Nguyên lý I nhiệt động lực hoc

Chơng 8
Nguyên lý thứ nhất nhiệt
động lực học
Bi giảng Vật lý đại cơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Trờng ĐH Bách khoa H nội
Đ1.Khái niệm năng lợng-công
v nhiệt
1. Năng lợng:
Đặctrng cho mức độ vận động của vật
chất trong hệ > trạng thái xác định, năng
lợng xác định.
=>Năng lợng l hmcủatrạng thái.
Hệ không chuyển động, không đặt trong
trờng lực -> Năng lợng của hệ đúng
bằng nội năng của hệ: W = U
Khối khí đẩy pít tông -> sinh công -> nội năng
giảm -> trao đổi năng lợng; Nén: nhận công.
Công v nhiệt l những đại lợng đo mức độ
trao đổi năng lợng. Chúng không phải l năng
lợng. Chúng không phải l hm trạng thái m
l hm của quá trình.
Sự tơng đơng giữa công v nhiệt:
Nung nóng khối khí, giữ V=const
->Chuyển động hỗn loạn tăng ->T tăng
->trao đổi năng lợng: nhận nhiệt.
4,18j <=> 1calo
2. Công v nhiệt:
Đ2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động
lực học

Trong cơ học
: Độ biến thiên năng lợng của hệ
bằng công m hệ trao đổi trong quá trình đó:
W = W
2
-W
1
= A -> Nhiệt?
1. Phát biểu nguyên lý thứ nhất nhiệt
động lực học:
Độ biến thiên năng lợng củahệtrongquá
trình biến đổi bằng tổng công v nhiệt hệ
nhận đợc trong quá trình đó
W = W
2
-W
1
= A +Q
Công liên quan đến chuyển động có trật tự
Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn
=> A=-A, Q=-Q Công v 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 v nhiệt hệ nhận
đợc trong quá trình đó:
U = U
2
-U
1

= A+Q
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ:
dU = A + Q
A, Q -Công v nhiệt hệ nhận đợc.
2. ý Nghĩa nguyên lý I NĐLH:
NếuA>0, Q>0 => U = U
2
-U
1
>0 nội năng
tăng, Hệ nhận công v nhiệt. Công sinh ra A<0
& nhiệt toả ra Q<0.
NếuA<0, Q<0 => U
2
<U
1
=> Nội năng giảm,
Hệ sinh công A>0 & toả nhiệt Q>0.
Nếu A=0 & Q=0 => U
2
=U
1
Nội năng bảo ton
Định luật bảo tonv chuyển hoá năng lợng:
Năng lợng không tự sinh ra v cũng không tự
mất đi, nó chỉ chuyển hoá từ dạng ny sang dạng
khác, truyền từ hệ ny 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 v trở lại trạng
thái ban đầu; Tức U
2
=U
1
-> U = 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 lợng do vật ny toả ra bằng nhiệt lợng
do vật kia thu vo:
U = 0 => Q
1
=-Q
2
.
Đ3.
ứ
ng dụng nguyên lý th
ứ
I nhiệt
động lực học
1. Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng
a. Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ l
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 ngoi.
Quá trình cân bằng l 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 đợc thiết lập trong tonhệ
trớc khi chuyển sang trạng thái CB tiếp theo
QT giả cân bằng
¸p suÊt t¸c dông lªn pÝt t«ng
p = F/S
C«ng khèi khÝ nhËn ®−îc:
δA=-F.dl=-pSdl
S.dl=dV => δA = -pdV
C«ng hÖ nhËn ®−îc trong qu¸ tr×nh V
1
=> V
2
∫∫
−==
2
1
V
V
2
1
pdVdAA
A b»ng diÖn tÝch d−íi
®−êng cong.
Trong chu tr×nh A b»ng tæng ®¹i sè A
gi·n
+A
nÐn
b. C«ng mμ hÖ nhËn ®−îc trong qu¸ tr×nh CB
NÐn chËm
F

dl<0
S
p
NÐn
V
2
V
1
V
2 A>0
1
Gi·n
V
1
V
2
V
1 A<0
2
p
c. Nhiệt m hệ nhận đợc trong quá trình CB
Nhiệt dung phân tử(1 mol): C = .c J/(mol.K)
Nhiệt hệ nhận đợc:
CdT
m
Q

=
Nhiệt dung: riêng c của một chất l đại lợng
vật lý có giá trị bằng lợng nhiệt cần thiết m

một đơn vị khối lợng nhận đợc để nhiệt độ
của nó tăng thêm 1 độ.
C = C
v
trong quá trình đẳng tích
C = C
p
trong quá trình đẳng áp
kg.K
j
vĐ
dT.m
Q
c

=
p
V
2
1
2
V
V
1
2. Qu¸ t
r
×nh ®
¼
ng tÝch
• V= const

•P/T = const (§L Gay-Lussac)
T
2
iRm
U Δ
μ
=Δ
TC
m
Q
v
Δ
μ
=
2
iR
C
v
=
2
1
3
2
2
1
1
T
p
T
p

T
p
==
•NhiÖt nhËn ®−îc:
12
TTT
−
=Δ
V
p
•C«ng A= p(V
1
-V
2
)=0
• =>ΔU = Q
• BiÕn thiªn néi n¨ng:
3. qu¸ t
r
×nh ®¼ng ¸p
• p = const
• V/T = const (§L Gay-Lussac)
3
3
1
1
T
V
T
V

T
V
==
• NhiÖt hÖ nhËn ®−îc: Q= ΔU -A
T
2
iRm
Q Δ
μ
=
TR
m
T
2
iRm
Q Δ
μ
+Δ
μ
=
=> R=C
P
-C
V
R
2
2i
C
P
+

=
i
2i
C
C
V
P
+
==γ
TR
m
Vp Δ
μ
=Δ
V
p
+p(V
2
-V
1
)
HÖ sè Poisson
TC
m
T)RC(
m
T)R
2
iR
(

m
Q
PV
Δ
μ
=Δ+
μ
=Δ+
μ
=
•C«ngnhËn ®−îc: A=-p(V
2
-V
1
)
2 1 3
v
2
v
1
v
3
4. qu¸ tr×nh ®¼ng nhiÖt
• T=const =>T
1
=T
2
=T
• pV=const (§L Boyle-Mariotte)
∫

−=
2
1
v
v
pdVA
2
1
1
2
1
2
11
V
V
lnRT
m
V
V
lnRT
m
V
V
lnVpA
μ
=
μ
−=−=
1
2

V
V
lnRT
m
AQ
μ
=−=
p 3
p
1
1
p
2
2
v
1
v
2
v
p
1
V
1
=p
2
V
2
=pV
p=p
1

V
1
/V
•ΔU=0 => A=-Q hay Q=-A
• C«ng nhËn ®−îc:
∫
−=
2
1
v
v
11
V
dV
Vp
5. Qóa t
r
×nh ®o¹n nhiÖt
• δQ=0 hay Q=0
• p t¨ng do V↓ & T↑
• dU= δA ( NguyªnlýI N§H)
; dTC
m
dT
2
iRm
dU
V
μ
=

μ
=
constVln)1(Tln
=
−
γ
+
constTV
1
=
−γ

V
dV
RTdTC
V
−=⇒
-pdVA
=
δ
RT
m
pV
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 phơng diện vật lý: Trong QT đoạn nhiệt
p do V & T còn khi p do V & T
Đoạn nhiệt dốc hơn
T=const->pV=const
Q=0->pV

=const
p
v
T
2
iRm
U

=
Độ biến thiên nội năng
trong QT đoạn nhiệt:
Công m hệ nhận đợc trong QT đoạn nhiệt:
Về mặt toán học:
PV

= const & >1
Trong QT đẳng nhiệt:
p doV
hay pdo V
C«ng do hÖ sinh ra: A’=-A
T
2
iRm
UQUA Δ

μ
=Δ=−Δ=
∫
−=
2
1
V
V
)pdV(A
111
RT
m
Vp
μ
=
C«ng A
nhËn
trong
qt ®o¹n nhiÖt
V
1
->V
2
:
1
)VV(Vp
V
dV
VpA
1

1
1
211
V
V
11
2
1
−γ
−
=−=
γ−γ−γ
γ
∫
γ
1
VpVp
A
1122
−γ
−
=
1
1211
T)1(
)TT(Vp
−γ
−
=A
γγ

=
2211
VpVp
vμ thay
Nh©n vμo
γ
γ
γγ
=⇒=
V
V
ppVppV
1
111