Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 2: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học

Chương 2

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nguyễn Xuân Thấu -BMVL

1

HÀ NỘI

2016

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

NỘI DUNG CHÍNH

 KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG & NHIỆT

 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

 ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2

1. KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG VÀ NHIỆT

1.1. NĂNG LƯỢNG

- Năng lượng của hệ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của

vật chất ở trong hệ.

- Ở mỗi trạng thái hệ có một năng lượng xác định.

- Độ biến thiên năng lượng của hệ trong một quá trình biến đổi chỉ phụ

thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào quá trình biến đổi.

Năng lượng là hàm trạng thái

3

- Năng lượng của hệ gồm động năng chuyển động có hướng, thế năng của

hệ trong trường lực và nội năng của hệ.

- Giả sử hệ không chuyển động, không trong trường lực thì năng lượng

bằng nội năng

1. KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG VÀ NHIỆT

1.2. CÔNG VÀ NHIỆT

- Xét hệ là một khối khí đựng trong xi lanh có pit-tông. Cho khối khí giãn nở

(toàn bộ khối khí chuyển động có hướng), nó sẽ sinh công cho bên ngoài.

Vậy: Công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng

thông qua chuyển động có hướng của hệ toàn bộ.

- Nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng (bằng cách hơ nóng hệ) nhưng giữ

cho thể tích không đổi, thì nhiệt độ của hệ sẽ tang lên, chuyện động hỗn loạn

của các phân tử mạnh lên và nội năng của hệ tang.

4

Vậy: Nhiệt cũng là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng

lượng, nhưng thông qua chuyển động hỗn loạn của các phân tử.

1. KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG VÀ NHIỆT

1.2. CÔNG VÀ NHIỆT

- Công và nhiệt có mối liên hệ chặt chẽ nhau, có thể chuyển hóa lẫn nhau

- Joule là người đầu tiên xác định: tốn một công 4,18 J thì thu được nhiệt

lượng là 1 calo.  Có sự tương đương giữa công và nhiệt.

- Chú ý: Công và nhiệt là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi

năng lượng, nhưng bản thân chúng không phải năng lượng.

- Công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi (ở mỗi trạng thái hệ

không có công và nhiệt). Giá trị của công và nhiệt phụ thuộc vào tính

chất của quá trình biến đổi.

5

- Vậy: Công và nhiệt không phải là hàm trạng thái mà là hàm quá trình.

- Công liên quan đến chuyển động có trận tự

- Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn.

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học là sự tổng quát hóa của định luật bảo

toàn và chuyển hóa năng lượng trong cơ học.

Trong cơ học: Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi

trong quá trình đó:

W  W₂ W  A

1

6

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2.1. PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Độ biến thiên năng lượng của hệ trong quá trình biến đổi bằng tổng

công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó:

W  W₂ W  A  Q

1

Nếu giả thiết toàn bộ hệ đứng yên và không đặt trong trường lực nào thì

năng lượng bằng nội năng

U  U₂ U₁ A  Q

7

Vậy: Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng

tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi đó.

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2.1. PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Đối với các quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức nguyên lý 1 có

thể viết lại:

dU  A  Q

- Nếu A>0, Q>0 thì hệ thực sự nhận công và nhiệt.

- Nếu A<0, Q<0 thì hệ sinh công (nhận công âm) và tỏa nhiệt (nhận nhiệt

âm).



- Ký hiệu:

là công và nhiệt mà hệ sinh (tỏa) ra.

A  A;Q  Q

8



U  Q  A  Q  U  A  U  A

Nhiệt lượng cung cấp cho 1 hệ sử dụng vào 2 việc: 1 là làm tăng nội

năng của hệ đó và 2 là giúp hệ đó sinh công.

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2.2. HỆ QUẢ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Hệ quả 1: Giả sử hệ thực hiện 1 quá trình kín (sau này gọi là chu trình), tức là

sau một quá trình biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu.

U  U₂ U₁ 0  A  Q  A  Q

Như vậy nếu hệ nhận công A>0 thì Q<0, tức là hệ sẽ tỏa nhiệt.

Nếu hệ nhận nhiệt Q>0 thì A<0, tức là sẽ sinh công.

9

Một động cơ muốn sinh công thì phải nhận nhiệt từ bên ngoài. Không có

một động cơ nào sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng.  Không tồn tại

động cơ vĩnh cửu loại I.

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

2.2. HỆ QUẢ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Hệ quả 2: Giả sử ta có hệ cô lập, gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau. Q₁và

Q₂là nhiệt mà 2 vật nhận được.



Q₁ Q₂ 0  Q₁ Q₂ Q₂

Tức là trong một hệ cô lập chỉ gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật

này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.

10

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

a) Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái trong đó mọi thông

số của hệ được hoàn toàn xác định và nếu không có tác dụng bên ngoài thì

trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi.

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

trạng thái cân bằng.

11

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

b) Tính công mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng:

Giả sử khối khí được biến đổi theo một quá trình cân bằng từ thể tích V₁

V₂(tức là pít-tông nén khí trong xi lanh vô cùng chậm)

Dưới tác động của ngoại lực

F, khi pit-tông dịch chuyển

đoạn dl thì khối khí nhận

được công dương:

12

 A  Fdl  ( pS)dl   pdV

V₂

^{A }^{ A  } ^{pdV  0}

V

1

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

V₂

Nếu khối khí giãn nở từ

:

^{A }^{ A  } ^{pdV  0}

V V₂

1

V

1

Công của khối khí

nhận được sẽ âm

(khối khí đã sinh

công)

13

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

c) Nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng

Nhiệt dung là một đại lượng vật lý đo bằng nhiệt lượng cung cấp cho hệ

trong một quá trình nào đó để cho nhiệt độ của hệ tăng lên 1 độ (1K).

Nếu hệ là 1kg vật chất thì ta gọi là nhiệt dung riêng – ký hiệu là c.

Q

mdT

Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt dung riêng c là J/kg.K

Q  mcdT

c 

hay

14

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

Nếu hệ là 1 mol chất nào đó thì nhiệt dụng gọi là nhiệt dung phân tử – ký

hiệu là C.

m

Q  CdT



 Q

m dT

C  c 

hay



Trong đó là khối lượng 1 mol chất

Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt dung riêng c là J/mol.K

15

m

Trong quá trình đẳng tích, ta có:

Trong quá trình đẳng áp, ta có:

Q_V C_VdT



m

Q_p C_pdT



3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.2. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH

Quá trình đẳng tích: là quá trình biến đổi trong đó thể tích của hệ không đổi.

P

P P₂

1

V  const   const  

T

T T₂

1

V  const  dV  0

V₂

^{A  } ^{pdV  0}

 Công trong quá trình đẳng tích:

V

1

m

16

 Nhiệt lượng khối khí nhận được:

C_VdT

^{Q }^{Q } _

Trong đó

là nhiệt dung mol đẳng tích

C_V

m

T₂

m

^{Q }^{Q  C dT  C (T  T )  C T}



V

2

1

V



T

1

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.2. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH

m

 Độ biến thiên nội năng:

U  A  Q  Q  C_VT



Mặt khác:

m i

U 

RT  U 

RT

 2

m

m i

17

 U  C_VT 

RT



 2

i

 C_V R

- Nhiệt dung mol đẳng tích

2

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP

Quá trình đẳng áp: là quá trình biến đổi trong đó áp suất của hệ không đổi.

V

V V₂

1

P  const   const  

T T₂

T

1

 Công trong quá trình đẳng áp:

V₂

^{A  } ^{pdV  p(V  V )}

1

2

V

18

1

T₂

m

^{Q }^{Q } _

C_pdT  C_pT

 Nhiệt lượng khối khí nhận được:

Trong đó



T

1

là nhiệt dung mol đẳng áp

C_p

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP

m

U  A  Q  p(V  V₂)  C_pT

 Độ biến thiên nội năng:

1



m

pV  RT  p(V  V₂)  R(T  T₂)   RT

Mặt khác:

1



m

m i

U  C  R T 

RT





p



 2

19

C  C  R

- Hệ thức Mayer

 

- Hệ thức Poisson



p

V

i

i  2





 C_p R  R  C_p

R 

C

i  2

p

2





C_V

i





Trong đó gọi là hệ số Poát-xông hay chỉ số đoạn nhiệt

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

SO SÁNH GIỮA LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

20

Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 2: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Nguyễn Xuân Thấu