Bài tập lớn môn hóa lí hóa keo Đề tàinguyên lí i của nhiệt Động học nhiệt hóa học và Ứng dụng

Các định luật này biểu thị mới liên hệ giữa các dạng năng lượng, sự biến đổi qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lượng và các đại lượng liên quan đến năng lượng như công cơ học v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

ššššRšššš

BÀI TẬP LỚN MÔN HÓA LÍ HÓA KEO

ĐỀ TÀI:NGUYÊN LÍ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC-NHIỆT HÓA HỌC VÀ

ỨNG DỤNG

NGÀY NỘP:26/12/2023 Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN TRƯỜNG SƠN

Sinh viên thực hiện Mã số sinh viên Phần trăm tham

gia

Thành phố Hồ Chí Minh – 2023

LỜI MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM 4

1 Nhiệt động học 4

2 Hệ nhiệt động 4

II NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 5

1 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 5

1.1 Nội năng 6

1.2 Nhiệt lượng 7

1.3 Công 7

1.4 Nguyên lý 8

Hệ quả: 9

Định luật Hess: 9

III Ứng dụng thực tế 10

2 Ứng dụng của nguyên lí I: 10

2.1 Trong đời sống hằng ngày: 11

2.2 Trong công nghiệp: 11

2.3 Trong khoa học: 12

2.4 Trong tương lai: 13

KẾT LUẬN 14

LỜI MỞ 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 lượng cơ học cơ bản như khối lượng, 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 tương tác giữa chúng thì người 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 tương tác giữa chúng và vào cấu trúc của vật chất Các định luật này biểu thị mới liên hệ giữa các dạng năng lượng, sự biến đổi qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lượng và các đại lượng liên quan đến năng lượng như công (cơ học) và nhiệt,…

Được thành lập do sự tổng quát hoá những kinh nghiệm, các định luật nói trên còn được gọi là các nguyên lí nhiệt động lực học Các nguyên lí này không đi sâu giải thích bản chất vật lý của hiện tượng nhưng rất cần thiết cho kỹ thuật Nhiệt động lực học được xây dựng dựa trên ba nguyên lí cơ bản: nguyên lý thứ 0, nguyên lý thứ I, nguyên lý thứ II 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 lượng 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 lượng khác và ngược lại

Hi vọng rằng với bài tiểu luận này chúng tôi sẽ giúp đọc giả có được những thông tin tổng quan nhất về lí thuyết cũng như 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

NỘI DUNG

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM

1 Nhiệt động học

Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý học nghiên cứu các quá trình biến đổi năng lượng trong tự nhiên, đặc biệt là các quy luật có liên quan tới các biến đổi nhiệt thành các dạng năng lượng khác

Nhiệt động học khảo sát các quá trình, chiều tiến triển của các quá trình với một tập hợp rất lớn các phần tử tạo thành một hệ thống vật

Ví dụ: Khái niệm áp suất, nhiệt độ của 1 khối khí là khái niệm của một tập hợp rất lớn các phần tử chứ không phải của một phần tử riêng lẻ

Nhiệt động học không trả lời cho ta biết cơ chế của hiện tượng này hay hiện tượng khác mà chỉ có thể chỉ rõ quá trình đó có xảy ra hay không, và chiều tiến triển của quá trình đó trên quan điểm năng lượng

2 Hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ): Là một tập hợp gồm rất nhiều các phần tử, kích thước của hệ lớn hơn rất nhiều so với kích thước của phần tử trong hệ

- Phân loại hệ nhiệt động: Tuỳ theo đặc tính tương tác của hệ với môi trường xung quanh mà chia hệ làm 3 loại:

+ Hệ cô lập: Hệ được gọi là cô lập khi nó không trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài

+ Hệ kín: Hệ có trao đổi năng lượng nhưng không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh

+ Hệ mở: Hệ được gọi là hệ mở khi nó trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh

- Lưu ý: Cơ thể sinh vật là một hệ mở nhưng nó khác với các hệ mở khác ở ba

điểm: Cơ thể là một dạng tồn tại đặc biệt của protid và các chất khác tạo thành cơ thể,

cơ thể có khả năng tự tái tạo, tự phát triển Các hệ thống sống trong quá trình tồn tại phải thực hiện trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh Hai quá trình trao đổi này không thể tách rời nhau mà bổ sung cho nhau, tạo điều kiện cho nhau Việc khảo sát các quá trình trao đổi chất và năng lượng của cơ thể sống làm sáng

tỏ ý nghĩa vật lý của sự sống, làm rõ điều kiện tồn tại, duy trì và phát triển của sự sống, làm ta thấy rõ tầm quan trọng của môi trường sống

- Thông số trạng thái của hệ: Ở mỗi thời điểm hệ mang những tính chất vật lý và hoá học nhất định Tập hợp các tính chất này quyết định trạng thái của hệ Thông thường trạng thái của hệ được mô tả nhờ các thông số trạng thái: Nhiệt độ T, áp suất p, thể tích V, nội năng U, entropi S, nồng độ C…

Khi hệ chịu một quá trình biến đổi thì ít nhất cũng có một thông số trạng thái của

hệ sẽ thay đổi, hay hệ đã thực hiện một quá trình nhiệt động

- Chu trình: là quá trình nhiệt động học khép kín, hệ sau hàng loạt các biến đổi lại trở về trạng thái ban đầu

Những quá trình năng lượng xảy ra trên cơ thể sống cũng như trong các hệ thống sống đều tuân theo các nguyên lý của nhiệt động học Bởi vì những nguyên lý này thiết lập dựa trên sự tổng quát hoá các dữ liệu thực nghiệm, nó có vai trò to lớn trong lí thuyết cũng như trong thực hành kỹ thuật

- Năng lượng: là độ đo dạng chuyển động xác định của vật chất, nó phản ánh khả năng sinh công của một hệ Năng lượng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác Trên cơ sở của các nghiên cứu tự nhiên, vật lý đã thiết lập được định luật tổng quát nhất của tự nhiên đó là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng: "Năng luợng không tự sinh ra, không tự mất đi, nó chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác" Các quá trình xảy ra trong cơ thể sống cũng tuân theo các định luật này

II NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG HỌC

1 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng

ứng dụng vào các hệ và các quá trình nhiệt động Trong đó khảo sát sự có mặt của nội

năng, nhiệt lượng và công mà hệ thực hiện

1.1 Nội năng

- Khái niệm: Là năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các dạng chuyển động và

tương tác của tất cả các phần tử nằm trong hệ

- Nội năng kí hiệu là U và bao gồm các thành phần sau:

+ Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay)

+ Thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử

+ Động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử

+ Năng lượng ở vỏ điện tử của các nguyên tử và ion, năng lượng trong hạt nhân nguyên tử Đối với khí lí tưởng nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ

Lưu ý: Động năng chuyển động có hướng và thế năng tương tác của hệ với môi trường xung quanh không phải là thành phần của nội năng

- Đặc điểm của nội năng

+ Mỗi hệ đều có nội năng xác định, trong các quá trình biến đổi ta không xác định chính xác giá trị của nội năng mà chỉ xác định độ biến thiên nội năng ∆U

+ Giá trị của nội năng phụ thuộc vào trạng thái của hệ, U là hàm đơn giá của trạng thái

+ Khi hệ thực hiện 1 chu trình thì ∆U = 0

+ Khi hệ biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2:

∆ U=∫

u1

u2

dU =U2−U1

- Khi chuyển hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác thì năng lượng (nội năng) của hệ thay đổi Có hai cách khác nhau để làm năng lượng của hệ thay đổi là: Thực hiện công và truyền nhiệt

1.2 Nhiệt lượng

Sự truyền nhiệt là hình thức trao đổi năng lượng làm tăng mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ

Ví dụ: sự truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ t1 sang vật có nhiệt độ t2

Quá trình truyền nhiệt dừng lại khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau và bằng t thì: t2 < t < t1

Năng lượng trao đổi giữa 2 vật gọi là nhiệt lượng và được xác định

∆ Q =m c ∆ t

Trong đó: m là khối lượng của vật, c là 1 hằng số phụ thuộc vào bản chất của vật

∆ t =t1−t=t−t2

- Nhiệt lượng: Là lượng năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau

Đơn vị của nhiệt lượng là Calo (cal)

- Nhiệt dung riêng c: Nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất để

nhiệt độ của nó tăng lên 1o C:

c= ∆ Q

m ∆ t

1.3 Công

- Sự truyền năng lượng có liên quan đến sự dịch chuyển vĩ mô của hệ dưới tác dụng của những lực nào đó thì đó là sự thực hiện công

Ví dụ công thực hiện để nâng 1 vật lên cao

Công được kí hiệu bằng chữ A Công đặc trưng cho tương tác về phương diện năng lượng

- Công cơ học là một đại lượng đặc biệt đặc trưng cho tác dụng của một vật này lên vật khác và gây ra sự dịch chuyển.Công của 1 lực F thực hiện làm dịch chuyển vật một quãng đường S thì công được xác định:

A =⃑F ⃑S=F S cosα

Nếu lực F là vật di chuyển trên quỹ đạo BC bất kỳ thì công có thể được xác định:

A=∫

BC

❑

dA=∫

BC

❑

⃑F ⃑ dS

Đối với 1 khối khí trong quá trình đẳng nhiệt công khối khí được xác định bằng công thức

A=−∫

V1

V2

p dV

Đơn vị của công là Jun (J)

* Liên hệ giữa công và nhiệt lượng:

- Công và nhiệt lượng đều có thứ nguyên của năng lượng nhưng không phải là dạng năng lượng của hệ mà chỉ là những đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng

- Sự truyền năng lượng nói chung được thực hiện dưới hai hình thức khác nhau đó

là sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công cơ học

- Công và nhiệt lượng chỉ xuất hiện trong các quá trình, do đó nó là hàm quá trình:

Đương lượng công của nhiệt là: J= A

Q=¿ 4,18 J/Calo

Đương lượng nhiệt của công là:J=Q

A=¿ 0,24 Calo/J

1.4 Nguyên lý

Năng lượng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ

W = Wd + Wt + U

Trong đó:

Động năng (Wd) là phần năng lượng ứng với chuyển động có hướng của cả hệ Thế năng (Wt) ứng với phần năng lượng tương tác của hệ trong trường lực

Nội năng (U) là năng lượng bên trong của hệ

- Giả sử có một hệ nào đó nhận nhiệt lượng δQ, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ năng lượng này dùng làm tăng nội năng U của hệ 1 lượng dU: δQ = dU

Nếu hệ thực hiện công δA thì :

δA = δQ – dU à δQ = δA + dU

Hệ quả:

- Nếu δQ = 0 thì δA = -dU: Nếu không cung cấp nhiệt lượng muốn hệ sinh công

δA nội năng phải giảm một lượng dU

- Theo một chu trình: dU = 0, nếu δQ = 0 thì δA = 0: Hệ không thể sinh công hay không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại I là những động cơ không cần cung cấp năng lượng vẫn sinh công mà nội năng không đổi

- Hệ cô lập: nếu δQ = 0, δA = 0 thì dU = 0 hay nội năng của hệ được bảo toàn

Định luật Hess:

Nội dung: Năng lượng sinh ra bởi quá trình hoá học phức tạp không phụ thuộc vào

các giai đoạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào các trạng thái ban đầu và cuối cùng của

hệ hoá học

Hình 1.1 Minh họa định luật Hess

Trạng thái ban đầu: A (A1, A2, A3…); Trạng thái cuối: B (B1, B2, B3…)

Trạng thái trung gian: C (C1, C2, C3…), (M1, M2, M3…), (N1, N2, N3…)

Theo định luật Hess: E = E1 + E2 = E3 + E4 + E5

Ý nghĩa: Định luật Hess được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học để xác định

khả năng sinh nhiệt của thức ăn trong cơ thể

Muốn xác định khả năng sinh nhiệt này người ta đốt thức ăn trong bình đo nhiệt và xác định nhiệt toả ra Nhiệt lượng này bằng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình oxy hoá thức ăn trong cơ thể

VD: Đốt cháy C theo hai cách:

C1: C + 1/2O2 = CO + 26,42 kcal

CO + 1/2O2 = CO2 + 67,63 kcal

C2: C + O2 = CO2 + 94,05 kcal

III Ứng dụng thực tế

2 Ứng dụng của nguyên lí I:

Nguyên lý I nhiệt động học đóng vai trò rất lớn trong xã hội, được sử dụng rộng rãi trong đời sống Đây là căn bản cho các hoạt động sống của con người được diễn ra liên tục và phát triển theo thời gian

2.1 Trong đời sống hằng ngày:

Nguyên lý I nhiệt động học xảy ra trong những hoạt động rất cơ bản của con người như:

- Nấu nướng: Khi nấu nướng, nhiệt năng từ ngọn lửa hoặc bếp gas được truyền cho thức ăn, làm thức ăn nóng lên Nhiệt năng này được chuyển hóa thành năng lượng nội năng của thức ăn, khiến thức ăn chín

- Đốt nhiên liệu: Khi đốt nhiên liệu, nhiệt năng được giải phóng từ nhiên liệu, làm nóng lên môi trường xung quanh Nhiệt năng này có thể được sử dụng để tạo ra điện, chạy máy móc, hoặc sưởi ấm

- Sử dụng máy điều hòa không khí: Máy điều hòa không khí sử dụng điện để chuyển hóa nhiệt năng từ bên trong phòng ra bên ngoài, giúp làm mát phòng Quá trình này cũng được giải thích theo nguyên lý I nhiệt động lực học

Hình 2.1: Nguyên lý I nhiệt động học được dùng trong đời sống hằng ngày

2.2 Trong công nghiệp:

Nguyên lý I nhiệt động học là khởi nguồn của các ngành công nghiệp, và bây giờ vẫn giữ vai trò quan trọng

- Sản xuất điện: Nhiệt năng từ các nguồn nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt, hoặc năng lượng mặt trời được sử dụng để sản xuất điện

- Sản xuất thép: Quá trình sản xuất thép sử dụng nhiệt năng để nung chảy quặng sắt, sau đó làm nguội và cán thành thép

- Sản xuất giấy: Quá trình sản xuất giấy sử dụng nhiệt năng để làm mềm gỗ, sau đó nghiền thành bột giấy

Hình 2.2: Nguyên lý I nhiệt động học xuất hiện trong các ngành công nghiệp

2.3 Trong khoa học:

Nguyên lý I nhiệt động học là đề tài nghiên cứu khoa học từ rất sớm, và được áp dụng để phát triển các công nghệ khoa học tiên tiến

- Khoa học vật lý: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để giải thích các hiện tượng nhiệt động lực học, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, năng lượng nội năng, công và nhiệt

- Khoa học hóa học: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để giải thích các phản ứng hóa học, chẳng hạn như sự giải phóng nhiệt trong các phản ứng cháy

- Khoa học kỹ thuật: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống kỹ thuật, chẳng hạn như động cơ, máy móc, hoặc hệ thống làm lạnh

Hình 2.3: Nguyên lý I nhiệt động học trong khoa học

2.4 Trong tương lai:

Từ nền tảng nguyên lý I nhiệt động học, các nhà khoa học sẽ hướng tới các công nghệ, kỹ thuật tiên tiến hơn để tạo ra tương lai trong mơ

- Năng lượng tái tạo: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hoặc năng lượng thủy triều

- Vật liệu thông minh: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để phát triển các vật liệu thông minh, chẳng hạn như vật liệu tự làm mát hoặc vật liệu tự phát sáng

- Kỹ thuật lượng tử: Nguyên lý 1 nhiệt động lực học được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng nhiệt động lực học ở cấp độ lượng tử

Hình 2.4: Nguyên lý I nhiệt động học áp dụng vào tương lai

KẾT LUẬN

Sau khi các thành viên trong nhóm làm việc và trao đổi về đề tài “Nguyên lý I của nhiệt động học - nhiệt hoá học” đã thu được một số nội dung chính như sau:

-Đưa ra môi số nội dung ngắn gọn về nguyên lý I của nhiệt động lực học - nhiệt hoá học đắc biệt là nêu lên được giới hạn áp dụng của nguyên lý

-Đưa ra một số các biểu thức nhiệt động học vô cùng dễ hiểu, cùng với đó là phần ứng dụng thức tế của nguyên lý trong đời sống hằng ngày

Cùng với sự hướng dẫn và hỗ trợ tận tình của giảng viên trong suột khoảng thời gian vừa qua nhóm nghiên cứu đã mang lại cho chính bản thân thêm nhiều hiểu biết và những bài học quý báu, và những kiến thức áp dụng thực tiễn trong đời sống hằng ngày, dù biết rằng nhóm vẫn còn nhiều thiếu sót, nhưng nhóm nghiên cứu dã cố gắn hết sức để hoàn thành bài thật tốt