các nguyên lí nghiệt động học

CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TS. Nguyễn Đông Hải Khoa Vật lý – ĐH Sư Phạm TPHCM Bài giảng học phần Vật lý đại cương cho sinh viên khoa Hóa học – ĐHSP TPHCM Khái niệm nhiệt độ  Nhiệt độ của một vật là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật.  ta cảm nhận vật A “nóng” hơn vật B khi các phân tử của vật A chuyển động hỗn độn nhanh hơn các phân tử của vật B.  Các thang đo nhiệt độ  Celsius: o C  Kelvin: K = o C + 273  Fahrenheit: o F = (9/5)( o C + 32) Nội năng của một hệ nhiệt động  H ệ nhi ệ t độ ng: là m ộ t h ệ đượ c c ấ u t ạ o t ừ m ộ t s ố r ấ t l ớ n các h ạ t (phân t ử , nguyên t ử , …)  N ộ i n ă ng c ủ a m ộ t h ệ nhi ệ t độ ng là t ổ ng n ă ng l ượ ng chuy ể n độ ng và t ươ ng tác gi ữ a các ph ầ n t ử c ủ a h ệ , bao g ồ m:  động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử  thế năng tương tác giữa các phân tử  động năng và thế năng dao động của các nguyên tử trong phân tử  năng lượng của lớp vỏ electron, năng lượng trong hạt nhân nguyên tử  N ộ i n ă ng là m ộ t hàm tr ạ ng thái, t ứ c là ch ỉ ph ụ thu ộ c vào tr ạ ng thái c ủ a h ệ Công và nhiệt  Công là phần năng lượng được trao đổi khi có sự tương tác giữa các vật vĩ mô.  Nhiệt là phần năng lượng được trao đổi khi có sự tương tác giữa các phân tử của các vật tương tác.  Công có thể biến thành nhiệt và ngược lại. Đương lượng công của nhiệt: 1 cal = 4,18 J  Khái niệm “công” và “nhiệt” chỉ xuất hiện khi có sự trao đổi năng lượng. Chúng là các hàm quá trình, và không phải là các dạng năng lượng. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học  Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổng đại số của công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó. dU = δA + δQ (2.1)  Quy ước:  δA > 0 và δQ > 0 là công và nhiệt mà hệ nhận được từ bên ngoài  δA < 0 và δQ < 0 là công mà hệ thực hiện và nhiệt mà hệ tỏa ra bên ngoài Các quá trình cân bằng của khí lý tưởng  Khí lý tưởng là khí mà trong đó các phân tử có thể được coi như các chất điểm không tương tác với nhau trừ khi va chạm.  Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái bất biến theo thời gian và tính bất biến này không phụ thuộc vào các quá trình của ngoại vật. Mỗi TTCB được biểu diễn bằng một điểm trên đồ thị (p,V), (p,T), hay (V,T).  Quá trình cân bằng là quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng. Công trong quá trình cân bằng  Công của áp lực trong một quá trình cân bằng: (2.2)  Trên đồ thị (p,V), công này có giá trị bằng diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi nếu diện tích này nằm bên trái khi đi từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối. 2 1 V V A A pdV δ = = − ∫ ∫ Nhiệt trong quá trình cân bằng  Nhiệt trong quá trình cân bằng được tính theo công thức: (2.3)  δQ : nhi ệ t l ượ ng trao đổ i trong quá trình vi phân (J)  dT : độ bi ế n thiên nhi ệ t độ trong quá trình vi phân (K)  c : nhi ệ t dung riêng (J/kg.K)  C : nhi ệ t dung mol (J/mol.K)  µ : kh ố i l ượ ng mol (kg/mol) . . . . m Q m c dT C dT δ µ = = Nội năng của khí lý tưởng  Nội năng của khối khí lý tưởng có khối lượng m là: (2.4)  µ: khối lượng mol (kg/mol)  n: số mol (mol)  R: hằng số khí (R = 8,31 J/mol.K)  i: số bậc tự do của phân tử khí  khí đơ n nguyên t ử : i = 3  khí l ưỡ ng nguyên t ử : i = 5  khí đ a (> 2) nguyên t ử : i = 6 2 2 i m i U RT nRT µ = = Ứng dụng nguyên lý thứ nhất cho các quá trình cân bằng của khí lý tưởng  Quá trình đẳng tích: là quá trình trong đó thể tích của hệ không đổi (V = const)  Định luật Charles:  Công: A = 0  Nguyên lý 1 trở thành: dU = δQ = nC V dT  độ bi ế n thiên n ộ i n ă ng c ủ a h ệ b ằ ng nhi ệ t l ượ ng mà h ệ trao đổ i v ớ i bên ngoài  nhi ệ t dung mol đẳ ng tích đượ c tính theo công th ứ c: 2 V i C R = p const T = (2.5) (2.6) [...]... dU = δ A = RdT 2µ Nguyên lý 1 tr thành: dU = δA (2.15) Nh n xét v nguyên lý 1 NĐLH Nguyên lý 1 c a NĐLH chính là đ nh lu t b o toàn và chuy n hóa năng lư ng áp d ng cho các quá trình nhi t đ ng t t c m i quá trình x y ra đ u ph i tuân theo nguyên lý 1 nhưng không ph i quá trình nào tuân theo nguyên lý 1 cũng có th x y ra Nguyên lý 1 không cho ta bi t chi u c a quá trình th c t x y ra Nguyên lý 1 cũng... = (2.11) CV i ng d ng nguyên lý th nh t cho các quá trình cân b ng c a khí lý tư ng Quá trình đ ng nhi t: là quá trình trong đó nhi t đ c a h không đ i (p = const) Đ nh lu t Boyle - Mariotte: pV = const (2.12) Không có bi n thiên n i năng: dU = 0 Công: m V1 m p2 A= µ RT ln V2 = µ RT ln Nguyên lý 1 tr thành: δQ = - δA p1 (2.13) ng d ng nguyên lý th nh t cho các quá trình cân b ng c a khí lý tư ng Quá... ng nguyên lý th nh t cho các quá trình cân b ng c a khí lý tư ng Quá trình đ ng áp: là quá trình trong đó áp su t c a kh i khí không đ i (p = const) Đ nh lu t Gay-Lussac: V = const Công: A = p(V1 – V2) T Nguyên lý 1: dU = δQ + δA (2.7) (2.8) Nhi t dung mol đ ng áp đư c tính theo công th c: i+2 Cp = R 2 H th c Maye: Cp – Cv = R H s đo n nhi t (Poisson): (2.9) (2.10) Cp i+2 γ= = (2.11) CV i ng d ng nguyên. .. thành: S≥0 (2.30) nghĩa là entropi c a h không th gi m mà ch có th tăng (trong qt không thu n ngh ch) ho c không đ i (trong qt thu n ngh ch) Nguyên lý tăng entropi Trong th c t , các quá trình nhi t đ ng đ u là không thu n ngh ch, nên ta có nguyên lý tăng entropi: V i các quá trình nhi t đ ng th c t x y ra trong m t h cô l p thì entropi c a h luôn tăng m t h cô l p không th hai l n đi qua cùng m t tr ng... m t h ng s c ng: S = So + ∫ δQ (2.27) T Đơn v c a S trong h SI là J/K Bi u th c c a nguyên lý 2 vi t theo entropi Bi u th c c a nguyên lý th 2 NĐLH có th đư c vi t theo hàm entropi như sau: ∆S ≥ ∫ δQ (2.28) T ho c dư i d ng vi phân: dS ≥ d u = ng v i qt thu n ngh ch d u > ng v i qt không thu n ngh ch δQ T (2.29) Nguyên lý tăng entropi V i h không cô l p, entropi c a h có th tăng, gi m, ho c không... ch t lư ng hơn nhi t l y t ngu n có nhi t đ th p hơn Bi u th c đ nh lư ng c a nguyên lý 2 Bi u th c đ nh lư ng c a nguyên lý 2 Q1 − Q2 T1 − T2 ≤ Q1 T1 (2.21) Vì Q2 là nhi t lư ng mà h nh cho ngu n l nh ( đ ng cơ nhi t), nên Q2 < 0 và do đó Q2 = −Q2 Khi đó (2.21) tr thành: Q1 Q2 + ≤0 T1 T2 (2.22) Bi u th c đ nh lư ng c a nguyên lý 2 T ng quát, n u h bi n đ i theo chu trình g m nhi u quá trình đ ng... thu n ngh ch: T2 η = 1− T1 (2.20) Hi u su t này ch ph thu c nhi t đ c a ngu n nóng và ngu n l nh Đ nh lý Carnot Hi u su t c a t t c các đ ng cơ thu n ngh ch ch y theo chu trình Carnot v i cùng ngu n nóng và ngu n l nh đ u b ng nhau và không ph thu c vào tác nhân cũng như cách ch t o máy Hi u su t c a đ ng cơ không thu n ngh ch thì nh hơn hi u su t c a đ ng cơ thu n ngh ch Nhi t không th bi n hoàn toàn... ngư c l i và trong quá trình ngư c đó, h đi qua t t c các tr ng thái trung gian như trong quá trình thu n Sau khi hoàn t t m t quá trình thu n và m t quá trình ngh ch, h tr v tr ng thái ban đ u và môi trư ng xung quanh hoàn toàn không b bi n đ i Quá trình không thu n ngh ch là quá trình mà khi ti n hành theo chi u ngư c l i, h không đi qua đ y đ các tr ng thái trung gian như trong quá trình thu n Máy... nhau, m i quá trình đ ng nhi t ng v i nhi t đ Ti và nhi t lư ng h nh n đư c Qi, thì ta có: Qi (2.23) ≤0 ∑T i i N u chu trình g m vô s quá trình ng v i các giá tr nhi t đ r t g n nhau và bi n thiên liên t c, thì ta có: bi u th c đ nh lư ng t ng quát c a nguyên lý th hai NĐLH ∫ δQ T d u “=“ ng v i qt thu n ngh ch ≤0 (2.24) d u “ . bao g ồ m:  động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử  thế năng tương tác giữa các phân tử  động năng và thế năng dao động của các nguyên tử trong. CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TS. Nguyễn Đông Hải Khoa Vật lý – ĐH Sư Phạm TPHCM Bài giảng học phần Vật lý đại cương cho sinh viên khoa Hóa học