Phân tích chương Cơ sở của Nhiệt động lực học

Theo định lý về động lượng thì độ biến thiên động lượng của một vật trong thời gian nào đó bằng xung lượng của ngoại lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó p= nmv 10Thực ra các p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ -  -

Huế, 12/2010

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 2

B NỘI DUNG 3

I Cấu trúc của chương 3

II KIẾN THỨC CƠ BẢN 4

II.1 Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch 4

II.2 Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học 4

II.3 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng của khí lý tưởng Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh 4

III PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC 4

III.1 Các khái niệm cơ bản 4

III.1.1 Nhiệt độ 4

III.1.2 Nội năng 8

III.1.3 Nhiệt lượng 10

III.2 Các nguyên lí NĐLH 15

III.2.1 Định luật thứ nhất của NĐLH (Nguyên lý thứ nhất của NĐLH) 15

III.2.1.1 Phát biểu 15

III 2.1.4 Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học 22

III.2.2.Định luật thứ II của nhiệt động lực học (nguyên lý II NĐLH) 22

III.2.2.1 Các khái niệm 22

III.2.2.1.1 Quá trình thuận nghịch 23

III.2.2.2.Phát biểu nguyên lý II 28

C KẾT LUẬN 34

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

A MỞ ĐẦU

“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một phần quan trọng của chuyên ngành phương pháp dạy học nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức và cách thể hiện nội dung kiến thức đó trong sách giáo khoa vật lí, tức là nắm được

ý đồ của tác giả giáo khoa và cách tổ chức dạy cho học sinh một số kiến thức cụ thể

Cở sở của nhiệt động lực học gồm có bốn nguyên lí rút ra từ thực nghiệm: nguyên lý số không dẫn đến sự tồn tại của nhiệt độ; nguyên lý thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng; nguyên lý thứ hai xác định chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động lực học; nguyên lý thứ ba (nguyên lý Nernst) khẳng định rằng không thể đạt tới không độ tuyệt đối Trong phần “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở chương trình vật lý phổ thông chỉ đề cập đến nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai Những nguyên lý của nhiệt động lực học có tính chất rất tổng quát, nên ngày nay người ta ứng dụng có hiệu quả lớn trong việc nghiên cứu các quá trình vật lí và hoá học, các tính chất của vật liệu

và bức xạ

Để nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngoài phương pháp động học phân tử, người ta còn dùng phương pháp nhiệt động lực học Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử

mà khảo 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 Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được phát sinh do khảo sát sự biến đổi năng lượng chuyển động nhiệt thành cơ năng để chạy các máy phát động lực (máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng…) vì vậy nên có tên gọi là phương pháp nhiệt động lực học

Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa trên hai nguyên lý cơ bản được rút ra từ thực nghiệm gọi là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học Nhờ các nguyên lý này, không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của vật, ta cũng có thể rút ra nhiều 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”

B NỘI DUNG

I Cấu trúc của chương

II KIẾN THỨC CƠ BẢN

II.1 Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân

bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch

II.2 Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học.

II.3 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng của khí lý tưởng Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh III PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC

III.1 Các khái niệm cơ bản

III.1.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của hệ Nhiệt

độ được đo bằng nhiệt biểu với thang chia độ xác định Nhiều nhà khoa học đã tìm kiếm và đã đưa ra nhiều thang đo khác nhau Các thang đo thường đựơc quan tâm nhiều nhất thuộc về các nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit và Réaumur Biểu thức chuyển từ thang chia đo này dang thang chia độ khác nhau

như sau

9

32 4

5

5 , 273 5

0 0 0

tính toán người ta thường dùng thang nhiệt độ Kelvin (T 0K) Liên hệ giữa t0C

và T0K như sau: T0K = t0C + 237 Như vậy, - 273 0C ứng với 00K Thành thử

nhiệt độ tuyệt đối T không thể âm

a Phương trình trạng thái của khí lý tưởng [7]

Chất khí mà sự tương tác giữa các phân tử là nhỏ không đáng kể và kích thước riêng của các phân tử có thể bỏ qua gọi là khí lý tưởng Người ta hay dùng

mô hình chất khí lý tưởng vì nó có các tính chất đơn giản nhất Tuy nhiên thực

tế không tồn tại chất khí hoàn toàn lý tưởng, nhưng các khí thực khi khá loãng

có các tính chất gần với khí lý tưởng Quan sát và thí nghiệm cho thấy, các chất khí gần với khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái sau đây (gọi là

phương trình trạng thái khí lý tưởng) pV m RT

N là số phân tử chứa trong khối khí và NA là số phân tử chứa trong một Kmol

chất khí (được gọi là số Avôgađrô) thì số Kmol bằng tỷ số

Thực nghiệm cho thấy rằng số Avôgađrô bằng N A = 6,023.10 26kmol− 1

Hằng số mới k = R được gọi là hằng số Boltzmann Trị số của k bằng

23 26

8,31.10 ( / )

1,38.10 ( / ) 6,023.10 (1/ )

V

= là số phân tử khí trong một đơn vị thể tích Các phương trình (1), (6) và (7) là các dạng khác nhau của phương trình trạng thái của khí lý tưởng

b Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí [7]

Theo quan điểm của thuyết động học phân tử: mọi chất dù là khí, lỏng hay rắn đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Đối với các chất khí thì thuyết động học phân tử còn giả thuyết thêm các phân tử khí có thể coi như các chất điểm chuyển động tự do, không tương tác nhau trừ những khi va chạm Các phân tử khí khi va chạm lên thành bình gây nên áp suất Các va chạm giữa các phân tử và giữa các phân tử với thành bình được giả thuyết là các va chạm đàn hồi

Ta xét một chất khí gồm N phân tử đựng trong một các bình hình lập phương có cạnh a Ta lấy một diện tích nhỏ ∆S của thành bình và tính số va đập của các phân tử vào bề mặt đó trong thời gian ∆t Ta lập luận đơn giản như sau: Giả sử rằng các phân tử khí chỉ chuyển động dọc theo ba hướng vuông góc với

nhau một cách đồng đều Như vậy sẽ có

3

N

phân tử chuyển động dọc theo mỗi

phương, một nữa số phân tử đó (tức là

6

N

phân tử) chuyển động về hướng ∆S

(chẳng hạn theo hướng pháp tuyến) Ngoài ra, ta giả sử rằng mọi phân tử đều chuyển động với cùng vận tốc v Khi đó, trong khoảng thời gian ngắn ∆t, tất cả các phân tử khí đập tới bề mặt phải được chứa trong thể tích hình trụ với đáy ∆S

và chiều cao v t∆ Số phân tử này bằng 1

6

n n Sv t

Trong đó N

n V

= là số phân tử trong một đơn vị thể tích Vì va chạm giữa phân tử và thành bình là va chạm đàn hồi nên sau khi va chạm động lượng của mỗi phân tử biến thiên một lượng ∆ = −p mv− (mv) = − 2mv Theo định lý về động lượng thì độ biến thiên động lượng của một vật trong thời gian nào đó bằng xung lượng của ngoại lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó

p= nmv (10)Thực ra các phân tử không chuyển động với cùng một vận tốc v mà có thể khác nhau Do đó, thay vì v2trong (10) ta thay giá trị vận tốc trung bình v2

theo định nghĩa như sau: 2 2

1

1 N i i

thể đưa nó vào trong dấu trung bình 2 2

Phương trình (13) được gọi là phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử các chất khí.

So sánh các công thức (13) và (7) cho áp suất của khí lý tưởng ta được:

3 2

và nội năng của hệ ∆W =W đ +W t +U

Thuyết động học phân tử đã làm rõ bản chất của khái niệm nội năng Ngày nay, người ta hiểu nội năng bao gồm:

- Động năng của các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử

- Thế năng tương tác của các phân tử quy định bởi các lực phân tử giữa chúng

- Năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử

- Năng lượng của các võ điện tử của nguyên tử

- Năng lượng hạt nhân

- Năng lượng bức xạ điện từ

Tuy nhiên, trong NĐLH người ta không quan tâm đến toàn bộ nội năng của vật mà chỉ chú ý tới biến thiên nội năng của vật khi vật chuyển từ trạng thái nhiệt này sang trạng thái nhiệt khác Trong quá trình chuyển trạng thái này chỉ

có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi Do đó, để đơn giản trong NĐLH có thể coi nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng

tương tác giữa chúng Với ddingj nghĩa trên, nội năng là hàm trạng thái nhiệt của vật, nghĩa là ứng với mỗi trạng thái nhiệt, vật có một nội năng xác định.

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 tử cấu

tạo nên vật thay đổi 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 thì nội năng của hệ thay đổi và độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình biến đổi chỉ phụ 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 thay đổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào thể tích của vật

Nội năng là hàm số của nhiệt độ, áp suất,… tức là hàm của những tham số đặc trưng một cách đơn giá trạng thái của hệ

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

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 của chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật Theo cách hiểu này thì nhiệt năng là một phần của nội năng Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng

b 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 đổi nhiệt 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.

* Truyền nhiệt lượng

Có thể làm cho không khí trong bơm nóng lên bằng cách hơ nóng thân bơm

và làm cho miếng kim loại nóng lên bằng cách thả nó vào nước nóng Khi đó nội năng của không khí hay miếng kim loại tăng lên không do thực hiện công mà do truyền nhiệt lượng

có thể giải thích được một số hiện tượng nhiệt trong đó có sự truyền nhiệt,

nhưng không giải thích được nhiều hiện tượng nhiệt khác trong đó có hiện tượng thay đổi nhiệt lượng bằng cách thực hiện công.[8]

Đồng thời với thuyết chất nhiệt còn có thuyết cho rằng bản chất của nhiệt

là do chuyển động của các hạt vật chất Trong số những người ủng hộ thuyết này

có các nhà vật lý nổi tiếng như Niu-tơn, Ma-ri-ốt, Lô-mô-nô-xốp, Jun Tuy nhiên phải chờ đến đầu thế kỉ XIX, khi thuyết về vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử ra đời người ta mới công nhận bản chất của nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất cấu tạo nên vật [8]

Nhiệt là khái niệm được dùng với nhiều nghĩa khác nhau bao gồm: [9]

- Nhiệt năng là năng lượng của chuyển động hỗn loạn (tịnh tiến, quay, dao

động) của các phân tử (nguyên tử) tạo thành một vật Nhiệt năng cùng với thế năng của các phân tử tạo thành nội năng của vật

- Nhiệt lượng là phần năng lượng truyền từ vật này sang vật khác bằng

trao đổi nhiệt năng

Nhiệt năng có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ Nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh và nhiệt năng của vật càng lớn Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa các vật hay hệ thống do sự khác biệt

về nhiệt độ Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách chuyển hóa giữa năng lượng có hướng (thế năng, động năng định hướng trên tầm vĩ mô) và năng lượng hỗn loạn, qua các quá trình vĩ mô như thực hiện công năng lên vật hoặc trao đổi nhiệt vĩ mô vào vật hoặc các quá trình vi mô như các phản ứng hóa học (như sự cháy), phản ứng hạt nhân (như phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong Mặt Trời), sự ma sát giữa các electron với mạng tinh thể (trong bếp điện) hay ma sát cơ học Nhiệt có thể được trao đổi qua các quá trình bức xạ, dẫn nhiệt hay đối lưu Lượng nhiệt năng dự trữ hay chuyển tải trên các vật còn gọi là nhiệt lượng và thường được ký hiệu trong các tính toán bằng chữ Q

Ta sẽ quy ước coi nhiệt Q là dương (Q > 0) nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào, coi nhiệt Q là âm (Q < 0) nếu bản thân hệ tỏa nhiệt Nhiệt là một hình thức trao đổi năng lượng nhưng nhiệt cũng không phải là năng lượng Nhiệt chỉ xuất

hiện trong một quá trình biến đổi trạng thái của hệ, nhiệt cũng là một hàm của quá trình Nhiệt được tính theo đơn vị calo hoặc Jun : 1 cal =4,18 J

Như vậy, ta thấy rằng công và nhiệt đều là những đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ Tuy có sự khác nhau giữa công và nhiệt nhưng chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và có sự chuyển hoá lẫn nhau: công có thể biến thành nhiệt và ngược lại Ví dụ: khi cọ sát hai vật, chúng nóng lên tương tự như chúng đã nhận nhiệt; khi đốt nóng một vật, nghĩa là truyền nhiệt cho vật thì vật nóng lên, nội năng của vật thay đổi nhưng đồng thời vật dãn

nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công làm cho vật dãn nở

Vì sự thực hiện công và quá trình truyền nhiệt lượng đều là những cách làm biến đổi nội năng của vật nên chúng tương đương nhau Việc tìm ra sự tương đương này là một sự kiện quan trọng đối với khoa học và kĩ thuật, đặc biệt là đối với việc thiết lập định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng

b) Đơn vị nhiệt lượng:

Trước khi các nhà khoa học nhận thức được nhiệt lượng là năng lượng được chuyển, nhiệt lượng được đo thông qua khả năng làm tăng nhiệt độ của nước Chính vì vậy, calo (cal) được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết cho một gam nước tăng nhiệt độ 14,50C Trong hệ đo lường của Anh, đơn vị nhiệt lượng tương ứng là ĐƠN VỊ NHIỆT LƯỢNG CỦA ANH (Btu) được định nghĩa là nhiệt lượng có thể làm tăng 1Lb nước từ 63 lên 640F

Năm 1984, cộng đồng khoa học quyết định rằng, nhiệt lượng cũng như công, là năng lượng được chuyển, nên đơn vị SI cho nhiệt lượng phải cùng là đơn vị cho năng lượng đó là Jun Calo bây giờ được định nghĩa là 4,1860J (chính xác) và không có liên quan gì tới sự làm nóng của nước cả Cal dùng trong dinh dưỡng, một đôi khi gọi là Calo (Cal) thực tế là kilô calo

Mối liên hệ giữa các đơn vị đo nhiệt lượng

1J=0,2389calo = 9,481.10-4Btu ; 1calo=4,186J = 3,96.10-3Btu

c) Công thức tính nhiệt lượng

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

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 V

+ Nhiệt lượng nóng chảy: Q = λm, trong đó λ là nhiệt nóng chảy

+ Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi

III.1.4 Nhiệt dung

a) Nhiệt dung (kí hiệu: C)

Định nghĩa: Nhiệt dung C của một vật là hằng số tỉ lệ giữa nhiệt lượng và

độ biến thiên nhiệt độ mà nhiệt lượng này tạo ra trong vật

Nhiệt dung được suy ra từ biểu thức: Q = C(T2-T1) Trong đó T2, T1 là nhiệt độ cuối, đầu của vật

Đơn vị: J/K hoặc cal/K

b) Nhiệt dung riêng (kí hiệu: c)

Định nghĩa: Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần thiết

để làm cho 1kg chất đó tăng thêm 10C

Nhiệt dung riêng được suy ra từ biểu thức: Q=mc(T2-T1)

Đơn vị: J/kg.độ hoặc J/kg.K

Tóm lại, các khái niệm nhiệt lượng, nhiệt dung, nhiệt dung riêng đều là những khái niệm của “thuyết chất nhiệt” Tuy nhiên do thói quen cho tới nay người ta vẫn sử dụng khái niệm này mặc dù không công nhận thuyết chất nhiệt.

Công và nhiệt lượng

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

* Sự thực hiện công: là hình thức truyền năng lượng giữa các vật vĩ mô

tương tác với nhau và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời có định hướng của vật (hay một phần của vật)

* Sự truyền nhiệt : là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa

các nguyên 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 (năng lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử) từ nơi này đến nơi khác và trực tiếp dẫn đến sự tăng nội năng của hệ được truyền nhiệt lượng Còn sự thực hiện công đối với 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 giữa những dạng năng lượng khác nhau và trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ (động năng, thế năng, nội năng…).[3]

* 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 chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ.[3]

* 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

Ví dụ:

Cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt),…

+ Công và nhiệt không phải là những dạng năng lượng mà là những phần năng lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác với nhau Công và nhiệt chỉ

xuất hiện 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.[3]

Cách phát biểu khác: nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá trị

bằng độ tăng nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó

Q = ∆U – A

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

III.2.1.2 Hệ quả của nguyên lý I

a Nếu hệ thực sự nhận công và nhiệt A > 0, Q > 0 thì nội năng của hệ tăng ∆ >U 0

b Nếu hệ thực sự sinh công và toả nhiệt ra bên ngoài A < 0, Q < 0 thì nội năng của hệ giảm ∆ <U 0

c Đối với hệ cô lập

Hệ cô lập thì không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài Ta có A = Q =

0 Do đó, 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 nhiệt lượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì Q1 + Q2 = Q = 0 hay Q1 = – Q2.

Hình 33.1

Quy ước về dấu của A và Q

Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật này 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 mà miếng đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào

d 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 biểu thức của NLI suy ra A + Q = 0 hay A = – Q

Do đó, trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do

hệ tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận được

từ bên ngoài.

Phát biểu nguyên lý I theo cách khác: 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 ít hơn công sinh ra).

Nếu hệ nhận công A > 0 thì hệ sẽ toả nhiệt Q < 0 Muốn sinh công A<0 thì hệ phải nhận nhiệt Q > 0

Không thể có một động cơ sinh công mà không cần thu năng lượng Động

cơ có thể sinh công mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng được gọi là động cơ vĩnh cửu loại một Nguyên lý I cho thấy không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một

III.2.1.3 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học cho khí lý tưởng

Có nhiều ứng dụng khác nhau của nguyên lý I Trong chương trình vật lý phổ thông chỉ xét việc ứng dụng nó để nghiên cứu các quá trình cơ bản của khí

lý tưởng Ta sẽ xác định độ biến thiên nội năng, công và nhiệt mà hệ nhận vào trong các quá trình này

* Quá trình đẳng tích

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

Ví dụ: quá trình hơ nóng hay làm lạnh một khối khí trong bình kín

Trong hệ toạ độ p - V, quá trình này được biểu diễn bằng một đoạn thẳngsong song với trục Op Đoạn 1 – 2 ứng với quá trình giãn đẳng tích

Trong quá trình đẳng tích ∆ =V 0 nên công mà khối khí nhận vào trong

Độ biến thiên nội năng ∆ = + ⇒ ∆ =U Q A U Q

Vậy: trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí.

* Quá trình đẳng áp

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

Ví dụ: Nung nóng một lượng khí chứa trong xilanh có pittông đóng kín.Trong hệ toạ độ p – V, quá trình này được biểu diễn bằng một đoạn thẳng song song với trục OV Đoạn 1 – 2 ứng với quá trình giãn đẳng áp