3. 1 NĂNG LƯỢNG
8.3.NGUYÊN KÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1. Phát biểu
Khi một hệ trao đổi năng lượng với môi trường thông qua sự thực hiện công cơ học và sự trao đổi nhiệt, thì định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng khi đó được biểu diễn dưới dạng: độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi vĩ mô có giá trị bằng tổng công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó:
So với định luật bảo toàn năng lượng trong cơ học, ở đây định luật đã được mở rộng hơn cho cả hệ không cô lập. Trong đó, năng lượng của hệ có thể trao đổi thông qua trao đổi công hoặc nhiệt.
Trong nhiệt học ta giả thuyết rằng cơ năng của một hệ không đổi (Wđ + Wt = const) đo đó sự thay đổi năng lượng ởđây chỉ là sự thay đổi nội năng ; theo (7.4) ΔW = ΔU và (8.10) có dạng:
Như vậy trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năngg của hệ có giá trị bằng tồng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó.
Đây chính là phát biểu của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học (trường hợp riêng của định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng).
Ta có thể phát biểu nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học theo dạng khác: Nếu A và Q là công và nhiệt mà hệ nhận được thì A' = -A, Q, = -Q là công và nhiệt mà hệ sinh ra ; và từ (7.11) ta có:
Khi đó nguyên lý thứ nhất có thể phát biểu như sau: Nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó.
Nhận xét:
- Nếu A > 0 và Q > 0 thì ΔU > 0: khi hệ thực sự nhận công và nhiệt từ bên ngoài thì nội năng của hệ tăng. Nếu A < 0 và Q < 0 thì ΔU < 0: khi hệ thực sự sinh công và tỏa nhiệt ra bên ngoài thì nội năng của hệ giảm.
2. Hệ quả
a) Đối với hệ cô lập (không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài) thì A = Q = 0, và theo (8.11) ta có:
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 nhiệt lượng mà chúng nhận được trong quá trình trao đổi nhiệt trong hệ là Q1, Q2 thì khi đó nhiệt lượng hệ nhận được từ bên ngoài là:
Q = Q1+ Q2 = 0 Q1 = - Q2
Nếu Q1 < 0: vật 1 tỏa nhiệt, thì Q2 > 0: vật 2 thu nhiệt và ngược lại. Như vậy trong một hệ kín nhiệt lượng vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào (hệ hai vật).
b) Trường hợp hệ làm việc theo chu trình, nghĩa là sau một loạt các biến đổi, hệ lại trở về trạng thái ban đầu. Khi đó ΔU = 0 và theo (8. 11):
A = -Q
Nếu A > 0 thì Q < 0 nghĩa là trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do hệ tỏa ra bên ngoài. Nếu A < 0 thì Q > 0: công do hệêsinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận được từ bên ngoài.
Nếu hệ chịu một biến đổi vô cùng nhỏ thì nguyên lý thứ nhất có thế viết: dU = δ A + δQ (8.11)
trong đó dU là độ biến thiên nội năng của hệ (vì nội năng U là một hàm trạng thái, nên dU là vi phân của hàm U), còn δA và δQ là những phần năng lượng được truyền vô cùng nhỏ (vì A và Q là những hàm của quá trình).
3. Ý nghĩa của nguyên lý thứ nhất
- Đóng vai trò quan trọng trong nhận thức tự nhiên:
Theo Ăngen: “nguyên lý thứ nhất chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động ; đó là một quy luật tuyệt đối của tự nhiên”.
- Đóng vai trò quan trọng trong khoa học kỹ thuật:
Nguyên lý thứ nhất giúp cho các nhà khoa học và triết học hiểu đúng sự biến đổi và bảo toàn năng lượng trong các quá trình vĩ mô bsg đồng thời khẳng định: không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửuloại một ; nghĩa là không thể chế tạo động cơ mà công do nó sinh ra lớn hơn năng lượng truyền cho nó hoặc động cơ sinh công mà không cần nhận thêm năng lượng từ bên ngoài.