Nhiệt động học nghiên cứu các điều kiện và quan hệ biến đổi định lượng của năng lượng từ dạng này qua dạng khác. Cơ sở của nhiệt động học là hai nguyên lí rút ra từ thực nghiệm.
Trong nhiệt động học, người ta thiết lập những hệ thức giữa các đại lượng vĩ mô của hệ vật lý mà không quan tâm đến việc giải thích vĩ mô của các đại lượng đó.
Những nguyên lí của nhiệt động học có tính chất rất tổng quát nên ngày nay người ta ứng dụng có hiệu quả lớn trong việc nghiên cứu các quá trình vật lý và hoá học, các tính chất của vật liệu và bức xạ.
7.2.1 Nội năng của một hệ nhiệt động. Công và nhiệt
7.2.1.1. Hệ nhiệt động
Mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô, độc lập đối với nhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (hoặc vắn tắt hơn được gọi là hệ). Tất cả các vật còn lại, ngoài hệ của ta là ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ.
7.2.1.2. Nội năng
Nội năng của một hệ gồm là phần năng lượng ứng với vận động bên trong hệ. Tuỳ theo tính chất của chuyển động và tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật, ta có thể chia nội năng thành các phần sau đây: Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay); Thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử; Động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử ; Năng lượng các vỏ điện tử của các nguyên tử và ion, năng lượng trong hạt nhân nguyên tử. Đối với khí lí tưởng nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ.
Trong nhiệt động học điều quan trọng không phải là chính nội năng U, mà là độ biến thiên ∆Ucủa nó: ∆U = A + Q, khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Do đó việc chọn gốc tính nội năng không quan trọng. Thông thường, người ta giả thiết rằng nội năng của hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0 0K).
7.2.1.3. Công và nhiệt
Trong nhiệt động học cũng như trong cơ học, người ta gọi dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của một vật là công (A).
Năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau. Trong nhiệt động học, người ta gọi dạng truyền năng lượng này là nhiệt (Q). 7.2.2. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học
7.2.2.1 Phát biểu
Độ biến thiên năng lượng toàn phần ∆Wcủa trong một quá trình biến đổi vĩ mô có giá
trị bằng tổng của công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó: ∆W = A + Q
Hoặc: 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: ∆U = A + Q
7.2.2.2. Hệ quả
a) Đối với hệ cô lập, không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài: A = Q = 0. vậy:∆U = 0.
b) Hệ là một máy làm việc tuần hoàn, nghĩa là nó biến đổi theo một quá trình kín hay chu trình. Sau một dãy các biến đổi, hệ lại trở về trạng thái ban đầu. Như vậy sau một chu trình ∆U = 0.
7.2.2.3. Ý nghĩa của nguyên lí thứ nhất
Như vậy nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học khẳng định rằng : "Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một".
7.2.2.4. Nội năng khí 1í tưởng
N R
= kB = 1,38.10-23 J/K, được gọi là hằng số Bônxman. Wđ = 2 3
kBT là động năng trung bình của phân tử được thiết lập cho các phân tử khí có cấu tạo đơn nguyên tử. Động năng trung bình của phân tử trong trường hợp tổng quát có dạng: Wđ =
2i i
kBT, với hệ số i được gọi là số
bậc tự do của phân tử, là một đại lượng có liên quan đến cấu tạo của phân tử. Cụ thể đối với
phân tử một nguyên tử i = 3 với phân tử hai nguyên tử i = 5 và với phân tử cấu tạo từ 3 nguyên tử trở lên i = 6.
Xét một mol khí lí tưởng có N phân tử, nội năng khí lí tưởng bằng tổng động năng của các phân tử khí. Vậy nội năng của một mol là: U = NWđ =
2i i NkBT hay U = 2 i RT Khối khí lí tưởng có khối lượng m, nội năng của khối khí ấy: U =
µ
m 2 2
i
RT (7-3)
Nội năng của một khối khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí ấy. Tính chất này cũng được tìm ra bằng thực nghiệm.