3.4.1.1. Các định luật thực nghiệm, phương trình trạng thái khí lí tưởng 1. Mẫu khí lý tưởng
- Mẫu khí lý tưởng có các đặc điểmsau:
Khí lý tưởng gồm một số rất lớn các phân tửcó kích thước rất nhỏ so với khoảng cách trung bình giữa chúng; các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn khôngngừng.
Lực tương tác của các phân tửlà không đáng kể trừ lúc vachạm.
Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình là va chạm hoàn toàn
đànhồi.
- Thông số trạng thái và phương trình trạngthái:
Mỗi tính chất vật lí của hệ được đặc trưng bởi một đại lượng vật lí được gọi là thông số trạng thái của hệnhư: áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V,...
Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số p,V,T của một khối lượng khí
xác định được gọi là phương trình trạng thái; dạng tổng quát: p =f(V,T).
99
2. Định luật Boyle –Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt)
a. Định luật
Với một khối lượng khí xác định, ở nhiệt độkhông đổi (T=const), tích số giữa thể
tích và áp suất là một hằng số.
b. Hệ thức
p1V1 =p2V2 hay pV =const
c. Đường đẳng nhiệt
Trong hệ tọa độ OpV, các đường đẳng nhiệt là các đường hyperbol biểu diễn mối liên hệ
giữa p và V. Tập hợp các đường
đẳng nhiệt được gọi là họcác đường đẳngnhiệt.
3. Định luật Charles (Quá trình đẳng tích)
a. Định luật
Khi thểtích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức p T = const hay: pt= po(1 + αt); Trong đó: pt: Áp suất ở toC po: Áp suất ở 0oC 𝛼 = 2731 : Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí.
α có giá trịnhư nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ. c. Đường đẳng tích T2 T1 V p Hình 2.4.1. Đường đẳng nhiệt O p2 p1 T1>T2
100
4. Định luật Gay –Lussac (Quá trình đẳngáp)
a. Địnhluật
Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệthức V T = const hay Vt =Vo(1 + αt) Trong đó: Vt: thể tích khí ở toC Vo: thể tích khí ở 0oC 𝛼 = 2731 : hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí. c. Đường đẳng áp Hình 2.4.2. Đường đẳng tích Hình 2.4.3. Đường đẳng áp
101 5. Định luật Dalton a.Định luật: - Áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp. b. Hệ thức p = p1 + p2 + ... + pn
Trong đó: p1, p2, …, pn là áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp.
6. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
- Từhai định luật Boyle – Mariotte và Charles ta xác định được phương trình trạng
thái khí lý tưởng: pV
T = const
- Phương trình Claypeyron– Mendeleev: pV = mμ RT
Trong đó: R là hằng sốkhí lý tưởng và R = 8,31.103J/ kmol.K p là áp suất khối khí,
V là thể tích khối khí,
m là khối lượng của khối khí,
μ là khối lượng 1kmol khí.
3.4.1.2. Nội năng và các nguyên lý của nhiệt động lực học 1. Khái niệm nội năng
- Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ.
- Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ
và thếnăng tương tác giữa các phân tửđó.
- Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của nó: U=f(T,V). - Đối với khí lí tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: Uklt = f(T).
102
- Công của khí lý tưởng được xác định bởi công thức: A = ∫ pdV
2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
- Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt mà vật nhận được. - Hệ thức: ∆U = Q + A
Quy ước: Q>0 vật nhận nhiệt lượng,
Q<0 vật truyền nhiệt lượng,
A>0 vật nhận công,
A<0 vật thực hiện công,
∆U>0 nội năng của vật tăng,
∆U<0 nội năng của vật giảm.
3. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho các quá trình của khí lý tưởng
- Trong quá trình đẳng tích, ∆V = 0 nên A=0. Lúc này nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng đểlàm tăng nội năng của khí.
Q = ∆U
- Trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng đểlàm tăng
nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra.
Q = ∆U – A
với A = p (V1– V2)
- Trong quá trình đẳng nhiệt, T = const nên ∆U = 0
Do đó toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra. Q = – A
- Khi khí biến đổi theo chu trình thì ∆U =0. Lúc này Tổng đại số nhiệt lượng mà hệ
nhận được trong cả chu trình chuyển hết thành công mà hệsinh ra trong chu trình đó.
Q = – A
4. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học
103
- Cách 1. Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
- Cách 2. Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
- Hiệu suất của động cơ nhiệt: H = QA
1 = Q1−Q2 Q1 ; - Hiệu năng của máy lạnh: ε = Q2
A = Q2 Q1−Q2 ;
Khi các máy nhiệt thực hiện theo chu trình cacno thuận nghịch thì hiệu suất là cực đại: Hmax =T1−T2
T1 ; εmax = T2 T1−T2