Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 - Chương 5: Các nguyên lý nhiệt động học - Trần Anh Tú

Nội dung text: Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 - Chương 5: Các nguyên lý nhiệt động học - Trần Anh Tú

1. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC CHƯƠNG 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC. A. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC 5.1 Công và nhiệt 5.1.1 Công: là 1 hàm của quá trình (phụ thuộc vào quá trình giữa 2 trạng thái) Công là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của khối khí. ∂A = − p.∂V ∂A = F.dS = pS.dl = p.∂V 2 2 ⇒ A = ∂A = − p.dV . 12 ∫∫ 1 1 A 0 : nhận công 5.1.2 Nhiệt: là dạng truyền năng lượng tương tác giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn giữa các vật tiếp xúc. m ∂Q = m.c.dT = C.dT Q > 0 :nhận nhiệt. Q 0 : nhận vào A, Q QB = − QA Nhiệt lượng vật này tỏa ra thì bằng nhiệt lượng vật kia thu vào. b/ Hệ là 1 máy làm việc tuần hoàn theo chu trình (quá trình kín) ΔU = 0 = A + Q => A = − Q Kết luận: Hệ nhận công thì tỏa nhiệt bằng với công đã nhận và ngược lại. 5.3 Ứng dụng nguyên lý I để khảo sát các quá trình đặc biệt. ™ Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng: a/ Trạng thái cân bằng của hệ là tạng thái không biến đổi theo thời gian và tính bất biến đó không phụ thuộc vào quá trình của ngoại vật. b/ Quá trình cân bằng là 1 chuỗi các trạng thái cân bằng liên tiếp nhau. Th.S TRẦN ANH TÚ 1
2. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC 5.3.3 Quá trình đẳng nhiệt: T = hs => pV = hs : (tỷ lệ nghịch) T1 0 ⎬ ⇒ nhận nhiệt, sinh công bằng với nhiệt nhận vào, nội năng hệ không ⎪ ΔU = 0⎭ đổi 5.3.4 Quá trình đoạn nhiệt (cách ly nhiệt với bên ngoài, không trao đổi nhiệt)=>Q12 = 0 1−γ pV γ = hs , TV γ −1 = hs , Tp γ = hs P P 1 V 1 1 2 2 2 V T T m i p V − p V ΔU = A = R.(T − T ) = 2 2 1 1 12 μ 2 2 1 γ −1 i + 2 Với γ = : chỉ số đoạn nhiệt (chỉ số Poisson) i Th.S TRẦN ANH TÚ 3
3. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC B. NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG HỌC • Thiếu sót của Nguyên lý I: Trong NLI không cho ta biết chiều diễn biến thực tế của quá trình, chất lượng nhiệt và công trong quá trình chuyển hóa: Công có thể hoàn toàn biến thành nhiệt, còn nhiệt không thể nào hoàn toàn biến thành công. 5.4 Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch 5.4.1 Quá trình thuận nghịch: Là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại thì nó đi qua tất cả các trạng thái trung gian như chiều thuận. Đó là quá trình lý tưởng, không có ma sát và môi trường xung quanh không bị 1 sự biến đổi nào cả. Đường biểu diễn là đường liên tục: 5.4.2 Quá trình không thuận nghịch: Là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại, nó không đi qua tất cả các trạng thái trung gian như chiều thuận. Đó là quá trình thực tế, có ma sát và môi trường xung quanh bị sự biến đổi. Đường biểu diễn là đường đứt quãng: - - - - - - - - - - 5.5 Máy nhiệt 5.5.1 Định nghĩa: Máy nhiệt là 1 hệ làm việc tuần hoàn (theo 1 chu trình) biến đổi nhiệt thành công hoặc biến đổi công thành nhiệt, làm việc ở 2 nguồn: T1 nóng, T2 lạnh. Máy nhiệt được chia làm 2 loại: động cơ nhiệt và máy làm lạnh. T1 Q A MN Q A T 2 5.5.2 Động cơ nhiệt: a/ Định nghĩa: là máy nhiệt biến nhiệt thành công, bằng cách: “Nhận nhiệt từ nguồn nóng Q1, nhả nhiệt ra nguồn lạnh Q’2 để cung cấp ra ngoài 1 công A’”. A' T1 b/ Hiệu suất động cơ nhiệt: η = Q 1 Q1 Chu trình kín: ΔU = 0 = A + Q1 + Q2 A’ = −A'+Q1 − Q'2 CN ⇒ A'= Q − Q' Q 1 2 Q’ A' Q − Q' Q' 2 ⇒η = = 1 2 =1− 2 <1 Q1 Q1 Q1 T2 Th.S TRẦN ANH TÚ 5
4. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC 5.7 Chu trình Carnot và định lý Carnot: 5.7.1 Chu trình Carnot thuận nghịch: Gồm 2 quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch (T1 > T2) và 2 quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch. • Xét động cơ nhiệt: ⎧ m V Q = RT .ln 2 > 0 = Q P ⎪ 12 μ 1 V 1 ⎪ 1 ⎪Q23 = 0 ⎨ m V m V ⎪Q = RT .ln 4 0 = Q2 ⎪ μ V4 ⎨ ⎪Q32 = 0 ⎪ m V1 m V2 ⎪Q21 = RT1.ln < 0 = Q'1 ⇒ Q1 = −Q'1 = RT1.ln ⎩ μ V2 μ V1 Q T ⇒ ε = 2 = 2 Q'1 −Q2 T1 − T2 5.7.2 Định lý Carnot: - Hiệu suất của tất cả các động cơ thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot có cùng nguồn nóng và nguồn lạnh đều bằng nhau, không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy. - Hiệu suất động cơ thuận nghịch nhỏ hơn hay bằng hiệu suất Carnot thuận nghịch ηtn ≤ηtnC - Hiệu suất động cơ không thuận nghịch nhỏ hơn động cơ thuận nghịch ηotn ≤ ηtn Từ định lý Carnot ta rút ra những kết luận quan trọng sau: • Nhiệt không thể hoàn toàn biến thành công (vì hiệu suất < 1) Th.S TRẦN ANH TÚ 7
5. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC • Xét 1 chu trình không thuận nghịch: 1a2: không thuận nghịch 1 a 2b1: thuận nghịch δQ δQ δQ ∫ = ∫ + ∫ : quá trình không thuận nghịch 5.9.2 Nguyên lý tăng entropy a. Đối với 1 hệ không cô lập: tùy theo dấu và giá trị của nhiệt nhận vào trong 1 chu trình thuận nghịch, Δ S có thể có giá trị dương, âm hoặc = 0, có nghĩa là entropy ↑ , ↓ hay không đổi. ⎧ δQ Nhận nhiệt: Q > 0, ΔS > 0 ΔS = ⎪ ∫ T ⎨ Tỏa nhiệt: Q : quá trình không thuận nghịch ⎩ ¾ Trong thực tế các quá trình nhiệt động đều là không thuận nghịch, nên ta có nguyên lý tăng entropy: “Đối với quá trình nhiệt động thực tế xảy ra ở 1 hệ cô lập thì entropy của hệ luôn luôn tăng”. ™ Tóm tắt: Q • i ≤ 0 ⎧ : quá trình không thuận nghịch • Đối với hệ không cô lập: chu trình thuận nghịch ⎧ ΔS > 0 : nhận nhiệt δQ ⎪ ΔS = ⎨ ΔS : quá trình không thuận nghịch Th.S TRẦN ANH TÚ 9
6. Tóm tắt bài giảng Chương 5: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC Lưu ý 1. Tính công trực tiếp bằng đồ thị p -V P δA = − p.dV 1 Công nhận được trong quá trình từ 1-2 được biểu diễn bằng đồ thị p -V có giá trị bằng diện tích hình 1 2 V1 V2. • Công có giá trị dương khi V↑. 3 2 • Công có giá trị âm khi V↓. 2. Tính nhiệt trực tiếp bằng đồ thị T-S δQ = T.dS V Nhiệt nhận được trong quá trình từ 1-2 được biểu diễn bằng đồ thị T-S có giá trị bằng diện tích hình 1 2 S1 S2. • Nhiệt có giá trị dương khi S↑. • Nhiệt có giá trị âm khi S↓. Ý nghĩa thống kê của entropy và nguyên lý thứ hai 1. Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn: entropy của hệ cô lập không thể giảm: hệ biến đổi không thuận nghịch từ trạng thái không cân bằng đến trạng thái cân bằng ( Smax ) và không thể tự động trở lại trạng thái không cân bằng trước được. 2. Entropy là thông số trạng thái độc lập nhưng không đo trực tiếp được, mà chỉ đo gián tiếp với độ chính xác tới một hằng số cộng. 3. Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ. Th.S TRẦN ANH TÚ 11