nghiên cứu những kiến thức cơ bản của phần“cơ sở của Nhiệt động lực học”.

A MỞ ĐẦU “Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” phần quan trọng chuyên ngành phương pháp dạy học nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa vật lí, tức nắm ý đồ tác giả giáo khoa cách tổ chức dạy cho học sinh số kiến thức cụ thể Cở sở nhiệt động lực học gồm có bốn nguyên lí rút từ thực nghiệm: nguyên lý số không dẫn đến tồn nhiệt độ; nguyên lý thứ định luật bảo toàn lượng; nguyên lý thứ hai xác định chiều diễn biến trình nhiệt động lực học; nguyên lý thứ ba (nguyên lý Nernst) khẳng định đạt tới không độ tuyệt đối Trong phần “Cơ sở nhiệt động lực học” chương trình vật lý phổ thông đề cập đến nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai Những nguyên lý nhiệt động lực học có tính chất tổng quát, nên ngày người ta ứng dụng có hiệu lớn việc nghiên cứu trình vật lí hoá học, tính chất vật liệu xạ Để nghiên cứu tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, phương pháp động học phân tử, người ta dùng phương pháp nhiệt động lực học Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết trình phân tử mà khảo sát tượng xảy với quan điểm biến đổi lượng kèm với tượng Theo nguồn gốc lịch sử phương pháp phát sinh khảo sát biến đổi lượng chuyển động nhiệt thành để chạy máy phát động lực (máy nước, máy nổ chạy ét xăng…) nên có tên gọi phương pháp nhiệt động lực học Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa hai nguyên lý rút từ thực nghiệm gọi nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai Nhiệt động lực học Nhờ nguyên lý này, không cần ý đến cấu tạo phân tử vật, ta rút nhiều kết luận tính chất vật điều kiện khác Nhằm hiểu sâu nội dung kiến thức phần “cơ sở Nhiệt động lực học”, tiểu luận sâu nghiên cứu kiến thức phần“cơ sở Nhiệt động lực học” Phân tích chương trình Vật lý phổ thông B NỘI DUNG I Cấu trúc chương II KIẾN THỨC CƠ BẢN II.1 Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công nhiệt; trạng thái cân bằng, trình cân bằng; trình thuận nghịch trình không thuận nghịch II.2 Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học II.3 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào trình cân khí lý tưởng Giải thích nguyên tắc hoạt động động nhiệt máy lạnh III PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC III.1 Các khái niệm III.1.1 Nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh hệ Nhiệt độ đo nhiệt biểu với thang chia độ xác định Nhiều nhà khoa học tìm kiếm đưa nhiều thang đo khác Các thang đo thường đựơc quan tâm nhiều thuộc nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit Réaumur Biểu thức chuyển từ thang chia đo dang thang chia độ khác sau t 0C t 0C − 273,5 t R t F − 32 = = = 5 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Thực thang đo thực nghiệm dựa vào dãn nở chất Thông thường dùng thang nhiệt độ Celsius ( 0C), thang nhiệt độ nhiệt độ âm, không dương Nhiệt độ thấp – 273 0C Trong tính toán người ta thường dùng thang nhiệt độ Kelvin (T 0K) Liên hệ t0C T0K sau: T0K = t0C + 237 Như vậy, - 273 0C ứng với 00K Thành thử nhiệt độ tuyệt đối T âm a Phương trình trạng thái khí lý tưởng [7] Chất khí mà tương tác phân tử nhỏ không đáng kể kích thước riêng phân tử bỏ qua gọi khí lý tưởng Người ta hay dùng mô hình chất khí lý tưởng có tính chất đơn giản Tuy nhiên thực tế không tồn chất khí hoàn toàn lý tưởng, khí thực loãng có tính chất gần với khí lý tưởng Quan sát thí nghiệm cho thấy, chất khí gần với khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái sau (gọi m phương trình trạng thái khí lý tưởng) pV = µ RT (1) Trong đó: m: khối lượng khối khí; µ khối lượng kmol (hay khối lượng phân tử kilogam); p áp suất; V thể tích; T nhiệt độ tuyệt đối R = 8,31.103 J/kmol.K số khí Khi lượng khí Kmol, m = µ , phương trình (1) có dạng pV µ = RT (2) Trong V µ thể tích Kmol chất khí Phương trình (1) có dạng tương đương khác Chú ý cho số Kmol khối khí Nếu kí hiệu N số phân tử chứa khối khí N A số phân tử chứa Kmol N chất khí (được gọi số Avôgađrô) số Kmol tỷ số N Do A m N = µ NA (3) Phân tích chương trình Vật lý phổ thông N Thay (3) (2) ta có: pV = N RT A (4) Thực nghiệm cho thấy số Avôgađrô N A = 6, 023.1026 kmol −1 R Hằng số k B = N gọi số Boltzmann Trị số kB A kB = 8,31.103 ( J / Kmol.K ) = 1,38.10−23 ( J / K ) 26 6, 023.10 (1/ Kmol ) Phương trình (4) có dạng pV = Nk BT hay p = nk BT Trong n = (6) (7) N số phân tử khí đơn vị thể tích Các phương V trình (1), (6) (7) dạng khác phương trình trạng thái khí lý tưởng b Phương trình thuyết động học phân tử chất khí [7] Theo quan điểm thuyết động học phân tử: chất dù khí, lỏng hay rắn cấu tạo từ phân tử, nguyên tử Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Đối với chất khí thuyết động học phân tử giả thuyết thêm phân tử khí coi chất điểm chuyển động tự do, không tương tác trừ va chạm Các phân tử khí va chạm lên thành bình gây nên áp suất Các va chạm phân tử phân tử với thành bình giả thuyết va chạm đàn hồi Ta xét chất khí gồm N phân tử đựng bình hình lập phương có cạnh a Ta lấy diện tích nhỏ ∆S thành bình tính số va đập phân tử vào bề mặt thời gian ∆t Ta lập luận đơn giản sau: Giả sử phân tử khí chuyển động dọc theo ba hướng vuông góc với cách đồng Như có phương, số phân tử (tức N phân tử chuyển động dọc theo N phân tử) chuyển động hướng ∆S (chẳng hạn theo hướng pháp tuyến) Ngoài ra, ta giả sử phân tử chuyển động với vận tốc v Khi đó, khoảng thời gian ngắn ∆t , tất Phân tích chương trình Vật lý phổ thông phân tử khí đập tới bề mặt phải chứa thể tích hình trụ với đáy ∆S chiều cao v∆t Số phân tử ∆n = n∆Sv∆t Trong n = (8) N số phân tử đơn vị thể tích Vì va chạm V phân tử thành bình va chạm đàn hồi nên sau va chạm động lượng phân tử biến thiên lượng ∆p = −mv − (mv) = −2mv Theo định lý động lượng độ biến thiên động lượng vật thời gian xung lượng ngoại lực tác dụng lên vật khoảng thời gian ∆p = fb ∆t Ta có fb ∆t = −2mv suy fb = − (9) 2mv Theo định luật III Niutơn, ∆t phân tử tác động lên thành bình lực f = − f b = 2mv Do lực nén vuông ∆t góc phân tử lên bề mặt ∆S F = ( ∆n) f = 2mv 2mv ∆n = n∆Sv∆t = nmv ∆S ∆t ∆t Theo định nghĩa áp suất p = F nên ta p = nmv ∆S (10) Thực phân tử không chuyển động với vận tốc v mà khác Do đó, thay v (10) ta thay giá trị vận tốc trung bình v2 = theo định nghĩa sau: N N ∑v i =1 i v2 (11) với vi độ lớn vận tốc phân tử thứ i mv Ta viết lại (10): p = nmv = n (11) Khối lượng tất phân tử theo giả thuyết Do đưa vào dấu trung bình mv mv = = Wd 2 (12) Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Với Wd giá trị trung bình động chuyển động tịnh tiến phân tử Cuối ta có hệ thức: p = nWd (13) Phương trình (13) gọi phương trình thuyết động học phân tử chất khí So sánh công thức (13) (7) cho áp suất khí lý tưởng ta được: Wd = k BT (14) Như vậy, động tịnh tiến trung bình phân tử khí phụ thuộc vào nhiệt độ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Điều nói lên ý nghĩa vật lí nhiệt độ: nhiệt độ thông số vĩ mô phản ánh mức độ vận động phân tử cấu tạo nên vật Vật nóng chuyển động nhiệt mãnh liệt III.1.2 Nội a Định nghĩa Nội khái niệm sở Nhiệt động lực học Khái niệm nội đời phát triển gắn liền với nguyên lý I Nhiệt động lực học Trong vật lí đại, người ta hiểu nội tập hợp tát dạng lượng ( trừ toàn hệ) có hệ xét Năng lượng toàn phần hệ bao gồm động hệ liên quan đến chuyển động có hướng toàn hệ, hệ trường nội hệ ∆W = Wđ + Wt + U Thuyết động học phân tử làm rõ chất khái niệm nội Ngày nay, người ta hiểu nội bao gồm: - Động chuyển động tịnh tiến chuyển động quay phân tử - Thế tương tác phân tử quy định lực phân tử chúng - Năng lượng chuyển động dao động nguyên tử - Năng lượng võ điện tử nguyên tử - Năng lượng hạt nhân - Năng lượng xạ điện từ Tuy nhiên, NĐLH người ta không quan tâm đến toàn nội vật mà ý tới biến thiên nội vật vật chuyển từ trạng thái Phân tích chương trình Vật lý phổ thông nhiệt sang trạng thái nhiệt khác Trong trình chuyển trạng thái có động phân tử cấu tạo nên vật thay đổi Do đó, để đơn giản NĐLH coi nội dạng lượng bao gồm động chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật tương tác chúng Với ddingj nghĩa trên, nội hàm trạng thái nhiệt vật, nghĩa ứng với trạng thái nhiệt, vật có nội xác định Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng nội U, mà độ biến thiên nội ∆U hệ biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác Trong trình chuyển trạng thái có động phân tử cấu tạo nên vật thay đổi Do đó, để đơn giản NĐLH coi nội dạng lượng bao gồm động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ tương tác phân tử Ở trạng thái, hệ có nội xác định Khi trạng thái hệ thay đổi nội hệ thay đổi độ biến thiên nội hệ trình biến đổi phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình biến đổi nội phụ thuộc vào trạng thái hệ Ta nói nội hàm trạng thái Khi nhiệt độ thay đổi động phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, nội phụ thuộc vào nhiệt độ vật Khi thể tích thay đổi khoảng cách phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, làm cho tương tác chúng thay đổi, nội phụ thuộc vào thể tích vật Nội hàm số nhiệt độ, áp suất,… tức hàm tham số đặc trưng cách đơn giá trạng thái hệ Vậy, nội vật phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích vật Nội hàm số nhiệt độ thể tích : U = f(T, V) Phân biệt hai khái niệm nội nhiệt - Nội dạng lượng bao gồm động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ tương tác phân tử Phân tích chương trình Vật lý phổ thông - Nhiệt năng lượng chuyển động nhiệt, nghĩa động chuyển động phân tử cấu tạo nên vật Theo cách hiểu nhiệt phần nội Đối với khí lý tưởng nhiệt đồng với nội b Các cách làm biến đổi nội hệ Vì nội phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích hệ nên ta làm thay đổi nhiệt độ thể tích hệ nội thay đổi Vậy hai cách làm thay đổi nội hệ thực công truyền nhiệt lượng * Thực công Khi bơm xe đạp bơm tay, ta thấy bơm bị nóng lên Điều chứng tỏ không khí bơm nóng lên, nghĩa nội không khí biến thiên ta thực công Khi ta cọ xát miếng kim loại mặt bàn (thực công học), miếng kim loại nóng lên Nội miếng kim loại thay đổi thực công Ví dụ: - Khi ta cọ xát miếng kim loại mặt bàn (thực công học), miếng kim loại nóng lên Nội miếng kim loại thay đổi thực công - Ấn pittông xilanh chứa khí xuống thể tích khí xilanh giảm đồng thời khí nóng lên tức nội khí biến đổi * Truyền nhiệt lượng Có thể làm cho không khí bơm nóng lên cách hơ nóng thân bơm làm cho miếng kim loại nóng lên cách thả vào nước nóng Khi nội không khí hay miếng kim loại tăng lên không thực công mà truyền nhiệt lượng Ví dụ: - Thả miếng đồng vào nước nóng Sau thời gian miếng đồng nóng lên có nghĩa nội biến đổi III.1.3 Nhiệt lượng a.Định nghĩa Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Phải nhiều kỉ, người trả lời câu hỏi chất nhiệt gì? Vào đầu kỉ XVIII, người ta cho nhiệt chất đặc biệt gọi “chất nhiệt” Đó chất lỏng vô hình, trọng lượng, thấm sâu vào vật truyền dễ dàng từ vật sang vật khác Thuyết chất nhiệt giải thích số tượng nhiệt có truyền nhiệt, không giải thích nhiều tượng nhiệt khác có tượng thay đổi nhiệt lượng cách thực công.[8] Đồng thời với thuyết chất nhiệt có thuyết cho chất nhiệt chuyển động hạt vật chất Trong số người ủng hộ thuyết có nhà vật lý tiếng Niu-tơn, Ma-ri-ốt, Lô-mô-nô-xốp, Jun Tuy nhiên phải chờ đến đầu kỉ XIX, thuyết vật chất cấu tạo từ nguyên tử, phân tử đời người ta công nhận chất nhiệt chuyển động hạt vật chất cấu tạo nên vật [8] Nhiệt khái niệm dùng với nhiều nghĩa khác bao gồm: [9] - Nhiệt năng lượng chuyển động hỗn loạn (tịnh tiến, quay, dao động) phân tử (nguyên tử) tạo thành vật Nhiệt với phân tử tạo thành nội vật - Nhiệt lượng phần lượng truyền từ vật sang vật khác trao đổi nhiệt Nhiệt có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ Nhiệt độ vật cao phân tử cấu tạo nên vật chuyển động nhanh nhiệt vật lớn Nhiệt trao đổi vật hay hệ thống khác biệt nhiệt độ Nhiệt tạo thay đổi, cách chuyển hóa lượng có hướng (thế năng, động định hướng tầm vĩ mô) lượng hỗn loạn, qua trình vĩ mô thực công lên vật trao đổi nhiệt vĩ mô vào vật trình vi mô phản ứng hóa học (như cháy), phản ứng hạt nhân (như phản ứng tổng hợp hạt nhân bên Mặt Trời), ma sát electron với mạng tinh thể (trong bếp điện) hay ma sát học Nhiệt trao đổi qua trình xạ, dẫn Phân tích chương trình Vật lý phổ thông nhiệt hay đối lưu Lượng nhiệt dự trữ hay chuyển tải vật gọi nhiệt lượng thường ký hiệu tính toán chữ Q Ta quy ước coi nhiệt Q dương (Q > 0) nhiệt hệ nhận vào, coi nhiệt Q âm (Q < 0) thân hệ tỏa nhiệt Nhiệt hình thức trao đổi lượng nhiệt lượng Nhiệt xuất trình biến đổi trạng thái hệ, nhiệt hàm trình Nhiệt tính theo đơn vị calo Jun : cal =4,18 J Như vậy, ta thấy công nhiệt đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng hệ Tuy có khác công nhiệt chúng có mối quan hệ chặt chẽ với có chuyển hoá lẫn nhau: công biến thành nhiệt ngược lại Ví dụ: cọ sát hai vật, chúng nóng lên tương tự chúng nhận nhiệt; đốt nóng vật, nghĩa truyền nhiệt cho vật vật nóng lên, nội vật thay đổi đồng thời vật dãn nở, nghĩa phần nhiệt biến thành công làm cho vật dãn nở Vì thực công trình truyền nhiệt lượng cách làm biến đổi nội vật nên chúng tương đương Việc tìm tương đương kiện quan trọng khoa học kĩ thuật, đặc biệt việc thiết lập định luật bảo toàn chuyển hoá lượng b) Đơn vị nhiệt lượng: Trước nhà khoa học nhận thức nhiệt lượng lượng chuyển, nhiệt lượng đo thông qua khả làm tăng nhiệt độ nước Chính vậy, calo (cal) định nghĩa nhiệt lượng cần thiết cho gam nước tăng nhiệt độ 14,50C Trong hệ đo lường Anh, đơn vị nhiệt lượng tương ứng ĐƠN VỊ NHIỆT LƯỢNG CỦA ANH (Btu) định nghĩa nhiệt lượng làm tăng 1Lb nước từ 63 lên 640F Năm 1984, cộng đồng khoa học định rằng, nhiệt lượng công, lượng chuyển, nên đơn vị SI cho nhiệt lượng phải đơn vị cho lượng Jun Calo định nghĩa 4,1860J 10 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Ta tóm tắt biểu thức trình cân khí lý tưởng Quá trình Đẳng tích Đẳng áp Dữ kiện p = const T V = const T A A=0 A = − p(V2 − V1 ) Q m Q = µ CV ∆t m Q = µ C p ∆t Đẳng nhiệt pV = const Đoạn nhiệt pV γ = const Chu trình Trạng thái Tính A Q trình cuối trùng với Tính A’ theo diện tích giới hạn trạng thái đầu đường cong kín A= V m RT ln µ V2 A= p2V2 − p1V1 γ −1 Q= V m RT ln µ V1 Q=0 ∆U = A + Q m ∆U = CV ∆t µ ∆U = m CV ∆t µ ∆U = ∆U = p2V2 − p1V1 γ −1 ∆U = Ý nghĩa nguyên lý I Nhiệt động lực học Nguyên lý I có vai trò quan trọng việc nhận thức tự nhiên khoa học kĩ thuật Ăngghen người nêu lên tính tổng quát nguyên lý I Ăngghen khẳng định nguyên lý I định luật bảo toàn biến đổi vận động, sở chủ nghĩa vật biện chứng Độ tăng hay giảm nội hệ độ giảm hay tăng lượng hệ khác trao đổi lượng với hệ Nếu hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác theo trình khác nhau, nhiệt lượng công hệ nhận trình khác tổng đại số nhiệt lượng công mà hệ nhận trình lại độ biến thiên nội hệ Nguyên lý I vận dụng định luật bảo toàn chuyển hóa lượng vào tượng nhiệt Không thể có máy làm việc sinh công mà lại không nhận thêm lượng từ bên sinh công lớn lượng truyền cho Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ độ biến thiên nội công , nhiệt lượng trình biến đổi 19 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông III 2.1.4 Những hạn chế nguyên lý I Nhiệt động lực học Mọi trình tự nhiên tuân theo nguyên lý I nhiệt động lực học có trình diễn thực tế mà nguyên lý I không giải thích Ví dụ cho hai vật có nhiệt độ khác tiếp xúc với chúng trao đổi nhiệt Nguyên lý I đòi hỏi vật cho vật nhận nhiêu nhiệt mà nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng Nhưng thực tế vật truyền từ vật nóng sang vật lạnh, trình truyền ngược lại tự xảy Ví dụ: Xét hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác Khi đặt hai vật tiếp xúc với chúng trao đổi nhiệt với Theo nguyên lý I nhiệt lượng mà vật tỏa nhiệt lượng mà vật thu vào Trong hệ xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng Thực tế hệ xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Như vậy, nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến trình thực tế xảy không đề cập tới vấn đề chất lượng nhiệt Thực tế cho thấy nhiệt lượng nhận từ môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng nhiệt lượng nhận môi trường có nhiệt độ thấp (ví dụ nhiệt lượng thu từ kg than đá khác với nhiệt lượng thu từ kg gỗ) Mặt khác, nguyên lý I chưa nêu lên khác trình chuyển hóa công nhiệt lượng Theo nguyên lý I công nhiệt tương đương chuyển hóa lẫn Thực tế chứng tỏ công chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt lượng nhiệt lượng chuyển hóa phần thành công III.2.2.Định luật thứ II nhiệt động lực học (nguyên lý II NĐLH) Nguyên lý II NĐLH khắc phục hạn chế nguyên lý I đóng vai trò quan trọng việc chế tạo máy nhiệt III.2.2.1 Các khái niệm 20 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông III.2.2.1.1 Quá trình thuận nghịch Một trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái gọi thuận nghịch tiến hành theo chiều ngược lại trình ngược hệ qua trạng thái trung gian trình thuận Như trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không xảy biến đổi Ví dụ: Con lắc dao động không ma sát; Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô chậm; … Đa số trình học ma sát trình thuận nghịch III.2.2.1.2 Quá trình không thuận nghịch B Quá trình không thuận nghịch trình tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian trình thuận Do trình không thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trạng thái ban đầu môi trường xung quanh bị biến đổi Ví dụ: Các trình có ma sát; Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh; … III.2.2.1.3 Các máy nhiệt Máy nhiệt hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt biến nhiệt thành công Cấu tạo máy nhiệt gồm có ba phận chính: Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi tác nhân thiết bị phát động Nguồn lạnh để thu nhiệt tác nhân toả Máy nhiệt chia làm hai loại: động nhiệt máy lạnh * Động nhiệt 21 A Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Động nhiệt máy hoạt động tuần hoàn biến nhiệt thành công Ví dụ: máy nước, loại động đốt Thực tế cho thấy động nhiệt hoạt động làm việc hai (hay nhiều) nguồn nhiệt Thông thường động nhiệt hoạt động hai nguồn nhiệt (ví dụ lò nung bình ngưng máyhơi nước) gọi nguồn nóng nguồn lạnh Chất vận chuyển (hơi nước, không khí khô, khí cháy, …) biến nhiệt thành công gọi tác nhân Nguồn nhiệt hệ bên tác nhân Trong nhiệt động lực học nguồn nhiệt coi lớn so với tác nhân, có nhiệt độ không đổi nhường nhiệt nhận nhiệt nhiệt độ luôn không đổi Trong động nhiệt làm việc hai nguồn nhiệt, tác nhân nhận chu trình lượng nhiệt Q lấy từ nguồn nóng nhiệt độ T chuyển phần công A’; phần nhiệt lại Q2’ nhường cho nguồn lạnh nhiệt độ T2 ( với T2 < T1) Nguồn nóng T1 Q1 Tác nhân A’ Q’2 Nguồn lạnh T2 Sơ đồ hoạt động động nhiệt Người ta định nghĩa hiệu suất động nhiệt tỉ số công sinh ’ A nhiệt Q1 mà nhận vào η= 22 A' Q1 (24) Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Sau chu trình công mà tác nhân nhận vào A = − A' nhiệt mà tác nhân nhận vào Q = Q1 − Q2' Theo nguyên lý I nhiệt động lực học chu trình độ biến thiên nội hệ không ∆U = A + Q = hay − A' + Q1 − Q2' = ⇒ A' = Q1 − Q2' Khi η= Q1 − Q2' Q' = 1− Q1 Q1 (25) Hiệu suất động nhiệt thực tế thường nằm khoảng 25% - 45% Động đốt đời vào cuối kỉ XIX Năm 1867, động nổ bốn kì Ni-co-lai Ốt-tô chế tạo đưa thử nghiệm ba mươi năm sau đến lượt động điêzen [8] Nguồn nóng nhiên liệu cháy xilanh vào cuối kì nén Nguồn lạnh vỏ nước bao quanh xilanh không khí làm nguội khí thải từ xilanh kì thoát khí Tác nhân hoà khí (gồn hỗn hợp không khí nhiên liệu) Hình 11: Sơ đồ hoạt động động nổ bốn kì - Kì thứ nhất: Hút nhiên liệu Pittông chuyển động xuống Van hút mở, van xả đóng, hôn hợp nhiên liệu hút vào xilanh Cuối kì xilanh chứa đầy hỗn hợp van hút đóng lại - Kì thứ hai: Nén nhiên liệu Pittông chuyển động lên phía nén hỗn hợp nhiên liệu xilanh 23 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông - Kì thứ ba: Đốt nhiên liệu Khi pittông lên đến tận bugi bật tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, kèm theo tiếng nổ tỏa nhiệt Các chất khí tạo thành dãn nở, sinh công đẩy pittông xuống Cuối kì van xả mở - Kì thứ bốn: Thoát khí Pittông chuyển động lên phía trên, dồn hết khí xilanh qua van xả sau kì động lại lặp lại Trong bốn kì, có kì thứ ba kì động sinh công Các kì khác, động chuyển động nhờ đà vô lăng Đầu kỉ XX, người ta chế tạo thành công động đốt có công suất hiệu suất cao nhiều động nổ bốn kì động điêzen Đó tuabin động phản lực Các động nhiệt có nhược điểm chung xả vào môi trường sống khí độc sinh từ việc đốt nhiên liệu Người ta tìm cách thay động nhiệt động không làm làm ô nhiễm môi trường * Máy lạnh: Máy lạnh thiết bị dùng để lấy nhiệt từ vật truyền sang vật khác nóng nhờ nhận công từ vật Khi thực chu trình, tác nhân máy lạnh nhận ngoại vật lượng hình thức công có giá trị A đồng thời nhận nguồn lạnh T2 lượng hình thức nhiệt có giá trị Q Các dạng lượng mà tác nhân nhận vào biến đổi sang dạng nội góp phần làm tăng nội tác nhân Để trở lại trạnh thái ban đầu tác nhân lại truyền phần nội cho ngoại vật (nguồn nóng T 1) hình thức nhiệt có giá trị Q’1 24 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Nguồn nóng T1 Q’1 Tác nhân Q2 A Nguồn lạnh T2 Sơ đồ hoạt động máy lạnh Người ta xác định hiệu máy lạnh tỉ số nhiệt Q lấy từ nguồn lạnh công tiêu thụ ε = Q2 A (26) Vì Q1' = Q2 + A Q1’ nhiệt lượng mà tác nhân tỏa cho nguồn Q nóng nên ta viết ε = Q ' − Q (27) Chú ý: hiệu máy lạnh thường có giá trị lớn Ví dụ: * Tủ lạnh gia đình [5] Nguồn lạnh dàn bay Nguồn nóng không khí đối lưu qua dàn ngưng Tác nhân số môi chất lỏng dễ hoá (amnôiac anhydric) 25 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông * Máy điều hoà nhiệt độ máy lạnh hoạt động máy lạnh Khi trời nóng, nguồn lạnh không khí phòng, nguồn nóng không khí trời Khi trời lạnh, nguồn nóng không khí phòng, nguồn lạnh không khí trời.[6] III.2.2.2.Phát biểu nguyên lý II Thực tế cho thấy động nhiệt chuyển phần nhiệt từ nguồn nóng đến nguồn lạnh điều tránh khỏi Trong nhiệt động lực học, điều thừa nhận tiên đề phát biểu: Một động nhiệt sinh công trao đổi với nguồn nhiệt (đây dạng phát biểu nguyên lý II) Người ta gọi động hoạt động tuần hoàn sinh công cách trao đổi phát biểu cách khác sau: chế tạo động vĩnh cửu loại hai Động vĩnh cửu loại hai (nếu có) biến đổi nhiệt hoàn toàn thành công, sau chu trình động nhiệt trở lại trạng thái ban đầu, trao đổi khác, điều hoàn toàn không mâu thuẫn với nguyên lý I nhiệt động lực học, hoạt động động cơ, định luật bảo toàn biến thiên lượng tuân theo Thành có động vĩnh cửu loại hai dễ dàng nhận thấy động giả sử chế thứ động không tốn tiền việc cho tiếp xúc với môi trường xung quanh (không khí hay nước biển) với trữ lượng vô tận, máy hoạt động vĩnh cửu Nhưng kinh nghiệm thất bại, nhiều kỷ loài người chứng tỏ chế tạo động 26 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Nếu có động vĩnh cửu loại hai tức biến nhiệt hoàn toàn thành công Nguyên lý II phủ nhận khả này, cần ý biến đổi ông hoàn toàn thành nhiệt mà có trình kèm theo Thí dụ tượng ma sát biến công hoàn toàn thành nhiệt  Phát biểu Claudiut: Nhiệt tự truyền từ nơi lạnh sang nơi nóng mà không kèm theo biến đổi cả.[6]  Phát biểu Kelvin: Một hệ nhiệt động học tạo công tiếp xúc với nguồn nhiệt [6]  Phát biểu Thomson: Không thể tồn tự nhiên trình mà hậu biến nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không để lại dấu vết cho môi trường xung quanh.[7] Các phát biểu tương đương với III.2.2.3 Biểu thức định lượng nguyên lý II Đối với chất thực chu trình cacnô thuận nghịch không thuận nghịch trao đổi nhiệt với hai nguồn nhiệt T1 T2 Ta có n ≤ nc (tn) với η = − Suy − T2 Q2' nc (tn) = − T Q1 Q21 T ≤1− Q1 T1 (30) Dấu = ứng với chu trình thuận nghịch, dấu < ứng với chu trình không thuận nghịch Biến đổi (30) ta có: − Q2' T T Q' Q Q' ≤ − ⇒ ≤ ⇒ − ≤ (31) Q1 T1 T1 Q1 T1 T2 Trong đó, Q1 nhiệt lượng tác nhân nhận nguồn nóng T1, Q2’ nhiệt lượng mà nhường cho nguồn lạnh nhiệt độ T2 Gọi Q2 nhiệt lượng mà tác nhân nhận vào nguồn lạnh Q Q Ta có Q2 = - Q2’ Khi (31) trở thành: T + T ≤ (32) Biểu thức (32) biểu thức định lượng nguyên lý II chu trình có hai nguồn nhiệt.[7] Trường hợp chu trình bất kì: 27 δQ Ñ ∫ T ≤ (33) Phân tích chương trình Vật lý phổ thông Vòng tròn dấu tích phân có nghĩa tích phân lấy theo toàn chu trình Dấu đẳng thức ứng với chu trình thuận nghịch, dấu bất đẳng thức ứng với chu trình không thuận nghịch Tích phân δQ Ñ ∫ T ≤ gọi tích phân Clausius (33) gọi bất đẳng thức Clausius Về mặt định lượng, nội dung nguyên lý II phát biểu: Trong chu trình thực nguồn nóng có nhiệt độ cao T nguồn lạnh có nhiệt độ thấp T2, tác nhân nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng Q 1, sinh công A' = Q1 − Q2' nguồn lạnh nhận nhiệt lượng Q2 có giá trị bé Q1 T2 T1 III.2.2.4 Hàm entrôpi Nguyên lý tăng entrôpi * Hàm entrôpi Xét hai trạng thái hệ trình chuyển hệ từ đến 2, có trình thuận nghịch không thuận nghịch Trước hết ta xét hai trình thuận nghịch 1a2 2b1 a b Hình 14 Áp dụng (33) cho chu trình thuận nghịch 1a2b1, ta có δQ Ñ ∫ T = hay δQ δQ +∫ =0 T 2b1 T 1a ∫ Khi đổi cận dấu tích phân tích phân đổi dấu Ta có: δQ δQ δQ δQ − = ⇒ = ∫ T 1b∫2 T ∫ T 1b∫2 T 1a 1a Ta thấy tích phân δQ Ñ ∫ T = theo δQ δQ =−∫ T T b1 1b ∫ (34) chu trình thuận nghịch từ trạng thái sang trạng thái không phụ thuộc vào dạng trình mà phụ thuộc vào 28 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông trạng thái đầu trạng thái cuối Bây ta dẫn hàm S phụ thuộc vào δQ T trạng thái Sao cho: ∆S = S2 − S1 = ∫ (35) Đại lượng S đưa vào gọi entrôpi hệ Entrôpi hàm trạng thái hệ, entrôpi xác định sai số entrôpi có tính cộng Tính chất cộng hiểu sau: Xét hệ có hai (hoặc nhiều) phần vĩ mô trạng thái cân bằng, entrôpi S hệ tổng Entrôpi hai phần hợp thành S = S1 + S2 Tính chất suy trực tiếp từ định nghĩa Entrôpi Nhưng cần ý hệ mà ta bỏ qua tương tác phần entrôpi có tính chất cộng * Nguyên lý tăng entrôpi Bây ta xét trình không thuận nghich 1c2 đưa hệ từ đền c a b Hình 15 Áp dụng (33) cho chu trình 1c2b1 Mặc dù trình 2b1 thuận nghịch 1c2 trình không thuận nghịch nên chu trình 1c2b1 chu trình không thuận nghịch δQ Ñ ∫ T 1c b1 ( ktn ) ⇒ ∫ 1c ( ktn ) [...]... Phần cơ sở của Nhiệt động lực học” cung cấp những kiến thức phổ thông cơ bản bao gồm những khái niệm về các sự vật, hiện tượng và quá trình vật lý thường gặp trong đời sống và sản xuất thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học, các nguyên lý được trình bày phù hợp với năng lực toán học và năng lực suy luận logic của HS, những nguyên tắc cơ bản của các ứng dụng quan trọng của vật lý trong đời sống Các kiến thức. .. được chia làm hai loại: động cơ nhiệt và máy lạnh * Động cơ nhiệt 21 A Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1 Động cơ nhiệt là một máy hoạt động tuần hoàn biến nhiệt thành công Ví dụ: máy hơi nước, các loại động cơ đốt trong Thực tế cho thấy động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu nó làm việc giữa hai (hay nhiều) nguồn nhiệt Thông thường một động cơ nhiệt hoạt động giữa hai nguồn nhiệt (ví dụ lò nung và... ngoài qua van xả sau đó các kì của động cơ lại lặp lại Trong bốn kì, chỉ có kì thứ ba là kì động cơ sinh công Các kì khác, động cơ chuyển động nhờ đà của vô lăng Đầu thế kỉ XX, người ta chế tạo thành công các động cơ đốt trong có công suất và hiệu suất cao hơn rất nhiều các động cơ nổ bốn kì cũng như các động cơ điêzen Đó là các tuabin hơi và động cơ phản lực Các động cơ nhiệt đều có một nhược điểm chung... thức cơ bản trên có thể được phân bố vào từng bài, từng mục cụ thể của bài nhưng chúng có quan hệ với nhau trong một thể thống nhất về nội dung của bài, của chương Chọn lọc được kiến thức cơ bản, giáo viên giải quyết được câu hỏi: “dạy cái gì?” Trên cơ sở nắm vững kiến thức cơ bản kết hợp với việc vận dụng các phương pháp dạy học thích hợp, giáo viên sẽ tổ chức, chỉ đạo cho HS nhận thức các kiến thức cơ. .. cháy, …) biến nhiệt thành công gọi là tác nhân Nguồn nhiệt là một hệ bên ngoài đối với tác nhân Trong nhiệt động lực học nguồn nhiệt được coi là rất lớn so với tác nhân, có nhiệt độ không đổi nó nhường nhiệt hoặc nhận nhiệt nhưng nhiệt độ của nó luôn luôn không đổi Trong động cơ nhiệt làm việc giữa hai nguồn nhiệt, tác nhân nhận được trong mọi chu trình một lượng nhiệt Q 1 lấy từ nguồn nóng ở nhiệt độ T... tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg) + Nhiệt lượng nóng chảy: Q = λ m, trong đó λ là nhiệt nóng chảy + Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi III.1.4 Nhiệt dung a) Nhiệt dung (kí hiệu: C) Định nghĩa: Nhiệt dung C của một vật là hằng số tỉ lệ giữa nhiệt lượng và độ biến thiên nhiệt độ mà nhiệt lượng này tạo ra trong vật Nhiệt dung được suy ra từ biểu thức: Q = C(T2-T1) Trong đó T2, T1 là nhiệt. .. tránh khỏi Trong nhiệt động lực học, điều này được thừa nhận như một tiên đề và được phát biểu: Một động cơ nhiệt không thể sinh công nếu nó chỉ trao đổi với một nguồn nhiệt duy nhất (đây là một dạng phát biểu của nguyên lý II) Người ta gọi một động cơ hoạt động tuần hoàn sinh công bằng cách trao đổi phát biểu một cách khác như sau: không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai Động cơ vĩnh cửu loại... biến đổi nhiệt hoàn toàn thành công, vì rằng sau một chu trình động cơ nhiệt trở lại trạng thái ban đầu, không có sự trao đổi nào khác, điều này hoàn toàn không mâu thuẫn với nguyên lý I nhiệt động lực học, bởi vì trong sự hoạt động của động cơ, định luật bảo toàn và biến thiên năng lượng được tuân theo Thành ra sự không thể có động cơ vĩnh cửu loại hai không phải dễ dàng nhận thấy được động cơ đó giả... truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh; … III.2.2.1.3 Các máy nhiệt Máy nhiệt là một hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt hoặc biến nhiệt thành công Cấu tạo của các máy nhiệt gồm có ba bộ phận chính: 1 Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng 2 Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác nhân và các thiết bị phát động 3 Nguồn lạnh để thu nhiệt do tác nhân toả ra Máy nhiệt. .. với nhiệt và công 12 Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1 + Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động và tương tác của vật chất Năng lượng luôn tồn tại cùng vật chất Năng lượng là hàm trạng thái Ví dụ: Cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt) ,… + Công và nhiệt không phải là những dạng năng lượng mà là những ... nhiệt hệ bên tác nhân Trong nhiệt động lực học nguồn nhiệt coi lớn so với tác nhân, có nhiệt độ không đổi nhường nhiệt nhận nhiệt nhiệt độ luôn không đổi Trong động nhiệt làm việc hai nguồn nhiệt, ... coi nhiệt Q dương (Q > 0) nhiệt hệ nhận vào, coi nhiệt Q âm (Q < 0) thân hệ tỏa nhiệt Nhiệt hình thức trao đổi lượng nhiệt lượng Nhiệt xuất trình biến đổi trạng thái hệ, nhiệt hàm trình Nhiệt. .. lý I, II nhiệt động lực học II.3 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào trình cân khí lý tưởng Giải thích nguyên tắc hoạt động động nhiệt máy lạnh III PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC III.1 Các