Giáo trình Vật lý đại cương - Chương 8: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Đỗ Ngọc Uấn

Nội dung text: Giáo trình Vật lý đại cương - Chương 8: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Đỗ Ngọc Uấn

1. Ch−ơng 8 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
2. Đ1.Khái niệm năng l−ợng-công vμ nhiệt 1. Năng l−ợng: •Đặctr−ng cho mức độ vận động của vật chất trong hệ.-> trạng thái xác định, năng l−ợng xác định. =>Năng l−ợng lμ hμmcủatrạng thái. • Hệ không chuyển động, không đặt trong tr−ờng lực -> Năng l−ợng của hệ đúng bằng nội năng của hệ: W = U
3. 2. Công vμ nhiệt: Khối khí đẩy pít tông -> sinh công -> nội năng giảm -> trao đổi năng l−ợng; Nén: nhận công. •Nung nóng khối khí, giữ V=const ->Chuyển động hỗn loạn tăng ->T tăng ->trao đổi năng l−ợng: nhận nhiệt. •Sự t−ơng đ−ơng giữa công vμ nhiệt: 4,18j 1calo Công vμ nhiệt lμ những đại l−ợng đo mức độ trao đổi năng l−ợng. Chúng không phải lμ năng l−ợng. Chúng không phải lμ hμm trạng thái mμ lμ hμm của quá trình.
4. Công liên quan đến chuyển động có trật tự Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn Đ2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học Trong cơ học: Độ biến thiên năng l−ợng của hệ bằng công mμ hệ trao đổi trong quá trình đó: ΔW = W2-W1= A -> Nhiệt? 1. Phát biểu nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học: Độ biến thiên năng l−ợng củahệtrongquá trình biến đổi bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc trong quá trình đó ΔW = W2-W1= A +Q
5. A, Q -Công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc. => A’=-A, Q’=-Q Công vμ nhiệt hệ sinh & toả ra. • Hệ đứng yên thì W=U (nội năng) • => Trong quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc trong quá trình đó: ΔU = U2-U1= A+Q Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ: dU = δA + δQ
6. 2. ý Nghĩa nguyên lý I NĐLH: •NếuA>0, Q>0 => ΔU = U2-U1>0 nội năng tăng, Hệ nhận công vμ nhiệt. Công sinh ra A’ U2 Nội năng giảm, Hệ sinh công A’>0 & toả nhiệt Q’>0. • Nếu A=0 & Q=0 => U2=U1 Nội năng bảo toμn • Định luật bảo toμnvμ chuyển hoá năng l−ợng: Năng l−ợng không tự sinh ra vμ cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển hoá từ dạng nμy sang dạng khác, truyền từ hệ nμy sang hệ khác.
7. 3. Hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt Động Lực học: ‚ Không tồn tại động cơ vĩnh cửu loại I: Giả sử hệ thực hiện một chu trình kín vμ trở lại trạng thái ban đầu; Tức U2=U1-> ΔU = 0 => A=-Q hay -A = Q; Nh− vậy hệ nhận công thì toả nhiệt, sinh công thì phải nhận nhiệt. ƒ Trong một hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt l−ợng do vật nμy toả ra bằng nhiệt l−ợng do vật kia thu vμo: ΔU = 0 => Q1 =-Q2.
8. Đ3. ứng dụng nguyên lý thứ I nhiệt động lực học 1. Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng a. Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ lμ trạng thái trong đó mọi thông số trạng thái không biến đổi theo thời gian. Trạng thái cân bằng bị phá vỡ nếu chịu tác động từ bên ngoμi. Quá trình cân bằng lμ quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng Thực tế không có quá trình CB; QT biến đổi rất chậm: Trạng thái CB đ−ợc thiết lập trong toμnhệ tr−ớc khi chuyển sang trạng thái CB tiếp theo QT giả cân bằng
9. b. Công mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB áp suất tác dụng lên pít tông F p = F/S dl δA = -pdV Công hệ nhận đ−ợc trong quá trình V1=> V2 2 V2 p p A=∫∫ dA =pdV − 2 A>0 1 A<0 1 V1 2 A bằng diện tích d−ới 1 V2 V1V V1 V2V đ−ờng cong. Nén Giãn Trong chu trình A bằng tổng đại số Agiãn+Anén
10. p 2 1 V V2 V c. Nhiệt mμ hệ nhận1 đ−ợc trong quá trình CB Nhiệt dung: riêng c của một chất lμ đại l−ợng vật lý có giá trị bằng l−ợng nhiệt cần thiết mμ một đơn vị khối l−ợng nhận đ−ợc để nhiệt độ δQ j của nó tăng thêm 1 độ. c = Đ v m . dT kg.K Nhiệt dung phân tử(1 mol): C = μ.c J/(mol.K) Nhiệt hệ nhận đ−ợc: m δQ = CdT μ C = Cv trong quá trình đẳng tích C = Cp trong quá trình đẳng áp
11. 2. Quá trình đẳng tích • V= const p •P/T = const (ĐL Gay-Lussac) 2 p p1 p2 1 = = •Công A= p(V -V )=0 T T1 T2 1 2 3 • =>ΔU = Q m iR V • iếnB thiên nội năng:ΔU = ΔT μ 2 m Q = CTΔ •Nhiệt nhận đ−ợc: μ v iR TTTΔ =2− 1 C = v 2
12. 3. quá trình đẳng áp V V V • p = const =1 = 3 p T T1 T3 • V/T = const (ĐL Gay-Lussac) 2 1 3 g n ô •Cnhận đ−ợc: A=-p(V2-V1) • hiệtN hệ nhận đ−ợc: Q= ΔU -A m iR v2 v1 v3 V Q = ΔT+ p(V -V ) μ 2 2 1 m iR m m Q = ΔT + RTΔ pΔ V = RTΔ μ 2 μ μ m iR m m Q = ( +R)T Δ(CR)T = + Δ =CTΔ μ 2 μ V μ P Hệ số Poisson i+ 2 => R=CP-CV C = R CP i+ 2 P 2 γ = = CV i
13. 4. quá trình đẳng nhiệt p V =p V =pV • T=const =>T =T =T 1 1 2 2 1 2 p 3 • pV=const (ĐL Boyle-Mariotte) p1 1 •ΔU=0 => A=-Q hay Q=-A p2 2 • Công nhận đ−ợc: v1 v2 v v2 v2 dV p=p V /V A= −pdV =p − V 1 1 ∫ ∫ 1 1 V v1 v1 V2 m V2 m V1 A= p −1 V 1 ln= −RT ln = RT ln V1 μ V1 μ V2 m V QA= − =RT ln2 μ V1
14. 5. Qúa trình oạn nhiệtđ • δQ=0 hay Q=0 • p tăng do V↓ & T↑ • dU=) H δA Đ N ýI nl ê y u g N ( m iR m dU = dT =C dT ; μ 2 μ V dV m ⇒ CV dT = − RT Aδ = -pdVpV = RT V μ dT R dV R CC− + = 0 = PV= γ1 − T C V C C V V V γ −1 ln T (+ 1γ )− ln= VTV const = const γ ln( TVγ −1 )= pV const = const 1− γ γ −1 TV = constT . pγ= const γ > 1
15. δQ=0->pVγ =const T=const->pV=const p Đoạn nhiệt dốc hơn Trong QT đẳng nhiệt: p↓ doV↑ • Về mặt toán học: hay p↑do V↓ PVγ = const & γ>1 v •Về ph−ơng diện vật lý: Trong QT đoạn nhiệt p↓ do V↑ & T↓ còn khi p ↑ do V ↓ & T ↑ • Độ biến thiên nội năng m iR ΔU = ΔT trong QT đoạn nhiệt: μ 2 Công mμ hệ nhận đ−ợc trong QT đoạn nhiệt:
16. Công Anhận trong m iR AUQU= Δ − = Δ =ΔT qt đoạn nhiệt μ 2 V ->V : 1 2 Công do hệ sinh ra: A’=-A V 2 V γ A= ( − pdVpV ) =γ p Vγ ⇒ p = 1 p ∫ 1 1 1 V γ V1 V2 γ −1 γ1 − γ γ pdV V1 1( V 2 − 1 VNhân ) vμo A= −1 p 1 V γ = ∫ V γ −1 V1 p V− p V vμ thay γ γ A=2 2 1 1 p1 V 1= p 2 2 V γ −1 m p V ( T− T ) p V= RT A=1 1 2 1 1 1 1 (γ 1 − ) T μ 1