3.1.4.Những định luật thực nghiệm về chất khí
3.1.4.4. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái (nhiệt độ, thể tích, áp suất) của một khối khí lý tưởng được gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng. 1 1 2 2 1 2 const p V p V pV hay T = T = T
Phương trình trạng thái áp dụng cho m g chất khí bất kỳ : Với : R =
Nếu P đo bằng atmotphe thì R =
Nếu tính cho 1 mol khí, áp suất đo bằng at, thể tích đo bằng l thì R
Các định luật trên chỉ đúng cho các chất khí ở nhiệt độ và áp suất thông thường của phòng thí nghiệm. Nhưng nếu áp suất khí lớn hoặc nhiệt độ khí thấp thì chất khí không còn tuân theo các định luật đó nữa. Vì vậy để dễ nghiên cứu, người ta định nghĩa : “khí lý tưởng là khí tuân theo hoàn toàn chính xác hai định luật Boimariot và Gay – Luytsac. Nhưng trong thực tế thì các khí xung quanh ta đa phần là các khí thực nên ta củng phải nghiên cứu phương trình trạng thái của khí thực.
3.1.4.5.Phương trình trạng thái khí thực
Ở điều kiện bình thường, khoảng cách giữa các phân tử khoảng 3.10-10 m , ở khoảng cách này lực tương tác giữa các phân tử không đáng kể có thể bỏ qua, và thể tích riêng của các phân tử khoảng 10-3 thể tích khối khí nên ta áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực với sai số không đáng kể. Tuy nhiên nếu nén khí hoặc hạ nhiệt độ khí, thể tích khối khí giảm, khoảng cách các phân tử gần nhau hơn và không thể bỏ qua lực tương tác giữa chúng ; đồng thời thể tích riêng của các phân tử trở nên đáng kể so với thể tích của khối khí. Khi đó ta không thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực được vì sai số lớn nên người ta đã đưa ra phương trình trạng thái cho khí thực có tên gọi là phương trình Vanđecvan.
Gọi Vt : là thể tích của một kmol khí thực, khi đó thể tích dành cho chuyển động tự do của các phân tử sẽ nhỏ hơn Vt và bằng :
b là số hiệu chỉnh về thể tích được gọi là cộng tích. Lý thuyết tính được:
N : là số Avogado và d là đường kính phân tử.
Đối với khí thực, các phân tử tương tác hút nhau do đó khi các phân tử đến va chạm vào thành bình thì chúng bị các phân tử bên trong khối khí kéo lại. Gọi Pt là áp suất của khí thực thì :
Thay các phương trình (3.9), (3.10), (3.11) vào (3.4) được
Bỏ các chỉ số t nhưng hiểu rằng p, V là áp suất và thể tích của khí thực ta được phương trình trạng thái sau gọi là phương trình Vanđecvan:
Phương trình (3.12) đúng cho một kilomol khí. Đối với một khối khí bất kỳ có khối lượng m thể tích V = thì phương trình có dạng:
Đường đẳng nhiệt Van đecvan :
• Lúc T > TK, đường đẳng nhiệt có dạng gần giống như đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng.
• Lúc T < TK, đường đẳng nhiệt rất khác đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng ; nó có một đoạn lồi lõm.
Hình 3.4.Họ đường đẳng nhiệt thực nghiệm Anđriu. 3.1.5.Các nguyên lý nhiệt động lực học
Nhiệt động lực học là ngành nhiệt học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của hệ vĩ mô. Cơ sở của nhiệt động lực học là hai nguyên lý nhiệt động lực được rút ra từ thực nghiệm; từ đó NĐH giải thích các hiện tượng nhiệt trong các điều kiện khác nhau mà không chú ý đến cấu tạo phân tử vật chất.
3.1.5.1.Nguyên lý I
Nguyên lý I là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng vào các quá trình vĩ mô (quá trình nhiệt động).
Phát biểu : Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá
trị bằng tổng của công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó.
Với quy ước:
+ Q > 0 hệ nhận nhiệt Q; Q < 0 hệ nhả nhiệt Q
.
+ A > 0 hệ nhận công A, A < 0 hệ sinh công A
.
+ ∆U > 0 nội năng tăng, ∆U < 0 nội năng giảm.
Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lý I có dạng :
Hệ quả :
Nếu hệ cô lập tức hệ không trao đổi công nhiệt với bên ngoài thì :
Vậy : nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.
Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau ký hiệu Q1 và Q2 là nhiệt mà vật 1 và vật 2 nhận được thì :
Vậy: trong hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau thì nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.
Ý nghĩa nguyên lý I:
Nguyên lý I đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học kỹ thuật.
Nguyên lý I đã được nghiên cứu rất lâu với rất nhiều người, song chỉ có Anghen là người đầu tiên đã nêu lên tính tổng quát của nguyên lý, ông khẳng định nguyên lý I chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động và kết luận : “nguyên lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên”
Thực tế đã chứng tỏ mọi hiện tượng vĩ mô đều tuân theo nguyên lý I và nó đã giúp các nhà khoa học và triết học giải quyết đúng đắn các vấn đề gọi là “khủng hoảng” của khoa học và nhận thức.
3.1.5.2.Nguyên lý II
Được tìm ra nhờ thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu các máy nhiệt (động cơ nhiệt và máy lạnh).
Thông thường tác nhân của máy nhiệt tiếp xúc với 2 nguồn có nhiệt độ chênh lệch nhau: 1 nguồn nóng T1 và một nguồn lạnh T2. Tác nhân lấy nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng, sinh công A và nhả cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2.
là hiệu suất của động cơ nhiệt, Các phát biểu :
Phát biểu của claussus: Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn.
Phát biểu của Thomson: không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công mà không để dấu vết gì ở môi trường xung quanh.
Máy thỏa mản điều kiện của Thomson gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2.