NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦANHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC1. Nhiệt động lực học: Khái niệm Nhiệt động lực học (NĐLH): Xuất phát từ ngôn ngữ HyLạp therme (nhiệt) và dynamis (sức mạnh), mô tả những cách thức nhằmbiến đổi nhiệt thành năng lượng.2. Nội năng hệ nhiệt động – Công và nhiệt3. Nội dung, ý nghĩa, hệ quả nguyên lý 14. Các quá trình cân bằng của khí lý tưởng
NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Nhiệt động lực học Nội hệ nhiệt động – Công nhiệt Nội dung, ý nghĩa, hệ nguyên lý Các trình cân khí lý tưởng 1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ) Khái niệm Nhiệt động lực học (NĐLH): Xuất phát từ ngôn ngữ Hy Lạp therme (nhiệt) dynamis (sức mạnh), mô tả cách thức nhằm biến đổi nhiệt thành lượng lượng ) Trên phương diện lịch sử, NĐLH phát triển nhu cầu tăng hiệu suất động nước (thế kỷ 17-18) ) NĐLH: Khoa học lượng, đặc trưng nguyên lý (định luật) nhiệt động lực thể trao đổi lượng hệ vật lý dạng công nhiệt nhiệt ) NĐLH nghiên cứu biến đổi lượng thành công nhiệt mối liên hệ với đại lượng vĩ mô nhiệt độ, thể tích áp suất sở xem xét CĐ tập hợp h hạt h bằ vật lý l thống hố kê k ) Ngày nay, NĐLH bao gồm lĩnh vực nghiên cứu lượng, chuyển đổi lượng, lượng phát điện, điện trính làm lạnh mối quan hệ tính chất nhiệt vật chất NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Cà phê nóng Bộ thu nhận NL mặt ặ trời ời Nhiệt độ môi trường Nhiệt Phòng tắm Nước nóng Bình chứa nước nóng Nước lạnh Trao đổi nhiệt Bơm NỘI NĂNG HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động ) Hệ vật lý bao gồm số lớn hạt (nguyên tử, tử phân tử) ln có CĐ nhiệt hỗn loạn trao đổi NL cho Có thể khối khí, chất rắn, chất lỏng Các vật bên hệ xét gọi mơi trường bên ngồi (xung quanh) ) Hệ cô lập: Nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi Cơ: Hệ khơng trao đổi cơng với mơi trường bên ngồi ) Hệ khơng lập: Hệ có tương tác hay trao đổi cơng nhiệt với mơi trường bên ngồi NỘI NĂNG HỆ NHIỆT ĐỘNG Năng lượng ) Vật chất vận động ⇒ lượng đại l lượng đặ trưng mức đặc ứ độ vận ậ động độ ủ vật ậ chất hấ ) Mỗi trạng thái ⇒ tương ứng dạng vận động xác định ⇔ có lượng xác định Trạng thái thay đổi ⇔ lượng thay đổi Biến thiên lượng hệ trình biến đổi ∈vào trạng thái đầu cuối, ∉ trình biến đổi Năng lượng hàm trạng thái ) Năng lượng: động ứng với CĐ có hướng + thếế hệ trường lực + nội hệ NĐLH: hệệ khôngg CĐ khôngg đặt ặ g trường g lực ự Năng lượng hệ = Nội hệ: W = U NỘI NĂNG HỆ NHIỆT ĐỘNG Cơ Cơng Chỉ xuất q trình biến đổi Nhiệt Xy-lanh ) Đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng thơng qua CĐ có hướng hệ - A A Piston P ) Mô hình: Khối khí đựng xy-lanh giãn nở (CĐ có hướng) ⇒ piston CĐ ⇔ sinh cơng bên ngồi ⇒ NL hệ giảm Khối khí ) Mơ hình: Cung cấp nhiệt cho khối khí giữ nguyên thể tích ⇒ CĐ hỗn loạn phân tử tă ⇒ NL hệ tăng tăng tă ) Đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng thông qua CĐ phân tử - Q Chỉ xuất trình biến đổi NỘI NĂNG HỆ NHIỆT ĐỘNG S tương đ Sự đương iữ công ô nhiệt hiệ ) Công - nhiệt: đại lượng khác có mối liên hệ với ) Công Cô - nhiệt: hiệ đại đ i lượng l đ mức đo ứ độ trao đổi NL ⇒ khơng khơ phải hải NL Thí nghiệm James Joule: nhiệt công thực trọng lực sinh Q trình nhiệt sinh cơng Tốn công = 4,18 J ⇒ thu nhiệt = calo, hoặc, calo nhiệt tạo cơng có giá trị = 4,18 J NGUYÊN LÝ NĐLH ) Định luật bảo tồn chuyển hóa NL cơ: Độ biến thiên lượng hệ trình biến đổi cơng mà hệ trao đổi q trình ΔW = W2 – W1 = A ) Đ/V NĐLH: hệ trao đổi NL dạng công nhiệt (sự tương đương nhau) ΔW = W2 – W1 = A + Q Độ biến thiên lượng hệ q trình biến đổi tổng cơng nhiệt mà hệ nhận q trình ) Ngun lý 1: Do W = U ⇒ ΔU = U2 – U1 = A + Q Trong trình biến đổi, độ biến thiên nội hệ tổng cơng nhiệt mà hệ nhận q trình Nếu q trình biến đổi vơ nhỏ: dU = δA + δQ NGUYÊN LÝ NĐLH Ý nghĩa hĩ ) Qui ước: A > 0: Công hệ nhận Q > 0: Nhiệt hệ nhận A’ = -A < 0: Công hệ sinh Q’ = -Q < 0: Nhiệt hệ sinh ) Nếu: A > Q > ⇒ ΔU > ⇒ U2 > U1 : Nội hệ tăng ⇔ độ tăng nội công nhiệt hệ nhận ) Nếu: A < Q < ⇒ ΔU < ⇒ U2 < U1 : Nội hệ giảm ⇔ độ giảm nội công hệ sinh nhiệt hệ tỏa ộ g hệệ bảo toàn hệệ ) Nếu;; A = Q = ⇒ ΔU = ⇒ U2 = U1 : nội không trao đổi công nhiệt với bên ngồi Năng lượng khơng tự sinh khơng tự đi, chuyển hóa từ dạng d sang dạng d (hoặc khác (h ặ từ hệ sang hệ khác) ) NGUYÊN LÝ NĐLH Hệ ) Hệ 1: trường hợp hệ thực trình kín (chu trình) ⇔ hệ trở lại trạng q trình biến đổi, hay: y U2 = U1 thái ban đầu sau q ⇒ ΔU = U2 – U1 = A + Q = ⇔ A = - Q A > 0: hệ nhận công ⇒ Q < 0: hệ thực tỏa nhiệt Q > 0: hệ nhận nhiệt ⇒ A < 0: hệ thực sinh công Một động muốn sinh công ⇒ phải nhận nhiệt từ bên ngồi Khơng tồn động sinh công mãi mà không cần cung cấp lượng (gọị Động vĩnh cửu loại 1) 10 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Cơng q trình cân ) Khối khí (thể tích V) + xy-lanh + piston ( iế diện (tiết di S) ) F S Piston CĐ ⇔ Hệ (khối khí) nhận công: Tiết diện piston Xy-lanh h Áp suất: p = Piston ) Nén khối khí lực F dl δA = Fdl δA > 0, dl < ⇒ δA = − Fdl H Hay: δA = − pSdl Sdl = − pdV dV Khối khí ) Cơng khối khí nhận q trình biến đổi từ thể tích V1 đến V2 V2 V1 A = ∫ dA = ∫ − pdV 13 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Cơ q Cơng trình ì h cân â bằ p p2 p C2 p1 A C1 p1 O V2 dV V1 p2 V O V1 B V2 V A = S A1B Chiều chu trình ngược chiều kim Chiều ề trình ↑↓ trục V: A > đồng hồ: A > Chiều trình ↑↑ trục V: A < Chiều chu trình thuận chiều kim đồng hồ: A < Cơng q trình cân khơng phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối mà hình dạng đường (các trạng thái trung gian) 14 A = S C1C2V2V1 CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG Nhiệt q trình cân ) Khối khí (khối lượng m, nhiệt độ T) ) Hơ nóng khối khí ⇒ biến thiên nhiệt độ dT Nhiệt hệ (khối khí) nhận trình δQ = mcdT δQ ⇒ có: c = m dT ) Đại lượng vật lý có giá trị nhiệt lượng mà đơn vị khối lượng hệ nhận để nhiệt ệ độ ộ biến thiên độ: ộ Nhiệt ệ dung g ((c)) Đơn vị nhiệt dung: J/kg.K Nhiệt dung phân tử (C): Đại lượng có giá trị lượng mà mol khí nhận hậ đ để nhiệt hiệt độ ủ ó biến biế thiên thiê độ: độ C = μ.c (J/mol.K) (J/ l K) μ: khối lượng mol khí 15 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Nhiệt q trình cân ) Hơ nóng hệ: nhiệt độ tăng ⇒ dT > ⇒ δQ > 0: hệ thực nhận nhiệt ) Làm lạnh hệ: nhiệt độ giảm ⇒ dT < ⇒ δQ < 0: hệ thực tỏa nhiệt ) Nhiệt hi moll khí kh nhận h đ trình h δQ = μcdT = CdT ) Nhiệt Nhiệ khối khí, khí khối lượng l m kg, k nhận hậ đ quáá trình: ì h m δQ = CdT μ ) Mỗi trình nhiệt động ⇒ nhiệt dung phân tử đặc trưng tương ứng m CV dT μ m δQ p = C p dT μ Quá trình đẳng tích: δQV = Q trình đẳng áp: 16 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng tích ) Q trình biến đổi thể tích hệ khơng đổi (V = const) ) Phương trình trình biến đổi (tuân theo đ/l Gay-Lussac): P P P1 P2 = = T T1 T2 ) Công hệ nhận trình biến đổi V2 A = ∫ − pdV = (do V = const) V1 ) Biến thiên nội trình biến đổi m iR m iR Vì U = Vì: ΔT T ⇒ ΔU = μ μ O V ) Nhiệt hệ nhận trình biến đổi m iR ΔT Vì: Q = ΔU − A ⇒ Q = μ 17 CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng tích ) Nhiệt dung phân tử đẳng tích: Có: Q= m iR ΔT μ Mặt khác: QV = m CV ΔT μ iR CV = Khí đơn nguyên tử: i = 3: CV = 3R = 8,31 J / mol.K ≈ cal / mol.K 2 Khí hai h i nguyên ê tử: tử i = 5: CV = 5R = 8,31 J / moll.K ≈ call / moll.K 2 Khí đa nguyên tử: i = 6: 6R = 8,31 J / moll.K ≈ call / moll.K 2 CV = 18 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng ẳ áp ) Khái niệm: trình biến đổi áp suất hệ khơng đổi (p = const) V V1 V2 ) Phương trình trình biến đổi (tuân theo đ/l Gay-Lussac): = = T T1 T2 P ) Cơng hệ nhận q trình biến đổi V2 V2 A = ∫ − pdV = p ∫ − dV = − p (V2 − V1 ) V1 V1 ) Biến thiên nội trình biến đổi Vì: U = m iR T μ ⇒ ΔU = m iR ΔT μ ) Nhiệt hệ nhận trình biến đổi Vì: Q = ΔU − A ⇒ Q = Hay: Q = p O V1 V2 V m iR m iR m ΔT + p(V2 − V1 ) = ΔT + RΔT μ μ μ m ⎛ iR ⎞ ⎜ + R ⎟ΔT μ⎝ ⎠ 19 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng áp ) Nhiệt dung phân tử đẳng áp: m ⎛ iR m ⎞ (CV + R )ΔT + R Δ T = ⎜ ⎟ μ⎝ μ ⎠ m Q p = C p ΔT Mặ khác: Mặt μ Có: Q = C P = CV + R = i+2 R Khí đơn nguyên tử: i = 3: C p ≈ cal / mol.K Khí hai nguyên tử: i = 5: C p ≈ cal / mol.K Khí đa nguyên tử: i = 6: C p ≈ cal / mol.K Khí đơn nguyên tử: i = 3: γ = 1,67 ) Tỉ số Poisson (γ) γ = Cp CV Khí hai nguyên tử: i = 5: γ = 1,40 40 Khí đa nguyên tử: i = 6: γ = 1,33 20 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng nhiệt ) Khái niệm: q trình biến đổi nhiệt độ hệ không đổi (T = const) ) Phương trình: trình biến đổi (tuân theo đ/l Boyle-Mariotte): pV = p1V1 = p2V2 ) Công hệ nhận trình biến đổi V2 P P1 V2 p1V1 V2 A= ∫− p pdV = ∫ − dV = − p1V1 ln V V1 V1 V1 m p V = RT1 Vì: 1 μ m V2 = − ln A RT ⇒ μ V1 ) Biến thiên nội trình biến đổi Vì U = Vì: m iR T μ ⇒ ΔU = P2 O V1 V2 m iR ΔT = (do T = const) μ 21 V CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đẳng nhiệt ) Nhiệt hệ nhận trình biến đổi Vì: Q = ΔU − A ⇒ Q = −A = m V RT1 ln μ V1 Nội hệ khơng đổi q trình biến đổi Hệ nhận công A (A > 0) ⇒ hệ thực tỏa nhiệt Hệ sinh công A (A < 0) ⇒ hệ thực thu nhiệt Quá trình nén đẳng nhiệt: A > Q < 0) ⇒ hệ nhận cơng tỏa nhiệt Q trình giãn đẳng nhiệt: A < Q > 0) ⇒ hệ nhận nhiệt sinh cơng 22 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình Quá t ì h đoạn đ nhiệt hiệt ) Khái niệm: trình biến đổi hệ khơng trao đổi nhiệt với bên ngồi (Q = 0) ) Xét q trình vơ nhỏ: dU = δA + δQ = δA δQ = Vì: U = m iR m T = CV T δA = -pdV μ μ ⇒ m CV dT = − pdV = − m RT dV μ μ V dV Hay: CV dT = − RT V ⇔ dT R dV R + = ⇒ ln T + ln V = const T CV V CV C −C Do: o: R = p V = γ − ⇒ ln T + ( γ − 1) ln V = ln(T V γ −1 ) = const CV CV 23 CÁC Q TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đoạn nhiệt P ) Phương trình trình: T V γ −1 = T1.V1 γ −1 P1 γ −1 = T2 V2 (1) p.V γ = p1.V1γ = p2 V2γ (2) 1−γ Tp γ 1−γ 1−γ γ γ = T1 p1 = T2 p2 (3) P2 O V1 V2 V ) Đặc trưng OpV dốc so với trình đẳng nhiệt Biến thiên nội trình biến đổi: ΔU = δQ = ⇒ dU = δA Nén đoạn nhiệt ⇒ δA > ⇒ dU > ⇒ dT > m iR ΔT μ p tăng V giảm T tă tăng ⇒ γ > ⇒ đường cong dốc 24 CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đoạn nhiệt ) Cơng hệ nhận trình biến đổi: Vì: Q = ⇒ A = ΔU − Q = ΔU = Trong trình h đoạn đ nhiệt: hi V2 V2 m iR ΔT μ pV V γ = p1V1γ = p2V2γ ⇒ p = p1 V V1γ Vγ dV γ dV γ A = ∫ − pdV = ∫ − p1V1 γ = − p1V1 ∫ γ V V V1 V1 V1 ⇒ A= Hay: A = ( p1V1γ V 21− γ − V11− γ ) γ −1 p2V2γV 21− γ − p1V1γV11− γ γ −1 p2V2 − p1V1 = γ −1 25 CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG Q trình đoạn nhiệt ) Cơng hệ nhận trình biến đổi: m p1V1 = − RT1 μ Vì: γ −1 1− γ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎛ V1 ⎞ ⎛ V2 ⎞ m m A = RT1 ⎢⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎥ = RT1 ⎢⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎥ μ ⎢⎣⎝ V2 ⎠ ⎢⎣⎝ V1 ⎠ ⎥⎦ ⎥⎦ μ Lại có: T1.V1 γ −1 1− γ γ Và: T1 p1 γ −1 = T2 V2 1− γ γ = T2 p2 T1 ⎛ V2 ⎞ = ⎜⎜ ⎟⎟ T2 ⎝ V1 ⎠ T1 ⎛ P2 ⎞ = ⎜⎜ ⎟⎟ T2 ⎝ P1 ⎠ 1− γ γ γ −1 ⎛V ⎞ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ V2 ⎠ ⎛ P1 ⎞ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ 1− γ γ −1 γ γ −1 ⎡ ⎤ m RT ⎡ T ⎤ P1V1 (T2 − T1 ) m RT1 ⎛ V1 ⎞ ⎢⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎥ = A= − ⎢ ⎥= (γ − 1)T1 μ γ − ⎢⎝ V2 ⎠ ⎥⎦ μ γ − ⎣ T1 ⎦ ⎣ 26 Những nội dung cần lưu ý Nguyên lý nhiệt động lực học (nội dung, biểu thức, ý nghĩa hệ quả) Khái niệm trạng thái cân trình cân bằng, điều kiện ệ tiến hành để có q trình cân g Các biểu thức tính cơng nhiệt trình cân bằngg đẳngg áp, p, đẳngg nhiệt, ệ , đẳngg tích,, đoạn nhiệt ệ Khái niệm cách thiết lập phương trình liên hệ áp suất thể tích khối khí q trình đoạn nhiệt 27 ...1 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ) Khái niệm Nhiệt động lực học (NĐLH): Xuất phát từ ngôn ngữ Hy Lạp therme (nhiệt) dynamis (sức mạnh), mô tả cách thức nhằm biến đổi nhiệt thành lượng lượng... triển nhu cầu tăng hiệu suất động nước (thế kỷ 17-18) ) NĐLH: Khoa học lượng, đặc trưng nguyên lý (định luật) nhiệt động lực thể trao đổi lượng hệ vật lý dạng công nhiệt nhiệt ) NĐLH nghiên cứu biến... chất nhiệt vật chất NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Cà phê nóng Bộ thu nhận NL mặt ặ trời ời Nhiệt độ mơi trường Nhiệt Phòng tắm Nước nóng Bình chứa nước nóng Nước lạnh Trao đổi nhiệt Bơm NỘI NĂNG HỆ NHIỆT ĐỘNG