Ch ng 2
NGUYÊN LÝ TH NH T
NHI T
NG L C H C
1
Nguy n Xuân Th u -BMVL
HÀ N I
2016
CH
NG 2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
NG L C H C
N I DUNG CHÍNH
KHÁI NI M N NG L
NGUYÊN LÝ TH
2
NG – CÔNG & NHI T
NH T C A NHI T
NG D NG NGUYÊN LÝ TH
NG L C H C
NH T NHI T
NG L C H C
1. KHÁI NI M N NG L
1.1. N NG L
NG – CÔNG VÀ NHI T
NG
- N ng l ng c a h là m t đ i l ng đ c tr ng cho m c đ v n đ ng c a
v t ch t trong h .
m i tr ng thái h có m t n ng l ng xác đ nh.
bi n thiên n ng l ng c a h trong m t quá trình bi n đ i ch ph
thu c vào tr ng thái đ u và cu i, không ph thu c vào quá trình bi n đ i.
3
N ng l
ng là hàm tr ng thái
- N ng l ng c a h g m đ ng n ng chuy n đ ng có h ng, th n ng c a
h trong tr ng l c và n i n ng c a h .
- Gi s h không chuy n đ ng, không trong tr ng l c thì n ng l ng
b ng n i n ng
1. KHÁI NI M N NG L
NG – CÔNG VÀ NHI T
1.2. CÔNG VÀ NHI T
- Xét h là m t kh i khí đ ng trong xi lanh có pit-tông. Cho kh i khí giãn n
(toàn b kh i khí chuy n đ ng có h ng), nó s sinh công cho bên ngoài.
V y: Công là m t đ i l ng đ c tr ng cho m c đ trao đ i n ng l ng
thông qua chuy n đ ng có h ng c a h toàn b .
4
- N u cung c p cho h m t nhi t l ng (b ng cách h nóng h ) nh ng gi
cho th tích không đ i, thì nhi t đ c a h s tang lên, chuy n đ ng h n lo n
c a các phân t m nh lên và n i n ng c a h tang.
V y: Nhi t c ng là m t đ i l ng đ c tr ng cho m c đ trao đ i n ng
l ng, nh ng thông qua chuy n đ ng h n lo n c a các phân t .
1. KHÁI NI M N NG L
NG – CÔNG VÀ NHI T
1.2. CÔNG VÀ NHI T
- Công và nhi t có m i liên h ch t ch nhau, có th chuy n hóa l n nhau
- Joule là ng i đ u tiên xác đ nh: t n m t công 4,18 J thì thu đ c nhi t
l ng là 1 calo. Có s t ng đ ng gi a công và nhi t.
- Chú ý: Công và nhi t là nh ng đ i l ng dùng đ đo m c đ trao đ i
n ng l ng, nh ng b n thân chúng không ph i n ng l ng.
5
- Công và nhi t ch xu t hi n trong quá trình bi n đ i ( m i tr ng thái h
không có công và nhi t). Giá tr c a công và nhi t ph thu c vào tính
ch t c a quá trình bi n đ i.
- V y: Công và nhi t không ph i là hàm tr ng thái mà là hàm quá trình.
- Công liên quan đ n chuy n đ ng có tr n t
- Nhi t liên quan đ n chuy n đ ng h n lo n.
2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
NG L C H C
Nguyên lý th nh t nhi t đ ng l c h c là s t ng quát hóa c a đ nh lu t b o
toàn và chuy n hóa n ng l ng trong c h c.
Trong c h c:
trong quá trình đó:
bi n thiên n ng l
W W2 W1 A
6
ng c a h b ng công mà h trao đ i
2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
2.1. PHÁT BI U NGUYÊN LÝ TH
NG L C H C
NH T NHI T
NG L C H C
bi n thiên n ng l ng c a h trong quá trình bi n đ i b ng t ng
công và nhi t mà h nh n đ c trong quá trình đó:
W W2 W1 A Q
N u gi thi t toàn b h đ ng yên và không đ t trong tr
n ng l ng b ng n i n ng
7
ng l c nào thì
U U 2 U1 A Q
V y: Trong m t quá trình bi n đ i, đ bi n thiên n i n ng c a h b ng
t ng công và nhi t mà h nh n đ c trong quá trình bi n đ i đó.
2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
2.1. PHÁT BI U NGUYÊN LÝ TH
NG L C H C
NH T NHI T
NG L C H C
i v i các quá trình bi n đ i vô cùng nh , bi u th c nguyên lý 1 có
th vi t l i:
dU A Q
8
- N u A>0, Q>0 thì h th c s nh n công và nhi t.
- N u A<0, Q<0 thì h sinh công (nh n công âm) và t a nhi t (nh n nhi t
âm).
- Ký hi u: A A;Q Q là công và nhi t mà h sinh (t a) ra.
U Q A Q U A U A
Nhi t l ng cung c p cho 1 h s d ng vào 2 vi c: 1 là làm t ng n i
n ng c a h đó và 2 là giúp h đó sinh công.
2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
2.2. H QU C A NGUYÊN LÝ TH
NG L C H C
NH T NHI T
NG L C H C
H qu 1: Gi s h th c hi n 1 quá trình kín (sau này g i là chu trình), t c là
sau m t quá trình bi n đ i h tr v tr ng thái ban đ u.
U U 2 U1 0 A Q A Q
Nh v y n u h nh n công A>0 thì Q<0, t c là h s t a nhi t.
N u h nh n nhi t Q>0 thì A<0, t c là s sinh công.
9
M t đ ng c mu n sinh công thì ph i nh n nhi t t bên ngoài. Không có
m t đ ng c nào sinh công mà không c n tiêu th n ng l ng. Không t n t i
đ ng c v nh c u lo i I.
2. NGUYÊN LÝ TH
NH T NHI T
2.2. H QU C A NGUYÊN LÝ TH
NG L C H C
NH T NHI T
NG L C H C
H qu 2: Gi s ta có h cô l p, g m 2 v t ch trao đ i nhi t v i nhau. Q1 và
Q2 là nhi t mà 2 v t nh n đ c.
Q1 Q 2 0 Q1 Q 2 Q2
T c là trong m t h cô l p ch g m 2 v t trao đ i nhi t, nhi t l
này t a ra b ng nhi t l ng do v t kia thu vào.
10
ng do v t
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.1. TR NG THÁI CÂN B NG, QUÁ TRÌNH CÂN B NG
a) nh ngh a: Tr ng thái cân b ng c a h là tr ng thái trong đó m i thông
s c a h đ c hoàn toàn xác đ nh và n u không có tác d ng bên ngoài thì
tr ng thái đó s t n t i mãi mãi.
Quá trình cân b ng là quá trình bi n đ i g m m t chu i liên ti p các
tr ng thái cân b ng.
11
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.1. TR NG THÁI CÂN B NG, QUÁ TRÌNH CÂN B NG
b) Tính công mà h nh n đ c trong quá trình cân b ng:
Gi s kh i khí đ c bi n đ i theo m t quá trình cân b ng t th tích V1
V2 (t c là pít-tông nén khí trong xi lanh vô cùng ch m)
12
D i tác đ ng c a ngo i l c
F, khi pit-tông d ch chuy n
đo n dl thì kh i khí nh n
đ c công d ng:
A Fdl ( pS )dl pdV
V2
A A pdV 0
V1
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.1. TR NG THÁI CÂN B NG, QUÁ TRÌNH CÂN B NG
V2
N u kh i khí giãn n t V1 V2 : A A pdV 0
V1
Công c a kh i khí
nh n đ c s âm
(kh i khí đã sinh
công)
13
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.1. TR NG THÁI CÂN B NG, QUÁ TRÌNH CÂN B NG
c) Nhi t mà h nh n đ c trong quá trình cân b ng
Nhi t dung là m t đ i l ng v t lý đo b ng nhi t l ng cung c p cho h
trong m t quá trình nào đó đ cho nhi t đ c a h t ng lên 1 đ (1K).
N u h là 1kg v t ch t thì ta g i là nhi t dung riêng – ký hi u là c.
14
Q
hay Q mcdT
mdT
Trong h SI đ n v đo nhi t dung riêng c là J/kg.K
c
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.1. TR NG THÁI CÂN B NG, QUÁ TRÌNH CÂN B NG
N u h là 1 mol ch t nào đó thì nhi t d ng g i là nhi t dung phân t – ký
hi u là C.
m
Q
Q
CdT
C c
hay
m dT
Trong đó là kh i l
15
ng 1 mol ch t
Trong h SI đ n v đo nhi t dung riêng c là J/mol.K
m
CV dT
m
Q p Cp dT
Trong quá trình đ ng tích, ta có: Q V
Trong quá trình đ ng áp, ta có:
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
3.2. QUÁ TRÌNH
NG L C H C
NG TÍCH
Quá trình đ ng tích: là quá trình bi n đ i trong đó th tích c a h không đ i.
P
P P
V const const 1 2
T
T1 T2
V const dV 0
V2
Công trong quá trình đ ng tích: A pdV 0
16
V1
Nhi t l
ng kh i khí nh n đ
c: Q Q
m
C V dT
Trong đó CV là nhi t dung mol đ ng tích
T
2
m
m
m
Q Q CV dT CV (T2 T1 ) C V T
T1
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
3.2. QUÁ TRÌNH
NG TÍCH
bi n thiên n i n ng: U A Q Q
M t khác:
mi
mi
RT U
RT
2
2
m
mi
U C V T
RT
2
i
CV R
- Nhi t dung mol đ ng tích
2
U
17
NG L C H C
m
C V T
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
3.3. QUÁ TRÌNH
NG L C H C
NG ÁP
Quá trình đ ng áp: là quá trình bi n đ i trong đó áp su t c a h không đ i.
V
V V
P const const 1 2
T
T1 T2
Công trong quá trình đ ng áp:
V2
A pdV p(V1 V2 )
18
V1
Nhi t l
ng kh i khí nh n đ
c:
Q Q
Trong đó Cp là nhi t dung mol đ ng áp
T2
T1
m
m
Cp dT Cp T
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
3.3. QUÁ TRÌNH
NG L C H C
NG ÁP
bi n thiên n i n ng:
U A Q p(V1 V2 )
m
C p T
m
m
m
RT p(V1 V2 ) R (T1 T2 ) RT
m
mi
U
C
R
T
R T
p
2
M t khác: pV
19
C p CV R - H th c Mayer
i
i2
R Cp i 2
Cp R R Cp
2
2
C i - H th c Poisson
V
Trong đó
g i là h s Poát-xông hay ch s đo n nhi t
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
SO SÁNH GI A LÝ THUY T VÀ TH C NGHI M
20
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
3.4. QUÁ TRÌNH
NG L C H C
NG NHI T
Quá trình đ ng nhi t: là quá trình bi n đ i trong đó nhi t đ c a h không đ i.
T const pV const p1V1 p 2 V2
Công trong quá trình đ ng nhi t:
pV
21
V2
A pdV
V2
V1
m
m RT
m
dV m
V m
p
RT p
A RT
RT ln 1 RT ln 2
V
V
V2
p1
V1
bi n thiên n i n ng: U
Nhi t l
ng kh i khí nh n đ
mi
R T 0
2
c:
m
V2 m
p1
U A Q 0 Q A RT ln
RT ln
V1
p2
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.5. QUÁ TRÌNH O N NHI T
Quá trình đo n nhi t: là quá trình bi n đ i trong đó h không trao đ i nhi t
v i bên ngoài:
Q 0 Q 0
22
Công và đ bi n thiên n i n ng:
mi
U Q A A A U
RT
2
mi
m
RdT CV dT
2
m RT
m RT
p
pdV
dV
ng trình tr ng thái:
V
V
M t khác:
Ph
dU A
A pdV pdV
mi
RdT
2
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.5. QUÁ TRÌNH O N NHI T
Quá trình đo n nhi t:
So sánh 2 bi u th c -pdV
dV
dT R dV
dT C p CV dV
dT
dV
RT
CV dT
0
( 1)
0
V
T CV V
T
CV
V
T
V
Ph
23
ng trình c a quá trình đo n nhi t:
ln T ( 1) ln V const ln(TV 1 ) const TV 1 const
Ph
pV const
m RT
1
ng trình tr ng thái: p
V
Tp const
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.5. QUÁ TRÌNH O N NHI T
24
Trong quá trình đo n nhi t, đ bi n thiên n i
n ng b ng công mà kh i khí nh n đ c nên:
* Khi nén đo n nhi t V1>V2 (công nh n là
d ng) thì n i n ng t ng dU>0 dT>0, nhi t
đ t ng
* Khi giãn đo n nhi t V1
thì n i n ng gi m dU<0 dT<0, nhi t đ gi m
đ ng đo n nhi t d c h n đ ng đ ng nhi t
3.
NG D NG NGUYÊN LÝ I NHI T
NG L C H C
3.5. QUÁ TRÌNH O N NHI T
V2
Công mà kh i khí nh n đ
c:
A pdV
V1
V
2
p1V1
dV p1V1 1
1
pV p1V1 p
A
p
V
[V
V
1 1
2
1 ]
V
V
1
V
25
p1V1 V2 1
[( ) 1]
1 V1
p 2 V2 p1V1
p 2 V2 p1V1 A
1
A