CHUONG & CO SO CUA NHIET DONG LUC HOC MUC TIEU Trình bày được hai cách làm thay đổi nội năng của vật và viết được công thức tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong quá trình truyề
Trang 1CHUONG &
CO SO CUA NHIET DONG LUC HOC
MUC TIEU
Trình bày được hai cách làm thay đổi nội năng của vật và viết được công thức
tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong quá trình truyền nhiệt
Viết được công thức nguyên lí I nhiệt động lực học và các quy ước
Ch ăng nhiệt, đẳng tích
5 Trình bày được định nghĩa quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
Phát biểu được nguyên lí II của Clau-si-út và Các-nô và viết được công thức
tính hiệu suât, hiệu năng của máy lạnh
iT Vận dụng các công thức lí thuyết để tính nhiệt lượng, độ biến thiên nội năng
cua mot vat
» Phân biệt được quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
Trang 2I LY THUYET TRONG TAM
A NOI NANG
1 Nội năng
- Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử Chú ý: Tổng động năng của các
thuộc vào trạng thái của hệ
2 Độ biến thiên nội năng
Trong nhiệt động lực học người ta không quan tâm đến nội năng của vật mà quan tâm đến độ biến thiên nội
năng AU của vật, nghĩa là phân nội năng tăng thêm hay giảm bớt đi trong một quá trình:
AU=U, -U,
B CAC CACH LAM THAY DOI NOI NANG
1 Thực hiện công
thay đổi nội năng của hệ với nhau làm tăng nội năng của hệ
năng lượng khác sang nội năng
&
2 Truyén nhiét
a Qua trinh truyén nhiét
- Qua trinh lam thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là
nhiệt độ của chúng khác nhau thì nhiệt độ hệ thay đôi và nội năng của từ coc ca phê nên tăng nội năng
(đá tan dân) còn cốc cà phê tỏa nhiệt nên giảm nội năng (cốc cà phê nguội dán di)
hệ thay đồi
- Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyên hoá năng lượng
từ dạng này sang dạng khác mà chỉ có sự truyên nội năng từ vật này
sang vật khác
b Nhiệt lượng
- Nhiệt lượng là số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền
nhiệt: Q= AU
Trang 3- Nhiệt lượng mà một lượng chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toả ra khi nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức:
Q = mcAt
Trong đó:
m: khối lượng của chất (kg)
c: nhiệt dung riêng của chất, là lượng nhiệt cần cung cấp để Ikg chất đó tăng thêm 1°C Đơn vị J/kg.K
At: Độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc K)
C NGUYÊN LÍ INHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1 Nội dung nguyên lí 1
Độ biến thiên nội năng của hệ băng tong công và nhiệt lượng mà hệ nhận được
AU=A+Q
Trong đó quy ước dâu:
Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng
Q<0:hệ truyền nhiệt lượng
A >0: hệ nhận công
A <0: hệ thực hiện công
2 Độ biến thiên nội năng trong các quá trình biến đối của khí lí tưởng
Xét một khối khí lí tưởng chuyển từ trạng thái | (p,.V,.T;) sang trạng thái 2 (p; V,.T,) :
* Với quá trình đăng nhiệt:
Do nhiệt độ của hệ không đổi nên nhiệt lượng hệ nhận được Q = 0
Độ biến thiên nội năng: AU = A
Như vậy quá trình đắng nhiệt là quá trình thực hiện công
* Với quá trình đăng tích:
Công mà hệ nhận được: A = F.Aý = p.S.Al = p.AV
Do thể tích không đổi nên AV =0—= A =0
Độ biến thiên nội năng: AU =Q
Như vậy quá trình đăng tích là quá trình truyền nhiệt
* Với quá trình đăng áp: A #0,Q 0
Độ biến thiên nội năng: AU = A+Q
Độ biến thiên nội năng băng tong công và nhiệt lượng mà hệ nhận được
D NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
3
Trang 41 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
a Quá trình thuận nghịch
Vậy: dao động của con lắc không ma
sát là một quá trình thuận nghịch © B ¬C2- ¡ © A
b Quá trình không thuận nghịch
Quá trình không thuận nghịch là quá trình chỉ có Vi du: Nếu con lắc đơn dao động có
ngược lại phải cần đến sự can thiệp của vật khác của vậi và nội năng của không khi é ee,
nên vật sẽ chuyên động từ A tới C, từ sÉ) CC» :
chiều cũ Vậy dao động của con lắc
có ma sát là một quá trình không thuận nghịch
2 Nguyên lí II nhiệt động lực học
a Cách phát biểu của Clau-di-út
Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang một vật nóng hơn
b Cách phát biểu của Các-nô
Động cơ nhiệt không thể chuyền hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học
Nếu động cơ nhiệt nhận được nhiệt lượng là Q, từ nguồn nóng có nhiệt độ T, thì sẽ sinh ra cong A (A < Q))
và phần nhiệt lượng còn lại là Q› (Q2 < Q¡) được truyền cho nguồn lạnh có nhiệt độ T› Khi đó hiệu suất của
động cơ nhiệt:
H=-^.100%=S—Š: 100% (H < 1)
Q 1 Q 1
Néu động cơ nhiệt là lí tưởng có hiệu suất đạt cực đại:
T—T H= Hy, = 100%
1
Trang 5SO’ DO HE THONG HOA
lá on Đo Thay đổi nhiệt nă
; a ¡ nhiệt năn
Truyền nhiệt Q =mcAt
Nguyên lí II
nội năng
1
Il CAC DANG BAI TAP
Dạng 1: Bài toán nhiệt lượng
> Phương pháp giải
Bước ï: Tính nhiệt lượng tỏa ra và thu vào
Ví dụ: Thả một quả cầu băng săt khối lượng m có
nhiệt độ 500°C vào một bình cách nhiệt có chứa 300
ø nước ở nhiệt độ 20°C làm cho nhiệt độ của nước
tăng lên đến 80°C Biết nhiệt dung riêng của sắt và
nước lần lượt bằng 460 J/kg.K và 4200 J/kg.K Giá
trị m băng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Bước 1: Khi tha miéng sắt vào nước thì nhiệt độ của
nó cao hơn nhiệt độ của nước nên sắt sẽ truyền
nhiệt lượng cho nước Nhiệt lượng sắt tỏa ra:
Q = McAt = m.460 (500 — 80) =193200.m (J )
Nước thu nhiệt và tăng nhiệt độ lên đến 80°C Nhiệt
lượng nước thu vào:
Trang 6Q,„ = m,.c, At = 0,3.4200 (80 — 20) = 75600 (J )
Bước 2: Việt phương trình cân băng nhiệt: Bước 2: Khi hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt thì:
Bước 3: Rút ra đại lượng cần tìm Bước 3: Ta có:
193200m = 75600 => m = 0,39kg = 390g
> Vidu mau
Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng cần để đun sôi I kg nước ở nhiệt độ 20°C, biết nhiệt dung riêng của nước băng 4200
J/kg.K
A 224000 J B 336000 J
C 442000 J D 448000 J
Hướng dẫn giải Nếu dé bài nói đun sôi nước thì ta
Nước sôi ở nhiệt độ 100°C Nhiệt lượng cần thiết: ngâm hiểu để bài cho nhiệt độ
nước sôi là 100C
Q= mcAt = 1.4200.(100—20) =336000(1)
Chọn B
Ví dụ 2: Thả quả câu bằng nhôm khối lượng 100 g đang có nhiệt độ 100°C vào một côc đựng 500 g nước ở
nhiệt độ 20°C Tính nhiệt độ của hệ khi cần băng Bỏ qua nhiệt lượng truyện cho côc Nhiệt dung riêng của nhôm và nước lân lượt là 880 J/kg.K và 4200 J/kg.K
A 23,29 B 30,5°C
C 42,5°C D 60,8°C
Hướng dẫn giải
Gọi nhiệt độ cân bằng của hệ là t
Vì quả cầu có nhiệt độ lớn hơn nên nó tỏa nhiệt và truyền nhiệt cho
nước
Nhiệt lượng tỏa ra:
Nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt
độ cao sang vật có nhiệt độ tháp
Q.„ = mcAt = 0,1.880.(100— t) = 88(100— t)
Nước có nhiệt độ thấp hơn nên sẽ thu nhiệt lượng:
Q,„ = mcAt = 0,5.4200.(t — 20) = 2100(t — 20)
Theo phương trình cân băng nhiệt: Q_ =Q,.„
=> 88 (100- t) = 2100(t —20) >t =23,2°C
Chon A
Vi du 3: Đề xác định nhiệt độ của một lò nung, người ta đưa vào trong lò một miếng sắt có khối lượng 50 g Khi miêng sắt có nhiệt độ băng nhiệt độ của lò, người ta lây Ta và thả nó vào một nhiệt lượng kê chứa 900 g nước ở nhiệt độ 17°C Khi đó nhiệt độ của nước tăng lên dén 23°C, biét nhiệt dung riêng của sắt là 478 J/(kg.K), của nước là 4180 J/(kg.K) Nhiệt độ của lò xâp xỉ băng
A 796°C B 990°C C 96°C D 813°C
Hướng dẫn giải
Nhiệt lượng do sắt tỏa ra: Q, = mịc, (t, — t)
Trang 7Nhiét luong do nude thu vao: Q, = m,c, (t— t;)
Vì Q,=Q; >me, (t¡—t)= m,c; (t—t;)
©0,05.478(t,—23) =0,9.4180(23—17)
St, ~ 967°C
Chon C
> Bài tập tự luyện dạng 1
Câu 1: Một bình nhôm khối lượng 0,5 kg ở nhiệt độ 20°C Tính nhiệt lượng cần cung cấp để nó tăng lên 50°C Biết nhiệt dung của nhôm là 0,92.108J/kg.K
A 13,8.10°J B 9,2.10° J C 32,2.10° J D 23,0.10° J
Câu 2: Một bình nhôm có khối lượng 0,5 kg chứa 0,118 kg nước ở nhiệt độ 20°C Người ta thả vào bình một
miếng sắt có khối lượng 0.2 kg đã được đun nóng tới nhiệt độ 75°C Xác định nhiệt độ của nước khi bắt đầu có
sự cân băng nhiệt Cho biết nhiệt dung riêng của nhôm là 920 J/kgK; nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/kgK;
và nhiệt dung riêng của sắt là 460 J/kgK Bỏ qua sự truyên nhiệt ra môi trường xung quanh
Câu 3: Một nhiệt lượng kế băng đồng thau có khối lượng 128 g chứa 210 gø nước ở nhiệt độ 8.,4°C Người ta thả một miếng kim loại có khối lượng 192 ø đã đun nóng tới nhiệt độ 100°C vào nhiệt lượng kế Xác định nhiệt dung riêng của miếng kim loại, biết nhiệt độ khi có sự cân băng nhiệt là 21,5°C Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi
trường xung quanh và biết nhiệt dung riêng của đồng thau là 128 J/kgK và của nước là 4180 J/kgK
Câu 4: Thả một quả cầu băng nhôm khối lượng 0,105 kg được đưn nóng tới 142°C vào một cốc đựng nước ở
20°C, biết nhiệt độ khi có sự cân bằng nhiệt là 42°C Tính khối lượng của nước trong cốc, biết nhiệt dung riêng
của nhôm là S880 J/kg.K và của nước là 4200 J/kg.K
Câu 5: Một cốc nhôm có khối lượng 120 g chứa 400 ø nước ở nhiệt độ 24°C Người ta thả vào cốc nước một
thìa đồng khối lượng 80 g ở nhiệt độ 100°C Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt
Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/Kg.K, của đồng là 380 J/Kg.K và của nước là 4,19.108 J/Kg.K
Câu 6: Một nhiệt lượng kế băng đồng khối lượng m, = 100 g có chứa m, = 375 ø nước ở nhiệt độ 25°C Cho
vào nhiệt lượng kế một vật bang kim loại khối lượng m, = 400 g ở 90°C Biết nhiệt độ khi có sự cân băng nhiệt
là 30°C Tìm nhiệt dung riêng của miếng kim loại Cho biết nhiệt dung riêng của đồng là 380 J/Kg.K, của nước
la 4200 J/Kg.K
Trang 9Dạng 2: Bài tập nguyên lí I nhiệt động lực học
> Phương pháp giải
Bước l: Xác định công A và nhiệt lượng Q của hệ
VỚI qUY ƯỚC:
Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng
Q < 0: hé truyén nhiệt lượng
A >0: hệ nhận công
A <0: hệ thực hiện công
Bước 2: Ap dụng nguyên lí I nhiệt động lực học để
tính độ biên thiên nội năng của hệ: AU =Q+ A
> Ví dụ mẫu
Ví dụ: Người ta thực hiện công 100 J để nén khí
trong một xilanh Tính độ biến thiên nội năng của
khí biết nó truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 30 J
A 30 1 B 70]
C 100 J D 130 J
Hướng dẫn giải
Bước ï: Thực hiện công từ bên ngoài để nén vào
khí, do đó hệ này nhận công Suy ra A > 0
Vậy A = 1001
Khí truyền ra ngoài 30 J nên Q < 0 Vậy: Q = -30 J
Bước 2: Áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học suy
ra độ biên thiên nội năng của khi:
AU=A+Q= 100+ (—30) = 70(J)
Chon B
Ví dụ 1: Khi truyền nhiệt lượng 5.105 J cho khí trong một xilanh thì khí nở ra đây pit-tông lên làm thể tích tăng thêm 0,5 mỉ Tính độ biên thiên nội năng của khí biêt áp suât của khí là 6.105 Pa và coi áp suât không đôi trong suốt cả quá trình
A 8.10° J
Hướng dẫn giải
Theo nguyên lí Ita có: AU= A+Q
B 6.10° J
Truyén nhiệt lượng cho khí trong xilanh nên hệ nhận nhiệt lượng
Do đó Q> 0
Vậy Q= 5.10 J
C 2.10 J D 4.10° J
Céng ma khi thuc hién trong qua trình đăng áp:
|A|=p|AV|=p|V, - Vị
Trong suốt quá trình áp suất không đồi nên đây là quá trình đăng áp Công mà khí thực hiện có độ lớn bằng
|A| = p|Av| = p]V, — V,| = 6.10°.0,5 = 3.10° (J)
Vì chất khí thực hiện công nên A < 0 suy ra A =-3.10/1
Độ biến thiên nội năng của khí: AU= A+Q =5.10?—3.10° = 2.10” (J)
Chọn C
Ví dụ 2: Một khối khí có áp suất p = 100 N/m”, thể tích V, = 4m”, nhiệt độ t,= 27°C được nung nóng đăng áp
đến nhiệt độ t, = 87°C Tính công do khí thực hiện
Hướng dẫn giải
Phương trình trạng thái khí lí tưởng:
T 1
(do nung nong dang 4p nén p, =p, =p)
Trang 10Do đó công đo khí thực hiện là: A = p(V, — V,)= po (T, —T,) =80J
1
Ví dụ 3: Một bình kín chứa 2ø khí lí tuéng 6 20°C được đun nóng đắng tích dé áp suất khí tăng lên 2 lần
a Tính nhiệt độ của khí sau khi đun
b Tính độ biến thiên nội năng của khối khí, cho biết nhiệt dung riêng đắng tích khí là 12,3.103 J/kg.K
Hướng dẫn giải
a Trong quá trình đẳng tích thi 2+ = +
Vi p, = 2p, nén T, =2T, =586K =313°C
b Theo nguyên lí I ta có: AU=A+Q
Vì đây là quá trình đăng tích nên
A=0>AU=Q= mcAt = 2.10.12,3.10.(313— 20) = 7207,81
Công mà khi thực hiện trong quá trình đăng tích: A =0
> Bài tập tự luyện dạng 2
Câu 1: Câu nào sau đây nói về sự truyền nhiệt là không đúng?
A Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn
B Nhiệt có thê tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn
C Nhiệt có thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn
D Nhiệt có thể tự truyền giữa hai vật có cùng nhiệt độ
Câu 2: Hệ thức nào sau đây phù hợp với quá trình làm lạnh khí đăng tích?
A AU=A voi A > 0 B AU=Q védiQ> 0
C AU=A voi A <0 D AU =Q với Q <0
Câu 3: Hệ thức AU = Q là hệ thức của nguyên lí I nhiệt động lực học
A áp dụng cho quá trình đăng áp B áp dụng cho quá trình đăng nhiệt
C áp dụng cho quá trình đăng tích D áp dụng cho cả ba quá trình trên
Câu 4: Người ta thực hiện công 1000 J đề nén khí trong một xilanh Tính độ biễn thiên của khí, biết khí truyền
ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 400 J2
A AU =-600 J B AU = 1400 J
C AU =-1400 J D AU = 600 J
Cau 5: Người ta cung cấp một nhiệt lượng 1,5 J cho chất khí đựng trong một xiÏanh đặt năm ngang Khí nở ra
đây pittông đi một đoạn Š5 cm Biệt lực ma sát giữa pIftông và xilanh có độ lớn 20 N Tính độ biên thiên nội năng của khí:
A AU =0,5J B AU =2,5 J C AU=-0,5 J D AU =-2,5 J
Câu 6: Làm biến đôi một lượng khí từ trang thai 1 sang trạng thái 2, biết rằng ở trạng thái 2 cả áp suất và thể tích của lượng khí đêu lớn hơn của trạng thái I Trong những cách biên đôi sau đây, cách nào lượng khí sinh công nhiêu nhât?
A Đun nóng đắng tích rồi đun nóng đăng áp
B Đun nóng đăng áp rồi đun nóng đắng tích
C Dun nong khi sao cho ca thé tich va áp suất của khí đều tăng đồng thời và liên tục từ trạng thái l tới trạng
thái 2
D Tương tự như C nhưng theo một dạng biến đổi trạng thái khác C
10