Bài giảng vật lý đại cương phần 1 nhiệt học

Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử.. Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử.. So sánh khí lý tưởng & khí thực• Phương trình trạng thái KLT Chỉ đúng với KLT, khi bỏ

Chương 8 Khí lý tưởng

I Những khái niệm mở đầu.

II Các định luật thực nghiệm về chất khí.

III Khí lý tưởng & phương trình trạng thái.

IV Thuyết động học phân tử chất khí.

V Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử.

VI Nội năng khí lý tưởng.

I Những khái niệm mở đầu

.81,9736

( )

ml dm

l ml

l m

at P

K

T  0 ;  1 : 1 ~ 22 , 4

T V

P , ,

0 )

, , ( P V T 

f

II Các định luật thực nghiệm về chất khí.

1 Định luật Bôilơ – Mariốt

2 Định luật Gay – Luýtxắc

const V

P const

V const

P

const T

P const

III Khí lý tưởng & phương trình trạng thái.

R V

T R V

P

/

10 31 , 8

.

3 0

0





T R

m V

P

V

m V

.

IV Thuyết động học phân tử chất khí.

1 Cơ sở thực nghiệm

– Cấu tạo chất

– Chuyển động phân tử

2 Nội dung của thuyết

– Các chất có cấu tạo gián đoạn, gồm rất nhiều phân tử.

– Các phân tử chuyển động hỗn loạn, va chạm với nhau &

thành bình

– T = B.W đTB

– Kích thước phân tử << khoảng cách phân tử, các phân tử coi

như chất điểm– Các phân tử không tương tác trừ lúc va chạm, va chạm giữa

các phân tử là va chạm đàn hồi

V Phương trình cơ bản của thuyết động học

phân tử.

1 Phương trình

Xét phân tử va chạm đàn hồi với thành bình

t f v

m v

x

z y

x z

y x

x x

x

x

x x

x

W n P

v m

n S

F P

v v

v v

v v

v v

TB v

v v

v n

v v

v

S m v

n t

v m S

t v

n f

F

f f

t

v m f

v m t

f

.3

2

.31

31

:

;

;

.2

.2

1''

2cos

2

0

2 0

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 1 2

2 0 0

v m



v m

x K



x O

W N

RT V

n

RT W

W n P

RT V

P

đ A

đ

đ

/10

.38,1

;2

32

3

23

.3

2

&

23 0

0

0 0

RT m

kT v

v m W

kT

33

2 2

kT n

W n

2

3.3

2

32

n đ

đ

W n

n

3

2

3

2

3

2

02 01

0

(Boltzman)

3 Đinh luật phân bố đều năng lương

theo bậc tự do: mỗi bậc kT/2

RT

i U

ikT N

22

RT i m U

N

iRT N

ikT N

U

2

2

.2

tt q

tt

232

Chương 9 Khí thực

I So sánh khí lý tưởng & khí thực.

II Phương trình trạng thái Vandecvan.

III Họ đường đẳng nhiệt khí thực.

IV Nội năng khí thực & Hiệu ứng Jun – Tomxơn.

I So sánh khí lý tưởng & khí thực

• Phương trình trạng thái KLT

Chỉ đúng với KLT, khi bỏ qua kích thước phân tử và tương tác phân

tử, tức áp suất không quá cao và nhiệt độ không quá thấp

• Đối với khí thực:

Mật độ phân tử lớn khi áp suất cao và nhiệt độ thấp

 Không thể bỏ qua kích thước phân tử và tương tác phân tử

 Phương trình trạng thái phải thay đổi

RT

m PV





II Phương trình trạng thái Vandecvan

1 Phương trình cho một Kmol khí

;

V

a P

P P

P   i i 

 V b  RT V

m V

m V

a P

V

m V

2

2 0 0

PT trạng thái Vandecvan

III Họ đường đẳng nhiệt khí thực

1 Lý thuyết (Vandervan)

– Khảo sát P = f(V0)

– TK: tới hạn

VK = 3b, PK = a/27b2, TK = 8a/27bR – T > TK giống KLT

III Họ đường đẳng nhiệt khí thực

3 So sánh hai họ đường đẳng nhiệt

c

IV Nội năng & Hiệu ứng Jun – Tomxơn

1 Nội năng khí thực

2 Hiệu ứng Jun – Tomxơn

– Hiệu ứng: Nhiệt độ thay đổi khi giãn nở cô lập

T R

0

00



Chương 10 Nguyên lý I nhiệt động học

I Nội năng - Công & Nhiệt.

II Nguyên lý I.

III Trạng thái cân bằng & Quá trình cân bằng.

IV Các quá trình cân bằng của khí lý tưởng.

I Nội năng, Công & nhiệt

– Đơn vị: J, Cal; 1 Cal = 4,19 J

4 Phân biệt nội năng với công & nhiệt

– U: phụ thuộc trạng thái; A, Q: phụ thuộc quá trình

U W

Q A



0 0

, 0

0 0

, 0

A

U Q

U Q

A   0    0  

2 1

U    

Q A

Nhận

Sinh ra

III Trạng thái cân bằng & Quá trình cân bằng

1 Trạng thái cân bằng & Quá trình cân bằng

– Trạng thái cân bằng: mọi thông số hoàn toàn xác định

Đồ thi OPV: Biểu diễn bằng một điểm– Quá tình cân bằng: biến đổi liên tiếp giữa các trạng thái cân

III Trạng thái cân bằng & Quá trình cân bằng

2 Công & nhiệt trong quá trình cân bằng

– Công (nhận)

Điều kiện: phải là quá trình cân bằng thì P mới xác định và F = P.S– Nhiệt – Nhiệt dung

• Nhiệt dung riêng

• Nhiệt dung phân tử

• Nhiệt dung trong các quá trình thường gặp:

dl P dS dl P dV A P dV F

A



K kg

J dT

J dT

m

Q

 

dl

IV Các quá trình cân bằng của KLT

1 Đẳng tích.

3 Đẳng nhiệt.

4 Đoạn nhiệt.

IV Các quá trình cân bằng của KLT

1

;

T

P T

P const T

m Q

Q      V

2

1

T R

i

m Q

R

i C

U Q

Q A



2

;

T

V T

V const T

m V

p A

dV P

dV P

m Q

Q      P

2

1

T R

i

m Q

R

i C

Q A

U    P      



2

2 2

i

i C

C

V P

IV Các quá trình cân bằng của KLT

1

; P V P V const

1

2 1

2

1

ln ln

.

P

P RT

m V

V RT

m A

dV P

U

Q     

IV Các quá trình cân bằng của KLT

4 Quá trình đoạn nhiệt

P const

P T const

V T const

V T

const V

T V

T

i d V

dV T

dT

i

V

dV RT

m dT

R i m A

dU A

dU Q

.

0

ln

ln 2

0 2

2 0

1 1

) 1

(

2 1

Quá trình Politropic

• SGK

Q 8 , 31 10 333 323 1039

2

5 32

10 160

2

3 3

m

Q 8 , 31 10 333 323 1454

2

7 32

10 160

Chương 11 Nguyên lý II nhiệt động học

I Quá trình thuận nghịch & bất thuận nghịch.

II Máy nhiệt.

III Hạn chế của nguyên lý I.

IV Phát biểu nguyên lý 2

V Chu trình Cácnô & định lý Cácnô

I Quá trình thuận nghịch & bất thuận nghịch.

– Ví dụ: dao động tắt dần thực tế của con lắc đơn

3 Tính chất của quá trình thuận nghịch

– Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng

– Trong quá trình ngược của quá trình thuận nghịch, hệ phải trải

qua tất cả các trạng thái trung gian của quá trình thuận

– Quá trình thuận nghịch là quá trình lý tưởng, không có trong

thực tế

II Máy nhiệt.

1 Định nghĩa: thiết bị biến đổi công  nhiệt và ngược lại

2 Máy lạnh

– Định nghĩa: là một hệ vĩ mô làm nhiệm vụ dùng năng

lượng từ bên ngoài (cơ năng) để chuyển nhiệt lượng

từ nơi lạnh hơn sang nơi nóng hơn

– Hiệu suất:

3 Động cơ nhiệt

– Định nghĩa: là một hệ vĩ mô làm nhiệm vụ chuyển

nhiệt năng thành cơ năng

1

' 1

'

'

Q

Q Q

Q

A      

t A

P  '

III Hạn chế của nguyên lý I

& Phát biểu nguyên lý II

1 Hạn chế của nguyên lý I

– Không cho biết chiều diễn biến của quá trình thực.

– Theo nguyên lý I, nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công

và ngược lại nhưng thực tế thì công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt còn nhiệt thì không thể biến hoàn toàn thành công.(Hiệu suất các động cơ nhiệt thực < 30%)

– Nguyên lý I không cho biết chất lượng của nguồn nhiệt.

2 Phát biểu nguyên lý II

– Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.– Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2 (có  >= 1)– Trong một hệ cô lập, quá trình thực xảy ra theo chiều tăng của

Entropy

IV Chu trình Cácnô & định lý Cácnô

1 Định nghĩa

– Gồm 2 quá trình đẳng nhiệt và 2

quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau

– Đưa xy lanh vào nguồn nóng T1,

giãn nở đẳng nhiệt tới V2, P2 Khối khí nhận Q1, sinh công A1’

– Giãn đoạn nhiệt tới T2, P3, V3

– Đưa vào nguồn lạnh T2, nén đẳng

nhiệt tới V4, P4 Khối khí nhận công A2, tỏa nhiệt Q2’

2 Hiệu suất của chu trình Các nô có tác nhân là KLT

IV Chu trình Cácnô & định lý Cácnô

1

2' 1

3 1

2

1 4 2

1 1 1

1 3 2

1 2 1

4

3 2

3

4 2

2 2

1

2 1

1

1

.

: 1 4

.

: 3 2

ln ln

'

ln

T T V

V V

V

V T V

T

V T V

T

V

V RT

m V

V RT

m Q

Q

V

V RT

m Q

3 Định lý Các nô

• Định lý: Với cùng T1, T2, hiệu suất mọi động cơ làm việc theo chu

trình Các nô thuận nghịch đều như nhau và là cực đại không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy

• Chứng minh:

– Chu trình thuận nghịch với tác nhân bất kì:

Cùng T1 và T2, giả sử chế tạo được động cơ tác nhân bất kì có hiệu suất 1 > 0 của động cơ có tác nhân là KLT

IV Chu trình Cácnô & định lý Cácnô

11

1 1

'

'

Q

A Q

Cho động cơ O chạy ngược (máy lạnh), lấy

nhiệt do O tỏa ra cấp cho 1 Chỉnh công suất

cho Q11 = Q10, rồi dùng A1’ cấp cho O hoạt

động Kết quả dôi ra A = A1’-A0’ > 0 Tức là

có động cơ chỉ làm việc với một nguồn nhiệt,

biến hoàn toàn nhiệt thành công hay động

cơ vĩnh cử loại 1

Nếu 1 < 0 lập luận tương tự cũng dẫn đến

vô lý

– Chu trình không thuận nghịch.

Do ma sát Athực < A’ (do nhiệt chuyển thành)

Do tỏa nhiệt Q1 (hệ nhận thực) < Q1’ (do

nguồn cấp)

 không thuận nghịch < Các nô

2

2' 11

'

T

T Q

Q Q

4 Ý nghĩa của định lý Các nô

– Luôn có một giới hạn hiệu suất

– Nguồn nhiệt độ cao có chất lượng hơn nguồn có nhiệt độ thấp

– Muốn tăng hiệu suất động cơ thực (không thuận nghịch): giảm

ma sát & tăng cách nhiệt

IV Chu trình Cácnô & định lý Cácnô

gh



 

%5,

62800

3001

800273

527

%

40500

3001

500273

227

300273

27

0 1

0 1

0 2

T

K C

T

K C

T

VI Entropy

1 Bất đẳng thức Claodiut

Tỉ số Q/T : nhiệt thu gọn của quá trình đẳng nhiệt T

– Bất đẳng thức: Tổng đại số nhiệt thu gọn trong chu trình Các nô

1

' 1

'

2

2 1

1

2

2 1

1 1

2 1

2 1

2 1

2 1

Q

T

Q T

Q T

T Q

Q T

T Q

Q Q

A



P

V O

Q

i i





VI Entropy

2 Hàm Entropy

– Chu trình thuận nghịch:

– Nhiệt thu gọn của một quá trình diễn biến giữa 2 trạng thái

không phụ thuộc vào quá trình diễn biến mà chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối

– Định nghĩa: Hiệu entropy giữa hai trạng thái vĩ mô đo bằng

nhiệt thu gọn của một quá trình thuận nghịch giữa hai trạng thái đó

P

V O

2 2

1

1 2 2

1

00

b b

a

b a

T

Q T

Q T

Q

T

Q T

Q T

T

Q S

– Khi đã chọn gốc ở 0K, S ở một trạng thái hoàn toàn xác định

Khi đó S là hàm của trạng thái và:

VI Entropy

4 Nguyên lý tăng Entropy

Quá trình thực 1a2, quá trình lý trưởng 2b1

 chu trình không thuận nghịch

1 2

2 1

1 2

1 2 2

1

0

a b

b a

T

Q S

S

S

S T

Q T

Q T

Q T

1

2

a b

1 2

1

0

S S

S S

P C

m T

T C

m T

dT C

m T

ln2

V C

m T

T C

m T

dT C

m T