Phân tích chương Cơ sở của Nhiệt động lực học

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
-----------  ----------

Phân tích chương trình Vật lý phổ thông
Đề tài:
Phân tích kiến thức cơ bản
phần "Cơ sở của nhiệt động lực học", Vật lý 10

GVHD : PGS.TS. LÊ CÔNG TRIÊM
HVTH : NGUYỄN MINH HOA
Lớp : LL &PPDH Vật lý – Khóa XVIII
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Huế, 12/2010
MỤC LỤC
A. MỞ ĐẦU......................................................................................................................2
B. NỘI DUNG...................................................................................................................3
I. Cấu trúc của chương...................................................................................................3
II. KIẾN THỨC CƠ BẢN.............................................................................................4
II.1. Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân
bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận
nghịch.............................................................................................................4
II.2. Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học.................................4
II.3. Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng của khí
lý tưởng. Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh...4
III. PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC ................................................................4
III.1. Các khái niệm cơ bản.......................................................................4
III.1.1. Nhiệt độ..............................................................................................4
III.1.2. Nội năng ............................................................................................8
III.1.3. Nhiệt lượng.......................................................................................10

III.2. Các nguyên lí NĐLH.......................................................................15
III.2.1. Định luật thứ nhất của NĐLH (Nguyên lý thứ nhất của NĐLH).....15
III.2.1.1. Phát biểu .................................................................................15
III. 2.1.4. Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học..............22
III.2.2.Định luật thứ II của nhiệt động lực học (nguyên lý II NĐLH)..........22
III.2.2.1. Các khái niệm...........................................................................22
III.2.2.1.1. Quá trình thuận nghịch....................................................23
III.2.2.2.Phát biểu nguyên lý II................................................................28
C. KẾT LUẬN.................................................................................................................34
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................35
A. MỞ ĐẦU
“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một phần quan trọng của chuyên
ngành phương pháp dạy học nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến
thức và cách thể hiện nội dung kiến thức đó trong sách giáo khoa vật lí, tức là nắm được
ý đồ của tác giả giáo khoa và cách tổ chức dạy cho học sinh một số kiến thức cụ thể.
Nguyễn Minh Hoa 2
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Cở sở của nhiệt động lực học gồm có bốn nguyên lí rút ra từ thực nghiệm:
nguyên lý số không dẫn đến sự tồn tại của nhiệt độ; nguyên lý thứ nhất là định luật bảo
toàn năng lượng; nguyên lý thứ hai xác định chiều diễn biến của các quá trình nhiệt
động lực học; nguyên lý thứ ba (nguyên lý Nernst) khẳng định rằng không thể đạt tới
không độ tuyệt đối. Trong phần “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở chương trình vật lý
phổ thông chỉ đề cập đến nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai. Những nguyên lý của
nhiệt động lực học có tính chất rất tổng quát, nên ngày nay người ta ứng dụng có hiệu
quả lớn trong việc nghiên cứu các quá trình vật lí và hoá học, các tính chất của vật liệu
và bức xạ.
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. Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được
phát sinh do khảo sát sự biến đổi năng lượng chuyển động nhiệt thành cơ năng để chạy
các máy phát động lực (máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng…) vì vậy nên có tên
gọi là phương pháp nhiệt động lực học.
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”.
B. NỘI DUNG
I. Cấu trúc của chương
Nguyễn Minh Hoa 3
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
II. KIẾN THỨC CƠ BẢN
II.1. Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân
bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch.
II.2. Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học.
II.3. Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng
của khí lý tưởng. Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh.
III. PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC
III.1. Các khái niệm cơ bản
III.1.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của hệ. Nhiệt
độ được đo bằng nhiệt biểu với thang chia độ xác định. Nhiều nhà khoa học đã
tìm kiếm và đã đưa ra nhiều thang đo khác nhau. Các thang đo thường đựơc
quan tâm nhiều nhất thuộc về các nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit và
Réaumur. Biểu thức chuyển từ thang chia đo này dang thang chia độ khác nhau
như sau
9

32
45
5,273
5
0000
−
==
−
=
FtRtCtCt
Thực ra đây chỉ là thang đo thực nghiệm dựa vào sự dãn nở của các chất.
Thông thường dùng thang nhiệt độ Celsius (
0
C), trong thang nhiệt độ này nhiệt
độ có thể âm, bằng không hoặc dương. Nhiệt độ thấp nhất là – 273
0
C. Trong
Nguyễn Minh Hoa 4
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
tính toán người ta thường dùng thang nhiệt độ Kelvin (T
0
K). Liên hệ giữa t
0
C
và T
0
K như sau: T
0
K = t
0

C + 237. Như vậy, - 273
0
C ứng với 0
0
K. Thành thử
nhiệt độ tuyệt đối T không thể âm
a. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng [7]
Chất khí mà sự tương tác giữa các phân tử là nhỏ không đáng kể và kích
thước riêng của các phân tử có thể bỏ qua gọi là khí lý tưởng. Người ta hay dùng
mô hình chất khí lý tưởng vì nó có các tính chất đơn giản nhất. Tuy nhiên thực
tế không tồn tại chất khí hoàn toàn lý tưởng, nhưng các khí thực khi khá loãng
có các tính chất gần với khí lý tưởng. Quan sát và thí nghiệm cho thấy, các chất
khí gần với khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái sau đây (gọi là
phương trình trạng thái khí lý tưởng)
m
pV RT
µ
=
(1)
Trong đó:
m: khối lượng của khối khí;
µ
là khối lượng của một kmol (hay khối
lượng phân tử kilogam); p là áp suất; V là thể tích; T là nhiệt độ tuyệt đối
R = 8,31.10
3
J/kmol.K là hằng số khí
Khi lượng khí bằng một Kmol,
m
µ

=
, thì phương trình (1) có dạng
pV RT
µ
=
(2)
Trong đó
V
µ
là thể tích của một Kmol chất khí. Phương trình (1) còn có
một dạng tương đương khác. Chú ý rằng cho số Kmol của khối khí. Nếu kí hiệu
N là số phân tử chứa trong khối khí và N
A
là số phân tử chứa trong một Kmol
chất khí (được gọi là số Avôgađrô) thì số Kmol bằng tỷ số
A
N
N
. Do đó
A
m N
N
µ
=
(3)
Thay (3) và (2) ta có:
A
N
pV RT
N

=
(4)
Thực nghiệm cho thấy rằng số Avôgađrô bằng
26 1
6,023.10
A
N kmol
−
=
Hằng số mới
B
A
R
k
N
=
được gọi là hằng số Boltzmann. Trị số của k
B
bằng
Nguyễn Minh Hoa 5
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
3
23
26
8,31.10 ( / . )
1,38.10 ( / )
6,023.10 (1/ )
B
J Kmol K
k J K

Kmol
−
= =
Phương trình (4) bây giờ có dạng
B
pV Nk T
=
(6)
hay
B
p nk T=
(7)
Trong đó
N
n
V
=
là số phân tử khí trong một đơn vị thể tích. Các phương
trình (1), (6) và (7) là các dạng khác nhau của phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
b. Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí [7]
Theo quan điểm của thuyết động học phân tử: mọi chất dù là khí, lỏng hay
rắn đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử. Các phân tử chuyển động hỗn
loạn không ngừng. Đối với các chất khí thì thuyết động học phân tử còn giả
thuyết thêm các phân tử khí có thể coi như các chất điểm chuyển động tự do,
không tương tác nhau trừ những khi va chạm. Các phân tử khí khi va chạm lên
thành bình gây nên áp suất. Các va chạm giữa các phân tử và giữa các phân tử
với thành bình được giả thuyết là các va chạm đàn hồi.
Ta xét một chất khí gồm N phân tử đựng trong một các bình hình lập
phương có cạnh a. Ta lấy một diện tích nhỏ
S

∆
của thành bình và tính số va đập
của các phân tử vào bề mặt đó trong thời gian
t
∆
. Ta lập luận đơn giản như sau:
Giả sử rằng các phân tử khí chỉ chuyển động dọc theo ba hướng vuông góc với
nhau một cách đồng đều. Như vậy sẽ có
3
N
phân tử chuyển động dọc theo mỗi
phương, một nữa số phân tử đó (tức là
6
N
phân tử) chuyển động về hướng
S
∆

(chẳng hạn theo hướng pháp tuyến). Ngoài ra, ta giả sử rằng mọi phân tử đều
chuyển động với cùng vận tốc
v
. Khi đó, trong khoảng thời gian ngắn
t
∆
, tất cả
các phân tử khí đập tới bề mặt phải được chứa trong thể tích hình trụ với đáy
S
∆

và chiều cao

v t∆
. Số phân tử này bằng
1
6
n n Sv t
∆ = ∆ ∆
(8)
Nguyễn Minh Hoa 6
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Trong đó
N
n
V
=
là số phân tử trong một đơn vị thể tích. Vì va chạm giữa
phân tử và thành bình là va chạm đàn hồi nên sau khi va chạm động lượng của
mỗi phân tử biến thiên một lượng
( ) 2p mv mv mv
∆ = − − = −
. Theo định lý về động
lượng thì độ biến thiên động lượng của một vật trong thời gian nào đó bằng
xung lượng của ngoại lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó
.
b
p f t
∆ = ∆
(9)
Ta có
. 2
b

f t mv
∆ = −
suy ra
2
b
mv
f
t
= −
∆
. Theo định luật III Niutơn, mỗi
phân tử tác động lên thành bình một lực
2
b
mv
f f
t
= − =
∆
. Do đó lực nén vuông
góc của các phân tử lên bề mặt
S
∆
là
2
2 2 1
( )
6
mv mv
F n f n n Sv t nmv S

t t
= ∆ = ∆ = ∆ ∆ = ∆
∆ ∆
Theo định nghĩa áp suất
F
p
S
=
∆
nên ta được
2
1
3
p nmv
=
(10)
Thực ra các phân tử không chuyển động với cùng một vận tốc
v
mà có
thể khác nhau. Do đó, thay vì
2
v
trong (10) ta thay giá trị vận tốc trung bình
2
v
theo định nghĩa như sau:
2 2
1
1
N

i
i
v v
N
=
=
∑
(11)
với v
i
là độ lớn vận tốc của phân tử thứ i.
Ta viết lại (10):
2
2
1 2
3 3 2
mv
p nmv n
= =
(11)
Khối lượng của tất cả các phân tử theo giả thuyết là như nhau. Do đó có
thể đưa nó vào trong dấu trung bình
2 2
2 2
d
mv mv
W= =
(12)
Với
d

W
là giá trị trung bình của động năng chuyển động tịnh tiến của các
phân tử. Cuối cùng ta có hệ thức:
2
3
d
p nW
=
(13)
Nguyễn Minh Hoa 7
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Phương trình (13) được gọi là phương trình cơ bản của thuyết động học
phân tử các chất khí.
So sánh các công thức (13) và (7) cho áp suất của khí lý tưởng ta được:
3
2
d B
W k T
=
(14)
Như vậy, động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí chỉ phụ thuộc
vào nhiệt độ và tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Điều đó nói lên ý nghĩa vật lí của
nhiệt độ: nhiệt độ là thông số vĩ mô phản ánh mức độ vận động của các phân tử
cấu tạo nên các vật. Vật càng nóng thì chuyển động nhiệt càng mãnh liệt.
III.1.2. Nội năng
a. Định nghĩa
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.
Trong vật lí hiện đại, người ta hiểu nội năng là tập hợp tát cả các dạng
năng lượng ( trừ cơ năng của toàn bộ hệ) có trong hệ đang xét.

Năng lượng toàn phần của một hệ bao gồm động năng của hệ liên quan
đến chuyển động có hướng của toàn bộ hệ, thế năng của hệ trong trường ngoài
và nội năng của hệ
UWWW
tđ
++=∆
Thuyết động học phân tử đã làm rõ bản chất của khái niệm nội năng.
Ngày nay, người ta hiểu nội năng bao gồm:
- Động năng của các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử .
- Thế năng tương tác của các phân tử quy định bởi các lực phân tử giữa chúng.
- Năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử.
- Năng lượng của các võ điện tử của nguyên tử.
- Năng lượng hạt nhân.
- Năng lượng bức xạ điện từ.
Tuy nhiên, trong NĐLH người ta không quan tâm đến toàn bộ nội năng
của vật mà chỉ chú ý tới biến thiên nội năng của vật khi vật chuyển từ trạng thái
nhiệt này sang trạng thái nhiệt khác. Trong quá trình chuyển trạng thái này chỉ
có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi. Do đó, để
đơn giản trong NĐLH có thể coi nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động
năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng
Nguyễn Minh Hoa 8
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
tương tác giữa chúng. Với ddingj nghĩa trên, nội năng là hàm trạng thái nhiệt
của vật, nghĩa là ứng với mỗi trạng thái nhiệt, vật có một nội năng xác định.
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. 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.
Nội năng là hàm số của nhiệt độ, áp suất,… tức là hàm của những tham số
đặc trưng một cách đơn giá trạng thái của hệ.
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).
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 vật. 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.
b. Các cách làm biến đổi nội năng của hệ
Nguyễn Minh Hoa 9
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
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.
* Thực hiện công
Khi bơm xe đạp bằng bơm tay, ta thấy bơm bị nóng lên. Điều đó chứng tỏ
không khí trong bơm đã nóng lên, nghĩa là nội năng của không khí đã biến thiên
do ta thực hiện công.

Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
Ví dụ:
- Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
- 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.
* Truyền nhiệt lượng
Có thể làm cho không khí trong bơm nóng lên bằng cách hơ nóng thân bơm
và làm cho miếng kim loại nóng lên bằng cách thả nó vào nước nóng. Khi đó nội
năng của không khí hay miếng kim loại tăng lên không do thực hiện công mà do
truyền nhiệt lượng.
Ví dụ:
- Thả miếng đồng vào nước nóng. Sau một thời gian miếng đồng nóng
lên có nghĩa là nội năng của nó đã biến đổi.
III.1.3. Nhiệt lượng
a.Định nghĩa
Phải mất nhiều thế kỉ, con người mới trả lời được câu hỏi về bản chất của
nhiệt là gì? Vào đầu thế kỉ XVIII, người ta cho rằng nhiệt là một chất đặc biệt
gọi là “chất nhiệt”. Đó là một chất lỏng vô hình, không có trọng lượng, thấm sâu
vào mọi vật và có thể truyền dễ dàng từ vật này sang vật khác. Thuyết chất nhiệt
có thể giải thích được một số hiện tượng nhiệt trong đó có sự truyền nhiệt,
Nguyễn Minh Hoa 10
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
nhưng không giải thích được nhiều hiện tượng nhiệt khác trong đó có hiện tượng
thay đổi nhiệt lượng bằng cách thực hiện công.[8]
Đồng thời với thuyết chất nhiệt còn có thuyết cho rằng bản chất của nhiệt
là do chuyển động của các hạt vật chất. Trong số những người ủng hộ thuyết này
có các nhà vật lý nổi tiếng như Niu-tơn, Ma-ri-ốt, Lô-mô-nô-xốp, Jun. Tuy
nhiên phải chờ đến đầu thế kỉ XIX, khi thuyết về vật chất được cấu tạo từ các

nguyên tử, phân tử ra đời người ta mới công nhận bản chất của nhiệt là do
chuyển động của các hạt vật chất cấu tạo nên vật. [8]
Nhiệt là khái niệm được dùng với nhiều nghĩa khác nhau bao gồm: [9]
- Nhiệt năng là năng lượng của chuyển động hỗn loạn (tịnh tiến, quay, dao
động) của các phân tử (nguyên tử) tạo thành một vật. Nhiệt năng cùng với thế
năng của các phân tử tạo thành nội năng của vật.
- Nhiệt lượng là phần năng lượng truyền từ vật này sang vật khác bằng
trao đổi nhiệt năng.
Nhiệt năng có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Nhiệt độ của vật càng cao thì
các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh và nhiệt năng của vật càng
lớn. Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa các vật hay hệ thống do sự khác biệt
về nhiệt độ. Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách chuyển hóa
giữa năng lượng có hướng (thế năng, động năng định hướng trên tầm vĩ mô) và
năng lượng hỗn loạn, qua các quá trình vĩ mô như thực hiện công năng lên vật
hoặc trao đổi nhiệt vĩ mô vào vật hoặc các quá trình vi mô như các phản ứng hóa
học (như sự cháy), phản ứng hạt nhân (như phản ứng tổng hợp hạt nhân bên
trong Mặt Trời), sự ma sát giữa các electron với mạng tinh thể (trong bếp điện)
hay ma sát cơ học. Nhiệt có thể được trao đổi qua các quá trình bức xạ, dẫn
nhiệt hay đối lưu. Lượng nhiệt năng dự trữ hay chuyển tải trên các vật còn gọi là
nhiệt lượng và thường được ký hiệu trong các tính toán bằng chữ Q.
Ta sẽ quy ước coi nhiệt Q là dương (Q > 0) nếu đó là nhiệt do hệ nhận
vào, coi nhiệt Q là âm (Q < 0) nếu bản thân hệ tỏa nhiệt. Nhiệt là một hình thức
trao đổi năng lượng nhưng nhiệt cũng không phải là năng lượng. Nhiệt chỉ xuất
Nguyễn Minh Hoa 11
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
hiện trong một quá trình biến đổi trạng thái của hệ, nhiệt cũng là một hàm của
quá trình. Nhiệt được tính theo đơn vị calo hoặc Jun : 1 cal =4,18 J
Như vậy, ta thấy rằng công và nhiệt đều là những đại lượng đặc trưng cho
mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ. Tuy có sự khác nhau giữa công và nhiệt
nhưng chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và có sự chuyển hoá lẫn nhau:

công có thể biến thành nhiệt và ngược lại. Ví dụ: khi cọ sát hai vật, chúng nóng
lên tương tự như chúng đã nhận nhiệt; khi đốt nóng một vật, nghĩa là truyền
nhiệt cho vật thì vật nóng lên, nội năng của vật thay đổi nhưng đồng thời vật dãn
nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công làm cho vật dãn nở.
Vì sự thực hiện công và quá trình truyền nhiệt lượng đều là những cách
làm biến đổi nội năng của vật nên chúng tương đương nhau. Việc tìm ra sự
tương đương này là một sự kiện quan trọng đối với khoa học và kĩ thuật, đặc
biệt là đối với việc thiết lập định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
b) Đơn vị nhiệt lượng:
Trước khi các nhà khoa học nhận thức được nhiệt lượng là năng lượng
được chuyển, nhiệt lượng được đo thông qua khả năng làm tăng nhiệt độ của
nước. Chính vì vậy, calo (cal) được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết cho một
gam nước tăng nhiệt độ 14,5
0
C. Trong hệ đo lường của Anh, đơn vị nhiệt lượng
tương ứng là ĐƠN VỊ NHIỆT LƯỢNG CỦA ANH (Btu) được định nghĩa là
nhiệt lượng có thể làm tăng 1Lb nước từ 63 lên 64
0
F.
Năm 1984, cộng đồng khoa học quyết định rằng, nhiệt lượng cũng như
công, là năng lượng được chuyển, nên đơn vị SI cho nhiệt lượng phải cùng là
đơn vị cho năng lượng đó là Jun. Calo bây giờ được định nghĩa là 4,1860J
(chính xác) và không có liên quan gì tới sự làm nóng của nước cả. Cal dùng
trong dinh dưỡng, một đôi khi gọi là Calo (Cal) thực tế là kilô calo.
Mối liên hệ giữa các đơn vị đo nhiệt lượng
1J=0,2389calo = 9,481.10
-4
Btu ; 1calo=4,186J = 3,96.10
-3
Btu

c) Công thức tính nhiệt lượng
+ Nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra của vật khi nhiệt độ của vật thay đổi :
Nguyễn Minh Hoa 12
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Q mc T
= ∆
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).
Có thể viết lại biểu thức như sau
( )
m
Q C T C c
µ
µ
= ∆ =

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
V
m
Q C T
μ
= ∆
với C

V
là nhiệt dung
phân tử đẳng tích.
Nếu vật biến đổi đẳng áp thì
P
m
Q C T
μ
= ∆
với C
P
là nhiệt dung
phân tử đẳng áp.
+ Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy m (kg) nhiên liệu : Q = mq, 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
+ Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi
III.1.4. Nhiệt dung
a) Nhiệt dung (kí hiệu: C)
Định nghĩa: Nhiệt dung C của một vật là hằng số tỉ lệ giữa nhiệt lượng và
độ biến thiên nhiệt độ mà nhiệt lượng này tạo ra trong vật.
Nhiệt dung được suy ra từ biểu thức: Q = C(T
2
-T
1
). Trong đó T

2
, T
1
là
nhiệt độ cuối, đầu của vật.
Đơn vị: J/K hoặc cal/K
b) Nhiệt dung riêng (kí hiệu: c)
Định nghĩa: Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần thiết
để làm cho 1kg chất đó tăng thêm 1
0
C.
Nhiệt dung riêng được suy ra từ biểu thức: Q=mc(T
2
-T
1
)
Đơn vị: J/kg.độ hoặc J/kg.K
Nguyễn Minh Hoa 13
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Tóm lại, các khái niệm nhiệt lượng, nhiệt dung, nhiệt dung riêng đều là
những khái niệm của “thuyết chất nhiệt”. Tuy nhiên do thói quen cho tới nay
người ta vẫn sử dụng khái niệm này mặc dù không công nhận thuyết chất nhiệt.
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 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…).[3]
* 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.[3]
* 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),…
Nguyễn Minh Hoa 14