ký hiệu 1.9.2. Tính toán, xác lập 1.10. Nồng độ phân tử 1.10.1. Định nghĩa 1.10.2. Tính toán, xác lập 1.10.3. Phần lượng 1.11. Phần moi 1.12. Hoạt độ (hóa học) 1.12.1. Các định nghĩa hoạt độ 1.12.2. Tính toán, xác lập 1.12.3. Quan hệ giữa thế hóa và hoạt độ 1.12.4. Hệ số hoạt độ 1.12.5. Dung dịch lý tưởng 1.12.6. Hoạt độ hóa học Chương II. KHÍ LÝ TƯỞNG 2.1. Khái niệm cơ bản 2.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng 2.3. Các tính chất của khí lý tưởng 2.3.1. Năng lượng cơ học 2.3.2. Phương trình Van der Waals 2.3.3. Phương trình trạng thái khí lý tưởng 2.4. Các định luật khí lý tưởng 2.4.1. Định luật BoyleMariott 2.4.2. Định luật GayLussac 2.4.3. Định luật Charles 2.4.4. Định luật Dalton 2.4.5. Các định luật về hằng số khí 2.5. ứng dụng phương trình khí lí tưởng Chương III. ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.1. Nhiệt, công và nội năng 3.1.1. Nhiệt năng 3.1.2. Công 3.1.3. Nội năng 3.1.4. Năng lượng chuyển động nhiệt và nội năng của khí lý tưởng .79 3.1.5. Quan hệ giữa nhiệt lượng và công cơ học 3.2. Phát biểu định luật I 3.2.1. Thí nghiệm của James Prescott Joule 3.2.2. Khảo sát nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học 3.3.3. Biểu thức tích phân của nguyên lý thứ nhất Chương IV. NHIỆT DUNG VÀ DẪN NHIỆT 4.1. Nhiệt dung 4.1.1. Định nghĩa nhiệt dung 4.1.2. Nhiệt dung riêng 4.2. Dẫn nhiệt Entanpy 4.2.1. Dần nhiệt 4.2.2. Entanpy 4.2.3. Nhiệt phản ứng và định luật Hess 4.2.4. Nhiệt và nhiệt dung đẩng áp Chương V. Định luật thứ hai và ba nhiệt động lực học 5.1. Khái niệm và lịch sử phát triển định luật 2 5.1.1. Khái niệm cơ bản 5.1.2. Lịch sử định luật 2 nhiệt động lực học 5.1.3. Lịch sử của entropy 5.2. Chu trình Camot 5.2.1. Khái niệm chung 5.2.2. Nguyên lý Carnot 5.2.3. Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch 5.2.4. Chu trình Carnot thuận nghịch 5.3. Entropy 5.3.1. Tính không bảo toàn của entropỵ 5.3.2. Những biến đổi mang tính thuận nghịch 5.3.3. Những biến đổi mang tính không thuận nghịch 5.4. Phát biểu định luật 2 nhiệt động lực học 5.4.1. Các định đề đầu tiên 5.4.2. Các phát biểu về định luật 2 5.5. Phương trình định luật thứ 2 nhiệt động lực học mô tả biến thiên entropy 5.5.1. Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi thuận nghịch 5.5.2. Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi liên tục khép kín 5.6. Quan hệ giữa etropy và các thông số nhiệt động theo đạo hàm các hàm số nhiệt động 5.7. Entropy theo vật lý thống kê 5.8. Định luật 3 nhiệt động lực học 5.8.1. Các định đề 5.8.2. Phát biểu định luật 3 nhiệt động lực học 5.8.3. Nhiệt độ không tuyệt đối 5.9. Định luật không nhiệt động lực học 5.9.1. Nhiệt động học cân bằng 5.9.2. Các phát biểu về định luật không nhiệt động lực học Chương VI. DẪN NHIỆT 6.1. Khái niệm về dẫn nhiệt 6.2. Định luật Fourier 6.2.1. Phát biểu định luật Fourier 6.2.2. Biểu diễn toán học định luật Fourier 6.2.3. Trường nhiệt độ 6.2.4. Công suất nguồn nhiệt 6.2.5. Hệ số dẫn nhiệt 6.3. Phương trình truyền nhiệt 6.3.1. Khái niệm chung 6.3.2. Bài toán vật lý và phương trình 6.3.3. Giải phương trình nhiệt bằng chuỗi Fourier Chương VII. QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG 7.1. Động năng 7.2. Công suất 7.3. Năng lượng tự do Gibbs 7.3.1. Ký hiệu.. 7.3.2. Tính toán, xác lập 7.3.3. Các tính chất Chương VIII. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 8.1. Quá trình đẳng nhiệt 8.1.1. Biểu diễn quá trình 8.1.2. Các tính chất 8.2. Quá trình đẳng áp 8.2.1. Biểu diễn quá trình 8.2.2. Các tính chất 8.3. Quá trình đẳng tích 8.3.1. Biểu diễn quá trình 8.3.2. Các tính chất 8.4. Quá trình đoạn nhiệt 8.4.1. Biểu diễn quá trình 8.4.2. Các tính chất 8.5. Quá trình đẳng entropy 8.5.1. Biểu diễn quá trình 8.5.2. Các tính chất xác lập quan hệ 8.6. Quá trình đẳng Entanpy 8.6.1. Biểu diễn quá trình 8.6.2. Các tính chất 8.7. Quá trình đa biến 8.7.1. Quá trình diễn biến 8.7.2. Các tính chất Chương IX. NHIỆT CHUYÊN THẺ VÀ CHUYÊN PHA 9.1 Nhiệt chuyển thể 9.1.1. Định nghĩa 9.1.2. Tính toán, xác lập 9.2. Phương trình chuyển pha ClausiusClapeyron 9.2.1. Biểu diễn phương trình 9.2.2. Xác lập phương trình 9.3. Nhiệt hóa lỏng (nóng chảy) 9.3.1. Những định nghĩa 9.3.2. Tính chất 9.3.3. Ký hiệu và xác lập 9.4. Nhiệt đông đặc 9.4.1. Những định nghĩa 9.4.2. Tính chất 9.4.3. Ký hiệu và xác lập 9.4.4. Nhiệt đông đặc riêng 9.5. Nhiệt hóa hơi... 9.5.1. Các định nghĩa 9.5.2. Các tính chất 9.6. Nhiệt ngưng tụ

Trang 1

Tễ DUY PHƯƠNG

Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội

Trang 3

Môc lôc

Trang

Lời nói đầu .11

Ký hiệu, chữ viết tắt 13

Lịch sử phát triển .25

Chương I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ 29

1.1.1 Định nghĩa 29

1.1.2 Trạng thái của hệ 31

1.1.3 Quá trình chuẩn cân bằng 33

1.1.4 Quá trình thuận nghịch 34

1.2 Áp suất .35

1.2.1 Áp suất chất khí 35

1.2.2 Áp suất chất lỏng 36

1.3 Thể tích 36

1.4 Khối lượng .37

1.4.2 Tính chất .37

1.4.3 Khối lượng tương đối tính 38

1.4.4 Khối lượng riêng .39

1.4.5 Khối lượng riêng trung bình, tỷ khối .40

1.5 Nhiệt độ .41

1.5.1 Các định nghĩa .41

1.5.2 Các thang đo nhiệt độ 43

1.5.3 Sự thay đổi nhiệt độ của khí thực 45

1.6 Trọng lượng riêng .46

Trang 4

1.6.1 Các định nghĩa .46

1.6.2 Tính toán, xác lập 47

1.7 Lượng chất 51

1.8 Thể tích phân tử .52

1.8.1 Định nghĩa và ký hiệu 52

1.8.3 Các tính chất 52

1.9 Trọng lượng phân tử 53

1.9.1 Định nghĩa và ký hiệu .53

1.10 Nồng độ phân tử 53

1.10.3 Phần lượng 55

1.11 Phần mol .55

1.12 Hoạt độ (hóa học) .55

1.12.1 Các định nghĩa hoạt độ 55

1.12.3 Quan hệ giữa thế hóa và hoạt độ 56

1.12.4 Hệ số hoạt độ 56

1.12.5 Dung dịch lý tưởng 57

1.12.6 Hoạt độ hóa học

Chương II KHÍ LÝ TƯỞNG 2.1 Khái niệm cơ bản .59

2.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 61

2.3 Các tính chất của khí lý tưởng 62

2.3.1 Năng lượng cơ học 62

2.3.2 Phương trình Van der Waals 63

2.3.3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 63

Trang 5

2.4 Các định luật khí lý tưởng 64

2.4.1 Định luật Boyle-Mariott 64

2.4.2 Định luật Gay-Lussac 65

2.4.3 Định luật Charles .66

2.4.4 Định luật Dalton 67

2.4.5 Các định luật về hằng số khí .68

2.5 Ứng dụng phương trình khí lí tưởng 70

Chương III ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.1 Nhiệt, công và nội năng 71

3.1.1 Nhiệt năng .71

3.1.2 Công .72

3.1.3 Nội năng 74

3.1.4 Năng lượng chuyển động nhiệt và nội năng của khí lý tưởng 79 3.1.5 Quan hệ giữa nhiệt lượng và công cơ học 85

3.2 Phát biểu định luật I .88

3.2.1 Thí nghiệm của James Prescott Joule .88

3.2.2 Khảo sát nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học .90

3.3.3 Biểu thức tích phân của nguyên lý thứ nhất 91

Chương IV NHIỆT DUNG VÀ DẪN NHIỆT 4.1 Nhiệt dung 93

4.1.1 Định nghĩa nhiệt dung 93

4.1.2 Nhiệt dung riêng 93

4.2 Dẫn nhiệt – Entanpy .101

4.2.1 Dẫn nhiệt .101

4.2.2 Entanpy .102

4.2.3 Nhiệt phản ứng và định luật Hess .103

4.2.4 Nhiệt và nhiệt dung đẳng áp 106

Trang 6

Chương V Định luật thứ hai và ba nhiệt động lực học

5.1 Khái niệm và lịch sử phát triển định luật 2 107

5.1.1 Khái niệm cơ bản .107

5.1.2 Lịch sử định luật 2 nhiệt động lực học 109

5.1.3 Lịch sử của entropy 110

5.2 Chu trình Carnot 110

5.2.1 Khái niệm chung 115

5.2.2 Nguyên lý Carnot 119

5.2.3 Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch 122

5.2.4 Chu trình Carnot thuận nghịch 133

5.3 Entropy 134

5.3.1 Tính không bảo toàn của entropy 134

5.3.2 Những biến đổi mang tính thuận nghịch 134

5.3.3 Những biến đổi mang tính không thuận nghịch 135

5.4 Phát biểu định luật 2 nhiệt động lực học 135

5.4.1 Các định đề đầu tiên 136

5.4.2 Các phát biểu về định luật 2

5.5 Phương trình định luật thứ 2 nhiệt động lực học mô tả biến thiên entropy .136

5.5.1 Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi thuận nghịch 136

5.5.2 Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi liên tục khép kín 139

5.6 Quan hệ giữa etropy và các thông số nhiệt động theo đạo hàm các hàm số nhiệt động 142

5.7 Entropy theo vật lý thống kê 144

5.8 Định luật 3 nhiệt động lực học 151

5.8.1 Các định đề 151

5.8.2 Phát biểu định luật 3 nhiệt động lực học 152

5.8.3 Nhiệt độ không tuyệt đối 153

5.9 Định luật không nhiệt động lực học 153

5.9.1 Nhiệt động học cân bằng 153

5.9.2 Các phát biểu về định luật không nhiệt động lực học 154

Trang 7

Chương VI DẪN NHIỆT

6.1 Khái niệm về dẫn nhiệt 155

6.2 Định luật Fourier 157

6.2.1 Phát biểu định luật Fourier 157

6.2.2 Biểu diễn toán học định luật Fourier 157

6.2.3 Trường nhiệt độ 158

6.2.4 Công suất nguồn nhiệt 161

6.2.5 Hệ số dẫn nhiệt 161

6.3 Phương trình truyền nhiệt 163

6.3.1 Khái niệm chung 163

6.3.2 Bài toán vật lý và phương trình 164

6.3.3 Giải phương trình nhiệt bằng chuỗi Fourier 165

Chương VII QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG 7.1 Động năng 169

7.2 Công suất 172

7.3 Năng lượng tự do Gibbs 173

7.3.1 Ký hiệu 173

Chương VIII CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 8.1 Quá trình đẳng nhiệt 175

8.1.1 Biểu diễn quá trình 175

8.2 Quá trình đẳng áp 178

8.3 Quá trình đẳng tích 181

8.4 Quá trình đoạn nhiệt 183

Trang 8

8.5 Quá trình đẳng entropy 186

8.5.2 Các tính chất – xác lập quan hệ 187

8.6 Quá trình đẳng Entanpy 189

8.7 Quá trình đa biến 191

8.7.1 Quá trình diễn biến 191

Chương IX NHIỆT CHUYỂN THỂ VÀ CHUYỂN PHA 9.1 Nhiệt chuyển thể 197

9.1.1.Định nghĩa 197

9.2 Phương trình chuyển pha Clausius-Clapeyron 199

9.2.1 Biểu diễn phương trình 199

9.2.2 Xác lập phương trình 199

9.3 Nhiệt hóa lỏng (nóng chảy) 200

9.3.1 Những định nghĩa 200

9.3.2 Tính chất 201

9.3.3 Ký hiệu và xác lập 201

9.4 Nhiệt đông đặc 202

9.4.1 Những định nghĩa 202

9.4.2 Tính chất 202

9.4.3 Ký hiệu và xác lập 202

9.4.4 Nhiệt đông đặc riêng 203

9.5 Nhiệt hóa hơi 203

9.5.1 Các định nghĩa 203

9.6 Nhiệt ngưng tụ 207

Trang 9

9.7 Nhiệt thăng hoa 208

9.7.3 Ứng dụng 210

9.7.4 Ký hiệu và xác lập nhiệt thăng hoa 210

9.8 Các quá trình chuyển pha 210

Phụ lục 215

Tài liệu tham khảo 235

Trang 11

Lêi nãi ®Çu

Khoảng giữa thế kỷ XVIII các học giả đã bắt đầu để ý đến các hiện tượng diễn ra trong máy hơi nước, nhằm tìm ra cơ sở để nâng cao công suất, giảm tiêu hao nguyên và nhiên liệu Đầu thế kỷ XIX, nhà vật lý trẻ Nicolas Leonard Sadi Carnot đã xây dựng cơ sở về nhiệt động để phát triển máy hơi nước

Giữa thế kỷ XIX, khái niệm năng lượng đã bắt đầu được sử dụng Năng lượng là khả năng của vật thể thực hiện công Khi thực hiện công thì năng lượng được chuyển từ một thể loại này sang thể loại khác, nhưng tổng năng lượng là không thay đổi Đó là tổng quát về định luật bảo toàn năng lượng

Nhiệt động lực học đã giải thích tại sao một số chất hóa học lại cùng nhau gây phản ứng và trường hợp khác lại không thể, bao nhiêu năng lượng mà phản ứng cung, hoặc cần được cung thì bấy nhiêu năng lượng có thể chuyển đổi ra công

Như vậy nhiệt động lực học là khoa học về năng lượng, về các điều kiện trao đổi lẫn nhau của nhiệt năng và cơ năng

Nhiệt động lực học nghiên cứu về tương tác giữa các đại lượng đặc trưng cho trạng thái vĩ mô của hệ và sự biến đổi của các đại lượng này trong các quá trình vật lý có liên quan tới trao đổi nhiệt với xung quanh Nhiệt động lực học được xây dựng trên cơ sở 3 định luật; định luật thứ nhất về bảo toàn năng lượng, định luật thứ hai về nhiệt có thể truyền

từ vật thể nóng hơn sang vật thể lạnh hơn, nhưng không khi nào ngược

lại, còn định luật thứ ba có liên quan đến vật chất ở xung quanh nhiệt độ

không tuyệt đối Nhiệt động lực học mặc nhiên công nhận sự tồn tại của một hàm số gọi là entropy, nó xác định cho bất kỳ một hệ cô lập nào ở trạng thái cân bằng nhiệt động, xác định các tương tác nhiệt động nhờ vật

lý thống kê; trên cơ sở lý thuyết xác suất của vật lý phân tử

Trang 12

Nhiệt động lực học được sử dụng rộng rãi trong vật lý, hóa học, luyện kim, cơ khí, y sinh… Tài liệu này cung cấp những kiến thức về các hiện tượng, trạng thái, nội năng, nhiệt và công của các hệ nhiệt động, về bảo toàn năng lượng, về entropy của hệ, về trạng thái của hệ ở nhiệt độ không tuyệt đối Các quá trình trao đổi nhiệt, các thể và chuyển thể nhiệt Tài liệu này dùng cho các sinh viên đại học để học tập, cho các cán

bộ nghiên cứu khoa học để tham khảo

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn

Tác giả

Tô Duy Phương

Trang 13

kÝ hiÖu, ch÷ viÕt t¾t

Aa Công của quá trình đẳng tích J

AS Công của quá trình đẳng entropy J

Ack Công của chu trình Carnot không thuận nghịch J

Act Công của chu trình Carnot thuận nghịch J

C Nhiệt dung của hỗn hợp các khí J.K−1.mol−1

Ct Nhiệt dung của vật thể có khối lượng m J·kg-1·K-1

Cp Nhiệt dung ở áp suất không đổi J·kg-1·K-1

Cv Nhiệt dung ở thể tích không đổi J·kg-1·K-1

Ci Nhiệt dung của khí có thành phần i J.K−1.mol−1

Et Tổng thế năng tương tác giữa các phân tử J

Em Tổng năng lượng bên trong các phân tử J

Trang 14

En Năng lượng chuyển động nhiệt J

đ

Et Động năng của một vật chuyển động tịnh tiến J.mol-1

εfoton Năng lượng của chùm hạt photon J

EE Năng lượng theo lý thuyết tương đối

FF Hằng số Faraday

F Véc-tơ lực không biến đổi N

G Năng lượng tự do Gibb J.mol-1

Go Năng lượng tự do tiêu chuẩn J.mol-1

Ġ Hằng số trọng trường Newton

H Nhiệt thực thể, entalpy J.mol-1

Hl, Hđ Entanpi của trạng thái lỏng và đặc,

Trang 15

Ls Nhiệt sôi, J

M Mômen của chuyển động quay kg.m2s-1

Mm Trọng lượng phân tử kg.mol-1

Mo Trọng lượng 1 phân tử kg.mol-1

Qc Nhiệt lượng của chu trình J

Qt Nhiệt lượng của quá trình thuận

Qh Hạ nhiệt của chu trình J

Qcs Công suất phát nhiệt của điểm

M(x,y,z)

W.m-3

Trang 16

Tn Nhiệt độ nung nóng của chu trình K

Th Hạ nhiệt độ của chu trình K

Uđ Động năng tổng của các phân tử J

Uhđ Hiệu điện thế nhiệt trong vật lý

Trang 17

∆Gmax Năng lượng đông đặc, kết tinh cal(g.ngtử)-1

∆Gt.l Năng lượng chuyển hoá tinh thể

∆S Biến thiên entropy J.mol-1K-1

∆Sm Biến thiên entropy môi trường

ngoài

J.mol-1K-1

∆Ttg Bước thời gian

∆Vk Thay đổi thể tích của chất khí m3

∆Vf Biến thiên thể tích khi thay đổi pha

Trang 18

ai Hoạt độ -

aim Hoạt độ theo phần mol và áp suất -

a/X/ Hoạt độ của nguyên tố X trong

phản ứng hoá học

c Nhiệt dung riêng J·kg-1·K-1

cm Nhiệt dung riêng phân tử J·kg-1·K-1

Trang 19

kd Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, W·m−1·K−1

kF Hệ số của định luật Fourier W.m-1.oK-1

ktn Hệ số truyền nhiệt, mật độ và dung

tích nhiệt

-

k p Hệ số phân chia

lct Nhiệt được chuyển thành công J

lc Nhiệt chảy lỏng riêng J·kg-1

lđ Nhiệt đông đặc riêng J·kg-1

lh Nhiệt hóa hơi riêng J·kg-1

lt Nhiệt thăng hoa riêng J·kg-1

log K3 logarit của hằng số cân bằng phản

ứng

mc.o Hằng số cân bằng cácbon và ôxy

trong hệ

mo Khối lượng ban đầu (nghỉ) kg

mm Trọng lượng của phần tử chất kg.mol-1

mA Trọng lượng của thành phần A kg.mol-1

mB Trọng lượng thành phần B kg

Trang 21

của chuyển động quay

εc Động năng chuyển động dao động J

γn Tỷ lệ của nhiệt dung

γifm Hệ số hoạt độ theo phần mol của thành phần i -

Trang 22

γifm-o Hệ số hoạt độ theo phần mol

µio Thế hóa của thành phần i nguyên chất -

ηnt Hiệu suất động cơ nhiệt thuận nghịch %

ηnk Hiệu suất động cơ nhiệt không thuận nghịch %

ηt Hiệu suất của tuốcbin đoạn nhiệt %

ηn Hiệu suất nén đoạn nhiệt của tuốcbin %

ηcarnot Hiệu suất của chu trình Carnot %

ω(t) Vận tốc góc (vận tốc rót nghiêng) o.s-1

ωM Vận tốc góc dưới tác dụng của mômen M o.s-1

φ(r0) Thế năng quy ước ở mốc r0 J

ρ Tỷ khối (khối lượng riêng), kg.m-3

tỷ trọng, ρ là khối lượng riêng

Trang 25

lÞch sö ph¸t triÓn

Nhiệt động lực học là một ngành vật lý nghiên cứu về năng lượng, nhiệt, công năng, entropy và xu hướng diễn biến của các quá trình trao đổi năng lượng Nhiệt động lực học có liên hệ mật thiết với cơ học thống kê

Từ "nhiệt động lực học" thường dùng để chỉ nhiệt động lực học cổ điển hay nhiệt động lực học cân bằng làm việc với các quá trình trao đổi năng lượng đạt đến trạng thái gần cân bằng Các quá trình nhiệt động lực học không cân bằng được nghiên cứu bởi nhiệt động lực học phi cân bằng Các định luật nhiệt động lực có thể áp dụng cho mọi hệ vật lý, chỉ cần biết sự trao đổi năng lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác trong các hệ vật lý

Như vậy là thuật ngữ nhiệt động học (hay nhiệt động lực học) có hai nghĩa:

Khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển) Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)

Ban đầu, nhiệt động học chỉ mang nghĩa thứ nhất Về sau, các công trình tiên phong của Ludwig Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai

Các nguyên lý nhiệt động học có thể áp dụng cho nhiều hệ vật lý, chỉ cần biết sự trao đổi năng lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác trong các hệ ấy Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học để tiên đoán về phát xạ tự nhiên Gần đây còn có một nghiên cứu về nhiệt động học hố đen

Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý thống kê Cả hai đều nằm trong số những lý thuyết lớn làm nền tảng cho những kiến thức đương đại về vật chất

Trang 26

Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và đo nhiệt độ, 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 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

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình dẫn 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 dẫn nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu

Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học phải chờ đến mãi thế kỷ thứ XIX 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 lý 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 lý 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

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 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 lý thứ nhất của nhiệt động học là do công lao

to lớn của Mayer

Trang 27

Nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng vào năm 1843

Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa một cách thực nghiệm bằng kelvin bởi nhà vật

lý người Anh, một nhà quý tộc có tên là Sir William Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin (1824-1907) Chúng ta không nên nhầm lẫn ông với nhà vật lý cùng họ Joseph John Thompson (1856-1940), người đã khám phá ra electron và đã phát triển lý thuyết về hạt nhân

Nguyên lý 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

Nhữngnghiên cứu trên đây đã cho phép nhà phát minh James Watt (1736-1819) hoàn thiện máy hơi nước và tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỷ thứ XIX

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 công trình đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, công thức nổi tiếng W = k.logQ mà ông đã tìm ra

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

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

Trang 28

Phân loại

Nhiệt động lực học được phân ra:

+ Nhiệt động lực học cân bằng – nghiên cứu về các hệ nhiệt động ở trạng thái gần cân bằng

+ Nhiệt động lực học cổ điển - nghiên cứu các hệ theo quan điểm

vĩ mô; khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt

+ Nhiệt động học cân bằng - khoa học về các hệ thống ở trạng thái

cân bằng

+ Nhiệt động lực học phi cân bằng – khoa học về các quá trình nhiệt động lực học không cân bằng

Trang 29

Chương I

Nh÷ng kh¸I niÖm c¬ b¶n

1.1 Hệ

1.1.1 Định nghĩa

Hệ thống là tập hợp các phần tử có quan hệ hữu cơ với nhau, tác

động chi phối lẫn nhau theo các quy luật nhất định để trở thành một chỉnh thể Từ đó xuất hiện thuộc tính mới gọi là tính trồi của hệ thống mà từng phần tử riêng lẻ không có hoặc có không đáng kể

Để nhận biết phần tử ta căn cứ vào hai đặc trưng sau:

• Mỗi phần tử phải có chức năng nhất định

• Mỗi phần tử có tính độc lập tương đối của nó

Hệ thống là tập hợp các chất trong không gian được giới hạn bởi các bề mặt.Trong hệ có thể xảy ra sự biến đổi Hệ thống có thể diễn tả nhờ các đại lượng trạng thái (như thể tích, áp suất, nhiệt độ, lượng chất.v.v.) hoặc là hàm trạng thái (như nội năng, Entanpi, entropy)

Hệ nhiệt động được phân ra hệ kín và hệ mở

- Hệ kín là hệ không có sự trao đổi chất với xung quanh (xem hình I.1)

Hình I.1 Hệ kín

Trang 30

- Hệ mở là hệ có trao đổi chất với xung quanh (xem hình I.2)

Hình I.2 Hệ mở

Hệ kín còn phân ra tiếp là hệ cô lập và không cô lập

- Hệ cô lập là hệ không có trao đổi nhiệt cũng như chất với môi trường xung quanh (Hình I.3)

- Hệ không cô lập là hệ chỉ có sự trao đổi nhiệt với xung quanh còn chất thì không khi nào

Từ quan điểm khác nữa phân ra hệ đồng nhất và không đồng nhất

- Hệ đồng nhất là hệ mà các đặc tính của hệ ở mọi phần là như nhau

- Hệ không đồng nhất là hệ mà các đặc tính của hệ trong một số phần thay đổi không liên kết

Hình I.3 Hệ cô lập

Trang 31

Thông số ngoại gồm có lực từ trường, lực bề mặt

Thông số nội tại gồm có năng lượng, áp suất, từ tính

Trạng thái của hệ thống là tập hợp những số lượng nhất định của các đại lượng về chất mà hệ thống nêu ra Nếu như thay đổi các tính chất của hệ thống thì các hiện tượng (vật lý) sẽ xảy ra trong hệ thống

Trạng thái của hệ được phân ra thành cân bằng và không cân bằng

1.1.2.1 Trạng thái cân bằng

Trong cơ học, ta biết rằng trạng thái cân bằng của một vật là trạng thái mà vật đó đứng yên đối với một hệ quy chiếu quán tính nhất định Trong nhiệt động lực học, khái niệm trạng thái cân bằng của một hệ

là trạng thái trong đó các đại lượng vĩ mô (p, V, T) xác định trạng thái của hệ là không thay đổi Những đại lượng xác định trạng thái của một vật còn gọi là thông số trạng thái

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không thể xảy ra các hiện tượng dẫn nhiệt, các phản ứng hóa học, biến đổi trạng thái giữa khí, lỏng, rắn Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khác với trạng thái cân bằng

cơ học ở chỗ là mặc dù các đại lượng vĩ mô đặc trưng cho hệ không đổi nhưng các phần tử cấu tạo nên hệ vẫn không ngừng chuyển động hỗn loạn Chẳng hạn một hệ gồm một chất lỏng, đựng trong bình kín, trên mặt của chất lỏng có hơi bão hoà của nó Hệ này ở trạng thái cân bằng nên các đại lượng p, V, T là không đổi Tuy nhiên bên trong hệ vẫn có những phân tử hóa hơi ra khỏi chất lỏng và ngược lại cũng có những phân tử thuộc phần hơi bão hoà bay trở lại vào chất lỏng Dĩ nhiên số phân tử bay ra và bay trở vào chất lỏng trong cùng một thời gian nào đấy phải bằng nhau

Chất khí ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nó tại mọi điểm của

nó đều giống nhau và không đổi theo thời gian Tuy nhiên tại một miền

Trang 32

nhỏ nào đó trong không gian và ở một thời điểm nhất định nào đấy, các phân tử chất khí có thể có động năng trung bình lớn hơn động năng trung bình các phân tử chất khí ở những miền khác Do đó nhiệt độ ở miền nhỏ nói trên có thể lớn hơn nhiệt độ ở các miền khác Như vậy, sẽ xảy ra sự dẫn nhiệt từ miền có nhiệt độ cao đến miền có nhiệt độ thấp Sự dẫn nhiệt này chỉ có thể xảy ra trong một phạm vi không gian nhỏ so với toàn bộ thể tích chất khí

Hình I.4 biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất chất khí ở trạng thái cân bằng theo thời gian Ta thấy tuy rằng chất khí được giữ ở trạng thái cân bằng nhưng giá trị áp suất không phải hoàn toàn bất biến mà dao động ít nhiều xung quanh giá trị trung bình Những dao động nhỏ như vậy được gọi là những thăng giáng

Như vậy có hai đặc điểm của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học

Ở trạng thái cân bằng, thông số trạng thái không nhất thiết có 1 giá trị hoàn toàn không đổi mà có những biến thiên quanh giá trị trung bình xem hình I.4

p

Hình I.4 Áp suất chất khí biến thiên quanh giá trị thời gian trung bình

Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học trong trường hợp hệ cấu tạo bởi một số rất lớn các hạt phân tử hoặc nguyên tử…

1.1.2.2 Trạng thái cân bằng và trạng thái dừng

Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh được giữ ở hai nhiệt

độ xác định và khác nhau Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái

Trang 33

dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại

đã xảy ra quá trình dẫn nhiệt (vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt ổn định từ các nguồn

Từ những nhận biết trên có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ không xảy ra các quá trình như dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha.v.v

1.1.3 Quá trình chuẩn cân bằng

Khi một hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một chuỗi các trạng thái nối tiếp nhau xảy ra, tạo nên một quá trình Những trạng thái nối tiếp nhau này là những trạng thái cân bằng vì sự biến thiên của các thông số trạng thái theo thời gian là đủ chậm so với khoảng thời gian giữa hai trạng thái kế tiếp được chọn tuỳ ý Một quá trình diễn biến

vô cùng chậm như thế được gọi là quá trình chuẩn cân bằng (chuẩn tĩnh)

và có thể coi nó là một dãy nối tiếp các trạng thái cân bằng

Những quá trình xảy ra trong thực tế không phải là những quá trình chuẩn cân bằng nhưng nếu chúng xảy ra càng chậm bao nhiêu thì càng gần đúng là quá trình chuẩn cân bằng bấy nhiêu

Chỉ với trạng thái cân bằng và quá trình chuẩn cân bằng ta mới có được phương pháp đồ thị để nghiên cứu và xác định được các thông số

có giá trị Giả sử các thông số đủ để đặc trưng cho hệ là thể tích V và áp suất p

Trên cơ sở đồ họa đồ thị có 2 trục Op và OV (hình I.5) biểu diễn mỗi trạng thái cân bằng của hệ bằng một điểm trên đồ thị và quá trình chuẩn cân bằng sẽ được biểu diễn bằng một đoạn cong (trên hình I.5 là AB)

Trang 34

Quá trình thuận nghịch là quá trình diễn biến theo cả hai chiều, trong đó nếu lúc đầu quá trình diễn ra theo một chiều nào đó (chiều thuận) rồi sau lại diễn ra theo chiều ngược lại để trở về trạng thái ban đầu thì hệ đi qua mọi trạng thái giống như lúc hệ diễn biến theo chiều thuận

và khi hệ đã trở về trạng thái ban đầu thì không gây ra một biến đổi gì cho ngoại vi

Mọi quá trình thuận nghịch đều là quá trình chuẩn cân bằng Ta có thể biểu diễn quá trình thuận nghịch trên đồ thị bằng một đường cong liền nét như đối với quá trình chuẩn cân bằng

Mọi quá trình thực do diễn biến nhanh hoặc vì bao giờ cũng có sự tỏa nhiệt do ma sát nên chúng đều không phải là quá trình thuận nghịch Trong trường hợp này khi hệ trở lại trạng thái ban đầu thì quá trình đã gây ra một sự biến đổi cho ngoại vi và quá trình bao gồm một dãy các trạng thái không cân bằng Những quá trình này gọi là quá trình không

Trang 35

thuận nghịch Nếu chúng xảy ra càng chậm và càng ít ma sát thì chúng càng gần đúng với quá trình thuận nghịch và các quá trình đó đều là những quá trình đã được lý tưởng hóa

Nhiệt động lực học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng trong quá trình chuẩn cân bằng tức là những quá trình thuận nghịch Những quá trình này được gọi chung là quá trình nhiệt động lực học

1.2 Áp suất

1.2.1 Áp suất chất khí

Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất

Áp suất của chất khí được xác lập:

Áp suất khí quyển tác dụng vào vật càng giảm khi vật càng cao

Áp suất khí quyển tại mỗi địa điểm và mỗi thời điểm khác nhau

Áp suất khí quyển thường được đo bằng đơn vị atm: 1 atm =

101325 Pa, đây cũng là áp suất khí quyển tại mặt nước biển

Một đơn vị khác để đo áp suất khí quyển là milimet thủy ngân mmHg hay gọi là (Torr): 1 Torr = 133,3 Pa = 1 mmHg, 760 mmHg= 1 atm

Trang 36

1.2.2 Áp suất chất lỏng

Cũng như chất khí, chất lỏng gây áp suất lên mọi phương Trên cùng mặt phẳng nằm ngang trong lòng chất lỏng áp suất là như nhau tại tất cả các điểm Áp suất ở những điểm có độ cao khác nhau thì áp suất cũng khác nhau

Công thức tính áp suất chất lỏng: p = d.h, trong đó d là trọng lượng riêng của chất lỏng, h là độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng của chất lỏng

1.3 Thể tích

Thể tích, hay dung tích, của một vật là lượng không gian mà vật ấy chiếm Thể tích có đơn vị đo là lập phương của khoảng cách (khoảng cách mũ 3) Trong hệ đo lường quốc tế, do đơn vị đo của khoảng cách là mét, đơn vị đo của thể tích là mét khối, m³

với h là một kích thước theo một chiều bất kỳ của vật, A là diện tích phần

thiết diện vuông góc với h, được biểu diễn dưới dạng hàm số của h

Đơn vị đo thể tích

Trong cuộc sống hàng ngày tại Việt Nam và phần lớn các quốc gia

sử dụng các đơn vị đo lường của hệ đo lường quốc tế (SI) thì đơn vị đo thể

Trang 37

tích (cũng như dung tích) thường được sử dụng là lít (1 000 lít = 1 m³) hay mililít (viết tắt ml) (1 ml = 1 cm³) do đơn vị mét khối là tương đối lớn, không phù hợp lắm cho nhiều tính toán trong các hoạt động hàng ngày

Quan hệ giữa thể tích và khối lượng

Thể tích của một vật đặc và đồng nhất (về cấu tạo) với một hình dạng bất kỳ được tính theo công thức sau:

tỷ lệ với trọng lượng P theo công thức P = m.g, với g là gia tốc rơi tự do

≈ 9,8 m/s2) Khối lượng thường được đo bằng cân lò xo (thực ra là đo trọng lượng), hoặc so sánh với một vật mẫu nào đó theo kiểu đòn bẩy Khối lượng của vật có thể tính từ tích phân toàn bộ thể tích của vật:

∫

với ρ là khối lượng riêng

Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lượng ở Việt Nam, tuân theo hệ đo lường quốc tế, là kilôgam Các quốc gia khác trên thế giới có thể sử dụng đơn vị đo khác

1.4.2 Tính chất

Công thức liên hệ khối lượng và năng lượng của Albert Einstein;

E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng

Trang 38

Khối lượng của một vật là một đại lượng vật lý đặc trưng cho mức

độ quán tính của vật đó Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn hơn và cần có lực lớn hơn để làm thay đổi chuyển động của nó Mối liên hệ giữa quán tính với khối lượng được Isaac Newton phát biểu trong định luật 2 Newton Khối lượng trong chuyển động thẳng đều còn được mở rộng thành khái niệm mômen quán tính trong chuyển động quay

Khối lượng của một vật cũng đặc trưng cho mức độ vật đó hấp dẫn các vật thể khác, theo định luật vạn vật hấp dẫn Newton Vật có khối lượng lớn có tạo ra xung quanh trường hấp dẫn lớn

Khối lượng hiểu theo nghĩa độ lớn của quán tính, khối lượng quán tính, không nhất thiết trùng với khối lượng hiểu theo nghĩa mức độ hấp dẫn vật thể khác, khối lượng hấp dẫn Tuy nhiên các thí nghiệm chính xác hiện nay cho thấy hai khối lượng này rất gần nhau và một tiên đề của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein phát biểu rằng hai khối lượng lượng này là một

1.4.3 Khối lượng tương đối tính

Trong vật lý cổ điển công trình coi khối lượng của một vật là một đại lượng bất biến, không phụ thuộc vào chuyển động của vật Tuy nhiên đến vật lý hiện đại công trình lại có cách nhìn khác về khối lượng, khối lượng có thể thay đổi tùy theo hệ quy chiếu Khối lượng trong vật lý hiện đại bao gồm khối lượng nghỉ, có giá trị trùng với khối lượng cổ điển khi vật thể đứng yên trong hệ quy chiếu đang xét, cộng với khối lượng kèm theo động năng của vật

Khối lượng toàn phần lúc này, m, còn gọi là khối lượng tương đối tính, liên hệ với khối lượng nghỉ m0, qua vận tốc chuyển động v, theo

m = γ m0 với γ như sau:

2

21

Trang 39

1.4.4 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của vật chất là một đặc tính về mật độ của vật chất đó, là đại lượng đo bằng thương số giữa khối lượng m của một vật làm bằng chất ấy (nguyên chất) và thể tích V của vật

Khi gọi khối lượng riêng là D, ta có công thức sau:

Nếu chất đó có thêm đặc tính là đồng chất thì khối lượng riêng tại mọi vị trí là như nhau và bằng khối lượng riêng trung bình

Khối lượng riêng còn được gọi là mật độ khối lượng Đại lượng vật

lý này khác hẳn với đại lượng vật lý trọng lượng riêng, mọi người rất dễ nhầm lẫn giữa khái niệm trọng lượng và khối lượng

Trọng lượng riêng (N/m³) = Gia tốc trọng trường (≈9,81 m/s²) × Khối lượng riêng (kg/m³)

Trong hệ đo lường quốc tế, khối lượng riêng có đơn vị là kilôgam trên mét khối (kg/m³) Một số đơn vị khác hay gặp là gam trên xentimét khối (g/cm³)

Ý nghĩa đơn vị khối lượng riêng: kilôgam trên mét khối là khối lượng riêng của một vật nguyên chất có khối lượng 1 kilôgam và thể tích

1 mét khối

Trang 40

Khi biết được khối lượng riêng của một vật, ta có thể biết vật được cấu tạo bằng chất gì bằng cách đối chiếu với bảng khối lượng riêng của các chất Khối lượng riêng một số chất ở nhiệt độ 0°C và áp suất 760mm Hg là: Nitơ: 1,25 kg/m³

Nước đá: 900 kg/m³

Nhôm: 2600-2700 kg/m³

Kẽm: 7000 kg/m³

Vàng: 19300 kg/m³

1.4.5 Khối lượng riêng trung bình, tỷ khối

Khối lượng riêng trung bình của một vật thể được tính bằng khối lượng, m, của nó chia cho thể tích, V, của nó, và thường được ký hiệu là

Trong thực hành, nhiều phép đo khối lượng riêng được thực hiện bằng việc so sánh với nước; hơn nữa khối lượng riêng của nước xấp xỉ bằng 1000kg/mét khối, một con số dễ sử dụng trong chuyển đổi sang hệ

đo lường quốc tế

Ví dụ: Tỷ khối của dầu là 0,8, của nhôm là 2,7

Khối lượng riêng của chất lỏng có thể được đo bằng phù kế

Khối lượng riêng của một số chất được cho thấy trên bảng I.1

Định dạng
Số trang	252
Dung lượng	5,26 MB