Bài 10hệ nhiệt động quá trình nhiệt động của hệ, đường dẫn công và nhiệt nội năng định luật thứ nhất của nhiệt động học vận dụng định luật i để khảo sát các quá trình nhiệt động của khí lý tưở

Bài 10 Bài giảng lý thuyết VẬT LÝ ĐẠI HỌC Giảng viên: ĐẶNG THỊ MINH HUỆ NỘI DUNG CHÍNH (Chương 19: từ 19.1 đến 19.6) 10.1 Hệ nhiệt động Quá trình nhiệt động hệ, đường dẫn Cơng Nhiệt 10.2 Nội Định luật thứ Nhiệt động học 10.3 Vận dụng định luật I để khảo sát q trình nhiệt động khí lý tưởng BT C19: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 37, 47, 49, 64, 67 10.1    Hệ nhiệt động Các q trình nhiệt động hệ Cơng Nhiệt Hệ nhiệt động (Hệ) - Mục 19.1 KN: tập hợp vật xác định hoàn toàn số thông số vĩ mô, độc lập với có khả trao đổi lượng với mơi trường xung quanh VD: khí lý tưởng tập hợp gồm N lớn phân tử khí Phân loại hệ: Hệ cô lập không cô lập + Hệ không cô lập: hệ tương tác với mtxq hay hệ có trao đổi cơng nhiệt (có trao đổi lượng) với mơi trường xung quanh + Hệ cô lập: hệ không tương tác với môi trường xung quanh tức không trao đổi lượng với môi trường xung quanh Vậy: Khi hệ trao đổi lượng với môi trường xung quanh phải xác định rõ lượng đưa vào hệ hay khỏi hệ Quy ước dấu Q W  Dấu Nhiệt (luợng) Q : + Q > 0: thể nhiệt lượng truyền vào hệ, tương ứng với lượng đưa vào hệ + Q < 0: thể lượng khỏi hệ dạng nhiệt  Dấu Công (W): + W > 0: thể hệ thực cơng lên mơi trường quanh nó, hay hệ sinh công + W < 0: thể công thực lên hệ từ môi trường xung quanh, hay hệ nhận cơng VD: Một hệ nhiệt động trao đổi lượng với mơi trường xung quanh cách truyền nhiệt thực cơng hai Q trình nhiệt động Đường dẫn – Mục 19.3  KN: trình biến đổi trạng thái hệ trình biến đổi lượng hệ  Các loại QT nhiệt động hệ + Quá trình đoạn nhiệt: QT hệ khơng trao đổi nhiệt với bên ngồi (Q = 0) + Q trình đẳng tích: V = h/số + Quá trình đẳng áp: p = h/số + Quá trình đẳng nhiệt: T = h/số  Đường dẫn: đường biểu diễn trình biến đổi từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối hệ gọi đường dẫn ( đường nối tất trạng thái trung gian trạng thái đầu trạng thái cuối QTBĐ) (được biểu diễn đường biến đổi có chiều)  Khi QTBĐ QTCB ta biểu diễn đường dẫn hệ toạ độ OPV VD: Ba đường dẫn khác từ trạng thái đầu (1) đến trạng thái cuối (2) khối khí lý tưởng : NX: Rõ ràng đường dẫn có chung điểm đầu điểm cuối biểu diễn trình nhiệt động khác Vậy: 1) Khi hệ có cơng dương, âm, 0? BT tính cơng QT nhiệt động gì? 2) Q trình nhận nhiệt, toả nhiệt ; nhận cơng sinh công? Công hệ thực thể tích thay đổi (Mục19.2) Xét hệ nhiệt động đơn giản phổ biến khối khí xy lanh Khi giãn nở, khí xy lanh thực cơng dương lên píttơng: W > V1 < V2 Để nén khối khí xy lanh, ta phải thực cơng lên píttơng Tức khối khí nhận công: W < V1 > V2  BT tính cơng: + Khi pít tơng thực vi phân dịch chuyển dx (h.vẽ) vi phân cơng trình là: dW = Fdx = pAdx dW = pdV (19.1) Khi thể tích biến đổi từ V1 đến V2: W= V2 ∫ pdV (19.2) V1 (V1 thể tích trạng thái đầu V2 thể tích cuối)  NX: Giá trị cơng theo (19.2) diện tích hình thang cong g/h đồ thị p(V) hai đường V1 V2 hệ toạ độ 0PV – YN hình học Cơng Nhiệt q trình nhiệt động ĐVĐ: Chúng ta biết Nhiệt ko phải NL chứa hệ Q QT trao đổi nhiệt (khi nhiệt độ thay đổi) là: Q = mc∆ T = nC∆ T (17.17) Trong trình đẳng nhiệt ( Trả lời: + Trong QT đẳng nhiệt: + QT đoạn nhiệt Q = ) Q = 0? , ko tuân theo (17.17) W≠0 Q≠0 KL: Công, Nhiệt phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối QTBĐTT mà phụ thuộc vào đường dẫn Hay chúng hàm trình nhiệt động Câu hỏi đặt là: + Mối liên hệ cơng nhiệt gì? + Khi khí lý tưởng thực trình biến đổi trạng thái theo chu trình kín Cơng nhiệt chu trình liên hệ với nào? W < Q = ? W > Q = ? 10.2 Nội Định luật I nhiệt động học – 19.4 Nội U  ĐN: Nội tổng động chuyển động nhiệt tất phần tử hệ cộng với tổng tương tác phần tử hệ với  TC: + Khi hệ thay đổi trạng thái, nội hệ thay đổi từ giá trị đầu U1 đến giá trị cuối U2 + Ở trạng thái, nội hệ có giá trị + Độ biến thiên nội năng: ∆U = U2 - U1 không phụ thuộc vào đường dẫn mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối   Vậy: Nội U hàm thông số trạng thái Đối với khí lý tưởng : U = n(i/2)RT , i số bậc tự chất khí ( i = với khí đơn nguyên tử; i = với khí lưỡng nguyên tử ; i = với khí đa nguyên tử); R = 8,314 J/mol.K  Trong trình nhiệt động, nội hệ có thể: + tăng: ∆U > + Hoặc ∆U = + Giảm: ∆U < : Vậy, ta ln có: ∆U = Q – W Hay: Q = ∆U + W (19.4) Định luật I nhiệt động học  BT (19.4) (19.5) BT định luật I  PB: “Độ biến thiên nội hệ QTBĐ vĩ mô tuân theo CT: ∆U = Q – W  YN: khái quát nguyên lý bảo toàn luợng áp dụng cho hệ nhiệt động có thay đổi lượng truyền nhiệt thực công  Chú ý: + dấu Q W thống tuân theo qui ước dấu mục 19.1 + Khi hệ thực trình biến đổi vi mô: dU = dQ – dW Mà Cơng hệ thực tính cơng thức: dW = pdV nên: dU = dQ – pdV (19.7) (19.6) (19.4) ” VD áp dụng ĐL I ( VD 19.4 ): Một hệ nhiệt động biến đổi từ trạng thái ban đầu a đến trạng thái cuối d theo hai đường dẫn abd acd hình vẽ Biết nhiệt đưa vào hệ QT ab 150 J, QT bd 600J Tính đbt nội năng, công nhiệt QT abd; acd So sánh? Hướng dẫn + ∆U = Ud – Ua = Qabd - Wabd = Qacd – Wacd Mà Qadb = Qab + Qbd = 750 J; Wabd = + pb( Vd – Vb) = 240J Nên: ∆U = 750 – 240 = 510 J Từ suy Qacd = Wacd + ∆U = 600 J Các hệ rút từ ĐL thứ NĐLH: HQ1: Khi hệ thực QTBĐ theo chu trình (q trìnhkín) thì: U2 = U1 nên Qchutrinh = Wchutrinh Wchutinh tr12341 = W12 + W23+ W34 +W41 ; Qctr12341 = Q12 +Q23 +Q34 + Q41) HQ2: Hệ cô lập (không thực công trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh hệ): Q = W = nên : U1 - U2 = ∆U = hay U1 = U2 Nói cách khác: “Nội hệ lập bảo tồn.” Do đó: Nếu hệ lập (kín) gồm hai vật có nhiệt độ khác (gọi vật nóng vật lạnh hơn) nhiệt trao đổi hai vật hệ là: Q1 + Q2 = Tức vật truyền nhiệt vật nhận nhiêu VD 19.3 : Tính Nội Nhiệt hệ nhiệt động QTBĐ theo chu trình kín h.vẽ Biết Cơng chu trình - 500 J Giải thích cơng âm? + ∆U = Ua – Ua = + Q = W = - 500 J Q < chứng tỏ nhiệt truyền khỏi hệ + Công W < vì: wchu trình aba = wab + Wba Trong Wab > (QT giãn nở) cịn Wba < (QT nén), mà giá trị tuyệt đối Wba lớn giá trị tuyệt đối ab nên tổng cơng âm có giá trị tuyệt đối diện tích giới hạn chu trình hệ toạ độ 0PV ( phần gạch chéo) KL:  Cơng chu trình tổng cơng q trình tạo nên chu trình đó: VD hình vẽ: W = W12 + W23 + W31 nhiệt chu trình Nếu W > chu trình sinh ∑W cơng ngược lại Wchutrinh = tung qt = Q chutrinh =  Nhiệt Q chu trình cac qt= Q12 + Q23 + Q31  Cơng hệ chu trình dương chiều diễn biến chu trình chiều kim đồng hồ ngược lại ∑Q cac qt tung qt  Vậy có ba cách tính cơng chu trình: + Wchutrinh = diện tích giới hạn chu trình chiều kim đồng hồ ; W = -diện tích giới hạn chu trình ngược chiều kim đồng hồ + W = tổng cơng q trình thuộc chu trình + Wchtr = Qchutrinh   Qnhận chu trình = tổng Q > chu trình Q nhả chu trình = tổng Q < chu trình Chú ý: Qchutrinh = Qnhan + Qtoả = Wchutr nên Q nhan chu trình ln lớn W chutri VD : BT 19.47 a) b) Hai mol khí lý tưởng đơn ngun tử trải qua chu trình abca Khi hồn thành chu trình, 800J nhiệt lượng truyền khỏi chất khí Q trình ab có p = h/số; q trình bc có V = h/số Nhiệt độ trạng thái a b Ta = 200K; Tb = 300K Phác hoạ đồ thị pV cho chu trình Cơng thực QT ca = ? Hướng dẫn giải Nội khí lý tưởng - Mục 19.6  Nội khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào áp suất thể tích  BT: i i = n RT U R=là N sốkT Với n số mol khí, khí lý tưởng 2 (Do phân tử khí lý tưởng khơng tương tác với nên nội khí lý tưởng tổng động , U = U(T) ) + Chú ý: i = khí đơn nguyên tử i = khí lưỡng nguyên tử i = khí đa nguyên tử 10.3 Khảo sát (Q, W, ∆U) q trình nhiệt động khí lý tưởng (vận dụng ĐL I) Q trình đẳng tích: V = h/số i n R∆T Tức nhiệt truyền vào làm tăng nội hệ mà không làm cho hệ sinh công Q < (nhiệt truyền khỏi hệ )làm cho nội giảm W = QV = ∆U = Vậy: Qv = nCv ∆ T = n(i/2).R ∆ T Từ nhiệt dung đẳng tích khí lý tưởng : Cv = (i.R)/2 Quá trình đẳng áp: p = h/số + W = p(V2 – V1) = Q - ∆U + Qp = nCp∆ T ; từ tính Cp = Cv + R Quá trình đẳng nhiệt : T = h/số + ∆U = Q > hệ nhận nhiệt để sing công + Q=W : Q < hệ nhận công để truyền nhiệt cho mtxq + Wab = Q = nRT ln (pb/pa) = nRT ln (Va/Vb) ( n = m/M ) Quá trình đoạn nhiệt : Q = i + W = - ∆U = − n R.∆T C + Hệ số đoạn nhiệt: + PTĐN: γ= p Cv = (i + 2) / i γ γ p1V1 = p 2V2 + Công trình đoạn nhiệt: i W = -∆U = n R(T1 − T2 ) Cv W = ( p1V1 − p 2V2 ) = ( p1V1 − p 2V2 ) R γ −1 So sánh QTĐN trình đẳng nhiệt có chung thể tích đầu cuối ? ...N? ?I DUNG CHÍNH (Chương 19: từ 19.1 đến 19.6) 10.1 Hệ nhiệt động Quá trình nhiệt động hệ, đường dẫn Công Nhiệt 10.2 N? ?i Định luật thứ Nhiệt động học 10.3 Vận dụng định luật I để khảo sát trình. .. vào đường dẫn Hay chúng hàm trình nhiệt động Câu h? ?i đặt là: + M? ?i liên hệ công nhiệt gì? + Khi khí lý tưởng thực trình biến đ? ?i trạng th? ?i theo chu trình kín Cơng nhiệt chu trình liên hệ v? ?i. .. 10.2 N? ?i Định luật I nhiệt động học – 19.4 N? ?i U  ĐN: N? ?i tổng động chuyển động nhiệt tất phần tử hệ cộng v? ?i tổng tương tác phần tử hệ v? ?i  TC: + Khi hệ thay đ? ?i trạng th? ?i, n? ?i hệ thay đ? ?i từ