nghiên cứu chương trình cơ sở nhiệt động lực học LOP 10

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
-----------  ----------

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG

GHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN
PHẦN: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Giảng viên hướng dẫn:
PGS. TS. Lê Công Triêm

Học viên thực hiện:
Nguyễn Thị Thanh Nga
Lê Thanh Sơn
Lớp LL&PPDH Vật lý – K23

Huế, tháng 4 năm 2015


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

MỤC LỤC

2.2.1. Nguyên lý I của Nhiệt động lực học.............................................10
2.2.2. Nguyên lý II của Nhiệt động lực học.............................................16
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................25

MỞ ĐẦU
Để nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngoài phương

pháp động học phân tử, người ta còn dùng phương pháp nhiệt động lực học. Phương
pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử mà
khảo sát các hiện tượng xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng lượng
đi kèm với các hiện tượng ấy.
Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa trên hai nguyên lý cơ bản được rút ra từ thực
nghiệm gọi là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học. Nhờ
các nguyên lý này, không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của vật, ta cũng có thể rút ra
nhiều kết luận về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau.
Nhằm hiểu sâu hơn nội dung kiến thức của phần “Cơ sở của Nhiệt động lực
học”, trong tiểu luận này tôi đi sâu nghiên cứu những kiến thức cơ bản của phần“cơ
sở của Nhiệt động lực học”.

-2-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

NỘI DUNG
1. KIẾN THỨC CƠ BẢN
1.1. Các khái niệm
- Nội năng
- Công và nhiệt lượng
- Máy nhiệt (động cơ nhiệt, máy lạnh)
1.2. Các nguyên lý
- Nguyên lí I của Nhiệt động lực học
- Nguyên lí II của Nhiệt động lực học
1.3. Ứng dụng
- Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình của khí lý tưởng
- Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh
2. NỘI DUNG KIẾN THỨC

2.1. Các khái niệm
2.1.1. Nội năng
Nội năng là một trong những khái niệm cơ sở của Nhiệt động lực học. Khái niệm
nội năng ra đời và phát triển gắn liền với nguyên lý I của Nhiệt động lực học.
Vật chất luôn vận động và năng lượng của một hệ là đại lượng xác định mức độ
vận động của vật chất ở trong hệ đó. Ở mỗi trạng thái hệ có một năng lượng xác định.
Năng lượng của một hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng
(chuyển dộng cơ) của cả hệ, thế năng của hệ trong trường lực và phần năng lượng ứng
với vận động bên trong (nội năng) của hệ.
W = Wđ + Wt + U.
-3-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Tùy theo tính chất của chuyển động và tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên
vật, ta có thể hiểu nội năng bao gồm:
+ động năng của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay);
+ thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử giữa chúng;
+ động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử;
+ năng lượng các vỏ điện tử của các nguyên tử và ion;
+ năng lượng trong hạt nhân nguyên tử;
+ năng lượng của bức xạ điện từ.
Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng không phải là nội năng U,
mà là độ biến thiên nội năng ∆U khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Trong các quá trình chuyển trạng thái chỉ có động năng và thế năng của các phân tử
cấu tạo nên vật thay đổi, còn tất cả các thành phần khác của nội năng hầu như không
biến đổi trong những quá trình đó. Do đó, để đơn giản trong NĐLH có thể coi nội
năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng chuyển động nhiệt của các phân
tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử.

Ở mỗi trạng thái, hệ có một nội năng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi thì
nội năng của hệ thay đổi và độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình biến đổi chỉ
phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình biến
đổi cho nên nội năng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Ta nói rằng nội năng là một
hàm trạng thái.
* Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi,
do đó nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của vật.
* Khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật thay
đổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào
thể tích của vật.
Vậy, nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật. Nội
năng là hàm số của nhiệt độ và thể tích : U = f(T, V)
Đối với khí lí tưởng người ta bỏ qua tương tác giữa các phân tử lúc không va
chạm, nên cũng bỏ qua tương tác giữa chúng, do đó nội năng của khí lý tưởng là tổng
-4-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

động năng chuyển động nhiệt của các phân tử. Nội năng của khí lí tưởng chỉ còn phụ
thuộc vào nhiệt độ của khi, tức nội năng là hàm số của nhiệt độ U = f(T).
* Phân biệt hai khái niệm nội năng và nhiệt năng
+ Nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng chuyển động nhiệt của
các phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử.
+ Nhiệt năng là năng lượng của chuyển động nhiệt, nghĩa là động năng của
chuyển động của các phân tử cấu tạo nên hệ. Theo cách hiểu này thì nhiệt năng là một
phần của nội năng. Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng.
* Các cách làm biến đổi nội năng của hệ
Vì nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ nên nếu ta làm thay đổi
nhiệt độ và thể tích của hệ thì nội năng thay đổi. Vậy hai cách làm thay đổi nội năng

của hệ là thực hiện công và truyền nhiệt lượng.
Ví dụ:
- Ấn pittông trong một xilanh chứa khí xuống thì thể tích của khí trong xilanh
giảm đồng thời khí nóng lên tức nội năng của khí đã biến đổi.
- Thả miếng đồng vào nước nóng. Sau một thời gian miếng đồng nóng lên có
nghĩa là nội năng của nó đã biến đổi.
2.1.2. Công và nhiệt lượng
Sự thực hiện công và sự truyền nhiệt lượng là hai hình thức truyền năng lượng khi
các hệ khác nhau tương tác với nhau.
+ Sự thực hiện công là hình thức truyền năng lượng giữa các vật vĩ mô tương
tác với nhau và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời có định hướng của vật (hay
một phần của vật).
+ Sự truyền nhiệt là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa các
nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên các vật đang tương tác .
Như vậy, sự truyền nhiệt cho hệ chỉ là sự truyền cùng một dạng năng lượng (năng
lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử) từ nơi này đến nơi khác và trực tiếp
dẫn đến sự tăng nội năng của hệ được truyền nhiệt lượng. Còn sự thực hiện công đối
với hệ thì có thể là sự truyền cùng một dạng năng lượng bất kì nào đó (trừ sự truyền
-5-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

năng lượng chuyển động nhiệt) từ nơi này đến nơi khác hay có thể là sự biến đổi giữa
những dạng năng lượng khác nhau và trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng
bất kì của hệ (động năng, thế năng, nội năng…).
+ Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng giữa các
hệ nhưng công liên quan đến chuyển động có trật tự còn nhiệt liên quan đến chuyển
động hỗn loạn của các phân tử của hệ.
* Phân biệt sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công

+ Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động và tương tác của vật
chất. Năng lượng luôn tồn tại cùng vật chất. Năng lượng là hàm trạng thái.
Ví dụ:
Cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho
chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt),…
+ Công và nhiệt không phải là những dạng năng lượng mà là những phần năng
lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác với nhau. Công và nhiệt chỉ xuất hiện
trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Vì vậy công và nhiệt là những hàm của
quá trình, không phải là những hàm trạng thái.
2.1.2.1. Công của áp lực trong quá trình cân bằng
Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái không biến đổi theo thời gian và tính
bất biến đó không phụ thuộc vào các quá trình của ngoại vật.
Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng
thái cân bằng.
Theo định nghĩa này thì quá trình cân bằng là một quá trình lý tưởng vì trong
quá trình biến đổi hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng tiếp
theo thì trạng thái cân bằng trước bị phá vỡ tức nó thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên
nếu quá trình được thực hiện rất chậm để có đủ thời gian thiết lập lại sự cân bằng mới
của hệ thì quá trình đó được coi là quá trình cân bằng.

-6-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Khảo sát quá trình nén khí trong xilanh.

∆l

Ngoại lực tác dụng lên pittông là F. Khi pitông dịch chuyển một đoạn ∆l , thì

khối khí nhận được công

∆A = − F ∆l (1)

Vế phải có dấu trừ vì khi nén ∆l < 0 , khối khí thực sự nhận công

∆A > 0 .

Vì quá trình là cân bằng nên ngoại lực F có giá trị luôn luôn bằng lực do khối khí
tác dụng lên pittông. Nếu gọi p là áp suất của khí lên pittông và S là diện tích của
pittông thì F = pS (2) .
Từ (1) và (2), suy ra công mà khối khí nhận được

∆A = − pS ∆l = − p∆V ,

trong đó ∆V = S ∆l là độ biến thiên thể tích của khối khí ứng với độ dịch chuyển ∆l
.
Nếu khối khí bị nén giảm thể tích từ giá trị V 2 xuống còn giá trị V1 thì công mà
khối khí nhận được trong quá trình nén là

A = − p∆V = − p (V1 − V2 ) (3)

Giả sử khối khí biến đổi theo một quá trình cân bằng từ trạng thái C 2 đến trạng
thái C1 được biểu diễn bởi đường cong C 2C1 như hình bên, trong đó thể tích biến đổi
từ V2 đến V1.Với biến thiên thể tích dV khá nhỏ, công nguyên tố của áp lực trong quá
trình cân bằng là: dA = pdV. Công này được biểu diễn bằng diện tích phần gạch chéo
trên đồ thị.
-7-

Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Như vậy công mà hệ thực hiện trong một quá trình bằng diện tích hình thang
cong giới hạn bởi đường biểu diễn quá trình, trục hoành và hai đường trục tung đi qua
hai điểm đầu và điểm cuối của quá trình.
Nếu khối khí đó giãn nở thì thể tích của khí tăng lên, do đó công mà khối khí
nhận được tính theo (3) có giá trị âm, nghĩa là khối khí đã sinh công A’ =-A.
Nếu trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu thì hệ đã thực hiện một chu trình cân
bằng.
Giả sử hệ biến đổi theo một chu trình cân bằng I(1)M(2)I như hình vẽ

Công mà hệ sinh ra trong chu trình cân bằng được tính bằng

A ' = AV1I (1) MV2 + AV1I (2) MV2 (4)
Nếu dựa vào đồ thị thì công mà hệ sinh ra trong chu trình cân bằng được tính bằng

A ' = SV1I (1) MV2 − SV1I (2) MV2 (5)
Công mà hệ sinh ra bằng diện tích miền được giới hạn bởi đường biểu diễn
(diện tích phần gạch chéo)

-8-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Dấu của A’ là dương nếu chiều diễn biến của quá trình là chiều kim đồng hồ trên
chu vi của diện tích có gạch chéo. Dấu của A’ âm nếu chiều diễn biến của quá trình là
ngược lại.
2.1.2.2. Nhiệt lượng
Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận thêm được hay mất bớt đi trong

quá trình truyền nhiệt .
Nhiệt lượng được kí hiệu là Q. Trong hệ SI, đơn vị nhiệt lượng là jun (J).
Trước đây, người ta dùng đơn vị nhiệt lượng là calori (cal).
1 cal = 4,18 J

hay

1J = 0,24 cal

* Công thức tính nhiệt lượng
+ Nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra của vật khi nhiệt độ của vật thay đổi :

Q = mc ∆T (6)
trong đó, c là nhiệt dung riêng của chất tạo nên vật (J/kg.K),
m là khối lượng của vật (kg),
∆T là độ biến thiên nhiệt độ của vật (K),

hoặc

Q =

m

µ

C ∆T , (C = µc ) (7)

với C là nhiệt dung phân tử của chất cấu tạo nên vật (J/mol.K),

µ

là khối lượng của một mol chất (kg/mol).

Nếu vật biến đổi đẳng tích, thì Q =

m
C V ∆T (8)
μ

với CV là nhiệt dung phân tử đẳng tích.
Nếu vật biến đổi đẳng áp, thì Q =

m
C P ∆T (9)
μ

với CP là nhiệt dung phân tử đẳng áp.

-9-


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

+ Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy m (kg) nhiên liệu : Q = m q (10)
trong đó, q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg).
+ Nhiệt lượng nóng chảy: Q = λ m, trong đó λ là nhiệt nóng chảy riêng (J/kg)
+ Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi riêng (J/kg)
2.2. Các nguyên lý của Nhiệt động lực học
2.2.1. Nguyên lý I của Nhiệt động lực học
2.2.1.1. Phát biểu: Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ

có giá trị bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó.
∆U = A + Q

(11)

Có thể phát biểu nguyên lý I theo cách sau: nhiệt truyền cho hệ trong một quá
trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá
trình đó.
Q = ∆U – A (12)
Các đại lượng ∆U, A, Q có thể dương hoặc âm
 Quy ước về dấu:
Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng,
Q < 0: hệ truyền nhiệt lượng,
A > 0: hệ nhận công,
A < 0: hệ thực hiện công.
2.2.1.2. Hệ quả của nguyên lý I
2.2.1.3. Đối với hệ cô lập
Hệ cô lập thì không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài.
Ta có A = Q = 0. Theo (11) ta có ΔU = 0 hay U = const.
Vậy, nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.
Nếu hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và giả sử Q 1 , Q2 là nhiệt
lượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì Q1 + Q2 = Q = 0 hay Q1 = – Q2 (13)
Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật
này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia đã thu vào.
Ví dụ:
- 10 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh thì nhiệt lượng mà
miếng đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào.
2.2.1.4. Đối với hệ biến đổi theo chu trình
Sau một chu trình, hệ trở về trạng thái ban đầu, ta có ΔU = 0 hay U = const.
Vậy, nội năng của hệ biến đổi theo chu trình được bảo toàn.
Từ (11) suy ra A + Q = 0 hay A = – Q (13’)
Vậy, trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do hệ
tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận được từ bên
ngoài.
Do đó, người ta còn phát biểu nguyên lý I như sau không thể thực hiện được
động cơ vĩnh cửu loại một (động cơ vĩnh cửu loại một là loại động cơ có thể sinh công
mà không cần tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc chỉ tiêu thụ một phần năng lượng ít
hơn công sinh ra)
2.2.1.3. Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình cân bằng của khí lý tưởng
2.2.1.3.1. Quá trình đẳng tích
Quá trình đẳng tích là quá trình biến đổi trạng thái khi thể tích không đổi.
Phương trình

V = const hay

p
=const
T

Ví dụ:
Quá trình hơ nóng hay làm lạnh một khối khí trong một bình kín có hệ số giãn
nở không đáng kể.

Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng tích từ trạng thái 1 sang trạng thái 2

 Công mà khối khí nhận được trong quá trình đẳng tích
- 11 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Từ (3) ta có

A = 0, (vì V1 = V2 nên ∆V = 0) (12)
 Nhiệt lượng khối khí nhận được
Từ (8) ta có

Q =

m
m
C V ∆T =
C V (T2 −T1 ) (13)
μ
μ

Độ biến thiên nội năng đối với quá trình đẳng tích
Từ (11), (12),(13) ta có

∆U = Q =

m

µ

CV ∆T (14)

Vậy, trong quá trình đẳng tích thì nhiệt trao đổi đúng bằng độ biến thiên nội năng
của khí.
2.2.1.3.2. Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất không đổi.
Phương trình p = const hay

V
= const
T

Ví dụ:
Quá trình đốt nóng hay làm lạnh khối khí đựng rong một xilanh với pittông có
thể di chuyển tự do (sao cho áp suất của khối khí luôn bằng áp suất của khí quyển )

Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2
 Công mà khí nhận được trong quá trình đẳng áp
Từ (3) ta có
- 12 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

A = −p (V2 −V1 ) = p (V1 −V2 ) (15)
 Nhiệt lượng khí nhận được trong quá trình đẳng áp
Từ (8) ta có

Q =

m
m
C P ∆T =
C P (T2 −T1 ) (16)
μ
μ

Độ biến thiên nội năng của khí trong quá trình đẳng áp
Từ (11), (16),(17) ta có

∆U = p (V1 −V2 ) +

m

µ

CP ∆T (17)

Vậy trong quá trình đẳng áp, nhiệt lượng mà hệ nhận được một phần làm tăng nội
năng của nó, một phần sinh công.
2.2.1.3.3. Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi nhiệt độ không đổi.
Phương trình

T = const hay pV = const

Ví dụ:
Quá trình nén hoặc giãn một khối khí tiếp xúc vói một môi trường lớn có nhiệt độ
không đổi hay bình điều nhiệt.Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng nhiệt từ trạng
thái 1 sang trạng thái 2

 Công mà khí nhận được trong quá trình đẳng nhiệt
Từ (3) ta có:

∆A = − p ∆V

Áp dụng phương trình trạng thái của khí lí tưởng

- 13 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

p=
Ta có

∆A = −

m

µ

m RT
µ V

RT

∆V
(18)
V

Vì nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên trong quá trình đẳng
nhiệt, nội năng của khí không đổi, ta có ∆U = 0.
 Nhiệt lượng mà khối khí nhận được trong quá trình đẳng nhiệt
Từ (11), (19) ta có ∆U = A + Q = 0 suy ra Q = - A (20)
Như vậy, trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được dùng để
sinh công.
Vậy, trong quá trình đẳng nhiệt thì công mà khí sinh ra bằng nhiệt lượng mà nó
nhận được và ngược lại. Hay nói cách khác, trong quá trình nén đẳng nhiệt, khối khí
nhận công và tỏa nhiệt còn trong quá trinh giãn đẳng nhiệt, khối khí sinh công và nhận
nhiệt.
2.2.1.3.4. Chu trình
Do trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình trùng nhau nên độ biến thiên nội
năng trong chu trình bằng 0 tức ∆U = 0
Công và nhiệt lượng mà hệ nhận được trong chu trình
A = A1 + A2 + A3 + … + An,
Q = Q1 + Q2 + Q3 + … + Qn,
Trong đó A i, Qi tương ứng là công và nhiệt lượng mà hệ nhận được ứng với từng quá
trình trong chu trình.
Hoặc công mà hệ nhận được trong chu trình được tính bằng phần diện tích được
giới hạn bởi đường biểu diễn quá trình biến đổi..
Áp dụng nguyên lý I của NĐLH: ∆U = A + Q suy ra A = -Q
Ta có thể tóm tắt các biểu thức chính trong các quá trình cân bằng của khí lí
tưởng theo bảng sau

- 14 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Quá
trình

Phương
trình của quá
trình

A

Đẳng
tích

p
= const
T

0

Đẳng áp

V
= const
T

Đẳng
nhiệt

pV = const

∆U=A + Q

Q

m
C ∆T
µ

∆U = Q

m
C ∆T
µ

∆U = A + Q

V

p(V1 – V2)

A≠0

P

Q ≠0

∆U = 0,
(vì Q = -A)

2.2.1.4. Ý nghĩa của nguyên lý I Nhiệt động lực học
Nguyên lý I có một vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như

trong khoa học và kĩ thuật.
Ăngghen là người đầu tiên nêu lên được tính tổng quát của nguyên lý I. Ăngghen
khẳng định rằng nguyên lý I chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động, một cơ
sở của chủ nghĩa duy vật biện chứng.
Độ tăng hay giảm nội năng của hệ sẽ bằng độ giảm hay tăng năng lượng của hệ
khác đang trao đổi năng lượng với hệ. Nếu hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái
khác theo những quá trình khác nhau, nhiệt lượng và công hệ nhận được trong mỗi
quá trình đó là khác nhau nhưng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được
trong các quá trình lại như nhau và bằng độ biến thiên nội năng của hệ. Nguyên lý I là
sự vận dụng dịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Không thể có một máy nào làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêm
năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho nó.
Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ giữa độ biến thiên nội năng và công , nhiệt
lượng trong một quá trình biến đổi.

- 15 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

2.2.1.5. Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học
Tất cả các quá trình vĩ mô trong tự nhiên đều phải tuân theo nguyên lý I. Tuy
nhiên có một số quá trình vĩ mô phù hợp với nguyên lý I không xảy ra trong thực tế.
Ví dụ:
Xét một hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau. Khi đặt hai vật tiếp xúc
với nhau thì chúng sẽ trao đổi nhiệt với nhau.
- Theo nguyên lý I thì nhiệt lượng mà vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia
thu vào. Trong hệ có thể xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hoặc
từ vật lạnh sang vật nóng.
- Thực tế trong hệ trên chỉ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật

lạnh.
+ Như vậy nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến của quá trình thực tế xảy ra.
+ Nguyên lý I không đề cập tới vấn đề chất lượng của nhiệt. Thực tế cho thấy nhiệt
lượng nhận được từ môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng cao hơn nhiệt lượng
nhận được ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn (ví dụ nhiệt lượng thu được từ 1 kg than
đá khác với nhiệt lượng thu được từ 1 kg gỗ).
+ Nguyên lý I chưa nêu lên sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa giữa công
và nhiệt. Theo nguyên lý I thì công và nhiệt là tương đương nhau và có thể chuyển
hóa lẫn nhau. Thực tế chứng tỏ rằng công có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt
nhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thành
công.
2.2.2. Nguyên lý II của Nhiệt động lực học
Nguyên lý II của NĐLH khắc phục những hạn chế của nguyên lý I và đóng một
vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các máy nhiệt.
2.2.2.1. Các khái niệm
2.2.2.1.1. Quá trình thuận nghịch
Một quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 được gọi là thuận
nghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược đó, hệ đi
qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.
- 16 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Như vậy đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và
quá trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không
xảy ra một biến đổi nào cả.
Ví dụ:
- Con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của mội
trường;

- Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm; …
Đa số các quá trình cơ học không có ma sát đều là quá trình thuận nghịch.
2.2.2.1.2. Quá trình không thuận nghịch
Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ
không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.
Do đó đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá
trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi.
Ví dụ:
- Các quá trình có ma sát;
- Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh; …
2.2.2.2. Các máy nhiệt
Theo nguyên lý I, khi tác nhân (hệ thực hiện chu trình thường được gọi là tác
nhân) thực hiện một chu trình thì ∆U = 0 lúc đó Q = -A.
* Nếu trong chu trình tác nhân sinh công cho ngoại vật thì nhất thiết nó phải
nhận nhiệt của ngoại vật. Đó là nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt (máy hơi
nước, động cơ nổ,…).
* Nếu trong chu trình tác nhân truyền nhiệt cho ngoại vật thì nhất thiết nó phải
nhận công của ngoại vật. Đó là nguyên tắc hoạt động của máy lạnh
Động cơ nhiệt và máy lạnh có tên gọi chung là máy nhiệt. Máy nhiệt là một hệ
hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt hoặc biến nhiệt thành công.
2.2.2.2.1. Động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công.
- 17 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Ví dụ máy hơi nước, các loại động cơ đốt trong
Theo nguyên lý I, để sinh công A’(A’ = - A) trong chu trình, tác nhân phải
dùng một nhiệt lượng Q = A’. Nguyên lý I không giải quyết vấn đề đặt ra trong thực

tế là toàn bộ nhiệt lượng Q mà tác nhân nhận của ngoại vật trong chu trình đã được
dùng để sinh công A’ hay không?
Thực tế là tác nhân không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng Q (Q ≡ Q1) mà
nó nhận của một nguồn nhiệt nào đó để sinh công A’ được mà bao giờ cũng phải
truyền cho nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng Q’ 2 mà nó đã nhận của nguồn
nhiệt thứ nhất.
Như vậy tác nhân thực hiện chu trình trong động cơ nhiệt phải làm việc giữa
hai nguồn nhiệt:
♦ Nguồn nóng có nhiệt độ T 1 cao hơn nhiệt độ tác nhân, truyền nhiệt lượng Q 1
cho tác nhân;
♦ Nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp hơn nhiệt độ tác nhân, nhận nhiệt lượng Q’ 2
của tác nhân.

Nguồn nóng
T1
Q1

Tác
nhân

A’

Q’2

Nguồn lạnh T2
Sơ đồ hoạt động của động cơ nhiệt

- 18 -

Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

* Nếu giá trị của công A’ càng gần giá trị của nhiệt lượng Q 1 bao nhiêu thì càng tốt
bấy nhiêu. Để đặc trưng cho tính chất này của động cơ nhiệt người ta đưa ra khái niệm
hiệu suất ηđược biểu thị bởi công thức

Q2'
A ' Q1 − Q2'
η=
=
=1(21)
Q1
Q1
Q1
Hiệu sất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 1. Hiệu suất của các động cơ nhiệt
thực tế khoảng 25% - 45%.
Ví dụ: Động cơ đốt trong 4 kì
- Nguồn nóng: là nhiên liệu cháy trong xilanh vào cuối kì nén;

- Nguồn lạnh: là vỏ nước bao quanh xilanh (không có trong hình vẽ) và không
khí làm nguội khí thải ra từ xilanh ở kì thoát;
- Tác nhân là hòa khí gồm hỗn hợp không khí và hơi nhiên liệu

Sơ hoạt động của động cơ đốt trong 4 kì
Xét động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô
Chu trình Cácnô đóng vai trò hết sức quan trọng đối với lý thuyết về máy nhiệt
nói riêng và nhiệt động lực học nói chung. Đó là chu trình gồm hai quá trình đẳng
nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau và được thực hiện giữa hai nguồn nhiệt
có nhiệt độ không đổi (T1 > T2).
* Hiệu suất của động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô

η=

T
A ' T1 − T2
=
=1- 2 (22)
Q1
T1
T1
- 19 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Hiệu suất của mọi chu trình có thể xảy ra đều nhỏ hơn hiệu suất của chu trình

 Q1 − Q2' T1 − T2 
<
Cácnô. 
÷ (23)
Q
T
1
1


2.2.2.2.2. Máy lạnh
Máy lạnh là loại máy tiêu thụ công để vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang
nguồn nóng.

Ví dụ tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ,…
Nguyên tắc hoạt động của máy lạnh
Khi thực hiện chu trình, tác nhân của máy lạnh đã nhận của ngoại vật một năng
lượng dưới hình thức công và có giá trị là A đồng thời cũng nhận của nguồn lạnh T 2
một năng lượng dưới hình thức nhiệt và có giá trị là Q 2. Các dạng năng lượng mà tác
nhân nhận vào được biến đổi sang dạng nội năng và góp phần làm tăng nội năng của
tác nhân. Để trở lại trạnh thái ban đầu tác nhân lại truyền phần nội năng này cho ngoại
vật (nguồn nóng T1) dưới hình thức nhiệt và có giá trị là Q’1.

Nguồn nóng T1
Q’1
Tác
nhân
Q2

A

Nguồn lạnh T2
Sơ đồ hoạt động của máy lạnh
Ví dụ: - tủ lạnh

- 20 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Trong đó:
Nguồn lạnh là dàn bay hơi;
Nguồn nóng là không khí đối lưu đi qua
dàn ngưng;

Tác nhân là một số môi chất lỏng dễ hóa
hơi (amôiac hoặc anhydric)

- Máy điều hòa nhiệt độ là máy lạnh.
Khi trời nóng, nguồn lạnh là không khí trong phòng, nguồn nóng là không khí
ngoài trời.
Khi trời lạnh, nguồn nóng là không khí trong phòng, nguồn lạnh là không khí
ngoài trời.
* Nếu máy lạnh nào chuyển được nhiệt lượng Q 2 từ nguồn lạnh lên nguồn nóng
càng lớn trong khi đó nó nhận công A của ngoại vật càng ít thì máy lạnh càng tốt. Để
đặc trưng cho tính chất này của máy lạnh người ta đưa ra khái niệm hiệu năng được
biểu thị bởi công thức

ε=

Q2
Q
= ' 2 (24)
A Q1 - Q2

Hiệu năng của máy lạnh thường có giá trị lớn hơn 1.
* Đối với máy lạnh hoạt động theo chu trình Cácnô thì hiệu năng được xác định bởi

ε=

T2
(25)
T1 − T2

2.2.2.3. Nguyên lý II của Nhiệt động lực học

2.2.2.3.1. Phát biểu nguyên lý II

- 21 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

 Phát biểu của Claudiut: Nhiệt không thể tự truyền từ nơi lạnh sang nơi
nóng hơn mà không kèm theo một sự biến đổi nào cả.
 Phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt động học không thể tạo công nếu chỉ tiếp
xúc với một nguồn nhiệt duy nhất.
 Phát biểu của Thomson: Không thể tồn tại trong tự nhiên một quá trình mà
hậu quả duy nhất là biến nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không để lại dấu vết gì
cho môi trường xung quanh.
Các phát biểu trên tương đương với nhau.
2.2.2.3.2. Biểu thức định lượng của nguyên lý II
Đối với động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô thuận nghịch
Từ (21) và (22) ta có

Q1 − Q2 ' T1 − T2
=
,
Q1
T1
Q2 '
T
1−
= 1− 2 ,
Q1
T1

Q2 ' T2
T
= ⇒ Q2 ' = Q1 2
Q1 T1
T1

Suy ra

Đối với động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô không thuận nghịch thì
hiệu suất luôn nhỏ hơn động cơ thuận nghịch, ta có

Hay

Q2 '
T
1−
< 1− 2 ,
Q1
T1
T
Q2 ' < Q1 2
T1

Về mặt định lượng, nội dung nguyên lý II được phát biểu: Trong mọi chu
trình thực hiện giữa nguồn nóng có nhiệt độ cao hơn T 1 và nguồn lạnh có nhiệt độ
thấp hơn T2, nếu tác nhân nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng Q1, sinh công
A’= Q1 – Q2’ thì nguồn lạnh nhận được một nhiệt lượng Q2 có giá trị bé hơn Q1

- 22 -

T2
T1


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

2.2.2.3.3. Ý nghĩa của nguyên lý II nhiệt động lực học
 Nguyên lý II chỉ rõ chiều diễn biến của các quá trình. Khác với nguyên lý I
được thực hiện một cách tuyệt đối, nguyên lý II mang tính thống kê và được thực hiện
ở độ chính xác đến các thăng giáng (sai lệch nhỏ).
 Nguyên lý II bổ sung cho nguyên lý I và đóng vai trò rất quan trọng trong
việc chế tạo máy nhiệt.
 Nguyên lý II của NĐLH khẳng định rằng: “Không thể nào chế tạo được
động cơ vĩnh cửu loại hai”(động cơ vĩnh cửu loại hai là động cơ biến đổi hoàn toàn
nhiệt lượng nhận được thành công (động cơ nhiệt vĩnh cửu) hoặc truyền nhiệt từ vật
lạnh sang vật nóng mà không cần nhận công (máy lạnh vĩnh cửu)).

- 23 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

KẾT LUẬN

Phần “Cơ sở của Nhiệt động lực học” cung cấp những kiến thức phổ thông cơ
bản bao gồm những khái niệm về các sự vật, hiện tượng và quá trình vật lý thường
gặp trong đời sống và sản xuất thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học, các nguyên lý được
trình bày phù hợp với năng lực toán học và năng lực suy luận logic của học sinh,
những nguyên tắc cơ bản của các ứng dụng quan trọng của vật lý trong đời sống.
Các kiến thức cơ bản trên có thể được phân bố vào từng bài, từng mục cụ thể

của bài nhưng chúng có quan hệ với nhau trong một thể thống nhất về nội dung của
bài, của chương.

- 24 -


Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Công Triêm, Phân tích chương trình Vật lí phổ thông
2. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), NXBGD
3. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo viên), NXBGD
4. Lương Duyên Bình (chủ biên) (1995), Vật lý đại cương (tập 1), NXBGD
5. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa),
NXBGD
6. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên),
NXBGD

- 25 -