Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Đỗ Ngọc Uấn

Ch−ơng 8 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội Đ1.Khái niệm năng l−ợng-công vμ nhiệt 1. Năng l−ợng: • Đặc tr−ng cho mức độ vận động của vật chất trong hệ.-> trạng thái xác định, năng l−ợng xác định. =>Năng l−ợng lμ hμm của trạng thái. • Hệ không chuyển động, không đặt trong tr−ờng lực -> Năng l−ợng của hệ đúng bằng nội năng của hệ: W = U Khối khí đẩy pít tông -> sinh công -> nội năng giảm -> trao đổi năng l−ợng; Nén: nhận công.
Công vμ nhiệt lμ những đại l−ợng đo mức độ trao đổi năng l−ợng. Chúng không phải lμ năng l−ợng. Chúng không phải lμ hμm trạng thái mμ lμ hμm của quá trình. •Sự t−ơng đ−ơng giữa công vμ nhiệt: •Nung nóng khối khí, giữ V=const ->Chuyển động hỗn loạn tăng ->T tăng ->trao đổi năng l−ợng: nhận nhiệt. 4,18j 1calo 2. Công vμ nhiệt: Đ2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học Trong cơ học: Độ biến thiên năng l−ợng của hệ bằng công mμ hệ trao đổi trong quá trình đó: ΔW = W2- W1= A -> Nhiệt? 1. Phát biểu nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học: Độ biến thiên năng l−ợng của hệ trong quá trình biến đổi bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc trong quá trình đó ΔW = W2- W1= A +Q Công liên quan đến chuyển động có trật tự Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn => A’=-A, Q’=-Q Công vμ nhiệt hệ sinh & toả ra. • Hệ đứng yên thì W=U (nội năng) • => Trong quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc trong quá trình đó: ΔU = U2-U1= A+Q Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ: dU = δA + δQ A, Q -Công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc. 2. ý Nghĩa nguyên lý I NĐLH: • Nếu A>0, Q>0 => ΔU = U2-U1>0 nội năng tăng, Hệ nhận công vμ nhiệt. Công sinh ra A’<0 & nhiệt toả ra Q’<0. • Nếu A U2 Nội năng giảm, Hệ sinh công A’>0 & toả nhiệt Q’>0. • Nếu A=0 & Q=0 => U2=U1 Nội năng bảo toμn • Định luật bảo toμn vμ chuyển hoá năng l−ợng: Năng l−ợng không tự sinh ra vμ cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển hoá từ dạng nμy sang dạng khác, truyền từ hệ nμy sang hệ khác. 3. Hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt Động Lực học:  Không tồn tại động cơ vĩnh cửu loại I: Giả sử hệ thực hiện một chu trình kín vμ trở lại trạng thái ban đầu; Tức U2=U1-> ΔU = 0 => A=-Q hay -A = Q; Nh− vậy hệ nhận công thì toả nhiệt, sinh công thì phải nhận nhiệt.  Trong một hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt l−ợng do vật nμy toả ra bằng nhiệt l−ợng do vật kia thu vμo: ΔU = 0 => Q1 =-Q2. Đ3. ứng dụng nguyên lý thứ I nhiệt động lực học 1. Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng a. Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ lμ trạng thái trong đó mọi thông số trạng thái không biến đổi theo thời gian. Trạng thái cân bằng bị phá vỡ nếu chịu tác động từ bên ngoμi. Quá trình cân bằng lμ quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng Thực tế không có quá trình CB; QT biến đổi rất chậm: Trạng thái CB đ−ợc thiết lập trong toμn hệ tr−ớc khi chuyển sang trạng thái CB tiếp theo  QT giả cân bằng áp suất tác dụng lên pít tông p = F/S Công khối khí nhận đ−ợc: δA=-F.dl=-pSdl S.dl=dV => δA = -pdV Công hệ nhận đ−ợc trong quá trình V1=> V2 ∫ ∫ −== 2 1 V V 2 1 pdVdAA A bằng diện tích d−ới đ−ờng cong. Trong chu trình A bằng tổng đại số Agiãn+Anén b. Công mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB Nén chậm F dl<0 S p Nén V2 V1V 2 A>0 1 Giãn V1 V2V 1 A<0 2 p c. Nhiệt mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB Nhiệt dung phân tử(1 mol): C = μ.c J/(mol.K) Nhiệt hệ nhận đ−ợc: CdTmQ μ=δ Nhiệt dung: riêng c của một chất lμ đại l−ợng vật lý có giá trị bằng l−ợng nhiệt cần thiết mμ một đơn vị khối l−ợng nhận đ−ợc để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 độ. C = Cv trong quá trình đẳng tích C = Cp trong quá trình đẳng áp kg.K j vĐ dT.m Qc δ= p V2 1 2 VV1 2. Quá trình đẳng tích • V= const •P/T = const (ĐL Gay-Lussac) T 2 iRmU Δμ=Δ TCmQ v Δμ= 2 iRCv = 2 1 3 2 2 1 1 T p T p T p == •Nhiệt nhận đ−ợc: 12 TTT −=Δ V p •Công A= p(V1-V2)=0 • =>ΔU = Q • Biến thiên nội năng: 3. quá trình đẳng áp • p = const • V/T = const (ĐL Gay-Lussac) 3 3 1 1 T V T V T V == • Nhiệt hệ nhận đ−ợc: Q= ΔU -A T 2 iRmQ Δμ= TRmT 2 iRmQ Δμ+Δμ= => R=CP-CV R 2 2iCP += i 2i C C V P +==γ TRmVp Δμ=Δ V p +p(V2-V1) Hệ số Poisson TCmT)RC(mT)R 2 iR(mQ PV Δμ=Δ+μ=Δ+μ= • Công nhận đ−ợc: A=-p(V2-V1) 2 1 3 v2 v1 v3 4. quá trình đẳng nhiệt • T=const =>T1=T2 =T • pV=const (ĐL Boyle-Mariotte) ∫ −= 2 1 v v pdVA 2 1 1 2 1 2 11 V VlnRTm V VlnRTm V VlnVpA μ=μ−=−= 1 2 V VlnRTmAQ μ=−= p 3 p1 1 p2 2 v1 v2 v p1V1=p2V2=pV p=p1V1/V •ΔU=0 => A=-Q hay Q=-A • Công nhận đ−ợc: ∫ −= 2 1 v v 11 V dVVp 5. Qúa trình đoạn nhiệt • δQ=0 hay Q=0 • p tăng do V↓ & T↑ • dU= δA ( Nguyên lý I NĐH) ; dTCmdT 2 iRmdU Vμ=μ= constVln)1(Tln =−γ+ constTV 1 =−γ V dVRTdTC V −=⇒ -pdVA =δ RTmpV μ= 0 V dV C R T dT V =+ 1 C CC C R V VP V −γ=−= constTV 1 =−γ const)TVln( 1 =−γ 1 constp.T 1 >γ=γ γ− constpV =γ • Về ph−ơng diện vật lý: Trong QT đoạn nhiệt p↓ do V↑ & T↓ còn khi p ↑ do V ↓ & T ↑ Đoạn nhiệt dốc hơn T=const->pV=constδQ=0->pVγ=const p v T 2 iRmU Δμ=Δ • Độ biến thiên nội năng trong QT đoạn nhiệt: Công mμ hệ nhận đ−ợc trong QT đoạn nhiệt: • Về mặt toán học: PVγ= const & γ>1 Trong QT đẳng nhiệt: p↓ doV↑ hay p↑do V↓ Công do hệ sinh ra: A’=-A T 2 iRmUQUA Δμ=Δ=−Δ= ∫ −= 2 1 V V )pdV(A 111 RT mVp μ= Công Anhận trong qt đoạn nhiệt V1->V2: 1 )VV(Vp V dVVpA 1 1 1 211 V V 11 2 1 −γ −=−= γ−γ−γ γ ∫ γ 1 VpVpA 1122 −γ −= 1 1211 T)1( )TT(Vp −γ −=A γγ = 2211 VpVpvμ thay Nhân vμo γ γ γγ =⇒= V VppVppV 1111