I/ Nguyên lí I nhiệt động lực học:
Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
[Các phát biểu trên chỉ là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí I nhiệt động lực học]
1/ Biểu thức nguyên lí I nhiệt động lực học:
ΔU = A + Q
Trong đó- ΔU: độ biến thiên nội năng của vật [J]
- A: công cơ học [J]
- Q: nhiệt lượng [J]
- Q > 0: vật nhận [thu] nhiệt lượng
- Q< 0 : vật truyền [tỏa] nhiệt lượng
- A > 0: vật nhận công
- A < 0: vật thực hiện [sinh] công
1/ Cách phát biểu của Clau-di-út: Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang một vật nóng hơn.
2/ Cách phát biểu của Các-nô: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
3/ Quá trình thuận nghịch: là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác.
Dao động điều hòa của con lắc lò đơn là một quá trình thuận nghịch
Trong thực tế hầu như không tồn tại quá trình thuận nghịch do nhiều nguyên nhân: lực ma sát, môi trường xung quanh ... khi đó ta có các quá trình không thuận nghịch.
4/ Quá trình không thuận nghịch: là quá trình vật không thể tự trở về trạng thái ban đầu
Ấm nước nóng để ngoài không khí sẽ truyền nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh cho đến khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt [nước nguội đi] là một quá trình không thuận nghịch [môi trường bên ngoài lúc đó không thể tự truyền nhiệt ngược trở lại làm ấm nước nóng lại như cũ trừ phi bạn bật bếp lúc đó không gọi là "tự" nữa mà đã có tác nhân khác tác động vào quá trình đó]
Các thí nghiệm cho thấy cơ năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nội năng, nhưng ngược lại nội năng không thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng [khi một thiên thạch rơi vào trái đất cơ năng của thiên thạch gồm động năng và thế năng đã chuyển hóa dần thành nội năng của thiên thạch và không khí xung quanh là cho thiên thạch và không khí xung quanh nóng lên]
Như vậy trong tự nhiên các quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học => lý do ra đời nguyên lý II nhiệt động lực học ứng dụng chế tạo các động cơ nhiệt.
III/ Động cơ nhiệt:
1/ Động cơ nhiệt là gì?
Là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu đốt cháy [nội năng] được chuyển hóa thành cơ năng, Động cơ nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, bao gồm từ những động cơ chạy bằng xăng hoặc dầu.
2/ Các bộ phận cơ bản của động cơ nhiệt:
- Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng
- Bộ phận phát động [tác nhân và các thiết bị phát động]
- Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do các tác nhân tỏa ra [ống xả]
3/ Hiệu suất của động cơ nhiệt
\[H = \dfrac{A}{Q_{1}}\]
- H: hiệu suất của động cơ nhiệt < 1
- A: công sinh ra từ động cơ nhiệt
- Q1: nhiệt lượng tỏa ra từ nguồn nóng
Xem thêm:
Tổng hợp lý thuyết, bài tập vật lý lớp 10 chương Các nguyên lý nhiệt động lực học
nguồn: Vật lý phổ thông trực tuyến
Chương 7 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 7.1 Khái niệm về hệ nhiệt động - trạng thái cân bằng - quá trình cân bằng - công và nhiệt của quá trình cân bằng 7.1.1 Hệ nhiệt động Một tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi các thông số vĩ mô, độc lập với nhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động [gọi tắt là hệ]. Các vật ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ. Nếu hệ và môi trường không trao đổi nhiệt thì hệ cô lập đối với ngoại vật về phương diện nhiệt: ta nói rằng giữa hệ và ngoại vật có một vỏ cách nhiệt. Nếu hệ và ngoại vật trao đổi nhiệt nhưng không sinh ra công do sự nén hoặc dãn nở thì hệ cô lập đối với ngoại vật về phương diện cơ học. Hệ gọi là cô lập nếu nó hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng với môi trường ngoài. 7.1.2 Trạng thái cân bằng - quá trình cân bằng Định nghĩa: 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. Quá trình cân bằng theo định nghĩa trên chỉ là một quá trình lí tưởng, không có trong thực tế. Tuy nhiên nếu quá trình thực hiện rất chậm để có đủ thời gian thiết lập lại sự cân bằng mới thì quá trình đó được coi là quá trình cân bằng. 7.1.3 Công của áp lực trong quá trình cân bằng Ngoại lực tác dụng lên pittông là FG [hình 7-1]. FGdl Hình7-1 Khi pittông dịch chuyển một đoạn dl thì khối khí nhận được một công là: δA = - Fdl 69Khi nén dl 0 [khí thực sự nhận công]. Vì quá trình trên là cân bằng nên F bằng áp lực khối khí tác dụng lên pittông. Gọi p là áp suất của khí lên pittông có diện tích S thì: F = p.S do đó: δA = - PSdl = -pdV Công A mà khí nhận được trong suốt quá trình nén được tính: [7-1] 21VVA δApd==−∫∫VNếu hệ thực hiện theo một chu trình [1b2c1] [hình 7-2] thì khi trở về trạng thái cân bằng hệ thực hiện được một công A: A = A1 - A2 O p V V2 V1 c a b 1 2 Hình7-2 trong đó A1= số đo S[2b1V1V2] A2= số đo S[1c2V1V2] 7.1.4 Nhiệt trong quá trình cân bằng, nhiệt dung Nhiệt dung riêng c của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt lượng cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng chất ấy để nhiệt độ của nó tăng lên 10. Gọi m là khối lượng của vật, δQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong một quá trình cân bằng nào đó và dT là độ biến thiên nhiệt độ của vật trong quá trình đó thì: mdTδQc = suy ra: cmdTδQ= [7-2] Nhiệt dung phân tử C của một chất là một đại lượng cần thiết truyền cho 1mol chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 10. C = μc [7-3] μ là khối lượng của 1mol chất đó. Trong hệ đơn vị SI đơn vị của c là J/kg.độ[K], đơn vị của C là J/mol.K. 70Từ [7-2] và [7-3] suy ra: CdTμmδQ = [7-4] 7.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vận dụng vào các quá trình vĩ mô. 7.2.1 Phát biểu Độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi vĩ mô có giá trị bằng tổng của công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó. ΔW = A + Q [7-5] Ở trên ta đã giả thuyết rằng cơ năng của hệ không đổi [Wđ + Wt = const] do đó ΔW = ΔU nên [7-5] được viết lại: ΔU = A + Q [7-6] Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổng của công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó. Trong một số trường hợp, để tính toán thuận tiện, người ta còn dùng các ký hiệu và phát biểu sau: Nếu A và Q là công và nhiệt mà hệ mà hệ nhận được thì A' = -A và Q' = -Q là công và nhiệt mà hệ sinh ra, từ [7-6] ta có: Q = ΔU + A' [7-7] Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học có thể phát biểu như 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. Các đại lượng ΔU, A và Q có thể dương hoặc âm: - A>0 và Q>0 ⇒ ΔU >0 : nội năng của hệ tăng. - A