1. Nguyên lí I của nhiệt động lực học.
Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
Ta có : ∆U = A + Q với quy ước về dấu của nhiệt lượng và công như sau :
Q > 0 : Vật nhận nhiệt lượng từ các vật khác.
Q < 0 : Vật truyền nhiệt lượng cho các vật khác.
A > 0 : Vật nhận công từ các vật khác.
A < 0 : Vật thực hiện công lên các vật khác.
2. Nguyên lí II của nhiệt động lực học
a] Cách phát biểu của Clau–đi-út : Nhiệt không thể truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
b] Cách phát biểu của Các-nô : Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
c] Động cơ nhiệt
* Mỗi động cơ nhiệt phải có ba bộ phận cơ bản : nguồn nóng ; bộ phận phát động ; nguồn lạnh.
* Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng Q1 cho bộ phận phát động để bộ phận này chuyển hóa một phần thành công A, phần còn lại là nhiệt lượng Q2 truyền cho nguồn lạnh.
Hiệu suất của động cơ nhiệt là :
\[H = \frac{|A|}{Q_{1}} 0: hệ nhận công; A < 0: hệ thực hiện công. Q > 0: hệ nhận nhiệt; Q < 0: hệ truyền nhiệt. Nguyên lí II nhiệt động lực học 1. Cách phát biểu của Clau-di-út Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang một vật nóng hơn. 2. Cách phát biểu của Các-nô Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. Ở bài 2, ta thường gặp 2 dạng toán sau: Dạng 1: Tính toán các đại lượng liên quan đến công, nhiệt và độ biên thiên nội năng Áp dụng nguyên lý I Trong đó: ∆U : biến thiên nội năng [J] A: công [J] Chú ý: Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng áp p = hằng số: áp suất của khối khí. V1, V2: là thể tích lúc đầu và lúc sau của khí. Đơn vị thể tích V [m3], đơn vị của áp suất p [N/m2] hoặc [Pa]. Dạng 2: Ví dụ toán về hiệu suất động cơ nhiệt Hiệu suất thực tế: Hiệu suất lý tưởng: Nếu cho H thì suy ra A nếu biết Q1, ngược lại cho A suy ra Q1 và Q2 II. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Người ta thực hiện công 1000J để nén khí trong một xilanh. Tính độ biến thiên của khí, biết khí truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 400J? Lời giải: Đáp án D. Ví dụ 2: Người ta cung cấp một nhiệt lượng 1,5J cho chất khí đựng trong một xilanh đặt nằm ngang. Khí nở ra đẩy pittông đi một đoạn 5 cm. Biết lực ma sát giữa pittông và xilanh có độ lớn 20N. Tính độ biến thiên nội năng của khí: Ví dụ 3: Một lượng khí khi bị nung nóng đã tăng thể tích 0,02m3 và nội năng biến thiên 1280J. Nhiệt lượng đã truyền cho khí là bao nhiêu? Biết quá hình là đẳng áp ở áp suất 2.105 Pa. Đáp án C. Ví dụ 4: Một bình nhôm khối lượng 0,5kg ở nhiệt độ 20°C. Tính nhiệt lượng cần cung cấp để nó tăng lên 50°C. Biết nhiệt dung của nhôm là 0,92.103 J/kg. K. Lời giải: Đáp án A. Ví dụ 5: Một động cơ nhiệt lý tưởng hoạt động giữa hai nguồn nhiệt 100°C và 25,4°C, thực hiện công 2kJ. Tính nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nguồn lạnh. Lời giải: Hiệu suất động cơ - Suy ra, nhiệt lượng mà động cơ nhân từ nguồn nóng là: 1 10kJ - Nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nguồn lạnh Đáp án D. III. Bài tập rèn luyện kỹ năng Câu 1: Câu nào sau đây nói về sự truyền nhiệt là không đúng? A. Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. B. Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. C. Nhiệt có thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. D. Nhiệt có thể tự truyền giữa hai vật có cùng nhiệt độ. Câu 2: Hệ thức nào sau đây phù hợp với quá trình làm lạnh khí đẳng tích? Câu 3: Hệ thức ∆ = U Q là hệ thức của nguyên lý I nhiệt động lực học A. áp dụng cho quá trình đẳng áp. B. áp dụng cho quá trình đẳng nhiệt. C. áp dụng cho quá trình đẳng tích. D. áp dụng cho cả ba quá trình trên. Câu 4: Nhiệt độ của vật giảm là do các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật A. ngừng chuyển động. B. nhận thêm động năng. C. chuyển động chậm đi. D. va chạm vào nhau. Câu 5: Nhiệt độ của vật không phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây? A. Khối lượng của vật. B. Vận tốc của các phân tử cấu tạo nên vật. C. Khối lượng của từng phân tử cấu tạo nên vật. D. Khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật. Câu 6: Câu nào sau đây nói về sự truyền nhiệt là không đúng? A. Nhiệt vẫn có thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. B. Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. C. Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. D. Nhiệt có thể tự truyền giữa hai vật có cùng nhiệt độ. Câu 7: Một khối khí được truyền một nhiệt lượng 2000J thì khối khí dãn nở và thực hiện được một công 1500J. Tính độ biến thiên nội năng của khối khí. A. 500J B. 3500 J C. -3500J D. -500J Câu 8: Hệ thức nào sau đây phù hợp với quá hình làm lạnh khí đang tích? Câu 9: Khí thực hiện công trong quá hình nào sau đây? A. Nhiệt lượng khí nhận được lớn hơn độ tăng nội năng của khí. B. Nhiệt lượng khí nhận được nhỏ hơn độ tăng nội năng của khí. C. Nhiệt lượng khí nhận được bằng độ tăng nội năng của khí. D. Nhiệt lượng khí nhận được lớn hơn hoặc bằng độ tăng nội năng của khí. Câu 10: Làm biến đổi một lượng khí từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biết rằng ở trạng thái 2 cả áp suất và thể tích của lượng khí đều lớn hơn của trạng thái 1. Trong những cách biến đổi sau đây, cách nào lượng khí sinh công nhiều nhất? A. Đun nóng đẳng tích rồi đun nóng đẳng áp. B. Đun nóng đẳng áp rồi đun nóng đẳng tích. C. Đun nóng khí sao cho cả thể tích và áp suất của khí đều tăng đồng thời và liên tục từ trạng thái 1 tới trạng thái 2. D. Tương tự như C nhưng theo một dãy biến đổi trạng thái khác. Câu 11: Nội năng của một vật phụ thuộc vào: A. Nhiệt độ, áp suất và khối lượng. B. Nhiệt độ và áp suất. C. Nhiệt độ và thể tích. D. Nhiệt độ, áp suất và thể tích. Câu 12: Khi cung cấp nhiệt lượng 2J cho khí trong xilanh đặt nằm ngang, khí nở ra đấy pittông di chuyển đều đi được 5cm. Cho lực ma sát giữa pittông và xilanh là 10N. Độ biến thiên nội năng của khí là? A. -0,5J B. -1,5J C. 1,5J D. 0,5J Câu 13: Hơ nóng đẳng tích một khối khí chứa trong một bình lớn kín. Độ biến thiên nội năng của khối khí là Câu 14: Khí khi bị nung nóng đã tăng thể tích 0,02m3 và nội năng biến thiên lượng 1280J. Nhiệt lượng đã truyền cho khí là bao nhiêu? Biết quá trình là quá trình đẳng áp ở áp suất 2.105 Pa. A. 5280J B. 4000J C. 3720J D. 2720J Câu 15: Một khối khí có V = 7,5 lít, p = 2.105 Pa, nhiệt độ 27°C. Khí được nén đẳng áp nhận công 50J. Tính nhiệt độ sau cùng của khí. Câu 16: Bình kín [dung tích coi như không dổi] chứa 14g N2 ở áp suất 1atm và t = 27°C. Khí được đun nóng, áp suất tăng gấp 5 lần. Nội năng của khí biến thiên lượng là bao nhiêu? Lấy CN = 0,75KJ/kg.K. Câu 17: Diện tích mặt pittông là 150cm2 nằm cách đáy của xilanh đoạn 30cm, khối lượng khí ở t = 25°C, p = 105 Pa. Khi nhận được năng lượng do 5g xăng bị đốt cháy tòa ra, khí dãn nở ở áp suất không đổi, nhiệt độ của nó tăng thêm 50°C. Tính công do khí thực hiện.
I - NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC [NĐLH]
1. Phát biểu nguyên lý
Nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bản loàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Sau đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí này.
Độ biên thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.
ΔU = A + Q
Với quy ước về dấu thích hợp, biểu thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng khác như vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu nhiệt và thực hiện công...
Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau. Sau đây là quy ước về dấu của nhiệt lượng và công:[hình 33.1/175]
Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng;
Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng;
A > 0: Hệ nhận công;
A < 0: Hệ thực hiện công.
Ví dụ: Khi cung cấp cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra đẩy pittông lên và thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng là bao nhiêu?
DU = Q – A = 120-90 = 30J.
2. Vận dụng
Trong hệ toạ độ [p, V], quả trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông gốc với trục thể tích [hình 33.2/176]
Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biểu thức của nguyên lí thứ nhất của NĐLH có dạng:
ΔU = Q
Ý nghĩa vật lí của biểu thức trên:
- Vì trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1, nên để chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, chất khí phải nhận nhiệt lượng [Q > 0], nội năng của chất khí tăng [ΔU > 0].
- Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng.
II - NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh nóng lên. Trong quá trình này, năng lương được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của mình và của không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, nghĩa là không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Tại sao?
1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
a] Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bảng rồi thả ra, con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A... [hình 33.3/177]
Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác. Quá trình này xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch.
b] Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên ấm nước không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.
Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể tự truyền theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện quá trình ngược" phải dùng một "máy làm lạnh", nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác.
Trong thí dụ nêu ở phần vào bài, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng, nhưng nội năng lại không thể tự chuyển hoá thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này cũng là quá trình không thuận nghịch.
Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH.
Như vậy, trong NĐLH nguyền lí thứ nhất chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra.
2. Nguyên lí II nhiệt động lực học
Nguyên lí thứ hai của NĐLH cho biết chiều mà quá trình có thể tự xảy ra hoặc không thể tự xảy ra. Sau đây là hai cách phát biểu đơn giản nhất.
a] Cách phát biểu của Clau-đi-út
Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
Mệnh đề trên được Clau-đi-út [Clausius], nhà vật lí người Đức, phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của NĐLH. Mệnh đề này không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, chỉ khẳng định là điều này không thể tự xáy ra được.
b] Cách phát biểu của Cac-nô
Chúng ta đã biết, trong động cơ nhiệt chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp được chuyển thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi trường bên ngoài. Cac-nô [Carnot], nhà vật lí người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng trên trong mệnh đề:
Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
Chú ý: Người ta có thể chứng minh được hai cách phái biểu trên của nguyên lí thứ hai của NĐLH là tương đương.
3. Vận dụng
Nguyên lí thứ hai của NĐLH giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ,...
Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng.
Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là:
+ Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng [Q1].
+ Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công [A] gọi là tác nhân và các thiết bị phát động.
+ Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra [Q2].
® Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là:
trong đó, với Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh.
Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học.