Chương 2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Chương 2

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

HÀ NỘI

2018

1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL

2

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

NỘI DUNG CHÍNH

KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG & NHIỆT

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3

1. KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG – CÔNG VÀ NHIỆT

1.1. NĂNG LƯỢNG

- Năng lượng của hệ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của

vật chất ở trong hệ.

- Ở mỗi trạng thái hệ có một năng lượng xác định.

- Độ biến thiên năng lượng của hệ trong một quá trình biến đổi chỉ phụ

thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào quá trình biến đổi.

Năng lượng là hàm trạng thái

- Năng lượng của hệ gồm động năng chuyển động có hướng, thế năng của

hệ trong trường lực và nội năng của hệ.

- Giả sử hệ không chuyển động, không trong trường lực thì năng lượng

bằng nội năng

4


1.2. CÔNG VÀ NHIỆT

- Xét hệ là một khối khí đựng trong xi lanh có pit-tông. Cho khối khí giãn nở

(toàn bộ khối khí chuyển động có hướng), nó sẽ sinh công cho bên ngoài.

Vậy: Công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng

thông qua chuyển động có hướng của hệ toàn bộ.

- Nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng (bằng cách hơ nóng hệ) nhưng giữ

cho thể tích không đổi, thì nhiệt độ của hệ sẽ tang lên, chuyện động hỗn loạn

của các phân tử mạnh lên và nội năng của hệ tang.

Vậy: Nhiệt cũng là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng

lượng, nhưng thông qua chuyển động hỗn loạn của các phân tử.

5


1.2. CÔNG VÀ NHIỆT

- Công và nhiệt có mối liên hệ chặt chẽ nhau, có thể chuyển hóa lẫn nhau

- Joule là người đầu tiên xác định: tốn một công 4,18 J thì thu được nhiệt

lượng là 1 calo. Có sự tương đương giữa công và nhiệt.

- Chú ý: Công và nhiệt là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi

năng lượng, nhưng bản thân chúng không phải năng lượng.

- Công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi (ở mỗi trạng thái hệ

không có công và nhiệt). Giá trị của công và nhiệt phụ thuộc vào tính

chất của quá trình biến đổi.

- Vậy: Công và nhiệt không phải là hàm trạng thái mà là hàm quá trình.

- Công liên quan đến chuyển động có trận tự

- Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn.

6

2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học là sự tổng quát hóa của định luật bảo

toàn và chuyển hóa năng lượng trong cơ học.

Trong cơ học: Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi

trong quá trình đó:

2 1W W W A

7


2.1. PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Độ biến thiên năng lượng của hệ trong quá trình biến đổi bằng tổng

công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó:

2 1W W W A Q

Nếu giả thiết toàn bộ hệ đứng yên và không đặt trong trường lực nào thì

năng lượng bằng nội năng

2 1U U U A Q

Vậy: Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng

tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi đó.

8


2.1. PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Đối với các quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức nguyên lý 1 có

thể viết lại:

dU A Q

- Nếu A>0, Q>0 thì hệ thực sự nhận công và nhiệt.

- Nếu A<0, Q<0 thì hệ sinh công (nhận công âm) và tỏa nhiệt (nhận nhiệt

âm).

- Ký hiệu: là công và nhiệt mà hệ sinh (tỏa) ra.A A;Q Q

U Q A Q U A U A

Nhiệt lượng cung cấp cho 1 hệ sử dụng vào 2 việc: 1 là làm tăng nội

năng của hệ đó và 2 là giúp hệ đó sinh công.

9


2.2. HỆ QUẢ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Hệ quả 1: Giả sử hệ thực hiện 1 quá trình kín (sau này gọi là chu trình), tức là

sau một quá trình biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu.

2 1U U U 0 A Q A Q

Như vậy nếu hệ nhận công A>0 thì Q<0, tức là hệ sẽ tỏa nhiệt.

Nếu hệ nhận nhiệt Q>0 thì A<0, tức là sẽ sinh công.

Một động cơ muốn sinh công thì phải nhận nhiệt từ bên ngoài. Không có

một động cơ nào sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng. Không tồn tại

động cơ vĩnh cửu loại I.

10


2.2. HỆ QUẢ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Hệ quả 2: Giả sử ta có hệ cô lập, gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau. Q1 và

Q2 là nhiệt mà 2 vật nhận được.

1 2 1 2 2Q Q 0 Q Q Q

Tức là trong một hệ cô lập chỉ gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật

này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.

11

3. ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG, QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG

a) Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái trong đó mọi thông

số của hệ được hoàn toàn xác định và nếu không có tác dụng bên ngoài thì

trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi.

Quá trình cân bằng là quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các

trạng thái cân bằng.

12



b) Tính công mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng:

Giả sử khối khí được biến đổi theo một quá trình cân bằng từ thể tích V1

V2 (tức là pít-tông nén khí trong xi lanh vô cùng chậm)

Dưới tác động của ngoại lực

F, khi pit-tông dịch chuyển

đoạn dl thì khối khí nhận

được công dương:

2

1

V

V

A Fdl (pS)dl pdV

A A pdV 0

13

Nếu khối khí giãn nở từ :2

1

V

V

A A pdV 0 1 2V V

Công của khối khí nhận được sẽ âm (khối khí đã sinh công)



14

Nhiệt dung là một đại lượng vật lý đo bằng nhiệt lượng cung cấp cho hệ

trong một quá trình nào đó để cho nhiệt độ của hệ tăng lên 1 độ (1K).

Nếu hệ là 1kg vật chất thì ta gọi là nhiệt dung riêng – ký hiệu là c.

Qc

mdT

hay Q mcdT

Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt dung riêng c là J/kg.K

c) Nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng



15



Nếu hệ là 1 mol chất nào đó thì nhiệt dụng gọi là nhiệt dung phân tử – ký

hiệu là C.

QC c

m dT

hay

mQ CdT

Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt dung riêng c là J/mol.K

Trong đó là khối lượng 1 mol chất

V V

mQ C dT

Trong quá trình đẳng tích, ta có:

Trong quá trình đẳng áp, ta có: p p

mQ C dT

16

Quá trình đẳng tích: là quá trình biến đổi trong đó thể tích của hệ không đổi.

1 2

1 2

P PPV const const

T T T

V const dV 0

Công trong quá trình đẳng tích:2

1

V

V

A pdV 0

Nhiệt lượng khối khí nhận được: V

mQ Q C dT

VCTrong đó là nhiệt dung mol đẳng tích

2

1

T

V V 2 1 V

T

m m mQ Q C dT C (T T ) C T


3.2. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH

17


3.2. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH

Độ biến thiên nội năng:V

mU A Q Q C T

Mặt khác:

V

V

m i m iU RT U R T

2 2

m m iU C T R T

2

iC R

2

- Nhiệt dung mol đẳng tích

18


3.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP

Quá trình đẳng áp: là quá trình biến đổi trong đó áp suất của hệ không đổi.

1 2

1 2

V VVP const const

T T T

Công trong quá trình đẳng áp:

2

1

V

1 2

V

A pdV p(V V )

Nhiệt lượng khối khí nhận được:

2

1

T

p p

T

m mQ Q C dT C T

Trong đó là nhiệt dung mol đẳng áppC

19

Độ biến thiên nội năng:1 2 p

mU A Q p(V V ) C T

Mặt khác: 1 2 1 2

m m mpV RT p(V V ) R(T T ) R T

p

p V

p p p

V

m m iU C R T R T

2

C C Ri i 2

C R R C R C i 22 2

C i

Trong đó gọi là hệ số Poát-xông hay chỉ số đoạn nhiệt

- Hệ thức Mayer

- Hệ thức Poisson


3.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP

20


SO SÁNH GIỮA LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

21

Quá trình đẳng nhiệt: là quá trình biến đổi trong đó nhiệt độ của hệ không đổi.

1 1 2 2T const pV const p V p V

Nhiệt lượng khối khí nhận được:

2 1

1 2

V pm mU A Q 0 Q A RT ln RT ln

V p

Công trong quá trình đẳng nhiệt:

2

1

V

V

A pdV 2

1

V

1 2

2 1V

V pm m RT m dV m mpV RT p A RT RT ln RT ln

V V V p

Độ biến thiên nội năng:m i

U R T 02


3.4. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT

22

Quá trình đoạn nhiệt: là quá trình biến đổi trong đó hệ không trao đổi nhiệt

với bên ngoài:

Q 0 Q 0

Công và độ biến thiên nội năng:

m iU Q A A A U R T

2

m idU A RdT

2

Mặt khác: V

m i mA pdV pdV RdT C dT

2

Phương trình trạng thái:m RT m RT

p pdV dVV V


3.5. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT

23 1 1ln T ( 1) ln V const ln(TV ) const TV const

Phương trình trạng thái: 1

pV constm RT

pV

Tp const

Phương trình của quá trình đoạn nhiệt:

p V

V

V V

C CdV dT R dV dT dV dT dVRT C dT 0 ( 1) 0

V T C V T C V T V

So sánh 2 biểu thức -pdV



24

Trong quá trình đoạn nhiệt, độ biến thiên nội

năng bằng công mà khối khí nhận được nên:

* Khi nén đoạn nhiệt V1>V2 (công nhận là

dương) thì nội năng tăng dU>0 dT>0, nhiệt

độ tăng

* Khi giãn đoạn nhiệt V1<V2 (công nhận là âm)

thì nội năng giảm dU<0 dT<0, nhiệt độ giảm

đường đoạn nhiệt dốc hơn đường đẳng nhiệt



So sánh quá trình đoạn nhiệt với quá trình đẳng nhiệt

25

Công mà khối khí nhận được:

2

1

V

V

A pdV

2V

1 11 1 1 11 1 1 1 2 1

V

11 1 2

1

p V p VdVpV p V p A p V [V V ]

V V 1

p V VA [( ) 1]

1 V

2 2 1 12 2 1 1

p V p Vp V p V A

1



26

Công mà khối khí nhận được:

11 21 1 1

1

1

1 21 1 2 2

1

RT Vm mp V RT A [( ) 1]

1 V

RT pmp V p V A [( ) 1]

1 p



27

Quá trìnhPhương trình của

quá trìnhA Q ΔU = A + Q

Đẳng tích 0

Đẳng áp

Đẳng nhiệt 0

Đoạn nhiệt 0

TỔNG HỢP CÁC QUÁ TRÌNH

pconst

T

Vconst

T

pV const

pV const

1 2p(V V )

1

2

VmRT ln

V

V

mC T

V

mC T

p

mC T

2

1

VmRT ln

V

V

mC T

V

mC T

V

mC T


28

npV const,n ( , )


3.5. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

n = 0 ứng với quá trình đẳng áp.

n = 1 ứng với quá trình đẳng nhiệt

n = γ>1 ứng với quá trình đoạn nhiệt

n = ±∞

ứng với quá trình đẳng tích

p const

pV const

pV const

1

n npV const p V const V const

29

Chương 2

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình):

8.1, 8.2, 8.4, 8.5, 8.9, 8.10, 8.12, 8.14, 8.16, 8.17, 8.24, 8.25,

8.27, 8.29, 8.31, 8.34

HẾT

30

MỘT SỐ VÍ DỤ

31

2

m iR T

2

2

m iR T

2

m iR T

1039 1454Q U A U Q

32

cần đi tìm Cp

p

p

Cc

1p

p

C R

C

1V

p

C

C

11

p

R

C

1 11

p

R

C

R

1pC

330 / = 30.10 / mol.kg kmol kg

33

3 32 2.10 ,V l m const 312 12.10 ,m g kg

3

2 5, 28 / = 28.10 /N i g mol kg mol 4 6

2 10 1,33.10 p mmHg Pa

?Q

010 283 Kt C T

34

2 1

i mQ p V RT

2

6 35 12

1,33.10 .2.10 .8,31.283 4130 J2 28

35

6440 J

Documents

Chương 2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC