BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 2: NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC NỘI DUNG 2.1 CÁC KHÁI NIỆM 2.2 NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.3 KHẢO SÁT CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Các khái niệm Hệ nhiệt động  Mọi tập hợp vật xác định thông số vĩ mô, độc lập nhau, gọi hệ nhiệt động  Các vật nằm hệ gọi mơi trường  Hệ lập hệ hồn tồn khơng có tương tác trao đổi lượng với mơi trường  Có hai dạng trao đổi lượng hệ môi trường công nhiệt:  Hệ cô lập phương diện nhiệt  Hệ cô lập phương diện học Các khái niệm Công nhiệt  Công: Dạng truyền lượng trình tương tác vật vĩ mơ, làm tăng mức độ chuyển động có trật tự vật Ví dụ: Khí giãn nở xilanh làm pittơng chuyển động, khí truyền lượng cho pittông dạng công Các khái niệm Công nhiệt  Nhiệt: Dạng lượng trao đổi trực tiếp phân tử chuyển động hỗn loạn vật tương tác Ví dụ: Một vật lạnh tiếp xúc với vật nóng, phân tử chuyển động nhanh vật nóng va chạm với phân tử chuyển động chậm vật lạnh truyền cho chúng phần động Quá trình dừng lại nhiệt độ hai vật Các khái niệm Công nhiệt  Công nhiệt đại lượng mức độ trao đổi lượng vật  Công nhiệt có mối liên hệ chặt chẽ với chuyển hóa lẫn nhau: cơng chuyển hóa thành nhiệt ngược lại  Sự chuyển hóa công nhiệt tuân theo hệ thức định lượng xác định: 4,18 J = cal  Cơng nhiệt xuất q trình biến đổi trạng thái hệ Công nhiệt hàm trình Các khái niệm Qui ước dấu công nhiệt Q>0 HỆ A 0: Hệ nhận nhiệt A < 0: Hệ sinh công Các khái niệm Qui ước dấu công nhiệt Q0 Q > 0: Hệ nhận nhiệt A > 0: Hệ nhận công Các khái niệm Qui ước dấu công nhiệt Q0 Q < 0: Hệ tỏa nhiệt A < 0: Hệ nhận cơng Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đẳng tích Q trình đẳng tích biểu diễn đoạn thẳng song song với trục tung giản đồ p-V  Công khối khí nhận được: A    pdV  V2 V1  Nhiệt khối khí nhận được: T m m Q   δQ  CV  dT  CV ΔT T μ μ Với T = T2 - T1 CV nhiệt dung mol đẳng tích Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đẳng tích  Độ biến thiên nội hệ: U = A + Q = Q Trong q trình đẳng tích, nhiệt trao đổi độ biến thiên nội khối khí Mặt khác: mi ΔU  RΔT μ Suy ra: i CV  R Khảo sát trình cân khí lý tưởng Q trình đẳng áp Q trình đẳng áp biểu diễn đoạn thẳng song song với trục hồnh giản đồ p-V  Cơng khối khí nhận được: A   V2 V1 m pdV  p(V2  V1 )   RΔT μ  Nhiệt khối khí nhận được: T m m Q   δQ  Cp  dT  Cp ΔT T μ μ Với T = T2 - T1 Cp nhiệt dung mol đẳng áp Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Quá trình đẳng áp  Độ biến thiên nội hệ: U = A + Q mi m m RΔT   RΔT  Cp ΔT μ μ μ Suy ra: i2 Cp  R  Hệ thức Mayer: Cp - CV = R Cp  Hệ thức Poisson: i2 γ  CV i Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn đoạn thẳng hypecbol Cơng khối khí nhận được: V dV m A    pdV   RT V V μ V V1 m p2 m A  RTln A  RTln μ V2 μ p1 V2 2 Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đẳng nhiệt Do nhiệt độ khơng đổi nên nội hệ không đổi: U = const Nhiệt khối khí nhận được: p1 m V2 m Q   A  RTln  RTln μ p2 μ V1 Nếu nén đẳng nhiệt khối khí nhận cơng tỏa nhiệt; Nếu giãn đẳng nhiệt khối khí thu nhiệt sinh cơng Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt trình biến đổi mà hệ khơng trao đổi nhiệt với bên ngồi: Q = hay Q = Áp dụng nguyên lý I cho trình đoạn nhiệt: dU  δA  nCVdT  pdV Mặt khác, lấy vi phân phương trình trạng thái khí lý tưởng R R p.dV  V.dp  n.R.dT  n.CV dT  p.dV CV CV Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Quá trình đoạn nhiệt  R p.dV     V.dp  CV    Cp   p.dV    V.dp   CV  dV dp γ  V p Phương trình trình đoạn nhiệt: pV γ  const TV γ1  const Tp 1 γ γ  const Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đoạn nhiệt Cơng q trình đoạn nhiệt: V2 V2 const const  1  A   pdV   dV   1  1   V1 V1 V  1  V2 V1  Các cách viết kết khác nhau: p2 V2  p1V1 A  1  T2  m m A R(T2  T1 )  RT1  1  1   1   T1   V  m A RT1    1   V2  1 1       p m  1  RT1    1  p1         Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Tổng kết trình Quá trình Đẳng tích Đẳng áp Phương trình q trình p  const T V  const T Q ΔU = A + Q p(V1 - V2) m CV T  m Cp T  m CV T  m CV T  V m RT ln  V1 0 m CV T  A Đẳng nhiệt pV = const V m RT ln  V2 Đoạn nhiệt pVγ m CV T  = const Khảo sát q trình cân khí lý tưởng Q trình đa biến pVn  const  n = ứng với trình đẳng áp  n = ứng với trình đẳng nhiệt  n = γ ứng với trình đoạn nhiệt  n = ±∞ ứng với q trình đẳng tích Một số tập cần làm Bài tập chương (Sách BT tập 1): 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 14, 16, 17, 24, 25, 27, 29, 31, 34 Một số tập ví dụ Ví dụ 1: Tính cơng mà hệ sinh trình biến đổi Một số tập ví dụ Ví dụ 2: Nén 10 g khí O2 ĐKTC đến thể tích lít Tìm: a) Áp suất nhiệt độ khối khí sau q trình nén đẳng nhiệt đoạn nhiệt b) Cơng cần thiết để nén khối khí trường hợp Nên nén theo cách lợi hơn? Một số tập ví dụ Ví dụ 3: Cho khối khí N2 (ở 290K p = 6,58.105 N/m2) giãn đoạn nhiệt từ thể tích lít tới thể tích lít, giãn đẳng áp đến thể tích lít Cuối giãn đoạn nhiệt đến thể tích lít a) Tính độ biến thiên nội năng, nhiệt lượng mà hệ nhận được, công mà hệ sinh trình biến đổi b) Xác định nhiệt độ áp suất trạng thái cuối