Giáo trình Vật lý đại cương: Phần 2 - ĐH Sư phạm kỹ thuật Nam Định

Tiếp nội dung phần Cơ học, phần Nhiệt học gồm các chƣơng: Mở đầu; Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học; Nguyên lý thứ hai nhiệt động học. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

PHẦN NHIỆT HỌC Trong phần học ta nghiên cứu dạng chuyển động Khi nghiên cứu chuyển động ta chƣa ý đến q trình xảy bên vật, chƣa xét đến trình liên quan đến cấu tạo vật Ta biết vật đƣợc cấu tạo vô số phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Những tƣợng „nhiệt‟ tƣợng có liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn phân tử Vì chuyển động hỗn loạn phân tử gọi chuyển động nhiệt Nhiệt học môn nghiên cứu tƣợng dựa sở hiểu biết cấu tạo vật chất Đối tƣợng nghiên cứu hệ gồm số lớn phân tử chuyển động Nhiệm vụ nghiên cứu mối liên hệ tính chất vĩ mơ hệ vật chất ( VD: T, p, …) với tính chất định luật chuyển động phân tử cấu tạo nên hệ Để nghiên cứu chuyển động nhiệt ngƣời ta dùng phƣơng pháp thống kê phƣơng pháp nhiệt động Phƣơng pháp thống kê: Phƣơng pháp phân tích trình xảy phân tử, nguyên tử riêng biệt cấu tạo nên vật, dựa vào quy luật thống kê để tìm quy luật chung cho tập hợp phân tử tính chất vật Phƣơng pháp nhiệt động: Là phƣơng pháp dựa sở nguyên lý rút từ thực tiễn để giải thích tƣợng nhiệt mà không ý đến cấu tạo phân tử vật Phƣơng pháp nghiên cứu tƣợng quan điểm biến đổi lƣợng tƣợng 124 Chương MỞ ĐẦU 1.1 THƠNG SỐ TRẠNG THÁI VÀ PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ 1.1.1.Thông số trạng thái phƣơng trình trạng thái Khi ta nghiên cứu vật thấy tính chất vật thay đổi ta nói trạng thái vật thay đổi Trạng thái vật đƣợc xác định tập hợp tính chất, tính chất lại đƣợc đặc trƣng đại lƣợng vật lý Nhƣ trạng thái vật đƣợc xác định tập hợp xác định đại lƣợng Vật lý Các đại lƣợng gọi thông số trạng thái hệ Hệ thức thông số trạng thái vật gọi phƣơng trình trạng thái vật Ví dụ Để xác định trạng thái khối khí ta có ba thơng số trạng thái là: áp suất p, thể tích V, nhiệt độ tuyệt đối T Ba thơng số gọi thông số nhiệt Thực nghiệm chứng tỏ ba thơng số có hai thơng số độc lập, nghĩa tìm đƣợc phƣơng trình trạng thái dạng tổng qt khối khí: f  p,V ,T   (1.1) 1.1.2 Khái niệm áp suất nhiệt độ a, Áp suất Áp suất đại lƣợng vật lý có giá trị lực nén vng góc lên đơn vị diện tích p F S (1.2) Cịn chất khí, áp suất chất khí lực mà phân tử khí lực mà phân tử khí tác dụng vng góc lên đơn vị diện tích thành bình 125 Đơn vị áp suất:  Trong hệ SI N / m2 hay Paxcan (Pa)  Ngồi cịn có đơn vị khác: at, atm, mmHg, tor, bar - Atmôtphe vật lý (at): 1at  9,81.104 N / m2  736mmHg , - Atmôtphe kĩ thuật (atm): 1atm  1,033at  1,013.105 N / m2 b, Nhiệt độ Nhiệt độ khái niệm Vật lý phân tử nhiệt học Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô vật, thể mức độ nhanh chậm chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật Để định nghĩa nhiệt độ cách định lƣợng, cần có thang đo gán cho thang số khác ứng với mức độ nóng lạnh khác Dụng cụ để đo nhiệt độ gọi nhiệt kế Hai thang nhiệt độ đƣợc sử dụng phổ biến Vật lý là:  Thang nhiệt độ Celcius (thang nhiệt độ bách phân) Trong thang nhiệt độ này, nhiệt độ bắt đầu đóng băng của nƣớc tinh khiết đƣợc quy ƣớc oC cịn nhiệt độ sơi nƣớc 760mmHg đƣợc gán cho giá trị 100 oC Sử dụng nhiệt kế thủy ngân, độ chênh lệch độ cao cột thủy ngân đƣợc chia làm 100 vạch (nên có tên gọi thang nhiệt bách phân 100 phần), vạch ứng với 1oC thang nhiệt độ Celcius Trong thang nhiệt độ Celcius nhiệt độ âm, không, dƣơng Nhiệt độ thấp thang Celcius 273,16 oC Kí hiệu nhiệt độ thang Celcius t oC  Thang nhiệt độ Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) Trong thang nhiệt độ này, nhiệt độ vật đƣợc kí hiệu là: T K 126 Một độ chia thang Kelvin độ chia thang Celcius, nhƣng không độ tuyệt đối 0K thang Kelvin tƣơng ứng với -273,16oC thang nhiệt Celcius Khi T  0K phân tử ngừng chuyển động nhiệt hỗn loạn Vậy thang độ Kelvin khơng có nhiệt độ âm Do thang nhiệt độ đƣợc gọi thang nhiệt độ tuyệt đối Mối liên hệ thang nhiệt độ Kelvin thang nhiệt độ Celcius: TK  273,16  t oC (1.3) Trong tính tốn đơn giản ta thƣờng lấy: TK  273  t oC 1.2 CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ Các định luật thực nghiệm ta tìm hiểu định luật Boiler– Mariot, định luật Gay – Lussac Đây định luật đƣợc tìm nhờ đƣờng thực nghiệm Cụ thể ngƣời ta xét trình biến đổi trạng thái khối khí định thơng số có giá trị đƣợc giữ khơng đổi Q trình gọi đẳng q trình Chúng ta có ba đẳng q trình đẳng nhiệt, đẳng tích đẳng áp đƣợc nghiên cứu Boiler – Mariot Gay – Lussac 1.2.1 Định luật Boiler – Mariot Boiler (1669), Mariot (1676) nghiên cứu trình đẳng nhiệt chất khí Hai ơng giữ nhiệt độ khối khí định khơng đổi (T = const) tìm hệ thức liên hệ áp suất p thể tích V: p T1  T2 T2 T1 O pV  const V (1.4) Nhƣ vậy: Trong trình đẳng nhiệt khối khí, thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất, hay nói cách khác tích số thể tích áp suất khối khí số Đƣờng biểu diễn biến thiên áp suất theo thể tích T không đổi gọi đƣờng đẳng nhiệt 127 Trong hệ trục OpV đƣờng đẳng nhiệt đƣờng Hypebol Ứng với nhiệt độ khác ta có đƣờng đẳng nhiệt khác Đƣờng nằm ứng với nhiệt độ cao 1.2.2 Định luật Gay – Lussac a, Q trình đẳng tích Trên thực tế định luật q trình đẳng tích đƣợc tìm Sáclơ nhƣng ông không công bố nên định luật trình đẳng tích đƣợc gọi định luật Gay – Lussac nhiều sách gọi định luật Sáclơ thứ hai: Trong q trình đẳng tích chủa khối khí định, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối p  const T (1.5) Đƣờng biểu diễn biến thiên áp suất theo nhiệt độ tuyệt đối thể tích đƣợc giữ khơng đổi đƣờng đẳng tích Trong hệ trục OpT đƣờng đẳng tích đƣờng thẳng có đƣờng kéo dài qua gốc O b, Quá trình đẳng áp Định luật trình đẳng áp định luật Gay – Lussac cịn gọi định luật Sáclơ thứ nhất: Trong trình đẳng áp khối khí định thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối V  const T (1.6) Đƣờng biểu diễn phụ thuộc thể tích vào nhiệt độ tuyệt đối áp suất không đổi đƣờng đẳng áp Trong hệ trục OVT đƣờng đẳng áp đƣờng thẳng có đƣờng kéo dài qua gốc tọa độ O 1.2.3 Giới hạn ứng dụng định luật Boiler – Mariot Gay – Lussac 128 Các định luật đƣợc rút từ thực nghiệm Trong trình nghiên cứu nhà bác học sử dụng chất khí nhiệt độ áp suất thơng thƣờng Vì định luật áp dụng cho khối khí nhiệt độ áp suất thơng thƣờng phịng thí nghiệm Nếu áp suất khí cao nhiệt độ khí q thấp, chất khí khơng cịn tn theo định luật 1.3 PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG 1.3.1 Khí lý tƣởng Mẫu khí lý tƣởng mẫu khí đƣợc xây dựng để đảm bảo cho định luật Boiler – Mariốt, Gay – Lussac đƣợc nghiệm Đó mẫu khí đó:  Các phân tử khí lí tƣởng đƣợc coi chất điểm chuyển động hỗn loạn không tƣơng tác với lực hút phân tử trừ chúng va chạm với va chạm với thành bình  Va chạm phân tử va chạm với thành bình đƣợc xem va chạm hồn tồn đàn hồi  Kích thƣớc riêng phân tử không đáng kể so với khoảng cách chúng Nhiều chất khí áp suất nhiệt độ phịng coi khí lí tƣởng 1.3.2 Phƣơng trình trạng thái khí lí tƣởng p a, Thiết lập p1 Xét kmol khí lý tƣởng có khối lƣợng  M1 p2 Lúc đầu, khối khí trạng thái: M1( p1,V1,T1) p1 Sau đó, khối khí biến đổi sang trạng thái: O V1 T1 T2 M2 M 1 V2 V M ( p ,V2 ,T2 ) Giả sử khí biến đổi từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối theo hai giai đoạn: 129  Giai đoạn 1: Quá trình đẳng nhiệt (nhiệt độ T1 khơng đổi) Khí biến đổi từ M1  M1 ( p1, V2 ,T1) Theo định luật Boiler – Mariot: p1.V1  p1.V2  (1.7) Giai đoạn 2: Q trình đẳng tích (thể tích V2 khơng đổi) Khí biến đổi từ M1  M 2 ( p2V2 ,T2 ) Theo định luật Gay – Lussac: p1 T1  T p p2  p1  T2 T2 (1.8) Thay (1.8) vào (1.7) ta có: p1.V1  p2.V2 T1 , T2 (1.9) p1.V1 p2 V2  T1 T2 (1.10) Vậy kmol khí cho ta có hệ thức: pV  const T (1.11) Xét kmol khí điều kiện tiêu chuẩn ta có: p0.V J  8,31.103 kmol.K T0 (1.12) p V R  0  8,31.103 (1.13) Đặt: T0 J , kmol.K R gọi số khí Xét với n kmol khí, n  pV m  R T  m  ta có: (1.14) 130 b, Phương trình Chất khí (gần với khí lí tƣởng) tn theo phƣơng trình trạng thái: pV  m  RT , (1.15) đó:  p áp suất khối khí ( N m2 ),  V thể tích khối khí ( m3 ),  T nhiệt độ tuyệt đối khối khí ( K ) ,  m khối lƣợng khối khí ta xét (kg ) ,   khối lƣợng kmol khí (kg / kmol ) ,  R số khí lý tƣởng: R  8,31.103 J kmol.K Chú ý: Có thể sử dụng đơn vị m g,  g/mol, R = 8,31 J/mol.K 131 TỔNG KẾT CHƢƠNG I Áp suất Áp suất đại lượng vật lý có giá trị lực nén vng góc lên đơn vị diện tích p F S Đơn vị áp suất:  Trong hệ SI N / m2 hay Paxcan (Pa)  Ngoài cịn có đơn vị khác: at, atm, mmHg, tor, bar: - Atmôtphe vật lý (at): 1at  9,81.104 N / m2  736mmHg , - Atmôtphe kĩ thuật (atm): 1atm  1,033at  1,013.105 N / m2 Nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mơ vật, thể mức độ nhanh chậm chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật Mối liên hệ thang nhiệt độ Kelvin thang nhiệt độ Celcius: TK  273  t oC Phương trình trạng thái khí lí tưởng pV   m  RT  nRT , pV  const T đó:  p áp suất khối khí ( N m2 ),  V thể tích khối khí ( m3 ),  T nhiệt độ tuyệt đối khối khí ( K ) , 132  m khối lượng khối khí ta xét (kg ) ,   khối lượng kmol khí (kg / kmol ) ,  R số khí lý tưởng: R  8,31.103 J kmol.K Có thể sử dụng đơn vị m g,  g/mol, R = 8,31 J/mol.K Các định luật thực nghiệm chất khí  Định luật Boiler – Mariot (Quá trình đẳng nhiệt): m  const m  const   T  const  T  const  pV  const  pV  p V 2   1  Định luật Gay – Lussac (Q trình đẳng tích):   m  const m  const   V  const   V  const p p p   const  1 T  T1 T2  Định luật Gay – Lussac (Quá trình đẳng áp):   m  const m  const   p  const    p  const V V V   const  1 T T1 T2 133 Dấu: “ = ” ứng với chu trình Carnot thuận nghịch “ < ” ứng với chu trình Carnot không thuận nghịch  Chứng minh Hiệu suất động thuận nghịch không phụ thuộc vào tác nhân cách chế tạo máy - Giả thiết có động thuận nghịch I II chạy theo chu trình Carnot với nguồn nóng nguồn lạnh Nếu chúng lấy nhiệt nguồn nóng Q1 nhả nhiệt cho nguồn lạnh Q2I‟ Q2II‟: Q ' Q ' H I = - 2I , H II = - 2II Q1 Q1 Giả sử: Q2I’ < Q2II’  HI > HII Vì động thuận nghịch nên thực động ghép gồm: động I chạy theo chiều thuận động II chạy theo chiều nghịch Động Động - Nhận Q2II từ nguồn lạnh - Nhả Q2I’ nguồn lạnh - Tỏa Q1’ nguồn nóng - Nhận Q1 từ nguồn nóng - Nhận công AII = Q1’ – Q2II - Sinh công AI’ = Q1 - Q2I’ Do động động thuận nghịch nên: Kết sau chu trình thuận I, nghịch II: o Nội động khơng đổi (vì chúng thực chu trình) 162 o Khơng có trao đổi nhiệt với nguồn nóng (nhận vào Q1 lại nhả Q1) o Nhận nhiệt nguồn lạnh là: Q2II – Q2I‟ = Q2II‟ – Q2I‟ o Sinh công tổng cộng là: A‟ = A‟I – AII A' = Q1 - Q2I‟ – (Q1‟ – Q2II) A' = Q2II‟ – Q2I‟ Vậy động khơng vi phạm ngun lí I, sau chu trình tồn nhiệt nhận đƣợc từ nguồng lạnh sinh cơng nhƣng vi phạm ngun lý II sinh cơng mà trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt  Không tồn động Nghĩa là: không xảy HI > HII Tƣơng tự: không xảy HI < HII Vậy: HI = HII tác nhân  Hiệu suất động nhiệt có tác nhân (lí tƣởng khơng) biến đổi theo chu trình Cacnơ thuận nghịch là: Þ H =1- T2 T1 Hiệu suất động không thuận nghịch nhỏ hiệu suất động thuận nghịch Ta có: H= A' Q1 Xét động thuận nghịch khơng thuận nghịch lấy nguồn nóng nhiệt lƣợng Q1 nhả cho nguồn lạnh nhiệt lƣợng Q2‟ ĐC thuận nghịch: A‟TN = Q1 – Q‟2 (vì khơng trao đổi lƣợng với môi trƣờng) ĐC không thuận nghịch: 163 Ngoài việc nhả nhiệt nguồn lạnh sinh cơng tác nhân cịn lƣợng truyền nhiệt môi trƣờng chống lại ma sát  Q1 = Q‟2 + A‟KTN +Ehaophi  A‟KTN < Q1 - Q‟2  A‟KTN < A‟TN  HKTN < HTN c Nhận xét - Nhiệt khơng thể biến hồn tồn thành cơng H= Vì: A' T = 1- , Q1 T1 T2 > , T1 < Ơ ị H