Bài 10hệ nhiệt động quá trình nhiệt động của hệ, đường dẫn công và nhiệt nội năng định luật thứ nhất của nhiệt động học vận dụng định luật i để khảo sát các quá trình nhiệt động của khí lý tưở

Hệ nhiệt động Hệ - Mục 19.1  KN : là mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô, độc lập với nhau và có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường xung

Bài 10 Bài giảng lý thuyết

VẬT LÝ ĐẠI HỌC

Giảng viên: ĐẶNG THỊ MINH HUỆ

NỘI DUNG CHÍNH

(Chương 19: từ 19.1 đến 19.6) 10.1 Hệ nhiệt động Quá trình nhiệt động của hệ, đường dẫn Công và Nhiệt.

10.1 Hệ nhiệt động Các quá trình nhiệt động

của hệ Công và Nhiệt.

1 Hệ nhiệt động (Hệ) - Mục 19.1

 KN : là mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi

một số các thông số vĩ mô, độc lập với nhau và có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh.

 VD: khí lý tưởng là tập hợp gồm N rất lớn các phân tử

khí

 Phân loại hệ: Hệ cô lập và không cô lập.

+ Hệ không cô lập : là hệ tương tác với mtxq hay hệ có

sự trao đổi công và nhiệt (có sự trao đổi năng lượng) với môi trường xung quanh.

+ Hệ cô lập : là hệ không tương tác với môi trường xung

quanh tức là không trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh.

Vậy: Khi hệ trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh thì chúng ta phải xác định rõ năng lượng được đưa vào hệ hay ra khỏi hệ.

Quy ước dấu của Q và W

 Dấu của Nhiệt (luợng) Q :

+ Q > 0: thể hiện nhiệt lượng được truyền vào hệ, tương ứng với năng lượng được đưa vào hệ.

+ Q < 0: thể hiện năng lượng đi ra khỏi hệ dưới dạng nhiệt

 Dấu của Công (W):

+ W > 0: thể hiện hệ

+ W > 0: thể hiện hệ thực hiện công thực hiện công lên môi trường quanh nó, hay khi đó hệ

quanh nó, hay khi đó hệ sinh sinh công

+ W < 0: thể hiện công được thực hiện

+ W < 0: thể hiện công được thực hiện lên hệ lên hệ từ môi trường xung quanh, hay khi đó hệ nhận hệ nhận công.

VD : Một hệ nhiệt động có thể trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh bằng cách truyền nhiệt hoặc thực hiện công hoặc cả hai.

2 Quá trình nhiệt động Đường dẫn – Mục 19.3

 KN: là quá trình biến đổi trạng thái của hệ hay là quá trình biến đổi năng lượng của hệ.

 Các loại QT nhiệt động của hệ

+ Quá trình đoạn nhiệt: là QT hệ không trao đổi nhiệt với bên ngoài ( Q = 0 ).

trạng thái đầu và trạng thái cuối trong QTBĐ) (được biểu diễn bằng đường biến đổi có chiều)

 Khi QTBĐ là QTCB thì ta có thể biểu diễn đường

dẫn trên hệ toạ độ OPV.

VD: Ba đường dẫn khác nhau từ trạng thái đầu (1) đến trạng thái cuối (2) của một khối khí lý tưởng :

NX: Rõ ràng 3 đường dẫn trên có chung điểm đầu và điểm cuối nhưng biểu diễn các quá trình nhiệt

động khác nhau

Vậy:

1) Khi nào hệ có công dương, âm, bằng 0?

BT tính công trong các QT nhiệt động là gì?

2) Quá trình nào là nhận nhiệt, toả nhiệt ; nhận

công hoặc sinh công?

3 Công do hệ thực hiện khi thể tích thay đổi

(Mục19.2)

Xét hệ nhiệt động đơn giản và phổ biến là khối khí trong xy

lanh.

Khi giãn nở, khí trong xy

lanh thực hiện công dương

lên píttông:

W > 0 khi V 1 < V 2

Để nén khối khí trong xy lanh, ta phải thực hiện công lên píttông Tức là khi đó

khối khí nhận công:

W < 0 khi V 1 > V 2

trong quá trình này là:

Khi thể tích biến đổi từ V 1 đến V 2 :

(V 1 là thể tích ở trạng thái đầu và V 2 là thể tích cuối)

2

1

(19.2)

V V

W   pdV

 NX: Giá trị của công theo (19.2) chính bằng diện tích hình thang cong g/h bởi đồ thị p(V) và hai đường V 1 và V 2 trên hệ toạ độ 0PV – đây chính là YN hình học của Công.

Biểu diễn công trên hệ toạ độ 0PV

 KL: Rõ ràng công thực hiện trong quá trình biến đổi trạng thái không những phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng

thái cuối mà còn phụ thuộc vào đường dẫn Tức là Công là hàm của quá trình nhiệt động.

Cụ thể : xét 3 đường dẫn khác

nhau từ trạng thái đầu (1) đến

trạng thái cuối (2)

4 Nhiệt trong các quá trình nhiệt động

ĐVĐ : Chúng ta đã biết rằng Nhiệt

ko phải là NL chứa trong hệ Q

trong QT trao đổi nhiệt (khi nhiệt

độ thay đổi) là:

Q = mcT = nCT (17.17)

Trong quá trình đẳng nhiệt ( ) thì Q = 0?

Trả lời : + Trong QT đẳng nhiệt: , ko tuân theo (17.17).

KL: Công, Nhiệt không những phụ thuộc vào trạng thái đầu

và trạng thái cuối của QTBĐTT mà còn phụ thuộc vào

đường dẫn Hay chúng là hàm của quá trình nhiệt động.

Câu hỏi đặt ra là: + Mối liên hệ giữa công và nhiệt là gì?

+ Khi khí lý tưởng thực hiện một quá trình biến đổi trạng thái theo một chu trình kín thì Công và nhiệt trong chu

trình đó liên hệ với nhau như thế nào?

W > 0 nhưng Q = ?

W < 0 nhưng Q = ?

10.2 Nội năng Định luật I của nhiệt động học – 19.4

1 Nội năng U

 ĐN : Nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của

tất cả các phần tử của hệ cộng với tổng thế năng tương tác giữa các phần tử trong hệ với nhau

 TC : + Khi hệ thay đổi trạng thái, nội năng của hệ có thể

thay đổi từ giá trị đầu U1 đến giá trị cuối U2

+ Ở mỗi trạng thái, nội năng của hệ chỉ có một giá trị

duy nhất

+ Độ biến thiên nội năng: ∆U = U2 - U1

không phụ thuộc vào đường dẫn mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối

 Vậy: Nội năng U là hàm của các thông số trạng thái.

 Đối với khí lý tưởng : U = n(i/2)RT , i là số bậc tự do của chất khí ( i = 3 với khí đơn nguyên tử; i = 5 với khí lưỡng nguyên tử ; i = 6 với khí đa nguyên tử); R = 8,314 J/mol.K

 Trong một quá trình nhiệt động, nội năng của hệ có thể :

+ tăng: ∆U > 0 + Giảm: ∆U < 0

2 Định luật I của nhiệt động học

 BT (19.4) hoặc (19.5) chính là BT của định luật I.

 PB: “Độ biến thiên nội năng của hệ trong một QTBĐ vĩ

mô tuân theo CT: ∆U = Q – W (19.4) .”

 YN : là sự khái quát của nguyên lý bảo toàn năng luợng

áp dụng cho các hệ nhiệt động khi có sự thay đổi năng lượng do truyền nhiệt và thực hiện công.

 Chú ý : + dấu của Q và W là thống nhất và tuân theo qui

VD áp dụng ĐL I ( VD 19.4 ): Một hệ nhiệt động biến đổi

từ trạng thái ban đầu a đến trạng thái cuối d theo hai

đường dẫn abd và acd được chỉ ra như hình vẽ Biết

rằng nhiệt đưa vào hệ trong QT ab là 150 J, QT bd là 600J Tính đbt nội năng, công và

nhiệt trong từng QT abd;

HQ2: Hệ cô lập (không thực hiện công và trao đổi nhiệt với

môi trường xung quanh hệ): Q = W = 0 nên :

U1 - U 2 = ∆U = 0 hay U1 = U 2

Nói cách khác: “Nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn.”

Do đó : Nếu hệ cô lập (kín) gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau (gọi là vật nóng hơn và một vật lạnh hơn) thì nhiệt trao đổi giữa hai vật trong hệ là: Q 1 + Q 2 = 0 Tức là vật này truyền bao nhiêu nhiệt thì vật kia nhận bấy nhiêu.

VD 19.3 : Tính Nội năng và Nhiệt của hệ nhiệt động trong

QTBĐ theo một chu trình kín như h.vẽ Biết Công trong

chu trình này là - 500 J Giải thích vì sao công âm?

Nếu W > 0 thì chu trình đó sinh

công và ngược lại

 Nhiệt Q chu trình = Q 12 + Q 23 + Q 31

 Công của hệ trong một chu trình

sẽ dương nếu chiều diễn biến của

chu trình là cùng chiều kim đồng hồ và ngược lại.



qt cac

qt tung chutrinh W

qt cac

qt tung

Q

 Vậy có ba cách tính công của chu trình:

+ Wchutrinh = diện tích giới hạn bởi chu trình cùng chiều kim đồng hồ ; W = -diện tích giới hạn bởi chu trình ngược chiều kim đồng hồ.

+ W = tổng các công của từng quá trình thuộc chu trình.

+ Wchtr = Qchutrinh

 Qnhận của chu trình = tổng các Q > 0 của chu trình

 Q nh ả của chu trình = tổng các Q < 0 của chu

trình đó.

Chú ý : Qchutrinh = Qnhan + Qtoả = Wchutr nên

Q nhan trong một chu trình luôn lớn hơn W chutri

VD : BT 19.47

Hai mol khí lý tưởng đơn nguyên tử trải qua một chu trình

abca Khi hoàn thành một chu trình, 800J nhiệt lượng đã truyền ra khỏi chất khí Quá trình ab có p = h/số; quá

trình bc có V = h/số Nhiệt độ ở trạng thái a và b là T a = 200K; T b = 300K.

a) Phác hoạ đồ thị pV cho một chu trình

b) Công thực hiện trong QT ca = ?

Hướng dẫn giải

4 Nội năng của khí lý tưởng - Mục 19.6

 Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,

không phụ thuộc vào áp suất và thể tích.

 BT:

Với n là số mol khí, R là hằng số khí lý tưởng.

(Do các phân tử khí lý tưởng không tương tác với nhau

nên nội năng của khí lý tưởng chỉ là tổng động năng , U

= U(T) )

+ Chú ý: i = 3 đối với khí đơn nguyên tử

i = 5 đối với khí lưỡng nguyên tử

i = 6 đối với khí đa nguyên tử

kT

i N

10.3 Khảo sát (Q, W, ∆U) các quá trình nhiệt động

T ức là nhiệt truyền vào chỉ làm tăng nội năng của hệ mà

không làm cho hệ sinh công và Q < 0 (nhiệt truyền ra

khỏi hệ )làm cho nội năng giảm đi

4 Quá trình đoạn nhiệt : Q = 0

C

v

p

/ ) 2 ( 

i n U

-W    R T1  T2

)

( 1

1 )

( R