NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC pdf

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ********** Nhóm thực hiện: Nhóm 6, Lớp SP Lý 2B Nguyễn Thọ Dƣơng K37.102.008 Trần Ái Nhân K37.102.069 Nguyễn Lan Nhi K37.102.073 Nguyễn Tấn Phát K37.102.079 Nguyễn Đào Cẩm Phƣơng K37.102.081 Lê Nguyễn Minh Phƣơng K37.102.082 Bài tiểu luận Chuyên ngành: Nhiệt học TP. HỒ CHÍ MINH Tháng 10/2012 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ********** Nhóm thực hiện: Nhóm 6, Lớp SP Lý 2B Nguyễn Thọ Dƣơng K37.102.008 Trần Ái Nhân K37.102.069 Nguyễn Lan Nhi K37.102.073 Nguyễn Tấn Phát K37.102.079 Nguyễn Đào Cẩm Phƣơng K37.102.081 Lê Nguyễn Minh Phƣơng K37.102.082 NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Bài tiểu luận Chuyên ngành: Nhiệt học GV Hướng dẫn TS. Nguyễn Lâm Duy GV. Nguyễn Thanh Loan Tp. HỒ CHÍ MINH THÁNG 10/2012 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 3 MỤC LỤC MỤC LỤC 3 LỜI NÓI ĐẦU 5 1. CHƢƠNG I: LƢỢC SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 7 2. CHƢƠNG II: NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 13 2.1 Năng lƣợng chuyển động nhiệt và nội năng của khí lí tƣởng 13 2.1.1 Đối với các khí đơn nguyên tử 13 2.1.2 Đối với khí lƣỡng nguyên tử 14 2.1.3 Đối với khí đa nguyên tử 15 2.1.4 Nội năng của khí lí tƣởng 16 2.2 Nhiệt lƣợng và công cơ học 17 2.2.1 Nhiệt lƣợng 17 2.2.2 Công cơ học 18 2.2.3 Đơn vị của nhiệt lƣợng 19 2.2.4 Mối liên hệ giữa nhiệt lƣợng và công 19 2.2.5 So sánh sự truyền nhiệt lƣợng và thực hiện công 22 2.2.6 Sự khác nhau giữa năng lƣợng với nhiệt và công 23 2.2.7 Sự biến nhiệt thành công 23 2.3 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học 24 2.3.1 Cơ sở của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học 24 2.3.2 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học 24 2.3.3 Biểu thức giải tích của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học 25 2.4 Nhiệt dung riêng của các chất khí lí tƣởng 26 2.4.1 Các định nghĩa 26 2.4.2 Nhiệt dung riêng đẳng tích 27 2.4.3 Nhiệt dung riêng đẳng áp 27 2.4.4 Tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích 28 3. CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 30 3.1. Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng tích 30 3.1.1 Đặc điểm 30 3.1.2 Bài tập vận dụng 30 3.2 Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng áp 31 3.2.1 Đặc điểm 31 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 4 3.2.2 Bài tập vận dụng 31 3.3 Các bài toán liên quan đến quá trình đẳng nhiệt 32 3.3.1 Đặc điểm 32 3.3.2 Bài tập vận dụng 33 3.4 Các bài toán liên quan đến quá trình đoạn nhiệt 33 3.4.1 Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch của khí lí tƣởng 33 3.4.2 Công của khối khí trong quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch 34 3.4.3 Bài tập vận dụng 35 3.5 Các bài toán liên quan đến quá trình politropic thuận nghịch của khí lí tƣởng 37 3.5.1 Định nghĩa 37 3.5.2 Phƣơng trình của quá trình politropic thuận nghịch 37 3.5.3 Công của khối khí trong quá trình politropic thuận nghịch 39 3.5.4 Bài tập vận dụng 39 3.6 Các bài toán liên quan đến các quá trình biến đổi của khí lí tƣởng trong xilanh 42 3.7 Tổng kết công thức của các quá trình biến đổi thƣờng gặp 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 5 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của nhiệt động lực học là một vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa học. Nhiệt động lực học nghiên cứu về nhiệt trong lĩnh vực Vật lý học. Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Nhiệt độ không biểu diễn bằng những đại lƣợng cơ học cơ bản nhƣ khối lƣợng, độ dài và thời gian, nó biểu thị một quan điểm cơ bản riêng. Khi nghiên cứu những tính chất của vật chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của một tập hợp rất lớn các phân tử mà phải kể đến những lực tƣơng tác giữa chúng thì ngƣời ta vận dụng những định luật tổng quát, luôn luôn nghiệm đúng với thực tiễn, không phụ thuộc vào tính chất chuyển động của các phân tử, sự tƣơng tác giữa chúng và vào cấu trúc của vật chất. Các định luật này biểu thị mới liên hệ giữa các dạng năng lƣợng, sự biến đổi qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lƣơng và các đại lƣơng liên quan đến năng lƣợng nhƣ công (cơ học) và nhiệt,… Đƣợc thành lập do sự tổng quát hoá những kinh nghiệm, các định luật nói trên còn đƣợc gọi là các nguyên lí nhiệt động lực học. Các nguyên lí này không đi sâu giải thích bản chất vật lý của hiện tƣợng nhƣng rất cần thiết cho kỹ thuật. Nhiệt động lực học đƣợc xây dựng dựa trên ba nguyên lí cơ bản đƣợc trình bày theo giản đồ sau: Nguyên lí thứ 0 Nguyên lí thứ I Nguyên lí thứ II Nhiệt độ và tính chất của nhiệt độ Định luật bảo toàn năng lƣợng vận dụng vào các hiện tƣợng nhiệt. Các quá trình bất thuận nghịch trong tự nhiên. Nguyên lí I + II đóng vai trỏ chủ yếu Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 6 Trong đó nguyên lí thứ nhất có một vai trò quan trọng. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học chính là nguyên lí bảo toàn và biến hoá năng lƣợng áp dụng trong các quá trình có liên quan đến sự biến đổi nội năng sang cơ năng và nhiệt năng hoặc sang các dạng năng lƣợng khác và ngƣợc lại. Với mong muốn mang đến cho đọc giả cái nhìn tổng quan nhất về nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học cũng nhƣ những ứng dụng của nó, nhóm chúng tôi trình bày bài tiểu luận này với 3 chƣơng có nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Lƣợc sử phát triển ngành nhiệt động lực học Chƣơng 2: Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học Chƣơng 3: Ứng dụng của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học Hi vọng rằng với bài tiểu luận này chúng tôi sẽ giúp đọc giả có đƣợc những thông tin tổng quan nhất về lí thuyết cũng nhƣ ứng dụng của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học, giúp đọc giả có thể tổng hợp đƣợc những kiến thức liên quan đến nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học và đồng thời có hiểu biết sơ bộ về lịch sử phát triển của ngành nhiệt động lực học. Trong quá trình thực hiện bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi khó tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận đƣợc những đóng góp ý kiến chân thành từ quí đọc giả. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 7 1. CHƢƠNG I: LƢỢC SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh của các nhiệt biểu, lần đầu tiên đƣợc thực hiện bởi nhà khoa học ngƣời Đức Gabriel Fahrenheit (1686-1736) - ngƣời đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông. Trong thang nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F là nhiệt độ tƣơng ứng với thời điểm nóng chảy của nƣớc đá và sôi của nƣớc. Năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701-1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân. Gabriel Fahrenheit Anders Celsius Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 8 Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể. Nếu nhƣ nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí và đƣa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô của các hạt. Ngƣợc lại, nhà bác học Antoine Lavoisier (1743-1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt đƣợc liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt nhƣ một dạng chất lƣu. Daniel Bernoulli Antoine Lavoisier Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thế kỉ thứ 19 với tên của nhà vật lý ngƣời Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) cùng với cuốn sách của ông mang tên "Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lƣợng này". Ông đã nghiên cứu những cỗ máy đƣợc gọi là động cơ nhiệt: một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng để thực hiện công dƣới dạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh. Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lƣợng (tiền đề cho nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt, khái niệm về quá trình thuật nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lí thứ hai. Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt đƣợc truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt nhƣ một dòng chất lƣu. Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 9 Nicolas Léonard Sadi Carnot Những khái niệm về công và nhiệt đƣợc nghiên cứu kĩ lƣỡng bởi nhà vật lý ngƣời Anh James Prescott Joule (1818-1889) trên phƣơng diện thực nghiệm và bởi nhà vật lý ngƣời Đức Robert von Mayer (1814-1878) trên phƣơng diện lý thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí. Cả hai đều đi tới một kết quả tƣơng đƣơng về công và nhiệt trong những năm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyển hoá năng lƣợng. Chúng ta đã biết rằng sự ra đời của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học là do một công lao to lớn của Mayer. James Prescott Joule Robert von Mayer Nhà vật lý ngƣời Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã đƣa ra phƣơng trình trạng thái của chất khí lí tƣởng vào năm 1843. Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 10 Émile Clapeyron Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới đƣợc định nghĩa một cách thực nghiệm bằng kelvin bởi nhà vật lý ngƣời Anh, một nhà quí tộc có tên là Sir William Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin (1824-1907). Lord Kelvin Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học đã đƣợc giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của Sadi Carnot và đƣợc công thức hoá một cách chính xác bởi nhà vật lý ngƣời Đức Rudolf Clausius (1822-1888) - ngƣời đã đƣa ra khái niệm entropy vào những năm 1860. Rudolf Clausius [...]... và tƣ nội năng sang cơ năng hình thức nhiệt Nhiệt năng hình thức công Nội năng Cơ năng 2.3 NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 2.3.1 Cơ sở của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học Nguyên lí thứ nhất trong nhiệt động lực học, thực chất là sự mở rộng và chính xác hóa định luật bảo toàn và biến đổi năng lƣợng áp dụng cho các hiện tƣợng nhiệt: “Năng lƣợng không tự sinh ra từ hƣ vô và cũng không biến... lƣợc sử của ngành nhiệt động học, xin đƣợc nhắc đến nhà vật lý ngƣời Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - ngƣời đã đƣợc nhận giải Nobel năm 1977 về những phát triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng Ilya Prigonine Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 12 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM 2 Lớp SP Vật Lý 2B CHƢƠNG II: NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 2.1... của trạng thái Ở mỗi trạng thái xác định, nội năng của hệ chỉ có 1 giá trị hay nói cách khác, nội năng là hàm đơn giá của trạng thái 2.3.2 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học Nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học là sự tổng hợp hóa những nhận xét thực tiễn và những kết quả đạt đƣợc trong khi làm thực nghiệm vì vậy ta chỉ có thể công nhận chứ không đặt vấn đề chứng minh Đề tài: Nguyên lí thứ nhất. .. tăng thể tích, ở đây nhiệt lƣợng truyền cho chất khí đƣợc dùng để Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 27 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B làm tăng nội năng của khí và ngay sau đó vì để giữ cho áp suất không đổi nên một phần nội năng đã đƣợc dùng để sinh công thắng ngoại lực để tăng thể tích của khí Vận dụng nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học cho trƣờng hợp... I của các phân tử cấu tạo nên chất khí Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 29 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM 3 Lớp SP Vật Lý 2B CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1 CÁC BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH 3.1.1 Đặc điểm Do đây là quá trình đẳng tích nên V=const => =const Công do hệ thực hiện lên ngoại vật A = pΔV = 0 Vậy theo nguyên lí. .. Khi nhiệt độ thay đổi một lƣợng dT thì độ biến thiên nội năng của 1 kmol khí lí tƣởng sẽ là dU0 = dE0 = RdT Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 16 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B 2.2 NHIỆT LƢỢNG VÀ CÔNG CƠ HỌC 2.2.1 Nhiệt lượng Môi trƣờng Ts TE Hệ Biên Hệ nhiệt động, biên và môi trƣờng Hệ nhiệt động: là khoảng không gian chứa đầy vật chất Đó là một phần của. .. cơ vĩnh cửu loại I 2.3.3 Biểu thức giải tích của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học Quá trình biến đổi nhỏ: dU = dQ + dA’ => dQ = dU +dA dQ: lƣợng nhiệt lƣợng mà ngoại vật truyền cho hệ dA: công mà hệ thực hiện lên ngoại vật (khác với dA’ là công mà ngoại vật thực hiện lên hệ) dU: biến thiên nội năng của hệ Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 25 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm... tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học V2 V1 Trang 32 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Vì p1V1 Nên ta có p2V2 A M M Lớp SP Vật Lý 2B RT RT ln V2 V1 p1V1 ln V2 V1 p2V2 ln V2 V1 M RT ln p1 p2 Theo nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học ta có Q = ΔU + A = A = M RT ln V2 V1 3.3.2 Bài tập vận dụng Có 2m3 khí giãn nở đẳng nhiệt từ áp suất p = 5at đến áp suất 4at Tính công do khí sinh ra và nhiệt. .. làm tăng nhiệt độ thêm 10 Kí hiệu: c Đơn vị của nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng phân tử của một chất bất kì là một đại lƣợng vật lý có giá trị bằng nhiệt lƣợng cần truyền cho một kmol chất ấy để làm tăng nhiệt độ thêm 10 Kí hiệu: C Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 26 Khoa Vật Lý - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm TP.HCM Lớp SP Vật Lý 2B Đọn vị của nhiệt dung riêng phân tử: Biểu thức liên... Ta gọi TS là nhiệt độ của hệ TE là nhiệt độ của môi trƣờng Q là nhiệt lƣợng trao đổi giữa môi trƣờng và hệ Có trể xảy ra các trƣờng hợp sau: TS > TE; nhiệt lƣợng truyền từ hệ ra môi trƣờng (hệ toả nhiệt; Q0) TS = TE; không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trƣờng (Q=0) Đề tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 17 . tài: Nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học Trang 6 Trong đó nguyên lí thứ nhất có một vai trò quan trọng. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học. triển ngành nhiệt động lực học Chƣơng 2: Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học Chƣơng 3: Ứng dụng của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học Hi