21 trang 139 lượt tải

Chương 20: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học | Giáo trình môn Vật lý | Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

277

hiệt động lực học và cơ học đã được xem là hai ngành riêng biệt của vật lý. Cho đến khoảng năm 1850, các thí nghiệm của James Joule và những người khác đã cho thấy sự liên kết giữa chúng. Mối liên kết đã được tìm thấy giữa việc trao đổi năng lượng bởi nhiệt trong các quá trình nhiệt và sự trao đổi năng lượng bởi công trong các quá trình cơ học. Khái niệm về năng lượng đã được khái quát hóa để bao gồm cả nội năng. Các nguyên lý bảo toàn năng lượng nổi lên như là một quy luật phổ quát của tự nhiên. Tài liệu giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

Môn: vật lý đại cương 2 3 10 tài liệu

Trường: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 3.9 K tài liệu

Tác giả:

Profile

Lê Kim Dung

1 năm trước
Danh sách Quiz
/21
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
1
Chương 20: Nguyên lý thứ ệt độ nhất nhi ng lực học
hi hệt độ ọc và cơ ng lực h ọc c xem là hai ngành riêng bi t c a v t lý. Cho đã đượ ệ ủ ậ
đến kho , các thí nghiảng năm 1850 ệm của James Joule và những người khác đã
cho th y s liên k t gi a chúng. M i liên k c tìm th y gi a vi i ấ ự ế ữ ố ết đã đượ ấ ữ ệc trao đổ
năng lượ trao đổi năng lượng bởi nhiệt trong các quá trình nhiệt và sự ng bởi công
trong các c. quá trình cơ họ
Khái niệm v bao g m c n i ề năng lượng đã được khái quát hóa để ồ ả ộ năng.
Các nguyên lý b ng n t quy lu t ph quát c nhiên. ảo toàn năng lượ ổi lên như là mộ ậ ổ ủa tự
Nhiệt lượng và n ội năng
Trong ph n này s th o lu n v n i nguyên lý th nh t c a nhi ng l c h c, và ầ ẽ ả ậ ề ộ năng, ứ ấ ủ ệt độ ự ọ
các ng d ng c a nguyên lý này. ứ ụ ủ
Nguyên lý th nh t c a nhi ng l c h c mô t các hứ ấ ủ ệt độ ự ọ ả ệ mà trong đó sự thay đổi năng
lượng duy nh t là n i S ng th n b i nhi t và công. ấ ộ năng. ự trao đ i năổ ng lượ ực hiệ ở ệ
Ta s xem xét công th n b i các h có th bi n d ng. ẽ ực hiệ ở ệ ể ế ạ
Nội năng E
int
N tội năng là ổng ng cnăng lượ ủa m t h c ộ ệ có đượ
từ các thành ph n vi mô c a nó. ầ ủ
Các thành ph n vi mô này là các nguyên t và ầ ử
phân t . ử
Hệ được quan sát từ một hệ quy chi ng ếu đứ
yên đối gắn với khối tâm của hệ.
Nhiệt ng Qlượ
Nhiệt ng lượng được định nghĩa là năng lượ
chuyển đổi qua ranh giới của m t h do s khác bi t ộ ệ ự ệ
nhiệt độ gi a h ữ ệ và môi trường xung quanh c vi t , đượ ế
tắt là nhi t. ệ
Đơn vị năng lượ ng
Trong l ch s , calo (cal) c s d ng ị ử là đơn vị đượ ử ụ
cho năng lượng.
Một calo là lượng ng i c n thi t năng lượ trao đổ ầ ế
để
làm tăng nhiệt độ ủa 1g nướ C đế c c từ 14.5
o
n
15.5
o
C.
1 kilocalo = 1000 calo.
N
Hình 20.1: Thí nghiệm c ủa Joule để
xác định mối tương đương giữa cơ
và nhiệt.
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
2
Theo h th ng c a M là m t BTU (British Thermal Unit). ệ ống đo lườ ủ ỹ, đơn vị ộ
Một BTU là lượng ng i c n thi 1 lb c c t năng lượ trao đổ ầ ết để làm tăng nhiệt độ ủa nướ ừ
63
o
F đến 64 F.
o
Ngoài ra, đơn vị c ng theo hủa năng lượ ệ SI là Joules (J)
1 cal = 4,186 J (20.1)
Nhiệt dung riêng và phép đo nhiệt lượng
Nhiệt dung C
Nhiệt dung, , c a m t v t c th ng ng c n thi làm C ủ ộ ậ ụ ể được định nghĩa là lượ năng lượ ầ ết để
tăng nhiệt độ của vật thêm 1°C.
Nếu năng lượ thay đổ ∆T, ng Q tạo ra sự i nhiệt độ là thì
Q (20.2) C ∆T
Nhiệt dung riêng c
Nhiệt dung riêng, c, là nhi t dung c a m i kh . ệ ủ ỗ ối lượng đơn vị
Nếu i m ng ng Q trao đổ ột lượ năng lượ để làm m t v t có kh ng m và ộ ậ ối lượ thay đổi nhiệt
độ thì nhi∆T, ệt dung riêng là:
Q
c
m T
(20.3)
Nhiệt dung riêng c a ch t càng lủ ấ ớn, năng lượng phải thêm vào một kh ng ối lượ đã cho để
tạo nên m t s i nhiộ ự thay đổ ệt độ c th càng l n. ụ ể ớ
Phương trình thường được viết theo thuật ngữ Q:
Q = mc∆T (20.4)
Sự thay đổ ệt đội của nhiệt dung riêng theo nhi
Về m t kặ ỹ thu t, nhi i theo nhi . vi phân là ậ ệt dung riêng thay đổ ệt độ Phương trình
Q = m ∫ cdT
T
f
T
i
Tuy nhiên, n u các kho ng bi i nhi không quá l n, s thay i này có th b ế ả ến đổ ệt độ ớ ự đổ ể ỏ
qua và c có th t h ng s . ể được coi như mộ ằ ố
Nhiệt dung riêng c c ủa nướ
Nướ ớc có nhiệt dung riêng cao nhất so v i vật li ng. ệu thông thườ
Phép đo nhiệt lượng
Muốn đo nhiệt dung riêng c a mủ ột v t, ta nung nóng vậ ật đó đến nhiệt độ T ,
x
sau đó nhúng
nó c (kh t) có nhivào nướ ối lượng đã biế ệt độ 𝑇
𝑤
< 𝑇
𝑥
, r i ghi l i nhi c c sau khi ồ ạ ệt độ ủa nướ
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
3
chúng cân b ng nhau. c g i là ng. Thi t b i là nhi t ằ Phép đo này đượ ọ phép đo nhiệt lượ ế ị đo gọ ệ
lượng kế.
Hình 20.2 mô t v t nóng trong c l nh và nhi t ả ậ nướ ạ ệ
lượ đếng truyền từ nhi cao ệt độ n nhi thệt độ ấp. Nếu hệ vật
và c b cô l p, s b o toàn i nhi t nướ ị ậ ự ả năng lượng đòi hỏ ệ
lượ ỏ ớng thoát ra kh i vật Q b
hot
ằng v i nhiệt lượng đi vào
nước Q . Bi
cold
ểu thức bảo toàn ng: năng lượ
Q
cold
=
Q
hot
(20.5)
Xét m t m u v nh nhi . Gi ộ ẫ ật ta đang muốn xác đị ệt độ ả
sử m là kh ng c a nó, c là nhi t dung riêng và T là
x
ối lượ ủ
x
ệ
x
nhiệt độ ban đầ Tương tự, ta có các đại lượ u. ng m , c và
w w
T
w
đại di n cho các giá tr c. G i T là ệ ị tương ứng cho nướ ọ
f
nhiệt độ ồm nướ ật) đạ cuối cùng sau khi hệ (g c và mẫu v t
trạng thái cân b ng. ằ Phương trình (20.4) cho th y r ng nhi t ấ ằ ệ
lượng truyền cho nước là 𝑄
𝑤
= 𝑚
𝑤
𝑐
𝑤
(𝑇
𝑓
− 𝑇
𝑤
)>0 vì 𝑇
𝑓
>
𝑇
𝑤
Nhiệ ềt lượng truy n cho m u v t là ẫ ậ 𝑄 𝑐
𝑥
= 𝑚
𝑥 𝑥
(𝑇
𝑓
− 𝑇
𝑥
) <0
Từ phương trình (20.5), ta có phương trình
m
w
c
w
(
T
f
− T
w
)
= −m
x x
c
(
T
f
− T
x
)
= m
x x
c
(
T
x
− T
f
)
Phương trình giúp xác đị chưa biếnày nh nhiệt dung riêng t.
Về m t k thu t, c nh kh ng c a bình ch u ặ ỹ ậ ần xác đị ối lượ ủ ứa, nhưng nế m
w
>> , m
bình chứa
nó có th c b qua. ể đượ ỏ
Hình 20.2: Trong thí nghi m, ệ
một v t nóng có nhi t dung ậ ệ
riêng chưa biết được đặt trong
nướ ạc l nh trong thùng chứa cô
lập v ng. ới môi trườ
Bảng 20.1: M t s giá tr nhi t dung riêng ộ ố ị ệ
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
4
Câu h i 20.1ỏ : Hãy tưởng tượ ủy tinh và nướ ệt động bạn có 1 kg sắt, th c, và tất cả đều ở nhi
10°C. (a) Sau khi thêm năng lượ ệt động 100J vào mỗi vật, sắp xếp các vật theo thứ tự nhi từ
cao đến thấ ậ ệp. (b) sắp xếp các v t theo thứ ự t nhi t lượng nhận được từ nhi n ít nều đế ếu nhiệt
độ các vật được tăng thêm 20°C.
Bài t p m u 20.1: ậ ẫ
Một th i kim lo i n th vào trong ỏ ạ ặng 0,05kg được nung nóng đến 200°C và sau đỏ ả
một nhi ng k ch c 20,0°C. Nhi cân b ng cệt lượ ế ứa 0,4 kg nướ ở ệt độ ằ ủa h là 22,4°C. ệ
Tìm nhi t dung riêng c a kim lo i. ệ ủ ạ
Giải:
Khái ni m hóa.ệ Hình dung quá trình di n ra trong m t h cách nhiễ ộ ệ ệt (hình 20.2). Năng
lượ ờ ịng r i khỏi thỏi kim lo c lại nóng và đi vào trong nướ ạnh. Thỏi kim loại b lạnh đi
và nướ ổi năng lược ấm lên. Khi cả hai có cùng nhiệt độ thì sự trao đ ng dừng lại
Phân loại. S d t l p ử ụng phương trình đã được thiế ậ ở trên.
Kết qu c: ả là ta tìm đượ
Nhiệt chuy n pha ể
Trong mộ ốt s trường h p, m c dù có s ợ ặ ự trao đổi năng lượng gi a kh i chữ ố ất và môi trường
nhưng nhiệt độ kh i chố ất không thay đổi. Đó là khi xảy ra s chuy n pha. Pha là m t t p h p ự ể ộ ậ ợ
các ph ng tính, có tính ch t t h th ng. Ch ng h c có th t n t i ần đồ ấ như nhau của mộ ệ ố ẳ ạn nướ ể ồ ạ ở
pha r n, l ng ho c khí. Nh ng hình th c k t tinh khác nhau c a m t ch ng pha ắ ỏ ặ ữ ứ ế ủ ộ ất cũng là nhữ
khác nhau c a chủ ất đó. Sự chuy n t pha này sang pha khác c a m t h g i là s chuy n pha. ể ừ ủ ộ ệ ọ ự ể
Nư
ớc khi h nhi ạ ệt độ đến 0 C thì chuy n t pha l ng sang pha r n là m
0
ể ừ ỏ ắ ột ví d cho s chuy n ụ ự ể
pha.
Các ch t khác nhau ph n i v ng truy n vào ho c lấ ả ứng khác nhau đố ới năng lượ ề ặ ấy đi trong
quá trình chuy n pha do chúng có các s p x p phân tể ắ ế ử bên trong khác nhau. Lượng năng
lượng này cũng phụ thuộ ốc vào kh i lượng của chấ ết. Khi nói đ n hai pha của một chất, chúng
ta s d ng thu t ng ch ch t nhi khi nói v hai ử ụ ậ ữ chất ở pha cao hơn để ỉ ấ ở ệt độ cao hơn. Ví dụ ề
pha c ng là ch t ủa nước là nước lỏng và và nước đá thì nước lỏ ấ ở pha cao hơn.
Xét một hệ g m hai pha c a mồ ủ ột chất đang ở trạng thái cân b ng. G i khằ ọ ối lượng ban đầu
của chất i. Sau khi nhở pha cao hơn là m ận nh n n ng Q kh ng sau cùng c t ậ ặng lượ ối lượ ủa chấ
ở f. Nhipha cao hơn là m ệt chuy ển pha L đượ ịnh nghĩa là:c đ
w w f w
x
x x f
m c T T
c
m T T
C C
o o
(0.400kg)(4186 J/kg C)(22.4 C 20.0 C)
(0.0500kg)(200.0 22.4 )
453 J/kg C
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
5
𝐿 ≡
𝑄
∆𝑚
(20.6)
trong đó ∆𝑚 = 𝑚
𝑓
− 𝑚
𝑖
là độ ối lượ biến thiên kh ng của chất ở pha cao hơn. Giá trị của L
phụ thuộc vào lo i chuy n pha và các tính ch t c t chuyạ ể ấ ủa chấ ển pha.
Trong m t quá trình chuy pha, không có s i v nhi c a các ch t. Nhi t ộ ể ự thay đổ ề ệt độ ủ ấ ệ
chuyển pha khi có s chuy n pha t r n sang l ng g i là nhi t nóng ch y. Nhi t chuy n pha ự ể ừ ắ ỏ ọ ệ ả ệ ể
khi có s chuy n pha t l ng sang khí g i là nhi ự ể ừ ỏ ọ ệt hóa hơi.
Nếu toàn bộ lượng v t ch t ậ ấ ở pha th p tr i qua m t s chuy n pha, thì s i kh i ấ ả ộ ự ể ự thay đổ ố
lượ ủng c a v t ch t pha cao b ng kh ng ậ ấ ở ằ ối lượ ban đầu của vật li u pha th p. ệ ở ấ Ta cũng có thể
viết l ại phương trình
Q = L∆m (20.7)
Nếu : năng lượng đi vào hệ
Sẽ d n s nóng ch y ho c hóa ẫn đế ự ả ặ hơi
Lượng vật chất ở pha cao sẽ tăng
Δm và mang d Q ấu dương
Nếu ng năng lượ được rút ra khỏi h : ệ
Sẽ d n k t tinh ho c hóa l ng ( ) ẫn đế ế ặ ỏ ngưng tụ
Lượng vật chất ở pha cao sẽ giảm
Δm và mang dQ ấu âm
Bảng 20.2: M t s giá tr c a c a h s nhi t chuy n pha ộ ố ị ủ ủ ệ ố ệ ể
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
6
Bài t p m u 20.2: ậ ẫ
Tính t ng c n cung c chuy n toàn b -30
ổng năng lượ ầ ấp để ể ộ 1 g nước đá ở
0
C thành hơi
nướ ở
c 120 C.
0
Giải:
Hình 20.3 mô tả quá trình chuy n hóa c d c sang d ể ủa nước từ ạng đặ ạng hơi.
Hình 20.3: Đồ th tị ừ nước đá sang hơi nước
Đồ ị th có các phần sau
Phần A: Nước đá tăng nhiệt độ
Bắt đầ nước đá rong giai đoạ ệt độ ủa nước đá thay đổu từ 1 gram ở -30 ºC, t n A, nhi c i
từ -30ºC đến 0ºC, d a vào bự ảng 20.1, ta có phương trình Q = m
i
c
i
∆T =
(
1 × 10
−3
)(
2090
)(
30
)
= 62 7J,
Trong trường hợp này, hệ thu năng lượng là 62,7 J.
Phần B: băng tan
Năng lượ ển hóa 1g nước đá sang dạng nướng chuy c (chất lỏng), dựa vào bảng 20.2,
s
ử dụng phương trình Q = 𝐿
𝑓
∆𝑚
𝑤
= 𝐿
𝑓
𝑚
𝑖
=
(
1 × 10
−3
)(
3,33 10×
5
)
= 333 J
Năng lượng thu vào: 333 J
Phần C: nước tăng nhiệt độ
Giữa 0 ºC và 100 ºC, v t li u là ch t l ng và không có s t i tr ng thái. ậ ệ ấ ỏ ự hay đổ ạ Nước
vẫn gi nguyên pha. H ng . ữ ệ thu năng lượ làm tăng nhiệt độ
Ta có
Q = m
𝑤
c
w
∆T =
(
1 × 10
−3
)(
4,19 10×
3
)(
100 419
)
= J
Năng lượng thu vào: 419 J
Phần D: nước sôi
Tại 100ºC, s ự thay đổi trạng thái xảy ra (sôi). Nhi i. ệt độ không thay đổ
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
7
S
ử d ng ụ Q = 𝐿
𝑣
∆𝑚 1×
𝑠
=
(
10
−3
)(
2,26 10×
6
)
= 2260J
Năng lượng cần: 2260 J
Phần E: bay hơi
Sau khi toàn b c chuy c s nóng lên. Không x y ộ nướ ợc đư ển thành hơi nước, hơi nướ ẽ ả
ra i tr ng thái. H thu n ng . thay đổ ạ ệ ăng lượ để tăng nhiệt độ
S
ử d ng ụ Q = m
𝑠
c
𝑠
∆T =
(
1 × 10
−3
)(
2,01 10×
3
)(
20 =
)
40,2J
Khi nhi t 100 n 120 ng c n: 40,2 J
ệ độ tăng từ
o
C đế
o
C, năng lượ ầ
V
ậy tổng năng lượng 1gram nước đá thay đổi t -30ºC ừ đến 120 C c
0
ần năng lượng t ng ổ
là 3110 J.
Sự ch ậm đông
Nếu nướ ỏng được ở dạng l c giữ đứng yên trong một bình rất sạch thì có thể giảm nhiệt
độ
c c xu i 0 ng này gủa nướ ống dướ
o
C mà không làm nó đóng băng. Hiện tượ ọi là sự chậm
đông.
Sự đóng băng chỉ ảy ra khi nướ x c cần một sự nhi u loễ ạn theo cách nào đó để các phân t ử
tách nhau ra và t o thành m t c ng và m làm cho mạ ộ ấu trúc băng rộ ở để ật độ băng thấp hơn
mật độ c c. N c ch ng bủa nướ ếu nướ ậm độ ị nhi u lo n, nó s p t c. Hễ ạ ẽ đóng băng ngay lậ ứ ệ rơi
về c ng th p cấu hình năng lượ ấ ủa các phân t liên k t cử ế ủa c ng t a ra ấu trúc băng và năng lượ ỏ
nâng nhi tr v 0 C.
ệt độ ở ề
o
Sự quá nhi t ệ
Nư
ớ đếc sạch có thể tăng nhiệt độ n trên 100 C mà không sôi. Hi c g
o
ện tượng này đượ ọi
là s tự quá nhiệ .
Sự là hình thành bong bóng hơi trong nước đòi hỏi tâm hóa hơi. Tâm hóa hơi này có thể
một vết xước trên bình chứa hoặc một tạp ch c. Khi b nhi u lo c quá nhi t ất trong nướ ị ễ ạn, nướ ệ
có th phát nể ổ. Bong bóng nước hình thành ngay l p tậ ức, nước nóng được đẩy lên trên và trào
ra ngoài bình chứa.
Câu h i 20.2:ỏ Gi s có m nh ng vào cả ử ột quá trình tương tự ằm thêm năng lượ ục đá như trên,
nhưng thay vào đó, ta sẽ ội năng củ như là mộ năng lượng vào. Đồ vẽ đồ thị n a hệ t hàm của
thị đó sẽ như thế nào?
Công và nhi t trong các quá trình nhi ng ệ ệt độ
Các biến tr ng thái ạ
Các bi n tr ng thái mô t tr ng thái c t h . Bao g m: Áp su t, nhi , th tích, n i ế ạ ả ạ ủa mộ ệ ồ ấ ệt độ ể ộ
năng.
Trạng thái của m t h cô l p chộ ệ ậ ỉ được xác định khi hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt.
Đố ớ ởi v i chất khí trong bình chứa, mọi thành phần của chất khí phải cùng nhi và áp ệt độ
suất.
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
8
Các biến quá trình
Các bi n quá trình luôn là không tr khi có m t ti n trình di n ra mà trong ti n trình này ế ừ ộ ế ễ ế
có s ng qua ranh gi i c a m t h . Các bi n quá trình không liên quan v i ự trao đổi năng lượ ớ ủ ộ ệ ế ớ
bất k tr ng thái nào c a h mà ch ỳ ạ ủ ệ ỉ liên quan đến sự thay đổi tr ng thái c a h . Nhi t và công ạ ủ ệ ệ
là các bi n quá trình. Bi n quá trình có thế ế ể là dương hoặc âm tùy vào năng lượng đi vào hay
đi ra khỏi hệ.
Công trong nhiệt động l c ực họ
Công được thực hiện trên một hệ có thể biến dạng,
ví d t khí. ụ như chấ
Khảo sát m t xylanh có piston. Tác d ng l c vuông ộ ụ ự
góc để ừ. Quá trình nén đủ ậm để nén khí từ t ch hệ duy
trì tr ng thái cân b ng nhi t. ạ ằ ệ
Do piston được đẩy xuống bằng lực và dF ịch
chuyển được một đoạn dr nên ta th c hi n m t công là ự ệ ộ
Với A.dy = dV là s i th tích kh i khí. là ự thay đổ ể ố A
diện tích c qua khủa piston. Bỏ ối lượng c a piston trong ủ
phép tính này.
Công th c hi n lên ch t khí: ự ệ ấ
dW = - P dV
Biện lu n v ậ ề dW
Nếu khí b nén, mang d u âm và công mang ị dV ấ
dấu dương.
Nếu khí b giãn n , ị ở dV mang dấu dương và công
mang d u âm. ấ
Nếu th i, công b ng 0. ể tích không đổ ằ
Tổng công th c hi n khi nén khí: ự ệ
Giả ồn đ PV
Trạng thái c a ch t khí t i m c có thủ ấ ạ ỗi bướ ể được
vẽ trên giản đồ PV. Điều này cho phép hình dung quá
trình bi i c a ch ng cong g ng ến đổ ủ ất khí. Đườ ọi là đườ
đi (từ ạng thái đầu đế tr n trạng thái cuối).
f
i
V
V
W P dV
Hình 20.4: Công được thực hiện
lên khí trong 1 xylanh có áp su t ấ
P khi piston di chuy ng, ển đi xuố
làm cho khí b nén ị
Hình 20.5: Khí được nén chậm từ tr ng ạ
thái i đến trạng thái f.
Hệ nh n ận công, do đó công khí nhậ
được dương.
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
9
Công thực hi n bệ ởi các đường đi khác nhau
Mỗi quá trình có cùng tr u và cu i. Công th c hi n khác nhau trong m i quá ạng thái đầ ố ự ệ ỗ
trình. Công ph thu a quá trình. ụ ộc vào đường đi củ
Hình 20.6 a tích khí gi m t n trong khi áp su t : Thể ả ừ V
i
đế V
f
ấ P
i
không đổi. Sau đó, áp
suất tăng từ P
i
đến ng cách nung nóng khi th tích i. P
f
b
ằ ể V
f
không đổ
W = –P
i
(V
f
– V
i
)
Hình 20.6 b Áp su t c: ấ ủa khí tăng từ P
i
lên P
f
v i th ớ ể tích không đổi. Sau đó thể tích gi m ả
từ V
i
về V
f .
W = –P
f
(V
f
– V
i
)
Hình 20.6 c: Áp su t và th tích c a khí bi i liên t c. Công th c hi n là m t giá tr ấ ể ủ ến đổ ụ ự ệ ộ ị
nào đó giữa – –P V
f
(
f
V
i
) và –P
i
(V
f
– ). V
i
Để đánh giá chính xác lượ ) (đểng công thực sự, cần phải biết hàm P (V tính tích phân).
S ngự trao đổi năng lượ
Nhiệt lượng, , thu vào ho c mQ ặ ất đi của một hệ ph thu c vào quá trình bi i. Ngu n ụ ộ ến đổ ồ
nhiệt là m t nguộ ồn năng lượng được xem là đủ ớn để l một sự trao đổi năng lượng có gi i h n ớ ạ
không làm thay đổi nhiệt độ của nó.
Piston đượ trí ban đầc giữ cố định ở vị u nhờ một tác nhân bên ngoài. Bỏ qua ngoại lực
tác d ng lên h . Piston di chuy n lên và khí sinh ra m t công trên piston. Su t quá trình giãn ụ ệ ể ộ ố
nở, ch c ng v ỉ ần năng lượ ừa đủ để chuy ng nhi t t bình ch a sang chển hóa năng lượ ệ ừ ứ ất khí để
duy trì nhi i. ệt độ không đổ
Hình 20.6: Công khí nhận khi khí th n quá trình chuy n hóa t i sang f ực hiệ ể ừ
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
10
Sự chuy ng, h cô l p ển hóa năng lượ ệ ậ
Xét ch t khí trong mấ ột xy lanh có một màng như hình vẽ. Ban đầu, khí b nh t ị ố ở bên dưới
màng ngăn Hệ ấp đầ hoàn toàn cách nhiệt. Khi màng bị vỡ, chất khí nhanh chóng giãn nở l y
khoảng tr c th tích cu i cùng. Lúc này, ch t khí không sinh công vì ống cho đến khi đạt đượ ể ố ấ
nó không tác d ng lụ ực. Không có năng lượng được trao đổi dưới d ng nhi t thông qua l p v ạ ệ ớ ỏ
cách nhi t ệ
Tóm l i: ạ
Năng lượ g thái đầng chuyển hóa bởi nhiệt, sinh công, phụ thuộc vào trạn u, cuối và
trung gian c . ủa hệ
Cả công và nhi u ph thu c quá trình bi i. ệt đề ụ ộ ến đổ
Không th nh giá tr c a công và nhi t n u ch d a vào tr u và cu i ể xác đị ị ủ ệ ế ỉ ự ạng thái đầ ố
của m t quá trình nhi ng l c. ộ ệt độ ực họ
Nguyên lý th nh t c a nhi ng l c hứ ấ ủ ệt độ ự ọc
Nguyên lý th nh t c a nhi ng l c h ng h c ứ ấ ủ ệt độ ự ọc là trườ ợp đặ
biệt c nh lu t b ng h c bi t ủa đị ậ ảo toàn năng lượng. Đó là trườ ợp đặ ệ
khi ch có s bi i nỉ ự ến đổ ội năng và chỉ trao đổi năng lượ có sự ng bởi
nhiệt và công.
Nguyên lý th nh t c a nhi ng l c ứ ấ ủ ệt độ ực họ
∆𝐸
𝑖𝑛𝑡
= 𝑄 +𝑊
Tất c ng phả các đại lượ ải có cùng đơn vị c ng. ủa năng lượ
Một h qu c a nguyên lý này là s t n t c bi t ệ ả ủ ự ồ ại đại lượng đượ ế
đến như là nội năng – được xác định bởi tr ng thái c a h . Nạ ủ ệ ội năng
là m t bi n tr ng thái. ộ ế ạ
Hình 20.7: Sự ng c a khí trong xylanh trao đổi năng lượ ủ
Hình 20.8: Nguyên lý 1
nhiệt động l c ực họ
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
11
Hệ cô l p là h ng xung quanh. Không có sậ ệ không tương tác với môi trườ ự trao đổi năng
lượng bằng nhiệt. Công thực hiện trên hệ bằng 0.
Q = W = 0, nên ∆E
int
= 0
Nộ ủi năng c a hệ cô l i. ập không đổ
Các chu trình
Chu trình là m t ti n trình b t u và k t thúc cùng m t tr ng thái. ộ ế ắ đầ ế ở ộ ạ
Trên giản đồ PV, chu trình đượ c biểu di ng cong khép kín. ễn như một đườ
Độ biến thiên n ng 0 vì nó là mội năng bằ ột biến trạng thái
Nếu = 0, = - ∆E
int
Q W
Trong một chu trình, công th c hi n trên h trong m i chu trình l n b ng di n tích ự ệ ệ ỗ có độ ớ ằ ệ
của vùng giới h n b i ng cong bi u diạ ở đườ ể ễn chu trình trên gi PV. ản đồ
Một vài ứng d ng c a nguyên lý th nh t nhiụ ủ ứ ấ ệt động l c h c ự ọ
20.6.1 Quá trình đoạn nhiệt
Quá trình đoạ ệt là quá trình trong đó không có năng lượn nhi ng vào ho c ra kh i h ặ ỏ ệ dưới
dạng nhi t. ệ
Q = 0
Điều này có được do: Các thành cách nhi t cệ ủa bình, Các quá trình được thực hi n nhanh ệ
nên không có s i nhi t. ự trao đổ ệ
Vì Q = 0, = ∆E
int
W
Nếu khí bị nén đoạn nhiệt, W mang d mang d ấu dương, ∆E
int
ấu dương và nhiệt độ tăng.
Nếu khí giãn nở n nhi t, nhi khí gi m. đoạ ệ ệt độ ả
Một s ví dố ụ điển hình v n nhi t trong kề quá trình đoạ ệ ỹ thu t: ậ
Sự giãn nở c t trong. ủa khí nóng trong động cơ đố
Khí ga hóa lỏng trong hệ thống làm mát.
Nén đột ng ột trong động cơ diesel.
20.6.2 S ự giãn n t do n nhi t ở ự đoạ ệ
Đây là quá trình đoạn nhiệt vì nó diễn ra trong bình cách nhiệt. Vì chất khí giãn nở vào
khoảng tr ng, nó không tác d ng l c lên piston và ố ụ ự W = 0.
Vì Q W = 0 và = 0 => ΔEint = 0, nghĩa là nội năng củ ạng thái đầa khối khí ở tr u và cuối
bằng nhau.
Nếu kh i khí th c hi ng thì nhi c i khí trong quá trình ố ự ện quá trình là khí lý tưở ệt độ ủa khố
này không thay đổi.
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
12
20.6.3 Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳ ấng áp là quá trình xảy ra khi áp su t không đổi.
Có th th c hi n b ng cách cho piston di chuy n t do, vì v y h luôn tr ng thái cân ể ự ệ ằ ể ự ậ ệ ở ạ
bằng gi c tữa lự ổng h y lên và tr ng cợp từ khí đẩ ọng lượ ủa piston cộng v i l c do áp su t cớ ự ấ ủa
không khí đẩy xuống.
Giá trị nhi u khác 0. ệt và công nói chung đề
Công là = - ( ) v i là áp su i. W P V
f
– V
i
ớ P ất không đổ
20.6.4 Quá trình đẳng tích
Quá trình đẳng tích là quá trình xảy ra khi thể tích không đổi.
Thực hi n b ng cách k p piston ệ ằ ẹ ở vị trí cố định.
Vì thể i, = 0. tích không đổ W
Từ định lu t 1, = ậ ∆E
int
Q
Nếu năng lượng đượ tích không đổ năng c truyền bởi nhiệt vào một hệ có thể i, toàn bộ
lượng sẽ truyề ện vào cho hệ và nội năng của h tăng lên.
20.6.5 Quá trình đẳng nhi t ệ
Quá trình đẳ ệt là quá trình trong đó nhiệt động nhi
không đổi.
Thực hi n bệ ằng cách đặt các xylanh ti p xúc v i ngu n ế ớ ồ
nhiệt có nhi i. ệt độ không đổ
Vì nhiệt độ i, = 0. không đổ ∆E
int
Nên, = Q W
Năng lượ đi vào hệng bất kỳ dưới dạng nhiệt phải ra
khỏi hệ dưới d ng công. ạ
Hình 20.9 mô t giả ản đồ PV của quá trình giãn n ở đẳng
nhiệt.
Đường cong có d ng cong gạng hypebol. Đườ ọi là
đường đẳng nhiệt
Phương trình:
pV = = h ng s . n R T ằ ố
Câu h i 20.2ỏ : ng T1, T2, T3, T4 Trong hình 20.10, các đườ
là đường đẳng nhiệt. Vậy, trong 4 quá trình A, B, C, D, quá
trình nào là quá trình đẳng áp, quá trình đẳng tích, quá trình
đẳng nhi n nhiệt và quá trình đoạ ệt?
Hình 20.9: Quá trình đẳng nhiệt
Hình 20.10: Đường đẳng nhiệt
càng xa gốc, nhi càng cao ệt độ
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
13
20.6.6 Quá trình giãn n ở đẳng nhi t, chi ti t ệ ế
Công b ng ngh i c a gi . Vì khí giãn n , > và giá tr ằ ịch đảo vùng bên dướ ủ ản đồ PV ở V
f
V
i
ị
của công th c hi n trên ch t là khí là s âm. N u khí b nén < và giá tr c a công th c ự ệ ấ ố ế ị V
f
V
i
ị ủ ự
hiện trên ch t là khí là s ấ ố dương.
Tóm t t v c bi t ắ ề các quá trình đặ ệ
Đoạn nhiệt
Không có trao đổi nhiệt
Q = 0 và ∆𝐸
𝑖𝑛𝑡
= 𝑊
Đẳng áp
Áp suất không đổi
W = p (V
f
– V
i
) và ∆𝐸
𝑖𝑛𝑡
= 𝑄 +𝑊
Đẳng nhiệt
Nhiệt độ không đổi
∆𝐸
𝑖𝑛𝑡
= 0 và = Q W
Cơ chế truyền năng lượng trong quá trình truy n nhi t ề ệ
Có nhi n s chuy n hóa: ều cơ chế liên quan đế ự ể
Dẫn nhi t ệ
Đối lưu
Bức xạ
20.7.1 S ự dẫn nhi t ệ
Việc truyền năng lượng có th ể được xem xét trên
quy mô nguyên t . là mử Đây ột sự trao đổ năng i động
giữa các h t c c nhạ ự ỏ khi chúng va ch m v i nhau. ạ ớ
Các vi h t có th là các nguyên t , phân t hay ạ ể ử ử
electron t do. H ng th p nh n ự ạt có năng lượ ấ ậ năng
lượ ớng trong quá trình va chạm v i các hạt có năng
lượ hơn.ng cao
Khả năng d n nhi t phẫ ệ ụ thu c tính ộc vào các đặ
của vật ch t. Nhìn chung, kim lo i là chấ ạ ất d n nhiẫ ệt
tốt. Kim lo i ch a nhi u electron chuy ng t do ạ ứ ề ển độ ự
ln
f f f
i i i
V V V
V V V
i
f
nRT dV
W P dV dV nRT
V V
V
W nRT
V
Hình 20.11: Sự d n nhi t ẫ ệ
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
14
bên trong chúng. Chúng có th truy n ng t electron này sang electron khác. ể ề năng lượ ừ
Chất có độ d n nhi t kém bao g m y, và ch t khí. ẫ ệ ồ amiăng, giấ ấ
Sự d n nhi t chẫ ệ ỉ x y ra khi có s khác bi t v nhi gi a ph n ti p xúc c a hai môi ả ự ệ ề ệt độ ữ ầ ế ủ
trường dẫn.
Tấm đồ ệt lượ nơi có ệt độ cao đếng chất ở hình bên dưới cho phép truyền nhi ng từ nhi n
nơi có ấp hơn. nhiệt độ th
Tố ộc đ truy n nhi t cho bề ệ ởi:
A dT dx là di n tích m t c t ngang (ti t di n ngang). ệ ặ ắ ế ệ là s khác bi t nhi . ự ệ ệt độ là độ dày
của t m, ho u dài c a m t thanh. ấ ặc chiề ủ ộ
P t có đơn vị Watt khi Q có đơn vị Joule và có đơn vị là giây. d n nhi t c a v t k là độ ẫ ệ ủ ậ
liệu. Dây d n tẫ ốt có giá trị k cao và dây n tcách điệ ốt có giá trị k th p. ấ
Một vài giá trị độ d n nhiẫ ệt được cho trong b ng 20.3 ả
Bảng 20.3: Giá tr d n nhi t ị độ ẫ ệ
Q dT
P kA
t dx
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
15
Gradient nhi ệt độ
Tỉ s | ố dT / dx | đượ ệt độ ớng thay đổc gọi là gradient nhi của vật liệu, cho biết hư i nhiệt
độ từ . nơi này đến nơi khác
Đố ớ ộ đượ nhưi v i m t ng chthanh đồ ất, gradient nhiệt độ có thể c tính sau:
Sử d ng gradient nhi truy n nhi t trụ ệt độ cho thanh, tốc độ ề ệ ở thành:
Thanh ghép các ch t ấ
Đối v i m t thanh ghép các ch t có ch a m t s v t li u ớ ộ ấ ứ ộ ố ậ ệ
của độ dày khác nhau ( , L
1
L
2
, ...) và độ dẫn nhi t khác nhau ệ
(k
1
, , ...) thì t truy ng ph thu c vào v t k
2
ốc độ ền năng lượ ụ ộ ậ
liệu và nhiệt độ ở m t ngoài: ặ
Chất cách nhi t ệ
Chất cách nhi t ệ được đánh giá bởi h s cách nhi t R. ệ ố ệ
R = / L k : h s cách nhiệ ố ệt
Trườ ợ ớ ịng h p có nhiều l p, giá tr R t ng c ng là t ng các giá tr c a m i l p. ổ ộ ổ ị R ủ ỗ ớ
Gió làm tăng sự ất năng lượ m ng trong nhà.
h c
T TdT
dx L
h c
T T
P kA
L
h c
i i
i
A T T
P
L k
h c
i
i
A T T
P
R
Hình 20.12: Thanh ghép các ch t ấ
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
16
Một vài giá trị của R
Câu h i 20.3ỏ : B n có hai thanh Rod 1 và Rod 2, có cùng chi u ạ ề
dài và đường kính, nhưng chúng được làm t các v t li u khác ừ ậ ệ
nhau. Các thanh đượ ụng đểc sử d kết nối hai vật ở hai nhiệt
độ ng truykhác nhau để năng lượ ền qua các thanh bằng nhiệt.
Có 2 cách k t n Trong ế ối , như hình 20.13a và hình 20.13b.
trườ ợng h p nào là t truyốc độ ền nhiệt l ớn hơn?
(a) Hình 20.13 a.
(b) Hình 20.13 b.
(c) . Như nhau
20.7.2 Đối lưu nhiệt
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự
dịch chuy n c a kh i ch t l ng ho c ch t khí trong không gian ể ủ ố ấ ỏ ặ ấ
từ vùng có nhi n vùng có nhi khác ệt độ này đế ệt độ
Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:
Đối lưu nhiệ ệt đột tự nhiên: Xảy ra khi giữa các phần tử có nhi khác nhau và có khối
lượng riêng khác nhau.
Đối lưu nhiệt cưỡ ức: Dùng công bên ngoài như bơm, quạ ộn,… đểng b t, khuấy tr tạo
đối lưu. Vậ ủa quá trình đối lưu cưỡ ớn hơn rấ ới đối lưu n tốc c ng bức l t nhiều lần so v
tự nhiên.
20.7.3 S ự bức xạ nhi t ệ
Bức x nhi t: là ki u truy n nhi c bi t b ng và v t h p ạ ệ ể ề ệt đặ ệ ằng tia, tia đó mang năng lượ ậ ấ
thu tia đó chuyển năng lượng thành dạng nhiệt.
Hình 20.13
Bảng 20.4: Giá tr R ị
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
17
VD: Nền xi măng ta đi thấy nóng vì nó nh n vô s tia b c x c a mậ ố ứ ạ ủ ặt tr i và hờ ấp thu năng
lượng c n thành nhiủa tia đó chuyể ệt
Sự b c x nhi t không c n ti p xúc v t lý. T t c ng liên ứ ạ ệ ầ ế ậ ấ ả các đối tượng phát ra năng lượ
tục dướ ạng sóng điệ do dao đội d n từ ng nhiệt của các phân tử bên trong chúng. Công suất
bức x i ạ được cho bở định luật Stefan:
P
= σAeT
4
P: công su là Watts. tổng ất phát ra t m t vừ ộ ật, đơn vị
σ: hằ Boltzman, σng số Stefan- = 5.6696 x 10 W/m
-8 2
K
4
A là di n tích b m t c t b . ệ ề ặ ủa vậ ức xạ
e e là hằ ạng số phát xđặc trưng cho độ . i t n 1 thay đổ ừ 0 đế
T là nhi Kelvin. ệt độ, đơn vị
Vật đen tuyệt đối (chất hấp thụ lý tưởng)
Vật đen tuy t đệ ối là v t h p thậ ấ ụ t t c ng ấ ả năng lượ đi vào nó.
e = 1
Một v t h p th t v t b c x ậ ấ ụ lý tưởng cũng là mộ ậ ứ ạ lý tưởng.
Tóm t 20 ắt chương
Nếu i m ng ng Q làm m t v t có kh ng m và i nhi trao đổ ột lượ năng lượ để ộ ậ ối lượ thay đổ ệt độ
∆T, thì nhiệt dung riêng là:
c ≡
Q
m∆T
Nếu m ng là c chuy n pha c a m t m u thì ột lượng năng lượ Q ần để ể ủ ộ ẫ hệ s nhi t chuy n phaố ệ ể
L
L ≡
Q
∆m
Công th c hi n trong m t quá trình: ự ệ ộ
Nguyên lý thứ nhất c ng l c ủa nhiệt độ ực họ
∆𝐸
𝑖𝑛𝑡
= 𝑄 +𝑊
f
i
V
V
W P dV
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
18
Tốc độ truy n nhi t: ề ệ
A là di n tích m t c t ngang (ti t di n ngang). dT là s khác bi t nhi dày c a ệ ặ ắ ế ệ ự ệ ệt độ. dx là độ ủ
tấm, ho c chi u dài cặ ề ủa m t thanh ộ
Định luật Stefan: Công su t bấ ức xạ đượ ởc cho b i công thức
P
= σAeT
4
Câu h i lý thuy ỏ ết chương 20
1. M ột khí lý tưởng được nén đến một n a th ử ể tích ban đầu c a nó b ng cách th c hi n m t ủ ằ ự ệ ộ
số quá trình. Trong nh ng quá trình sau, quá trình nào th c hi n công nhi u nh t? (a) ữ ự ệ ề ấ
đẳng nhi n nhi ng áp (d) Công thệt (b) đoạ ệt (c) đẳ ực hi n không ph thu c vào quá trình. ệ ụ ộ
2. M ột cây g y c c s d y khúc cậ ứng, không cháy đượ ử ụng để đẩ ủi đốt trong lò sưởi. Vì sự an
toàn và tho i s d ng, g y ph i làm t v t li u có ải mái cho ngườ ử ụ ậ ả ừ ậ ệ
(a) nhiệt dung riêng l d n nhi t cao, ớn và độ ẫ ệ
(b) nhiệt dung riêng nh d n nhi t th p, ỏ và độ ẫ ệ ấ
(c) nhiệt dung riêng nhỏ và độ dẫn nhiệt cao
(d) nhiệt dung riêng l d n nhi t cao ớn và độ ẫ ệ
3. M ột mảnh đồng 100 g, ban đầu ở 95°C, b ị rơi vào 200 g nước chứa trong m t thau nhôm ộ
280 g; ban đầ ệt độu ở nhi 15°C. Tìm nhiệt độ cuối cùng của hệ? (Nhiệt dung riêng của
đồng và nhôm l t là 0,092 và 0,215 cal /g.°C) (a) 16°C (b) 18°C (c) 24°C (d) 26°C ần lượ
(e) không có đáp án đúng
4. Sao A có g m t tuy i nhi c a sao B. H ng sấp đôi bán kính và gấp đôi bề ặ ệt đố ệt độ ủ ằ ố đặc
trưng cho độ phát xạ là 1. Tỷ lệ công suất phát xạ của ngôi sao A và sao B bằng bao
nhiêu? (a) 4 (b) 8 (c) 16 (d) 32 (e) 64
5. N ếu m ng nhi t, nh n nhi ng (b) Khí ột khí được nén đẳ ệ ận xét nào đúng? (a) Khí nhậ ệt lượ
không th c hi n công (c) Nhi c i n i. (e) ự ệ ệt độ ủa khí tăng lên. (d) Nộ ăng của khí không đổ
Không có nhận xét nào đúng.
6. Khí th c hi n nhi t, nh khí ự ện quá trình giãn đoạ ệ ận xét nào sau đây là đúng? (a) Nhiệt độ
không thay đổ ệt lượi. (b) Khí không thực hiện công. (c) Khí không nhận nhi ng. (d) Nội
năng của khí không thay đổ ất tăng.i. (e) Áp su
7. N ếu m t khí th c hi ng áp, nhộ ự ện quá trình đẳ ận xét nào sau đây là đúng? (a) Nhiệt độ của
khí không thay đổ ệt lượi. (b) Khí không thực hiện công. (c) Khí không nhận nhi ng (d)
Thể tích i. (e) Áp su t khí gi u. khí không đổ ấ ảm đồng đề
8. Sau bao lâu, m t máy nhi t 1000 W làm tan ch nhi 220 ° C, gi s ộ ệ ảy 1 kg băng ở ệt độ ả ử
bang h p th t t c ng t máy nhi t ? (a) 4,18 s (b) 41,8 giây (c) 5,55 phút (d) ấ ụ ấ ả năng lượ ừ ệ
6,25 phút (e) 38,4 phút
Q dT
P kA
t dx
http://ipt.hcmute.edu.vn B môn v t lý ộ ậ
19
Bài t p ậ chương 20
1. M ột ph n n ng ụ ữ ặ 55,0 kg ăn một bánh rán có năng lượng 540 Calorie (540 kcal) cho b a ữ
sáng.
(a) Đổi năng lượng trên sang đơn vị Jun. Biết 1 kcal = 4186J?
(b) Người phụ nữ cần phải leo lên c thầu thang bao nhiêu bước để ế năng hấp dẫn của hệ
ngườ ị ửi phụ nữ - t biTrái Đấ ến thiên m ng bột lượ ằng giá tr năng lượng trên? Giả s
chiều cao c a m i b c thang là 15,0 cm. ủ ỗ ậ
(c) Nếu c cô y ch h p th 25.0% n ng trên, tính l i s b c cô ta c n leo. ơ thể ấ ỉ ấ ụ ăng lượ ạ ố ướ ầ
2. M ột m ng 50,0 g ẫu đồ ở nhi u 25.0°C. N u cung c p nhi t ệt độ ban đầ ế ấ ệ lượng 1200 J vào
nó, tính nhi lúc sau c ng? ệt độ ủ ồa đ
3. Hai xilanh cách nhi c n i v i nhau b i m t ệt đượ ố ớ ở ộ ống h p có l p ẹ ắ
một van mà ban đầ đóng như hình u được bên. Xilanh 1: chứa
16,8 L Oxy ở nhiệt độ 300 K và áp su t 1,75 atm. Xilanh 2 ch a ấ ứ
22,4 L Oxy nhi 450 K và áp su t 2,25 atm. Khi m van, ở ệt độ ấ ở
khí trong hai xilanh tr n nhau, nhi và áp su t c a c 2 ộ ệt độ ấ ủ ả
xilanh b ng nhau. ằ
(a) Tính nhi t lúc sau ệ độ
(b) Tính áp suất lúc sau?
4. M ột khí lý tưởng được chứa trong một xi lanh có một piston có thể di chuyển. Piston có
khối lượng m , di n tích ệ A và được t ự do trượt lên xu ng, sao cho luôn gi áp su t không ố ữ ấ
đổ đểi. Tính công ng lên n mol khí tác độ nhi cệt độ ủa nó tăng
từ 𝑇
1
lên 𝑇
2
?
5. M ột khí lý tưởng th c hi n m t quá trình có , v i ự ệ ộ 𝑃 = 𝛼𝑉
2
ớ 𝛼 =
5
𝑎𝑡𝑚
𝑚
6
⁄
. Khí này đượ đôi so vớc giãn n g p ở ấ i thể tích ban
đầu là 1𝑚
3
. Tính công được thực hiện trong quá trình này?
6. Kh ối khí th c hi n chu trình nh hình. ự ệ ư
(a) Tính công khí nh ận được trong quá trình AB?
(b) Tính công khí sinh ra trong chu trình ABCA?
(c) Tính t ng nhiổ ệt lượng kh i khí nh n vào trong chu trình trên. ố ậ
Trường Đạ ọc Sư phại h m Kỹ thu t Tp. H Chí Minh 2021 ậ ồ
20
7. Kh ối khí lý tưở ện chu trình như ng thực hi hình bên. AB là
quá trình đoạ BC là quá trình đẳn nhiệt; ng áp với nhiệt
lượng nh n vào là 345 kJ; CD là q ng nhi t; DA ậ uá trình đẳ ệ
là quá trình đẳng áp với nhiệt lượng tỏa ra là 371 kJ. Tính
độ biến thiên nội năng 𝐸
𝑖𝑛𝑡𝐵
− 𝐸
𝑖𝑛𝑡𝐴
8. Cho 2 mol khí He xem nh lý t u ư ưởng ban đầ ở nhi ệt độ
300 K, áp su t 0.400 atm ng nhi n áp su t ấ . Nén đẳ ệt nó đế ấ
1,20 atm.
(a) Tính thể tích kh i khí sau khi nén ố
(b) Tính công th c hi n b i ngo i l c lên kh i khí ự ệ ở ạ ự ố
(c) Tính nhiệt lượng khối khí nhận vào trong quá trình trên.
9. M ột khối khí có độ bi n thiên nế ội năng bằng +800 J khi bi i ến đổ
từ tr n tr ng thái C (hình). Công mà kh i khí nh n ạng thái A đế ạ ố ậ
được khi biến đổi theo quá trình A C là -500 J. B
(a) Tính nhi ng mà kh i khí nh c trong quá trình ệt lượ ố ận đượ
bi Bến đổi A C.
(b) Tính công kh i khí nh c trong quá trình C D. Bi t ố ận đượ ế
áp su t c a kh i khí t i tr ng thái A g p 5 l n áp su t t i ấ ủ ố ạ ạ ấ ầ ấ ạ
trạng thái C.
(c) Tính nhi ng mà kh i khí nh c trong quá trình ệt lượ ố ận đượ
CDA.
(d) Tính nhi ng kh i khí nh n c trong quá trình C D n u biệt lượ ố ậ đượ ế ết độ biến thiên n i ộ
năng của khối khí trong quá trình từ D đến A là +500 J.
10.
Cho 1 mol ng có tr ng thái u khí lý tưở ạ ban đầ
(
𝑃
𝑖
, 𝑉
𝑖
, 𝑇
𝑖
)
th c hiự ện chu trình như hình
dưới.
(a) Tính công th c hi n trong c chu trình bi t nhi t u c a khí là . ự ệ ả ế ệ độ ban đầ ủ 0
0
𝐶
(b) Tính nhiệt lượng cần thêm vào sau mỗi chu trình?

Tài liệu khác của Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Preview text:

http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
Chương 20: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học
hiệt động lực học và cơ học đã được xem là hai ngành riêng biệt của vật lý. Cho
đến khoảng năm 1850, các thí nghiệm của James Joule và những người khác đã
Ncho thấy sự liên kết giữa chúng. Mối liên kết đã được tìm thấy giữa việc trao đổi
năng lượng bởi nhiệt trong các quá trình nhiệt và sự trao đổi năng lượng bởi công
trong các quá trình cơ học.
Khái niệm về năng lượng đã được khái quát hóa để bao gồm cả nội năng.
Các nguyên lý bảo toàn năng lượng nổi lên như là một quy luật phổ quát của tự nhiên.
Nhiệt lượng và nội năng
Trong phần này sẽ thảo luận về nội năng, nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học, và
các ứng dụng của nguyên lý này.
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học mô tả các hệ mà trong đó sự thay đổi năng
lượng duy nhất là nội năng. Sự trao đổi năng lượng thực hiện bởi nhiệt và công.
Ta sẽ xem xét công thực hiện bởi các hệ có thể biến dạng.
Nội năng Eint
Nội năng là tổng năng lượng của một hệ có được
từ các thành phần vi mô của nó.
 Các thành phần vi mô này là các nguyên tử và phân tử.
 Hệ được quan sát từ một hệ quy chiếu đứng
yên đối gắn với khối tâm của hệ.
Nhiệt lượng Q
Nhiệt lượng được định nghĩa là năng lượng
chuyển đổi qua ranh giới của một hệ do sự khác biệt
nhiệt độ giữa hệ và môi trường xung quanh, được viết tắt là nhiệt.
Đơn vị năng lượng
Trong lịch sử, calo (cal) là đơn vị được sử dụng cho năng lượng.
Một calo là lượng năng lượng trao đổi cần thiết ủa Joule để
để làm tăng nhiệt độ của 1g nước từ 14.5oC đến Hình 20.1: Thí nghiệm c xác đị 15.5oC.
nh mối tương đương giữa cơ và nhiệt. 1 kilocalo = 1000 calo. 1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
Theo hệ thống đo lường của Mỹ, đơn vị là một BTU (British Thermal Unit).
Một BTU là lượng năng lượng trao đổi cần thiết để làm tăng nhiệt độ 1 lb của nước từ 63oF đến 64oF.
Ngoài ra, đơn vị của năng lượng theo hệ SI là Joules (J)
1 cal = 4,186 J (20.1)
Nhiệt dung riêng và phép đo nhiệt lượng Nhiệt dung C
Nhiệt dung, C, của một vật cụ thể được định nghĩa là lượng năng lượng cần thiết để làm
tăng nhiệt độ của vật thêm 1°C.
Nếu năng lượng Q tạo ra sự thay đổi nhiệt độ là ∆T, thì Q  C ∆T (20.2)
Nhiệt dung riêng c
Nhiệt dung riêng, c, là nhiệt dung của mỗi khối lượng đơn vị.
Nếu trao đổi một lượng năng lượng Q để làm một vật có khối lượng m và thay đổi nhiệt
độ ∆T, thì nhiệt dung riêng là:  Q c (20.3) m T
Nhiệt dung riêng của chất càng lớn, năng lượng phải thêm vào một khối lượng đã cho để
tạo nên một sự thay đổi nhiệt độ cụ thể càng lớn.
Phương trình thường được viết theo thuật ngữ Q:
Q = mc∆T (20.4)
Sự thay đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ
Về mặt kỹ thuật, nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ. Phương trình vi phân là Tf Q = m ∫ cdT Ti
Tuy nhiên, nếu các khoảng biến đổi nhiệt độ không quá lớn, sự thay đổi này có thể bỏ
qua và c có thể được coi như một hằng số.
Nhiệt dung riêng của nước
Nước có nhiệt dung riêng cao nhất so với vật liệu thông thường. Phép đo nhiệt lượng
Muốn đo nhiệt dung riêng của một vật, ta nung nóng vật đó đến nhiệt độ Tx, sau đó nhúng
nó vào nước (khối lượng đã biết) có nhiệt độ 𝑇𝑤 < 𝑇𝑥 , rồi ghi lại nhiệt độ của nước sau khi 2 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
chúng cân bằng nhau. Phép đo này được gọi là phép đo nhiệt lượng. Thiết bị đo gọi là nhiệt lượng kế.
Hình 20.2 mô tả vật nóng trong nước lạnh và nhiệt
lượng truyền từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp. Nếu hệ vật
và nước bị cô lập, sự bảo toàn năng lượng đòi hỏi nhiệt
lượng thoát ra khỏi vật Qhot bằng với nhiệt lượng đi vào
nước Qcold. Biểu thức bảo toàn năng lượng:
Qcold = Qhot (20.5)
Xét một mẫu vật ta đang muốn xác định nhiệt độ. Giả
sử mx là khối lượng của nó, cx là nhiệt dung riêng và Tx là
nhiệt độ ban đầu. Tương tự, ta có các đại lượng m
Hình 20.2: Trong thí nghiệm, w, cw và T
một vật nóng có nhiệt dung
w đại diện cho các giá trị tương ứng cho nước. Gọi Tf là
nhiệt độ cuối cùng sau khi hệ (gồm nước và mẫu vật) đạt riêng chưa biết được đặt trong
trạng thái cân bằng. Phương trình (20.4) cho thấy rằng nhiệt nước lạnh trong thùng chứa cô
lượng truyền cho nước là 𝑄
lập với môi trường.
𝑤 = 𝑚𝑤𝑐𝑤(𝑇𝑓 − 𝑇𝑤)>0 vì 𝑇𝑓 > 𝑇𝑤
Nhiệt lượng truyền cho mẫu vật là 𝑄𝑥 = 𝑚𝑥𝑐𝑥(𝑇𝑓 − 𝑇𝑥) <0
Từ phương trình (20.5), ta có phương trình
mwcw(Tf − Tw) = −mxcx(Tf − Tx) = mxcx(Tx − Tf)
 Phương trình này giúp xác định nhiệt dung riêng chưa biết.
 Về mặt kỹ thuật, cần xác định khối lượng của bình chứa, nhưng nếu mw >> mbình chứa ,
nó có thể được bỏ qua.
Bảng 20.1: Một số giá trị nhiệt dung riêng 3
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
Câu hỏi 20.1: Hãy tưởng tượng bạn có 1 kg sắt, thủy tinh và nước, và tất cả đều ở nhiệt độ
10°C. (a) Sau khi thêm năng lượng 100J vào mỗi vật, sắp xếp các vật theo thứ tự nhiệt độ từ
cao đến thấp. (b) sắp xếp các vật theo thứ tự nhiệt lượng nhận được từ nhiều đến ít nếu nhiệt
độ các vật được tăng thêm 20°C.
Bài tập mẫu 20.1:
Một thỏi kim loại nặng 0,05kg được nung nóng đến 200°C và sau đỏ thả vào trong
một nhiệt lượng kế chứa 0,4 kg nước ở 20,0°C. Nhiệt độ cân bằng của hệ là 22,4°C.
Tìm nhiệt dung riêng của kim loại. Giải:
Khái niệm hóa. Hình dung quá trình diễn ra trong một hệ cách nhiệt (hình 20.2). Năng
lượng rời khỏi thỏi kim loại nóng và đi vào trong nước lạnh. Thỏi kim loại bị lạnh đi
và nước ấm lên. Khi cả hai có cùng nhiệt độ thì sự trao ổ
đ i năng lượng dừng lại
Phân loại. Sử dụng phương trình đã được thiết lập ở trên.
Kết quả là ta tìm được: m c T T w w f w c x m T T x x f  o o
(0.400kg)(4186 J/kg C)(22.4 C  20.0 C) 
(0.0500kg)(200.0 C  22.4 C)  453 J/kg  C
Nhiệt chuyển pha
Trong một số trường hợp, mặc dù có sự trao đổi năng lượng giữa khối chất và môi trường
nhưng nhiệt độ khối chất không thay đổi. Đó là khi xảy ra sự chuyển pha. Pha là một tập hợp
các phần đồng tính, có tính chất như nhau của một hệ thống. Chẳng hạn nước có thể tồn tại ở
pha rắn, lỏng hoặc khí. Những hình thức kết tinh khác nhau của một chất cũng là những pha
khác nhau của chất đó. Sự chuyển từ pha này sang pha khác của một hệ gọi là sự chuyển pha.
Nước khi hạ nhiệt độ đến 00C thì chuyển từ pha lỏng sang pha rắn là một ví dụ cho sự chuyển pha.
Các chất khác nhau phản ứng khác nhau đối với năng lượng truyền vào hoặc lấy đi trong
quá trình chuyển pha do chúng có các sắp xếp phân tử bên trong khác nhau. Lượng năng
lượng này cũng phụ thuộc vào khối lượng của chất. Khi nói đến hai pha của một chất, chúng
ta sử dụng thuật ngữ chất ở pha cao hơn để chỉ chất ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ khi nói về hai
pha của nước là nước lỏng và và nước đá thì nước lỏng là chất ở pha cao hơn.
Xét một hệ gồm hai pha của một chất đang ở trạng thái cân bằng. Gọi khối lượng ban đầu
của chất ở pha cao hơn là mi. Sau khi nhận nhận nặng lượng Q khối lượng sau cùng của chất
ở pha cao hơn là mf. Nhiệt chuyển pha L được định nghĩa là: 4 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý 𝑄 𝐿 ≡ ∆𝑚 (20.6)
trong đó ∆𝑚 = 𝑚𝑓 − 𝑚𝑖 là độ biến thiên khối lượng của chất ở pha cao hơn. Giá trị của L
phụ thuộc vào loại chuyển pha và các tính chất của chất chuyển pha.
Trong một quá trình chuyể pha, không có sự thay đổi về nhiệt độ của các chất. Nhiệt
chuyển pha khi có sự chuyển pha từ rắn sang lỏng gọi là nhiệt nóng chảy. Nhiệt chuyển pha
khi có sự chuyển pha từ lỏng sang khí gọi là nhiệt hóa hơi.
Nếu toàn bộ lượng vật chất ở pha thấp trải qua một sự chuyển pha, thì sự thay đổi khối
lượng của vật chất ở pha cao bằng khối lượng ban đầu của vật liệu ở pha thấp. Ta cũng có thể viết lại phương trình Q = L∆m (20.7)
Nếu năng lượng đi vào hệ:
 Sẽ dẫn đến sự nóng chảy hoặc hóa hơi
 Lượng vật chất ở pha cao sẽ tăng
 Δm và Q mang dấu dương
Nếu năng lượng được rút ra khỏi hệ:
 Sẽ dẫn đến kết tinh hoặc hóa lỏng (ngưng tụ)
 Lượng vật chất ở pha cao sẽ giảm
 Δm và Q mang dấu âm
Bảng 20.2: Một số giá trị của của hệ số nhiệt chuyển pha 5
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
Bài tập mẫu 20.2:
Tính tổng năng lượng cần cung cấp để chuyển toàn bộ 1 g nước đá ở -300C thành hơi nước ở 1200C. Giải:
Hình 20.3 mô tả quá trình chuyển hóa của nước từ dạng đặc sang dạng hơi.
Hình 20.3: Đồ thị từ nước đá sang hơi nước
Đồ thị có các phần sau
Phần A: Nước đá tăng nhiệt độ
Bắt đầu từ 1 gram nước đá ở -30 ºC, trong giai đoạn A, nhiệt độ của nước đá thay đổi
từ -30ºC đến 0ºC, dựa vào bảng 20.1, ta có phương trình Q = mici∆T =
(1 × 10−3)(2090)(30) = 62,7J
Trong trường hợp này, hệ thu năng lượng là 62,7 J.
Phần B: băng tan
Năng lượng chuyển hóa 1g nước đá sang dạng nước (chất lỏng), dựa vào bảng 20.2,
sử dụng phương trình Q = 𝐿 5
𝑓∆𝑚𝑤 = 𝐿𝑓𝑚𝑖 = (1 × 10−3)(3,33 × 10 ) = 333 J
Năng lượng thu vào: 333 J
Phần C: nước tăng nhiệt độ
Giữa 0 ºC và 100 ºC, vật liệu là chất lỏng và không có sự thay đổi trạng thái. Nước
vẫn giữ nguyên pha. Hệ thu năng lượng làm tăng nhiệt độ. Ta có Q = m 3
𝑤cw∆T = (1 × 10−3)(4,19 × 10 )(100) = 419 J
Năng lượng thu vào: 419 J
Phần D: nước sôi
Tại 100ºC, sự thay đổi trạng thái xảy ra (sôi). Nhiệt độ không thay đổi. 6 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý Sử dụng Q = 𝐿 6
𝑣∆𝑚𝑠 = (1 × 10−3)(2,26 × 10 ) = 2260J Năng lượng cần: 2260 J
Phần E: bay hơi
Sau khi toàn bộ nước được chuyển thành hơi nước, hơi nước sẽ nóng lên. Không xảy
ra thay đổi trạng thái. Hệ thu năng lượng để tăng nhiệt độ. Sử dụng Q = m 3
𝑠c𝑠∆T = (1 × 10−3)(2,01 × 10 )(20 =)40,2J
Khi nhiệt độ tăng từ 100oC đến 120oC, năng lượng cần: 40,2 J
Vậy tổng năng lượng 1gram nước đá thay đổi từ -30ºC đến 1200C cần năng lượng tổng là 3110 J.
Sự chậm đông
Nếu nước ở dạng lỏng được giữ đứng yên trong một bình rất sạch thì có thể giảm nhiệt
độ của nước xuống dưới 0oC mà không làm nó đóng băng. Hiện tượng này gọi là sự chậm đông.
Sự đóng băng chỉ xảy ra khi nước cần một sự nhiễu loạn theo cách nào đó để các phân tử
tách nhau ra và tạo thành một cấu trúc băng rộng và mở để làm cho mật độ băng thấp hơn
mật độ của nước. Nếu nước chậm động bị nhiễu loạn, nó sẽ đóng băng ngay lập tức. Hệ rơi
về cấu hình năng lượng thấp của các phân tử liên kết của cấu trúc băng và năng lượng tỏa ra
nâng nhiệt độ trở về 0 oC.
Sự quá nhiệt
Nước sạch có thể tăng nhiệt độ đến trên 100o C mà không sôi. Hiện tượng này được gọi
là sự quá nhiệt.
Sự hình thành bong bóng hơi trong nước đòi hỏi tâm hóa hơi. Tâm hóa hơi này có thể là
một vết xước trên bình chứa hoặc một tạp chất trong nước. Khi bị nhiễu loạn, nước quá nhiệt
có thể phát nổ. Bong bóng nước hình thành ngay lập tức, nước nóng được đẩy lên trên và trào ra ngoài bình chứa.
Câu hỏi 20.2: Giả sử có một quá trình tương tự nhằm thêm năng lượng vào cục đá như trên,
nhưng thay vào đó, ta sẽ vẽ đồ thị nội năng của hệ như là một hàm của năng lượng vào. Đồ
thị đó sẽ như thế nào?
Công và nhiệt trong các quá trình nhiệt động
Các biến trạng thái
Các biến trạng thái mô tả trạng thái của một hệ. Bao gồm: Áp suất, nhiệt độ, thể tích, nội năng.
Trạng thái của một hệ cô lập chỉ được xác định khi hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt.
Đối với chất khí trong bình chứa, mọi thành phần của chất khí phải ở cùng nhiệt độ và áp suất. 7
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
Các biến quá trình
Các biến quá trình luôn là không trừ khi có một tiến trình diễn ra mà trong tiến trình này
có sự trao đổi năng lượng qua ranh giới của một hệ. Các biến quá trình không liên quan với
bất kỳ trạng thái nào của hệ mà chỉ liên quan đến sự thay đổi trạng thái của hệ. Nhiệt và công
là các biến quá trình. Biến quá trình có thể là dương hoặc âm tùy vào năng lượng đi vào hay đi ra khỏi hệ.
Công trong nhiệt động lực học
Công được thực hiện trên một hệ có thể biến dạng, ví dụ như chất khí.
Khảo sát một xylanh có piston. Tác dụng lực vuông
góc để nén khí từ từ. Quá trình nén đủ chậm để hệ duy
trì trạng thái cân bằng nhiệt.
Do piston được đẩy xuống bằng lực F và dịch
chuyển được một đoạn dr nên ta thực hiện một công là
dW F r d   j
F d ˆj
y  Fdy  P A dy
Với A.dy = dV là sự thay đổi thể tích khối khí. A là
diện tích của piston. Bỏ qua khối lượng của piston trong phép tính này.
Công thực hiện lên chất khí: dW = -P dV
Hình 20.4: Công được thực hiện ấ Biện luận về
lên khí trong 1 xylanh có áp su t dW
P khi piston di chuyển đi xuống,
 Nếu khí bị nén, dV mang dấu âm và công mang
làm cho khí bị nén dấu dương.
 Nếu khí bị giãn nở, dV mang dấu dương và công mang dấu âm.
 Nếu thể tích không đổi, công bằng 0.
Tổng công thực hiện khi nén khí: f V W   P dVVi Giản ồ đ PV
Trạng thái của chất khí tại mỗi bước có thể được
vẽ trên giản đồ PV. Điều này cho phép hình dung quá
trình biến đổi của chất khí. Đường cong gọi là đường Hình 20.5: Khí được nén chậm từ trạng
đi (từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối).
thái i đến trạng thái f.
Hệ nhận công, do đó công khí nhận được dương. 8 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
Công thực hiện bởi các đường đi khác nhau
Mỗi quá trình có cùng trạng thái đầu và cuối. Công thực hiện khác nhau trong mỗi quá
trình. Công phụ thuộc vào đường đi của quá trình.
Hình 20.6 a: Thể tích khí giảm từ Vi đến Vf trong khi áp suất Pi không đổi. Sau đó, áp
suất tăng từ Pi đến Pf bằng cách nung nóng khi thể tích Vf không đổi.
W = –Pi (Vf – Vi)
Hình 20.6 b: Áp suất của khí tăng từ Pi lên Pf với thể tích không đổi. Sau đó thể tích giảm
từ Vi về Vf .
W = –Pf (Vf – Vi)
Hình 20.6 c: Áp suất và thể tích của khí biến đổi liên tục. Công thực hiện là một giá trị
nào đó giữa –Pf (Vf – Vi) và –Pi (Vf – Vi).
Để đánh giá chính xác lượng công thực sự, cần phải biết hàm P (V) (để tính tích phân).
Hình 20.6: Công khí nhận khi khí thực hiện quá trình chuyển hóa từ i sang f
Sự trao đổi năng lượng
Nhiệt lượng, Q, thu vào hoặc mất đi của một hệ phụ thuộc vào quá trình biến đổi. Nguồn
nhiệt là một nguồn năng lượng được xem là đủ lớn để một sự trao đổi năng lượng có giới hạn
không làm thay đổi nhiệt độ của nó.
Piston được giữ cố định ở vị trí ban đầu nhờ một tác nhân bên ngoài. Bỏ qua ngoại lực
tác dụng lên hệ. Piston di chuyển lên và khí sinh ra một công trên piston. Suốt quá trình giãn
nở, chỉ cần năng lượng vừa đủ để chuyển hóa năng lượng nhiệt từ bình chứa sang chất khí để
duy trì nhiệt độ không đổi. 9
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
Sự chuyển hóa năng lượng, hệ cô lập
Xét chất khí trong một xy lanh có một màng như hình vẽ. Ban đầu, khí bị nhốt ở bên dưới
màng ngăn Hệ hoàn toàn cách nhiệt. Khi màng bị vỡ, chất khí nhanh chóng giãn nở lấp đầy
khoảng trống cho đến khi đạt được thể tích cuối cùng. Lúc này, chất khí không sinh công vì
nó không tác dụng lực. Không có năng lượng được trao đổi dưới dạng nhiệt thông qua lớp vỏ cách nhiệt
Hình 20.7: Sự trao đổi năng lượng của khí trong xylanh Tóm lại:
 Năng lượng chuyển hóa bởi nhiệt, sinh công, phụ thuộc vào trạng thái đầu, cuối và trung gian của hệ.
 Cả công và nhiệt đều phụ thuộc quá trình biến đổi.
 Không thể xác định giá trị của công và nhiệt nếu chỉ dựa vào trạng thái đầu và cuối
của một quá trình nhiệt động lực học.
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học là trường hợp đặc
biệt của định luật bảo toàn năng lượng. Đó là trường hợp đặc biệt
khi chỉ có sự biến đổi nội năng và chỉ có sự trao đổi năng lượng bởi nhiệt và công.
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝑄 + 𝑊
Tất cả các đại lượng phải có cùng đơn vị của năng lượng.
Một hệ quả của nguyên lý này là sự tồn tại đại lượng được biết
đến như là nội năng – được xác định bởi trạng thái của hệ. Nội năng
là một biến trạng thái.
Hình 20.8: Nguyên lý 1
nhiệt động lực học 10 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
Hệ cô lập là hệ không tương tác với môi trường xung quanh. Không có sự trao đổi năng
lượng bằng nhiệt. Công thực hiện trên hệ bằng 0.
Q = W = 0, nên ∆Eint = 0 Nội năng ủ
c a hệ cô lập không đổi. Các chu trình
Chu trình là một tiến trình bắt đầu và kết thúc ở cùng một trạng thái.
Trên giản đồ PV, chu trình được biểu diễn như một đường cong khép kín.
Độ biến thiên nội năng bằng 0 vì nó là một biến trạng thái
Nếu ∆Eint = 0, Q = -W
Trong một chu trình, công thực hiện trên hệ trong mỗi chu trình có độ lớn bằng diện tích
của vùng giới hạn bởi đường cong biểu diễn chu trình trên giản đồ PV.
Một vài ứng dụng của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học
20.6.1 Quá trình đoạn nhiệt
Quá trình đoạn nhiệt là quá trình trong đó không có năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ dưới dạng nhiệt. Q = 0
Điều này có được do: Các thành cách nhiệt của bình, Các quá trình được thực hiện nhanh
nên không có sự trao đổi nhiệt.
Vì Q = 0, ∆Eint = W
Nếu khí bị nén đoạn nhiệt, W mang dấu dương, ∆Eint mang dấu dương và nhiệt độ tăng .
Nếu khí giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ khí giảm.
Một số ví dụ điển hình về quá trình đoạn nhiệt trong kỹ thuật:
 Sự giãn nở của khí nóng trong động cơ đốt trong.
 Khí ga hóa lỏng trong hệ thống làm mát.
 Nén đột ngột trong động cơ diesel.
20.6.2 Sự giãn nở tự do đoạn nhiệt
Đây là quá trình đoạn nhiệt vì nó diễn ra trong bình cách nhiệt. Vì chất khí giãn nở vào
khoảng trống, nó không tác dụng lực lên piston và W = 0.
Vì Q = 0 và W = 0 => ΔEint = 0, nghĩa là nội năng của khối khí ở trạng thái đầu và cuối bằng nhau.
Nếu khối khí thực hiện quá trình là khí lý tưởng thì nhiệt độ của khối khí trong quá trình này không thay đổi. 11
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
20.6.3 Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áp là quá trình xảy ra khi áp suất không đổi.
Có thể thực hiện bằng cách cho piston di chuyển tự do, vì vậy hệ luôn ở trạng thái cân
bằng giữa lực tổng hợp từ khí đẩy lên và trọng lượng của piston cộng với lực do áp suất của không khí đẩy xuống.
Giá trị nhiệt và công nói chung đều khác 0.
Công là W = -P (Vf – Vi) với P là áp suất không đổi.
20.6.4 Quá trình đẳng tích
Quá trình đẳng tích là quá trình xảy ra khi thể tích không đổi.
Thực hiện bằng cách kẹp piston ở vị trí cố định.
Vì thể tích không đổi, W = 0.
Từ định luật 1, ∆Eint = Q
Nếu năng lượng được truyền bởi nhiệt vào một hệ có thể tích không đổi, toàn bộ năng
lượng sẽ truyền vào cho hệ và nội năng của hệ tăng lên.
20.6.5 Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình đẳng nhiệt là quá trình trong đó nhiệt độ không đổi.
Thực hiện bằng cách đặt các xylanh tiếp xúc với nguồn
nhiệt có nhiệt độ không đổi.
Vì nhiệt độ không đổi, ∆Eint = 0. Nên, Q =  W
Năng lượng bất kỳ đi vào hệ dưới dạng nhiệt phải ra
khỏi hệ dưới dạng công.
Hình 20.9 mô tả giản đồ PV của quá trình giãn nở đẳng Hình 20.9: Quá trình đẳng nhiệt nhiệt.
Đường cong có dạng hypebol. Đường cong gọi là đường đẳng nhiệt Phương trình:
pV = n R T = hằng số.
Câu hỏi 20.2: Trong hình 20.10, các đường T1, T2, T3, T4
là đường đẳng nhiệt. Vậy, trong 4 quá trình A, B, C, D, quá
trình nào là quá trình đẳng áp, quá trình đẳng tích, quá trình Hình 20.10: Đường đẳng nhiệt
đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt?
càng xa gốc, nhiệt độ càng cao 12 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
20.6.6 Quá trình giãn nở đẳng nhiệt, chi tiết f V f V nRT f V dV W   P dV   dV nRT    V V V i i i V VV W nRT ln i   Vf
Công bằng nghịch đảo vùng bên dưới của giản đồ PV. Vì khí giãn nở, Vf > Vi và giá trị
của công thực hiện trên chất là khí là số âm. Nếu khí bị nén Vf < Vi và giá trị của công thực
hiện trên chất là khí là số dương.
Tóm tắt về các quá trình đặc biệt
Đoạn nhiệt
 Không có trao đổi nhiệt
Q = 0 và ∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝑊 Đẳng áp
 Áp suất không đổi
W = p (Vf – Vi) và ∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝑄 + 𝑊
Đẳng nhiệt
 Nhiệt độ không đổi
 ∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 0 và Q = W
Cơ chế truyền năng lượng trong quá trình truyền nhiệt
Có nhiều cơ chế liên quan đến sự chuyển hóa:  Dẫn nhiệt  Đối lưu  Bức xạ
20.7.1 Sự dẫn nhiệt
Việc truyền năng lượng có thể được xem xét trên
quy mô nguyên tử. Đây là một sự trao đổi động năng
giữa các hạt cực nhỏ khi chúng va chạm với nhau.
Các vi hạt có thể là các nguyên tử, phân tử hay
electron tự do. Hạt có năng lượng thấp nhận năng
lượng trong quá trình va chạm với các hạt có năng lượng cao hơn.
Khả năng dẫn nhiệt phụ thuộc vào các đặc tính
của vật chất. Nhìn chung, kim loại là chất dẫn nhiệt
tốt. Kim loại chứa nhiều electron chuyển động tự do
Hình 20.11: Sự dẫn nhiệt 13
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
bên trong chúng. Chúng có thể truyền năng lượng từ electron này sang electron khác.
Chất có độ dẫn nhiệt kém bao gồm amiăng, giấy, và chất khí.
Sự dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa phần tiếp xúc của hai môi trường dẫn.
Tấm đồng chất ở hình bên dưới cho phép truyền nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ cao đến
nơi có nhiệt độ thấp hơn.
Tốc độ truyền nhiệt cho bởi: Q dT P   kA tdx
A là diện tích mặt cắt ngang (tiết diện ngang). dT là sự khác biệt nhiệt độ. dx là độ dày
của tấm, hoặc chiều dài của một thanh.
P có đơn vị Watt khi Q có đơn vị Joule và t có đơn vị là giây. k là độ dẫn nhiệt của vật
liệu. Dây dẫn tốt có giá trị k cao và dây cách điện tốt có giá trị k thấp.
Một vài giá trị độ dẫn nhiệt được cho trong bảng 20.3
Bảng 20.3: Giá trị độ dẫn nhiệt 14 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
Gradient nhiệt độ
Tỉ số | dT / dx | được gọi là gradient nhiệt độ của vật liệu, cho biết hướng thay đổi nhiệt
độ từ nơi này đến nơi khác.
Đối với một thanh đồng chất, gradient nhiệt độ có thể được tính như sau: dT T T h cdx L
Sử dụng gradient nhiệt độ cho thanh, tốc độ truyền nhiệt trở thành: T T h c P kA   L
Thanh ghép các chất
Đối với một thanh ghép các chất có chứa một số vật liệu
của độ dày khác nhau (L1, L2, ...) và độ dẫn nhiệt khác nhau
(k1, k2, ...) thì tốc độ truyền năng lượng phụ thuộc vào vật
liệu và nhiệt độ ở mặt ngoài:
A T T h c P    L k i i i
Chất cách nhiệt
Chất cách nhiệt được đánh giá bởi hệ số cách nhiệt R. Hình 20.12: Thanh ghép các chất
R = L / k : hệ số cách nhiệt
AT T h c P  Ri i
 Trường hợp có nhiều lớp, giá trị R tổng cộng là tổng các giá trị R của mỗi lớp.
Gió làm tăng sự mất năng lượng trong nhà. 15
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021 Một vài giá trị của R
Bảng 20.4: Giá trị R
Câu hỏi 20.3: Bạn có hai thanh Rod 1 và Rod 2, có cùng chiều
dài và đường kính, nhưng chúng được làm từ các vật liệu khác
nhau. Các thanh được sử dụng để kết nối hai vật ở hai nhiệt
độ khác nhau để năng lượng truyền qua các thanh bằng nhiệt.
Có 2 cách kết nối , như hình 20.13a và hình 20.13b. Trong
trường hợp nào là tốc độ truyền nhiệt lớn hơn? (a) Hình 20.13 a. (b) Hình 20.13 b. (c) Như nhau.
20.7.2 Đối lưu nhiệt
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự
dịch chuyển của khối chất lỏng hoặc chất khí trong không gian
từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác Hình 20.13
Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:
 Đối lưu nhiệt tự nhiên: Xảy ra khi giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau và có khối lượng riêng khác nhau.
 Đối lưu nhiệt cưỡng bức: Dùng công bên ngoài như bơm, quạt, khuấy trộn,… để tạo
đối lưu. Vận tốc của quá trình đối lưu cưỡng bức lớn hơn rất nhiều lần so với đối lưu tự nhiên.
20.7.3 Sự bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt: là kiểu truyền nhiệt đặc biệt bằng tia, tia đó mang năng lượng và vật hấp
thu tia đó chuyển năng lượng thành dạng nhiệt. 16 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
VD: Nền xi măng ta đi thấy nóng vì nó nhận vô số tia bức xạ của mặt trời và hấp thu năng
lượng của tia đó chuyển thành nhiệt
Sự bức xạ nhiệt không cần tiếp xúc vật lý. Tất cả các đối tượng phát ra năng lượng liên
tục dưới dạng sóng điện từ do dao động nhiệt của các phân tử bên trong chúng. Công suất
bức xạ được cho bởi định luật Stefan: P= σAeT4
P: tổng công suất phát ra từ một vật, đơn vị là Watts.
 σ: hằng số Stefan-Boltzman, σ = 5.6696 x 10-8 W/m2 K4
A là diện tích bề mặt của vật bức xạ.
e là hằng số đặc trưng cho độ phát xạ. e thay đổi từ 0 đến 1
T là nhiệt độ, đơn vị Kelvin.
Vật đen tuyệt đối (chất hấp thụ lý tưởng)
Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ tất cả năng lượng đi vào nó. e = 1
Một vật hấp thụ lý tưởng cũng là một vật bức xạ lý tưởng.
Tóm tắt chương 20
Nếu trao đổi một lượng năng lượng Q để làm một vật có khối lượng m và thay đổi nhiệt độ
∆T, thì nhiệt dung riêng là: Q c ≡ m∆T
Nếu một lượng năng lượng Q là cần để chuyển pha của một mẫu thì hệ số nhiệt chuyển pha L Q L ≡ ∆m
Công thực hiện trong một quá trình: f V W   P dVVi
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
∆𝐸𝑖𝑛𝑡 = 𝑄 + 𝑊 17
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021 Tốc độ truyền nhiệt: Q dT P   kAt dx
A là diện tích mặt cắt ngang (tiết diện ngang). dT là sự khác biệt nhiệt độ. dx là độ dày của
tấm, hoặc chiều dài của một thanh
Định luật Stefan: Công suất bức xạ được cho bởi công thức P= σAeT4
Câu hỏi lý thuyết chương 20
1. Một khí lý tưởng được nén đến một nửa thể tích ban đầu của nó bằng cách thực hiện một
số quá trình. Trong những quá trình sau, quá trình nào thực hiện công nhiều nhất? (a)
đẳng nhiệt (b) đoạn nhiệt (c) đẳng áp (d) Công thực hiện không phụ thuộc vào quá trình.
2. Một cây gậy cứng, không cháy được sử dụng để đẩy khúc củi đốt trong lò sưởi. Vì sự an
toàn và thoải mái cho người sử dụng, gậy phải làm từ vật liệu có
(a) nhiệt dung riêng lớn và độ dẫn nhiệt cao,
(b) nhiệt dung riêng nhỏ và độ dẫn nhiệt thấp,
(c) nhiệt dung riêng nhỏ và độ dẫn nhiệt cao
(d) nhiệt dung riêng lớn và độ dẫn nhiệt cao
3. Một mảnh đồng 100 g, ban đầu ở 95°C, bị rơi vào 200 g nước chứa trong một thau nhôm
280 g; ban đầu ở nhiệt độ 15°C. Tìm nhiệt độ cuối cùng của hệ? (Nhiệt dung riêng của
đồng và nhôm lần lượt là 0,092 và 0,215 cal /g.°C) (a) 16°C (b) 18°C (c) 24°C (d) 26°C
(e) không có đáp án đúng
4. Sao A có gấp đôi bán kính và gấp đôi bề mặt tuyệt đối nhiệt độ của sao B. Hằng số đặc
trưng cho độ phát xạ là 1. Tỷ lệ công suất phát xạ của ngôi sao A và sao B bằng bao
nhiêu? (a) 4 (b) 8 (c) 16 (d) 32 (e) 64
5. Nếu một khí được nén đẳng nhiệt, nhận xét nào đúng? (a) Khí nhận nhiệt lượng (b) Khí
không thực hiện công (c) Nhiệt độ của khí tăng lên. (d) Nội năng của khí không đổi. (e)
Không có nhận xét nào đúng.
6. Khí thực hiện quá trình giãn đoạn nhiệt, nhận xét nào sau đây là đúng? (a) Nhiệt độ khí
không thay đổi. (b) Khí không thực hiện công. (c) Khí không nhận nhiệt lượng. (d) Nội
năng của khí không thay đổi. (e) Áp suất tăng.
7. Nếu một khí thực hiện quá trình đẳng áp, nhận xét nào sau đây là đúng? (a) Nhiệt độ của
khí không thay đổi. (b) Khí không thực hiện công. (c) Khí không nhận nhiệt lượng (d)
Thể tích khí không đổi. (e) Áp suất khí giảm đồng đều.
8. Sau bao lâu, một máy nhiệt 1000 W làm tan chảy 1 kg băng ở nhiệt độ 220 ° C, giả sử
bang hấp thụ tất cả năng lượng từ máy nhiệt ? (a) 4,18 s (b) 41,8 giây (c) 5,55 phút (d) 6,25 phút (e) 38,4 phút 18 http://ipt.hcmute.edu.vn Bộ môn vật lý
Bài tập chương 20
1. Một phụ nữ nặng 55,0 kg ăn một bánh rán có năng lượng 540 Calorie (540 kcal) cho bữa sáng.
(a) Đổi năng lượng trên sang đơn vị Jun. Biết 1 kcal = 4186J?
(b) Người phụ nữ cần phải leo lên cầu thang bao nhiêu bước để thế năng hấp dẫn của hệ
người phụ nữ - Trái Đất biến thiên một lượng bằng giá trị năng lượng trên? Giả sử
chiều cao của mỗi bậc thang là 15,0 cm.
(c) Nếu cơ thể cô ấy chỉ hấp thụ 25.0% năng lượng trên, tính lại số bước cô ta cần leo.
2. Một mẫu đồng 50,0 g ở nhiệt độ ban đầu 25.0°C. Nếu cung cấp nhiệt lượng 1200 J vào
nó, tính nhiệt độ lúc sau của đồng?
3. Hai xilanh cách nhiệt được nối với nhau bởi một ống hẹp có lắp
một van mà ban đầu được đóng như hình bên. Xilanh 1: chứa
16,8 L Oxy ở nhiệt độ 300 K và áp suất 1,75 atm. Xilanh 2 chứa
22,4 L Oxy ở nhiệt độ 450 K và áp suất 2,25 atm. Khi mở van,
khí trong hai xilanh trộn nhau, nhiệt độ và áp suất của cả 2 xilanh bằng nhau.
(a) Tính nhiệt độ lúc sau
(b) Tính áp suất lúc sau?
4. Một khí lý tưởng được chứa trong một xi lanh có một piston có thể di chuyển. Piston có
khối lượng m , diện tích A và được tự do trượt lên xuống, sao cho luôn giữ áp suất không
đổi. Tính công tác động lên n mol khí để nhiệt độ của nó tăng từ 𝑇1 lên 𝑇2?
5. Một khí lý tưởng thực hiện một quá trình có 𝑃 = 𝛼𝑉2, với 𝛼 = 5 𝑎𝑡𝑚 𝑚
⁄ 6. Khí này được giãn nở gấp đôi so với thể tích ban
đầu là 1𝑚3. Tính công được thực hiện trong quá trình này?
6. Khối khí thực hiện chu trình như hình.
(a) Tính công khí nhận được trong quá trình AB?
(b) Tính công khí sinh ra trong chu trình ABCA?
(c) Tính tổng nhiệt lượng khối khí nhận vào trong chu trình trên. 19
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2021
7. Khối khí lý tưởng thực hiện chu trình như hình bên. AB là
quá trình đoạn nhiệt; BC là quá trình đẳng áp với nhiệt
lượng nhận vào là 345 kJ; CD là quá trình đẳng nhiệt; DA
là quá trình đẳng áp với nhiệt lượng tỏa ra là 371 kJ. Tính
độ biến thiên nội năng 𝐸𝑖𝑛𝑡𝐵 − 𝐸𝑖𝑛𝑡𝐴
8. Cho 2 mol khí He xem như lý tưởng ban đầu ở nhiệt độ
300 K, áp suất 0.400 atm. Nén đẳng nhiệt nó đến áp suất 1,20 atm.
(a) Tính thể tích khối khí sau khi nén
(b) Tính công thực hiện bởi ngoại lực lên khối khí
(c) Tính nhiệt lượng khối khí nhận vào trong quá trình trên.
9. Một khối khí có độ biến thiên nội năng bằng +800 J khi biến đổi
từ trạng thái A đến trạng thái C (hình). Công mà khối khí nhận
được khi biến đổi theo quá trình ABC là -500 J.
(a) Tính nhiệt lượng mà khối khí nhận được trong quá trình biến đổi ABC.
(b) Tính công khối khí nhận được trong quá trình CD. Biết
áp suất của khối khí tại trạng thái A gấp 5 lần áp suất tại trạng thái C.
(c) Tính nhiệt lượng mà khối khí nhận được trong quá trình CDA.
(d) Tính nhiệt lượng khối khí nhận được trong quá trình CD nếu biết độ biến thiên nội
năng của khối khí trong quá trình từ D đến A là +500 J.
10. Cho 1 mol khí lý tưởng có trạng thái ban đầu (𝑃𝑖, 𝑉𝑖, 𝑇𝑖) thực hiện chu trình như hình dưới.
(a) Tính công thực hiện trong cả chu trình biết nhiệt độ ban đầu của khí là 00𝐶.
(b) Tính nhiệt lượng cần thêm vào sau mỗi chu trình? 20

Tài liệu liên quan: