CHƯƠNG 2. SỬ DỤNG BÀI TẬP CÓ NỘI DUNG THỰC TẾ TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÝ 10 THPT
2.1. Đặc điểm chung của phần Nhiệt học Vật lý 10 THPT
2.1.2. Kiến thức cơ bản chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”
* Nội năng
Nội năng là một trong những khái niệm cơ sở của Nhiệt động lực học (NĐLH). Khái niệm nội năng ra đời và phát triển gắn liền với nguyên lý I của Nhiệt động lực học.
Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng không phải là nội năng U, mà là độ biến thiên nội năng ∆U khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Trong các quá trình chuyển trạng thái chỉ có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, còn tất cả các thành phần khác của nội năng hầu như không biến đổi trong những quá trình đó. Do đó, để đơn giản trong NĐLH có thể coi nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
Ở mỗi trạng thái, hệ có một nội năng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi thì nội năng của hệ thay đổi và độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình biến đổi chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi cho nên nội năng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ.
Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của vật.
Khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào thể
tích của vật.
Vậy, nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật. Nội năng là hàm số của nhiệt độ và thể tích : U = f(T, V).
Đối với khí lí tưởng người ta bỏ qua tương tác giữa các phân tử lúc không va chạm, nên cũng bỏ qua tương tác giữa chúng, do đó nội năng của khí lý tưởng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử. Nội năng của khí lí tưởng chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khí, tức nội năng là hàm số của nhiệt độ U = f(T).
* Các cách làm thay đổi nội năng của hệ
Vì nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ nên nếu ta làm thay đổi nhiệt độ và thể tích của hệ thì nội năng thay đổi. Vậy hai cách làm thay đổi nội năng của hệ là thực hiện công và truyền nhiệt.
Ví dụ:
- Ấn pittông trong một xilanh chứa khí xuống thì thể tích của khí trong xilanh giảm đồng thời khí nóng lên tức nội năng của khí đã biến đổi.
- Thả miếng đồng vào nước nóng. Sau một thời gian miếng đồng nóng lên có nghĩa là nội năng của nó đã biến đổi.
* Các nguyên lý của Nhiệt động lực học - Nguyên lý I của Nhiệt động lực học
Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
Biểu thức: ΔU = A + Q Quy ước về dấu:
Q > 0: vật nhận nhiệt lượng, Q < 0: vật truyền nhiệt lượng, A > 0: vật nhận công,
A < 0: vật thực hiện công.
Hệ quả của nguyên lý I Đối với hệ cô lập
Hệ cô lập thì không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài.
Ta có A = Q = 0. Do đó ΔU = 0 hay U = const.
Vậy nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.
Nếu hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và giả sử Q1 , Q2 là nhiệt lượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì Q1 + Q2 = Q = 0 hay Q1 = - Q2
Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia đã thu vào.
Ví dụ: Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh thì nhiệt lượng mà miếng đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào.
Đối với hệ biến đổi theo chu trình
Sau một chu trình, hệ trở về trạng thái ban đầu, ta có ΔU = 0 hay U = const.
Vậy, nội năng của hệ biến đổi theo chu trình được bảo toàn.
Ta có A + Q = 0 hay A = – Q
Vậy, trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do hệ tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận được từ bên ngoài.
Do đó, người ta còn phát biểu nguyên lý I như sau: Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại một (động cơ vĩnh cửu loại một là loại động cơ có thể sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc chỉ tiêu thụ một phần năng lượng ít hơn công sinh ra).
Ý nghĩa của nguyên lý I Nhiệt động lực học
Nguyên lý I có một vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học và kĩ thuật.
Độ tăng hay giảm nội năng của hệ se bằng độ giảm hay tăng năng lượng của hệ khác đang trao đổi năng lượng với hệ. Nếu hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những quá trình khác nhau, nhiệt lượng và công hệ nhận được trong mỗi quá trình đó là khác nhau nhưng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được trong các quá trình lại như nhau và bằng độ biến thiên nội năng của hệ.
Nguyên lý I là sự vận dụng dịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Không thể có một máy nào làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêm năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho nó.
Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ giữa độ biến thiên nội năng và công , nhiệt lượng trong một quá trình biến đổi.
Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học
Tất cả các quá trình vĩ mô trong tự nhiên đều phải tuân theo nguyên lý I. Tuy nhiên có một số quá trình vĩ mô phù hợp với nguyên lý I không xảy ra trong thực tế.
Ví dụ: Xét một hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau. Khi đặt hai vật tiếp xúc với nhau thì chúng se trao đổi nhiệt với nhau.
- Theo nguyên lý I thì nhiệt lượng mà vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào. Trong hệ có thể xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hoặc từ vật lạnh sang vật nóng.
- Thực tế trong hệ trên chỉ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh.
Như vậy nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến của quá trình thực tế xảy ra.
Nguyên lý I không đề cập tới vấn đề chất lượng của nhiệt. Thực tế cho thấy nhiệt lượng nhận được từ môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng cao hơn nhiệt
lượng nhận được ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn (ví dụ nhiệt lượng thu được từ 1 kg than đá khác với nhiệt lượng thu được từ 1 kg gỗ).
Nguyên lý I chưa nêu lên sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa giữa công và nhiệt. Theo nguyên lý I thì công và nhiệt là tương đương nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau. Thực tế chứng tỏ rằng công có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt nhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thành công.
- Nguyên lý II của Nhiệt động lực học
Nguyên lý II của NĐLH khắc phục những hạn chế của nguyên lý I và đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các máy nhiệt.
Quá trình thuận nghịch
Một quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 được gọi là thuận nghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược đó, hệ đi qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.
Như vậy đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không xảy ra một biến đổi nào cả.
Quá trình không thuận nghịch
Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.
Do đó đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi.
Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh.
Phát biểu nguyên lý II
Phát biểu của Claudiut: Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
Phát biểu của Các-nô: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
Phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt động học không thể tạo công nếu chỉ tiếp xúc với một nguồn nhiệt duy nhất.
Phát biểu của Thomson: Không thể tồn tại trong tự nhiên một quá trình mà hậu quả duy nhất là biến nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không để lại dấu vết gì cho môi trường xung quanh.
Các phát biểu trên tương đương với nhau.
Ý nghĩa của nguyên lý II nhiệt động lực học
Nguyên lý II chỉ rõ chiều diễn biến của các quá trình. Khác với nguyên lý I được thực hiện một cách tuyệt đối, nguyên lý II mang tính thống kê và được thực hiện ở độ chính xác đến các thăng giáng (sai lệch nhỏ).
Nguyên lý II bổ sung cho nguyên lý I và đóng vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo máy nhiệt.
Nguyên lý II của NĐLH khẳng định rằng: “Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai” (động cơ vĩnh cửu loại hai là động cơ biến đổi hoàn toàn nhiệt lượng nhận được thành công (động cơ nhiệt vĩnh cửu) hoặc truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà không cần nhận công (máy lạnh vĩnh cửu)).