Bài giảng Nhiệt động lực học các hệ thống sống

Bài giảng Nhiệt động lực học các hệ thống sống với mục tiêu giúp các bạn nắm được nội dung, ý nghĩa của nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thư hai nhiệt động lực học; Vận dụng các nguyên lý để nghiên cứu các quá trình cân bằng, chiều diễn biến của một quá trình trong một hệ. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Nhiệt động lực học các hệ thống sống Mục tiêu  Nắm được nội dung, ý nghĩa của nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thư hai nhiệt động lực học.  Vận dụng các nguyên lý để nghiên cứu các quá trình cân bằng, chiều diễn biến của một quá trình trong một hệ.  Áp dụng các nguyên lý thứ nhất và thứ hai nhiệt động lực học đối với hệ thống sống. 2 Nội dung - MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN - NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH - ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH - NHIỆT DUNG RIÊNG - NGUYÊN LÝ THỨ HAI NĐLH - ENTROPY - CÁC NGUYÊN LÝ NĐLH ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG 3 I. CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN 1. Hệ nhiệt động (hệ) Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử vật chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với môi trường xung quanh . MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH HỆ RANH GIỚI TRAO ĐỔI VỚI MÔI TRƯỜNG HỆ VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG CÔ LẬP KÍN (ĐÓNG) X MỞ X X 2. Nội năng U Là đại lượng đặc trưng có mức độ vận động của vật chất bên trong hệ đó . Năng lượng của hệ gồm: W = W đ + Wt + U động năng thế năng nội năng của hệ. NĐLH : Wđ = Wt = 0 • ¨ W = U là một hàm của trạng thái 6 3. Công và nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt) - Công: Là dạng truyền năng lượng làm thay đổi mức độ chuyển động có trật tự của toàn bộ hệ hay một phần của hệ (VD: khí giãn nở trong xylanh đẩy pittông chuyển động ) - Nhiệt: Là dạng truyền năng lượng trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của hệ ( VD: đun nóng vật ,vận tốc các phân tử gia tăng lên ) - Công và nhiệt đều là hàm của quá trình và có thể chuyển hóa lẫn nhau 7 II. NGUYEÂN LYÙ THÖÙ NHAÁT NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC 1. Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi bằng tổng công mà hệ sinh ra và độ biến thiên nôi năng của hệ trong quá trình biến đổi đó. Q = U + A , U = U2 – U1 Trong một biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức được viết lại là: Q = dU + A Quy ước: + Nếu A > 0 hệ sinh công, A < 0 hệ nhận công + Nếu Q > 0 hệ nhận nhiệt, Q < 0 hệ tỏa nhiệt. + Nếu U > 0 (tức U2 > U1) nội năng của hệ tăng, U < 0 (U2 < U1) nội năng của hệ giảm. 8 2. Hệ quả - Chu trình ( quá trình kín): U2 = U1 → U = 0 Q=A ( nguyên lý I) Vậy hệ nhân công (A < 0 ), hệ sẽ tỏa nhiệt (Q Hệ cô lập : A = Q = 0 ( nguyên lý I) U = 0 hay U2 = U1 “ Nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn” - Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau: Q = Q1 + Q2 = 0 → Q1 = - Q2 Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia nhận được. 10 III. ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – NHIỆT DUNG RIÊNG 1. Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng + Trạng thái cân bằng : là trạng thái mà hệ không biến đổi theo thời gian ( mọi thông số trạng thái ở đó là hoàn toàn xác định) và nếu không có tác dụng bên ngoài thì trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi. + Quá trình cân bằng: Là quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng Thực tế quá trình vô cùng chậm = cân bằng ( chuẩn cân bằng) 11 2. Công mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng Quá trình đủ chậm = quá trình cân bằng. + Công A mà khí sinh ra trong quá trình là: A = F.dx = pS.dx = p.dV + Quá trình từ trạng thái (1) → (2): V2 A=  p.dV ,p~V V1 +Nếu p = const → A = p (V2 – V1) 12 3. Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng + Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng Q = mc. dT (J ) m (kg) : khối lượng hệ. dT :độ biến thiên nhiệt độ c (J/kg.độ) :nhiệt dung riêng + Quá trình từ trạng thái (1) → (2): T2 Q=  m c dT T1 ,c~T + Nếu c = const : → Q  m c (T2  T1 ) 13 Lưu ý: Q Nhiệt dung riêng c m dT là nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng (kg) của hệ nhận được để đưa nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ Nhiệt dung riêng phân tử : C = µ c . là nhiệt lượng mà 1 kmol chất khí nhận được để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ. Vậy: m Q  C dT  Bây giờ ta tính A , Q và U trong các quá trình . 4. Trong quá trình đẳng tích: V = const. ⇒ dV = 0 ⇒ A = 0 nguyên lý I Qv = U (*) - Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng độ tăng nội năng của hệ. m m i Từ (*) Cv T  R T   2 i Cv  R (nhiệt dung phân tử đẳng tích) 2 5. Trong quá trình đẳng áp m - p = const. ⇒ dp = 0 ⇒ A  p (V2  V1 )  R (T2  T1 )  - Nguyên lý I : Qp = ∆U + A (*) m m i m Từ (*) Cp ΔT = R ΔT + R ΔT μ μ 2 μ i2 (nhiệt dung phân tử đẳng áp) Cp  R 2 Ta suy ra : Cp – Cv = R ( hệ thức Mayer ) 6. Trong quá trình đẳng nhiệt - ...