Bài giảng vật lý đại cương chương 4 hệ nhiệt động

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture Chương Hệ nhiệt động §1 Một số khái niệm §2 Một số quy luật phân bố hệ khí §3 Các thông số đặc trưng cho hệ khí §4 Năng lượng Công nhiệt lượng §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Mở đầu Nhiệt học N/C tượng liên quan đến trình xảy bên hệ (vật) Những tượng liên quan đến dạng chuyển động khác vật chất → chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt Chuyển động hỗn loạn phân tử/ nguyên tử Chuyển động nhiệt đối tượng nghiên cứu vật lý phân tử nhiệt động lực học Phương pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu + Phương pháp thống kê + Phương pháp nhiệt động lực Mở đầu Phương pháp thống kê: Nghiên cứu đặc điểm phần tử áp dụng quy luật thống kê để tìm quy luật chung cho hệ giải thích t/c hệ Phương pháp cho ta biết chất sâu sắc tượng Phương pháp nhiệt động lực: Nghiên cứu trình chuyển hóa dạng lượng dựa vào kết thực nghiệm từ quan sát trình tự nhiên Phương pháp giải tốt vấn đề thực tế không cho ta biết chất tượng §1 Một số khái niệm I Hệ nhiệt động Khái niệm Hệ nhiệt động tập hợp phân tử/ nguyên tử chuyển động không gian định Phân loại hệ nhiệt động Hệ cô lập: Hệ không trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Ví dụ: Khối nước nóng phích có khả cách nhiệt tốt… §1 Một số khái niệm Hệ kín: Hệ không trao đổi vật chất có trao đổi lượng với môi trường xung quanh Ví dụ: Khối nước nóng phích có khả cách nhiệt kém… Hệ mở: Hệ trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Ví dụ: Khối nước nóng phích mở nắp… §1 Một số khái niệm II Hệ khí lý tưởng + Kích thước (đường kính) phân tử vô nhỏ → phân tử chất điểm + Các phân tử chuyển động tịnh tiến hỗn loạn Chúng va chạm với với thành bình cách ngẫu nhiên + Các phân tử không tương tác với trừ lúc va chạm + Va chạm phân tử với với thành bình va chạm đàn hồi §1 Một số khái niệm §2 Một số quy luật phân bố hệ khí I Quy luật phân bố theo không gian Xét hệ khí gồm phân tử loại, chứa thể tích V, chia tưởng tượng thành ngăn A B Ta đặt tên phân tử a, b, c, d có cách phân bố thể bảng a b c d A B §2 Một số quy luật phân bố hệ khí Bảng phân bố theo không gian Số TT A abcd B abcd abc d abd c acd b bcd a d abc c abd b cd 10 a bcd 11 ab cd 12 ac bd 13 ad bc 14 cd ab 15 bd ac 16 bc ad Trạng thái Số trạng Xác suất Tính chất vĩ mô thái vi mô trạng thái vĩ mô trạng thái I 1/16 Không II III 4/16 Gần IV 4/16 Gần V 6/16 Đều Không §2 Một số quy luật phân bố hệ khí Nhận xét + Xu hướng vận động tự nhiên đưa hệ đến trạng thái mà phân tử phân bố đồng + Khi hệ đạt trạng thái phân bố đồng khả hệ tự trở trạng thái phân bố không đồng ban đầu nhỏ không xảy Trạng thái phân bố đồng trạng thái phân bố hỗn loạn §3 Một số thông số Như vậy, với hệ khí có khối lượng M, nhiệt độ T, phân tử có i bậc tự có nội năng: i i M U  N kT  RT 2  i Với mol khí nội năng: U  RT → Nội mol khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ hệ Khi nhiệt độ thay đổi lượng T nội thay đổi lượng U i U  RT §4 Năng lượng Công Nhiệt lượng I Năng lượng Định nghĩa: Năng lượng đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động vật chất Với chất khí, lượng số đo mức độ vận động phân tử khí hệ Đó nội U Nhận xét Mỗi trạng thái hệ (vật) ứng với lượng xác định → lượng hàm trạng thái (Phụ thuộc vào trạng thái hệ) §4 Năng lượng Công Nhiệt lượng II Công nhiệt lượng Công Công đại lượng đặc trưng cho phần lượng trao đổi hệ tương tác với Kết quả: Làm thay đổi mức độ chuyển động định hướng hệ Ví dụ: Đốt nóng khối khí xi lanh, khối khí giãn nở đẩy pít tông dịch chuyển → khối khí thực công §4 Năng lượng Công Nhiệt lượng Nhiệt lượng Nhiệt lượng số đo phần lượng trao đổi hai hệ tương tác thông qua trao đổi trực tiếp lượng phân tử chuyển động hỗn loạn hệ Kết quả: Làm thay đổi mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử hệ Ví dụ: Đốt nóng khối khí xi lanh, giữ cố định piston → nhiệt độ khối khí tăng lên → ptử khí chuyển động nhanh → nội khối khí tăng lên → nhiệt lượng truyền cho khối khí xi lanh §4 Năng lượng Công Nhiệt lượng Công Nhiệt lượng Giống nhau: Cùng phần lượng trao đổi hệ nhiệt động, xuất trình trao đổi lượng hệ nhiệt động Khác nhau: Công liên quan đến chuyển động có trật tự hệ, nhiệt lượng liên quan đến chuyển động hỗn loạn phân tử Sự tương đương công nhiệt lượng: Công biến thành nhiệt nhiệt biến thành công 4.18J Û 1calo §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học I Nguyên lý I Phát biểu: Độ biến thiên nội hệ trình tổng công nhiệt lượng mà hệ nhận Biểu thức U  U  U1  A  Q (1) Quy ước A > 0, Q > 0; hệ nhận công nhiệt lượng từ môi trường xung quanh A < 0, Q < 0; hệ thực công tỏa nhiệt môi trường xung quanh Đối với trình biến đổi vô nhỏ: dU = d A + d Q §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Hệ + Nếu hệ không nhận nhiệt lượng từ bên (Q = 0) mà liên tục sinh công (A < 0) nội hệ phải giảm: ∆U < + Đối với hệ cô lập, hệ không trao đổi công nhiệt lượng với môi trường (A = Q = 0) nội hệ bảo toàn: ∆U = → U = const → Xét hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt, gọi Q nhiệt lượng mà hệ nhận vào: Q = Q1 + Q2 =  Q1  Q2 §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học + Đối với máy làm việc theo chu trình khép kín U2 = U1 Þ DU = Þ A = -Q → Công mà hệ nhận vào nhiệt lượng mà hệ tỏa công mà hệ sinh nhiệt lượng mà hệ nhận vào Ý nghĩa Nguyên lý I Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại 1, động sinh công liên tục mà không nhận nhiệt lượng từ bên sinh công lớn nhiệt lượng nhận Tạo động vĩnh cửu loại I ??? §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học II Hạn chế Nguyên lý I Nguyên lý II Hạn chế nguyên lý I + Nguyên lý I chưa cho biết chiều diễn biến trình nhiệt + Nguyên lý I chưa nêu lên khác nhiệt công Công chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt nhiệt chuyển hóa hoàn toàn thành công + Nguyên lý I chưa đề cập đến chất lượng nhiệt Thực tế, nhiệt lượng lấy từ nguồn có chất lượng nhiệt cao sinh công lớn §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Nguyên lý II Clausius Nhiệt tự động truyền từ nguồn lạnh sang nguồn nóng Thompson Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại 2, loại động hoạt động tuần hoàn theo chu trình khép kín biến đổi liên tục nhiệt lượng thành công mà tiếp xúc với nguồn nhiệt §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Động nhiệt Động nhiệt động biến nhiệt thành công: Động nước, động đốt trong… Nguồn nóng ĐC nhiệt hoạt động tuần hoàn theo chu trình khép kín ĐC nhiệt Q1 Q2 Tác nhân: nước, chất khí, ga… Nguồn lạnh W §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Hiệu suất động nhiệt Q2 A Q1  Q2    1 Q Q1 Q1 Hiệu suất động nhiệt η < Với tác nhân khí lý tưởng, động làm việc theo chu trình Carnot → hiệu suất động phụ thuộc vào T1 (nguồn nóng) nhiệt độ T2 (nguồn lạnh ) theo hệ thức: Q1  Q2 Q2 T2   1  1 Q1 Q1 T1 §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Chu trình Carnot p Q Chu trình Carnot đơn giản T gồm bốn trình • Giãn đẳng nhiệt nhiệt độ T1 từ T Q trạng thái → 2, nhận nhiệt Q1 từ V nguồn nóng • Giãn đoạn nhiệt → 3, giảm nhiệt độ từ T1 xuống T2 • Nén đẳng nhiệt nhiệt độ T2 từ trạng thái → 4, nhả nhiệt Q2 nguồn lạnh • Nén đoạn nhiệt → 1, tăng nhiệt độ từ T2 lên T1 1 2 §5 Các nguyên lý nhiệt động lực học Chu trình Carnot • Chu trình thuận 12341, hệ nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng, sinh công A nhả nhiệt Q2 nguồn lạnh → động nhiệt • Chu trình nghich 14321, hệ nhận công A, nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh nhả nhiệt Q1 sang nguồn nóng → máy lạnh • Hiệu suất động nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot: A Q1 - Q2 Q2 h= = =1→ Cần tính Q1, Q2 Q1 Q1 Q1 ... §1 Một số khái niệm I Hệ nhiệt động Khái niệm Hệ nhiệt động tập hợp phân tử/ nguyên tử chuyển động không gian định Phân loại hệ nhiệt động Hệ cô lập: Hệ không trao đổi vật chất lượng với môi...Mở đầu Nhiệt học N/C tượng liên quan đến trình xảy bên hệ (vật) Những tượng liên quan đến dạng chuyển động khác vật chất → chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt Chuyển động hỗn loạn phân... thông số II Nhiệt độ Ý nghĩa: Nhiệt độ hệ đặc trưng cho mức độ chuyển động phân tử hệ Nhiệt độ hệ tỷ lệ với động trung bình phân tử hệ Wđ  kT ; k  1,38.1023 J / K k số Boltzmann; T nhiệt độ tuyệt