CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1. Nội năng của một hệ nhiệt động. Công và nhiệt 1.
Hệ nhiệt động Mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô, độc lập với nhau được gọi là hệ số vĩ mô hay hệ nhiệt động. Gọi tắt là hệ. Tất cả các vật còn lại, ngoài hệ ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ. Hệ bao gồm hệ cô lập và không cô lập.
Hệ không cô lập là hệ có tương tác với môi trường bên ngoài. Trong những sự tương tác này sẽ có sự trao đổi công và nhiệt. Nếu hệ và môi trường không trao đổi nhiệt thì hệ cô lập đối với ngoại vật về phương diện nhiệt. Trong trường hợp đó ta nói rằng giữa hệ và ngoại vật có một vỏ cách nhiệt.
Nếu hệ và ngoại vật trao đổi nhiệt nhưng không sinh công thì hệ là cô lập về phương diện cơ học. Hệ gọi là cô lập nếu nó hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài. Nội năng Ta biết vật chất luôn luôn vận động và năng lượng của một hệ là một đại lượng xác định mức độ vận động của vật chất ở trạng thái đó. Ở một trạng thái, hệ có các dạng vận động xác định và do đó có một năng lượng xác định.
Khi trạng thái của hệ thay đổi thì năng lượng của hệ thay đổi. Năng lượng là một hàm trạng thái. Năng lượng của hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng (chuyển động cơ) của hệ, thế năng của hệ trong trường lực và phần năng lượng ứng với vận động bên trong hệ tức là nội năng của hệ W = Wd + Wt+ U Tuỳ theo tính chất của chuyển động và tương tác các phân tử cấu tạo nên vật, ta có thể chia nội năng thành các phần sau đây: a. Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay) b.
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. Trong nhiệt động học, ta giả thuyết rằng chuyển động có hướng của hệ không đáng kể và hệ không đặt trong trường nào do đó năng lượng của hệ đúng bằng nội năng của hệ. Nội năng của hệ là một hàm của trạng thái.
Trong nhiệt động học điều quan trọng 55 không phải là tính nội năng U mà là độ biến thiên ΔU của nó khi 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 thuyết rằng nội năng của hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0K). Công và nhiệt - sự phụ thuộc của công và nhiệt vào quá trình biến đổi trạng thái a.
Công và nhiệt Công và nhiệt là hai khái niệm quan trọng trong nhiệt động học. Thí nghiệm chứng tỏ rằng khi các hệ khác nhau tương tác với nhau thì chúng trao đổi với nhau một năng lượng nào đó. Có hai dạng truyền năng lượng: Một là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của vật.Trong nhiệt động học cũng như trong cơ học người ta gọi dạng truyền năng lượng này là công. Thí dụ: Khí dãn nở trong xylanh làm pittông chuyển động.
Như vậy khí đã truyền năng lượng cho pittông dưới dạng công. - Hai là năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau. Khi hệ được trao đổi năng lượng, mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ và do đó nội năng của hệ tăng lên hay giảm đi. Trong nhiệt động học người ta gọi dạng truyền năng lượng đó là nhiệt.
Thí dụ: Cho vật lạnh tiếp xúc vật nóng, các phân tử chuyển động nhanh của vật nóng va chạm với các phân tử của vật lạnh chuyển động chậm hơn và truyền cho chúng một phần động năng của mình. Do đó nội năng của vật nặng tăng lên, nội năng của vật nóng giảm đi. Quá trình tăng giảm này sẽ dừng lại khi nào nhiệt độ của hai vật bằng nhau. Tóm lại: Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ.
Sự khác nhau sâu sắc giữa công và nhiệt ở chỗ công liên quan đến chuyển động có trật tự, có nhiệt liên quan tới chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ nhưng chúng có một mối liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hoá lẫn nhau: Công có thể biến thành nhiệt, nhiệt có thể biến thành công. Ví dụ: truyền nhiệt cho vật, vật nóng lên nội năng của vật tăng lên đồng thời vật giãn nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công. Cần chú ý rằng công và nhiệt đều là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi năng lượng, nhưng chúng không phải là một dạng năng lượng. Công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ.
Ở mỗi trạng thái, hệ chỉ có một giá trị xác định của năng lượng, chứ không thể có công và nhiệt nếu hệ biến đổi từ trạng thái này sang một trạng thái khác theo những con đường khác nhau thì công và nhiệt trong quá trình biến đổi đó sẽ có những giá trị khác nhau. Vậy 56 công và nhiệt không phải là những hàm trạng thái mà là những hàm của quá trình. Sự phụ thuộc của công và nhiệt vào quá trình biến đổi trạng thái Trong phần này sẽ xem xét sự trao đổi công và nhiệt giữa hệ và môi trường, xét xem công và nhiệt phụ thuộc vào quá trình biến đổi trạng thái như thế nào. Xét hệ là một khối khí chứa trong xylanh được ngăn bởi một pittông di chuyển được, áp suất của khí trong xylanh được giữ ở một giá trị nào đó nhờ các viên chì đặt trên giường.
Thành của xylanh được làm bằng chất cách nhiệt. Đáy của xylanh hở và được tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ T điều chỉnh được. Ở đây, nguồn nhiệt ta hiểu là một hệ nào đó rất lớn để nó luôn luôn giữ ở một nhiệt độ không đổi khi tiếp xúc với các vật khác. Giả thuyết ở trạng thái 1 ban đầu, khi có áp suất P1, thể tích V1, nhiệt độ T1.
Ở trạng thái cuối 2 khí có áp suất P2, thể tích V2, nhiệt độ T2. Quá trình hệ thay đổi từ trạng thái đảo 1 sang trạng thái cuối 2 được gọi là quá trình nhiệt động. Trong quá trình này nhiệt có thể truyền từ nguồn nhiệt vào hệ hoặc ngược lại từ hệ ra nguồn nhiệt và công của hệ (khí) có thể tác dụng làm cho pittông dịch chuyển lên hay xuống. Ta quy ước: Nếu pittông đi lên (khí sinh công) thì công của hệ có giá trị dương.
Nếu pittông đi xuống (khí nhận công) thì công của hệ có giá trị âm. Ngoài ra ta giả thuyết rằng, quá trình dịch chuyển pittông trong xylanh xảy ra vô cùng chậm sao cho tại mỗi thời điểm hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Vì vậy ta có thể biểu diễn quá trình này trên giản đồ (p,V). Đó là đồ thị áp suất P phụ thuộc vào thể tích V.
Giả thuyết rằng có một số viên chì được lấy bớt khỏi pittông. Lúc này khí sẽ đẩy r pittông dịch chuyển lên phía trên một đoạn dS, lực F sẽ có hướng lên trên. Vì dS là r nhỏ do đó có thể giả thuyết lực F là hằng số trong quá trình dịch chuyển. Nếu thiết r diện của pittông là S thì lực F sẽ bằng P.S, trong đó P là áp suất của khí tác dụng lên phương.
Công nguyên tố dA do khí sinh ra trong quá trình pittông dịch chuyển là: Trong đó dV là biến thiên thể tích của khí do pittông dịch chuyển. Nếu giả thuyết số viên chì được bỏ ra đủ cấp cho thể tích của khí thay đổi V1 đến V2 thì công toàn bộ do khối khí sinh ra là: 57 Để tính được tích phân trên ta phải biết sự thay đổi của áp suất khi thể tích thay đổi trong một quá trình cụ thể nào đó từ trạng thái đầu 1 đến trạng thái 2. Có nhiều cách thay đổi áp suất P để đưa hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2. Trên hình biểu diễn một số cách khác nhau để đưa hệ từ trạng thái 1 đến trạng thái Tích phân (*) (công do khi thực hiện) chính là diện tích bao bởi đường cong trên giản đồ (P.2a) là diện tích bao bởi 12V2V 1, công này có giá trị dương vì thể tích khí tăng (dV > 0).
Ngược lại, công thực hiện ở quá trình trên đồ thị (2.2d) có giá trị âm (dv < 0): quá trình nén khí. Ta hãy xét sự phụ thuộc của công và nhiệt vào quá trình trên đồ thị (2.2b) biểu diễn quá trình la2 gồm hai quá trình: đẳng áp 1a và đẳng tích a2. Quá trình đắng áp 1a có thể thực hiện bằng cách giữ nguyên trọng lượng giường và cho xylanh nhận được nhiệt từ nguồn nhiệt, nhiệt độ khí tăng từ T1 đến Ta và pittông dịch chuyển lên trên làm thể tích tăng từ V1, đến V2. Kết quả là trong quá trình này khí nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nhiệt (Q1 > 0) và sinh công A (A > 0) có diện tích bằng 1a2V1V2.
Quá trình đẳng tích a2 được thực hiện bằng cách cho xylanh tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ T2 thấp hơn T1. Vị trí pittông giữ nguyên. Trong quá trình này hệ truyền nhiệt Q2 có nguồn nhiệt (Q2 < 0), kết quả là quá trình 1a2 hệ sinh công và nhận nhiệt. - Quá trình 1a2 trên đồ thị (2.2c) cũng được tạo lên từ hai quá trình đẳng tích và đẳng áp nhưng bằng con đường khác hẳn.
Rõ ràng công hệ sinh ra trong quá trình này cũng như một nhiệt lượng hệ nhận đều nhỏ hơn quá trình trên. Tóm lại: có nhiều cách khác nhau để đưa hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác. Công và nhiệt hệ trao đổi trong quá trình sẽ phụ thuộc vào cách đưa hệ từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối. Hay có thể nói công và nhiệt là hàm của quá trình.
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 1. Phát biểu Nguyên lý thứ nhất là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng vận dụng vào các quá trình vĩ mô (quá trình nhiệt động học). 58 Độ biến thiên năng lượng toàn phồn 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. Trong biểu thức này các đại lượng đều đo bằng đơn vị giống nhau.