Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 2 - Nguyễn Xuân Thấu

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  Q2
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 
RT
 2
 2
m
mi
 U  C V T 
RT

 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 )   RT



m
mi
U
C
R
T
R T
   p   


 2

M t khác: pV 

19

C p  CV  R - H th c Mayer
i
i2

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 V1thì 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