Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 3: Nguyên lý I nhiệt động học

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNGCƠ HỌC - NHIỆT HỌCBÀI GIẢNG CHO SINH VIÊN CHÍNH QUYGiảng viênNGUYỄN THANH NGATRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ 2CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC$1. NỘI NĂNG-CÔNG-NHIỆT$2. NGUYÊN LÝ I $3.TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ QUÁ TRÌNH C/B$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG KLT$1. NỘI NĂNG-CÔNG-NHIỆT LƯỢNG* Năng lượng: là đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất- Năng lượng của 1 hệ là đại lượng xác định mức độ vận động của vật chất ở trong 1 hệ nào đó.- Ở mỗi trạng thái, hệ có 1 năng lượng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi thì năng lượng của hệ cũng thay đổi. Do đó, năng lượng là 1 hàm trạng thái.- Năng lượng của 1 hệ gồm: + động năng ứng với chuyển động có hướng của cả hệ (chuyển động cơ)+ thế năng của hệ trong trường lực+ phần năng lượng ứng với vận động bên trong hệ, gọi là nội năng.	W=Wđ + Wt + U1-Nội năng$1. NỘI NĂNG-CÔNG-NHIỆT LƯỢNG* Nội năng: tùy theo tính chất của chuyển động và tương tác của các phần tử cấu tạo nên hệ, ta có thể chia nội năng thành các thành phần sau đây:- động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay)- thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử- động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử- năng lượng các vỏ điện tử của các nguyên tử và ion, năng lượng trong hạt nhân nguyên tử.Đối với khí lý tưởng, nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ, bao gồm chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay: U=Wtt + Wq1-Nội năng$1. NỘI NĂNG-CÔNG-NHIỆT LƯỢNGKhi các hệ khác nhau tương tác với nhau thì chúng trao đổi với nhau một năng lượng nào đó. Có 2 dạng truyền năng lượng:a/ Công: là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của 1 vật. Điều này xảy ra khi tương tác giữa các vật vĩ mô, nghĩa là các vật có kích thước lớn kích thước của từng phân tử rất nhiều.- Thí dụ: Khí giãn nở trong xylanh làm piston dịch chuyển và sinh công (làm quay bánh xe, quay máy phát điện..), khi đó năng lượng của hệ giảm. Ta nói khối khí đã sinh công (A0, Q>0: hệ thật sự nhận công, nhận nhiệt => Nội năng của hệ tăng: >0 + A Nội năng của hệ giảm: =0vậy: U=const, “nội năng của hệ cô lập được bảo toàn”.- Nếu hệ cô lập chỉ gồm 2 vật trao đổi năng lượng. Giả giử Q1, Q2 là nhiệt mà chúng nhận được: Q=Q1+Q2=0 => Q1=-Q2=Q2’“ Trong 1 hệ cô lập chỉ gồm 2 vật, nhiệt lượng do vật này thu vào bằng nhiệt lượng do vật kia toả ra”.2-Hệ quả$2. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌCb/ Hệ biến đổi tuần hoàn theo chu trình: Chu trình là 1 quá trình biến đổi khép kín, sau 1 quá trình biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu. Khi đó: =0 => A=-Q ==> A>0 thì Q0“ Trong 1 chu trình, công mà hệ sinh ra bằng nhiệt lượng mà hệ nhận được và ngược lại”.2-Hệ quả$2. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC- Nguyên lý I là 1 dạng của định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.- Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại I (là những máy làm việc tuần hoàn sinh công mà không nhận thêm năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho nó).3-Ý nghĩa nguyên lý I nhiệt động học$3. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ QUÁ TRÌNH C/B* Trạng thái cân bằng: là trạng thái trong đó mọi thông số của hệ hoàn toàn xác định và không thay đổi theo thời gian. -Mỗi trạng thái cân bằng được biểu diễn bằng 1 điểm trên đồ thị OPV.Ví dụ:* Quá trình cân bằng: là quá trình biến đổi trạng thái bao gồm 1 dãy liên tục các trạng thái cân bằng. -Trên đồ thị OPV, quá trình cân bằng được biểu diễn bằng 1 đường liền nét.Ví dụ:1-Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng$3. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ QUÁ TRÌNH C/B- Tác dụng lực lên pittông để nén khí, giả sử pittông dịch chuyển 1 đoạn đủ nhỏ dl. Công mà khối khí thực hiện trong quá trình này: Vế phải có dấu trừ “-“ vì quá trình nén (dl 	 dV=S.dl là độ biến thiên thể tích của khối khí.	2-Công trong quá trình cân bằng$3. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ QUÁ TRÌNH C/B- Vậy: công mà khối khí nhận được trong quá trình biến đổi bất kỳ từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) là:	2-Công trong quá trình cân bằng$3. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ QUÁ TRÌNH C/B* Nhiệt dung phân tử của 1 chất: là đại lượng đo bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kmol chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ.	 , đơn vị: J/kmol.K* Nhiệt dung riêng của 1 chất: là đại lượng đo bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ.	 ==> , đơn vị: J/kg.K* Nhiệt lượng hệ trao đổi với môi trường ngoài: 3-Nhiệt trong quá trình cân bằng – Nhiệt dung$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLTa/ Định nghĩa:b/ Phương trình:c/ Các đại lượng đặc trưng* Công: * Độ biến thiên nội năng: 1-Quá trình đẳng tích: (V=const)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLT* Nhiệt: Theo định nghĩa: ==> Vậy: 1-Quá trình đẳng tích: (V=const)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLTa/ Định nghĩa:b/ Phương trình:c/ Các đại lượng đặc trưng* Công: * Độ biến thiên nội năng: 2-Quá trình đẳng áp: (p =const)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLT* Nhiệt: Theo định nghĩa: ==> Vậy: gọi là hệ số poát xông2-Quá trình đẳng áp: (p =const)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLTa/ Định nghĩa:b/ Phương trình:c/ Các đại lượng đặc trưng:* Công: * Độ biến thiên nội năng: * Nhiệt: 3-Quá trình đẳng nhiệt: (T=const)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLTa/ Định nghĩa:b/ Phương trình:- Trong mặt phẳng OPV, đồ thị đường đoạn nhiệt là đường cong Hyperbol nhưng dốc hơn đường đẳng nhiệt.4-Quá trình đoạn nhiệt: (Q=0)$4. K/S CÁC QUÁ TRÌNH C/B CỦA KLTc/ Các đại lượng đặc trưng:* Công: * Nhiệt: Q=0* Độ biến thiên nội năng: 4-Quá trình đoạn nhiệt: (Q=0)