Nhiệt động lực học kỹ thuật

1 Mơc lơc TƠ DUY PHƯƠNG NhiƯt ®éng lùc häc kỹ thuật Nhà xuất đại học quốc gia hà néi Mơc lơc Mơc lơc Trang Lời nói đầu 11 Ký hiệu, chữ viết tắt 13 Lịch sử phát triển 25 Chương I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Hệ 29 1.1.1 Định nghĩa 29 1.1.2 Trạng thái hệ .31 1.1.3 Quá trình chuẩn cân 33 1.1.4 Quá trình thuận nghịch 34 1.2 Áp suất 35 1.2.1 Áp suất chất khí .35 1.2.2 Áp suất chất lỏng .36 1.3 Thể tích 36 1.4 Khối lượng 37 1.4.1 Định nghĩa .37 1.4.2 Tính chất 37 1.4.3 Khối lượng tương đối tính .38 1.4.4 Khối lượng riêng .39 1.4.5 Khối lượng riêng trung bình, tỷ khối 40 1.5 Nhiệt độ 41 1.5.1 Các định nghĩa 41 1.5.2 Các thang đo nhiệt độ .43 1.5.3 Sự thay đổi nhiệt độ khí thực 45 1.6 Trọng lượng riêng 46 NhiƯt ®éng lùc häc kü tht 1.6.1 Các định nghĩa 46 1.6.2 Tính tốn, xác lập 47 1.7 Lượng chất 51 1.7.1 Định nghĩa .51 1.7.2 Tính tốn, xác lập 51 1.8 Thể tích phân tử .52 1.8.1 Định nghĩa ký hiệu 52 1.8.2 Tính tốn, xác lập 52 1.8.3 Các tính chất 52 1.9 Trọng lượng phân tử 53 1.9.1 Định nghĩa ký hiệu .53 1.9.2 Tính tốn, xác lập 53 1.10 Nồng độ phân tử 53 1.10.1 Định nghĩa .54 1.10.2 Tính tốn, xác lập 54 1.10.3 Phần lượng .55 1.11 Phần mol .55 1.12 Hoạt độ (hóa học) 55 1.12.1 Các định nghĩa hoạt độ 55 1.12.2 Tính tốn, xác lập 56 1.12.3 Quan hệ hóa hoạt độ 56 1.12.4 Hệ số hoạt độ 56 1.12.5 Dung dịch lý tưởng 57 1.12.6 Hoạt độ hóa học Chương II KHÍ LÝ TƯỞNG 2.1 Khái niệm 59 2.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 61 2.3 Các tính chất khí lý tưởng .62 2.3.1 Năng lượng học 62 2.3.2 Phương trình Van der Waals 63 2.3.3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng .63 MôC LôC 2.4 Các định luật khí lý tưởng .64 2.4.1 Định luật Boyle-Mariott 64 2.4.2 Định luật Gay-Lussac 65 2.4.3 Định luật Charles 66 2.4.4 Định luật Dalton 67 2.4.5 Các định luật số khí 68 2.5 Ứng dụng phương trình khí lí tưởng 70 Chương III ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.1 Nhiệt, công nội 71 3.1.1 Nhiệt .71 3.1.2 Công 72 3.1.3 Nội 74 3.1.4 Năng lượng chuyển động nhiệt nội khí lý tưởng 79 3.1.5 Quan hệ nhiệt lượng công học .85 3.2 Phát biểu định luật I 88 3.2.1 Thí nghiệm James Prescott Joule .88 3.2.2 Khảo sát nguyên lý thứ nhiệt động lực học 90 3.3.3 Biểu thức tích phân nguyên lý thứ 91 Chương IV NHIỆT DUNG VÀ DẪN NHIỆT 4.1 Nhiệt dung .93 4.1.1 Định nghĩa nhiệt dung .93 4.1.2 Nhiệt dung riêng 93 4.2 Dẫn nhiệt – Entanpy 101 4.2.1 Dẫn nhiệt .101 4.2.2 Entanpy 102 4.2.3 Nhiệt phản ứng định luật Hess 103 4.2.4 Nhiệt nhiệt dung đẳng áp 106 NhiƯt ®éng lùc häc kü thuËt Chương V Định luật thứ hai ba nhiệt động lực học 5.1 Khái niệm lịch sử phát triển định luật 107 5.1.1 Khái niệm 107 5.1.2 Lịch sử định luật nhiệt động lực học 109 5.1.3 Lịch sử entropy 110 5.2 Chu trình Carnot 110 5.2.1 Khái niệm chung 115 5.2.2 Nguyên lý Carnot 119 5.2.3 Chu trình thuận nghịch khơng thuận nghịch .122 5.2.4 Chu trình Carnot thuận nghịch .133 5.3 Entropy 134 5.3.1 Tính khơng bảo tồn entropy 134 5.3.2 Những biến đổi mang tính thuận nghịch 134 5.3.3 Những biến đổi mang tính không thuận nghịch 135 5.4 Phát biểu định luật nhiệt động lực học 135 5.4.1 Các định đề .136 5.4.2 Các phát biểu định luật 5.5 Phương trình định luật thứ nhiệt động lực học mô tả biến thiên entropy 136 5.5.1 Phương trình định luật nhiệt động lực học trình biến đổi thuận nghịch 136 5.5.2 Phương trình định luật nhiệt động lực học q trình biến đổi liên tục khép kín .139 5.6 Quan hệ etropy thông số nhiệt động theo đạo hàm hàm số nhiệt động 142 5.7 Entropy theo vật lý thống kê 144 5.8 Định luật nhiệt động lực học .151 5.8.1 Các định đề 151 5.8.2 Phát biểu định luật nhiệt động lực học 152 5.8.3 Nhiệt độ không tuyệt đối 153 5.9 Định luật không nhiệt động lực học 153 5.9.1 Nhiệt động học cân 153 5.9.2 Các phát biểu định luật không nhiệt động lực học 154 MôC LôC Chương VI DẪN NHIỆT 6.1 Khái niệm dẫn nhiệt .155 6.2 Định luật Fourier 157 6.2.1 Phát biểu định luật Fourier 157 6.2.2 Biểu diễn toán học định luật Fourier 157 6.2.3 Trường nhiệt độ 158 6.2.4 Công suất nguồn nhiệt 161 6.2.5 Hệ số dẫn nhiệt .161 6.3 Phương trình truyền nhiệt 163 6.3.1 Khái niệm chung 163 6.3.2 Bài tốn vật lý phương trình 164 6.3.3 Giải phương trình nhiệt chuỗi Fourier 165 Chương VII QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG 7.1 Động 169 7.2 Công suất .172 7.3 Năng lượng tự Gibbs .173 7.3.1 Ký hiệu 173 7.3.2 Tính tốn, xác lập 173 7.3.3 Các tính chất 173 Chương VIII CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 8.1 Quá trình đẳng nhiệt 175 8.1.1 Biểu diễn trình .175 8.1.2 Các tính chất 177 8.2 Quá trình đẳng áp 178 8.2.1 Biểu diễn trình .178 8.2.2 Các tính chất 179 8.3 Q trình đẳng tích .181 8.3.1 Biểu diễn trình .181 8.3.2 Các tính chất 182 8.4 Quá trình đoạn nhiệt 183 NhiƯt ®éng lùc häc kü thuËt 8.4.1 Biểu diễn trình .183 8.4.2 Các tính chất 186 8.5 Quá trình đẳng entropy 186 8.5.1 Biểu diễn trình .186 8.5.2 Các tính chất – xác lập quan hệ 187 8.6 Quá trình đẳng Entanpy .189 8.6.1 Biểu diễn trình .189 8.6.2 Các tính chất 190 8.7 Quá trình đa biến 191 8.7.1 Quá trình diễn biến .191 8.7.2 Các tính chất 194 Chương IX NHIỆT CHUYỂN THỂ VÀ CHUYỂN PHA 9.1 Nhiệt chuyển thể 197 9.1.1.Định nghĩa .197 9.1.2 Tính tốn, xác lập 198 9.2 Phương trình chuyển pha Clausius-Clapeyron 199 9.2.1 Biểu diễn phương trình 199 9.2.2 Xác lập phương trình .199 9.3 Nhiệt hóa lỏng (nóng chảy) 200 9.3.1 Những định nghĩa 200 9.3.2 Tính chất 201 9.3.3 Ký hiệu xác lập 201 9.4 Nhiệt đông đặc .202 9.4.1 Những định nghĩa 202 9.4.2 Tính chất 202 9.4.3 Ký hiệu xác lập 202 9.4.4 Nhiệt đông đặc riêng 203 9.5 Nhiệt hóa 203 9.5.1 Các định nghĩa .203 9.5.2 Các tính chất 204 9.6 Nhiệt ngưng tụ .207 MôC LôC 9.6.1 Các định nghĩa .207 9.6.2 Các tính chất 207 9.7 Nhiệt thăng hoa .208 9.7.1 Các định nghĩa .208 9.7.2 Các tính chất 209 9.7.3 Ứng dụng 210 9.7.4 Ký hiệu xác lập nhiệt thăng hoa 210 9.8 Các trình chuyển pha 210 Phụ lục 215 Tài liệu tham khảo .235 Ch−¬ng II khÝ lý t−ëng 69 Liên hệ số Boltzmann kB với số khí R số Avogadro NA: kB = R / NA Hằng số Faraday Đi từ biểu thức số khí R = NA kB, số Faraday FF điện tích nguyên tử e biểu diễn sau: FF = N A e (II.25) Hằng số Planck Hằng số Planck, đặt tên theo nhà vật lý Max Planck, ký hiệu ħ, số vật lý xuất toán vật lý lượng tử: ħ = 6,626068896 × 10-34J.s với J joule s giây Khi dùng electronvolt (eV) đơn vị đo lượng thì: ħ = 4,135667334 × 10-15eV.s Hằng số có đơn vị đo lượng nhân thời gian Một số liên quan thường gặp lý thuyết lượng tử số Planck đơn giản hay số Planck rút gọn, gọi số Planck-Dirac, ký hiệu ħ (đọc "hát ngang"), định nghĩa là: = h 2π (II.26) với π số pi Hằng số Planck dùng miêu tả hạt electron hay photon với tính chất vật lý có giá trị gián đoạn khơng liên tục Ví dụ, lượng hạt photon có tần số νfoton là: εphoton = hνphoton (II.27) Do lượng chùm ánh sáng (chùm hạt photon) có tần số ν có giá trị số nguyên lần lượng nhỏ (số nguyên số hạt photon chùm, lượng nhỏ lượng hạt photon): 70 NhiƯt ®éng lùc häc kü thuËt εphoton = nhvphoton n∈ N (II.28) Hằng số Planck xuất nguyên lý bất định tiếng Werner Heisenberg 2.5 Ứng dụng phương trình khí lí tưởng Đi từ phương trình khí lý tưởng p.V = n.R.T ta có: p.V = N.kB.T (II.29) Với p: áp suất, V: thể tích, N: số nguyên tử hay phân tử, T: nhiệt độ tuyệt đối; n: số mol Tính hiệu điện nhiệt Uhđ vật lí bán dẫn U hđ = k B T q với T: nhiệt độ tuyệt đối, q: (e) điện tích nguyên tử Ở nhiệt độ phòng 27°C (T = 300 K), UT ≈ 26 mV (II.30) ... Như thuật ngữ nhiệt động học (hay nhiệt động lực học) có hai nghĩa: Khoa học nhiệt động nhiệt (nhiệt động học cổ điển) Khoa học hệ thống trạng thái cân (nhiệt động học cân bằng) Ban đầu, nhiệt động. .. loại Nhiệt động lực học phân ra: + Nhiệt động lực học cân – nghiên cứu hệ nhiệt động trạng thái gần cân + Nhiệt động lực học cổ điển - nghiên cứu hệ theo quan điểm vĩ mô; khoa học nhiệt động nhiệt. .. hay nhiệt động lực học cân làm việc với trình trao đổi lượng đạt đến trạng thái gần cân Các q trình nhiệt động lực học khơng cân nghiên cứu nhiệt động lực học phi cân Các định luật nhiệt động lực