Bài giảng Vật lý đại cương: Chương 2 - GV. Nguyễn Như Xuân

Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 2: Nhiệt động lực học trình bày hệ nhiệt động, phát biểu nguyên lý, trạng thái và các quá trình cân bằng, công và nhiệt trong quá trình cân bằng, áp dụng nguyên lý I, khảo sát các quá trình cân bằng của khí lỏng, bài tập nguyên lý I.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lý đại cương: Chương 2 - GV. Nguyễn Như Xuân HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂNVẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chương 2:NGUYÊN LÝ I – NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌCHệ nhiệt động. Phát biểu nguyên lý I.Trạng thái và các quá trình cân bằng.Công và nhiệt trong quá trình cân bằngÁp dụng nguyên lý I. Khảo sát các quá trình cân bằng củakhí ởngBài tập Nguyên lý INhiệt động học nghiên cứu các điều kiện và quan hệ biến đổi địnhlượng của năng lượng từ dạng này qua dạng khác. Cơ sở của nhiệtđộng học là hai nguyên lý rút ra từ thực nghiệm. Trong nhiệt độnghọc, người ta thiết lập những hệ thức giữa các đại lượng vĩ mô củahệ vật lý mà ến việc giải thích vi mô của các đạilượng đó. I. Hệ nhiệt động- Tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi các thông số vĩmô, ộc lập đối với nhau, ợc gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động,hay vắn tắt hơn là Hệ.- Tất cả các vật còn lại nằm ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ haycòn gọi là (xung quanh hệ).- Hệ không cô lập là hệ có ác với môi trường ngoài nhưtrao đổi vật chất và ợng. Trong những tương tác này nóichung sẽ có sự ổi công và nhiệt.- Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không có ác và ổi nănglượng với môi trường. II. Công và nhiệt của hệ nhiệt động: Thực nghiệm cho thấy khi các hệ ác chúng sẽ ổi với nhau một năng lượng nào đó. Có hai dạng trao đổi năng lượng : + Công: là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của một vật. Ví dụ : Khí dãn nở trong xilanh làm pittông chuyển động, khí ền năng lượng cho pittông dưới dạng công.+ Nhiệt: là dạng truyền năng lượng, làm tăng mức độ chuyển độnghỗn loạn của các phân tử của hệ và ó nội năng của hệ sẽhoặc giảm đi. Ví dụ: cho một vật lạnh tiếp xúc với một vật nóng, cácphân tử chuyển động nhanh của vật nóng sẽ va chạm với các phân tửchuyển động chậm hơn của vật lạnh và truyền cho chúng một phầnđộng năng của mình. Do đó nội năng của vật lạnh tăng lên và nội năngcủa vật nóng giảm đi. Quá trình tăng giảm này sẽ dừng lại khi nhiệt độcủa hai vật bằng nhau.Như vậy công và nhiệt đều là các đại lượng do mức độ ổi nănglượng giữa các vật. Tuy nhiên có sự khác nhau sâu sắc giữa chúng:công liên quan tới chuyển động có trật tự, còn nhiệt liên quan đếnchuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ. Mặc dù vậy chúng cómối liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau: công cóthể chuyển hóa thành nhiệt và ợc lại.Thực nghiệm chứng tỏ sự chuyển hóa giữa công và nhiệt luôn tuântheo một hệ thức định lượng xác định. Năm 1845, Jun ác địnhđược rằng cứ tốn một công 4,186J thì sẽ tạo ra một nhiệt lượng1Calo.Công và Nhiệt là các đại lượng (thước đo) để ức độ ổinăng lượng giữa các vật, nhưng chúng không phải là ợng,chúng chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Ở mỗitrạng thái, hệ có một giá trị ợng xác định mà không có côngvà nhiệt. Như thế ợng là một hàm trạng thái, còn công vànhiệt là hàm của quá trình.III. Nguyên lý I của nhiệt động họcNguyên lý I là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyểnhóa năng lượng áp dụng vào các quá trình nhiệt động. - Quy ước về dấu của nhiệt lượng và công: Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng; Q>0 Q 0: Vật nhận công; A < 0: Vật thực hiện công. A>0 A 2. Cách phát biểu thứ 2 Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lý I có thể viết : dU = A + Q (3) với dU là ộ biến thiên nội năng của hệ (vi phân toàn phần) còn A và Q là công và nhiệt của hệ nhận được trong quá trình biến đổi (vi phân không hoàn chỉnh vì là các hàm của quá trình). 3. Cách phát biểu thứ 3 Trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệtdo hệ tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt màhệ nhận từ bên ngoài. 4. Hệ quả quả của nguyên lý I. -HQ1: Giả sử hệ thực hiện chu trình kín: U =0 Q = -A “Không thể sinh công mà ổi nội năng hoặc nhận nhiệt từ bên ngoài”. “Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 1.”- HQ2: Nếu hệ cô lập thì A = Q = 0, và ó U = 0, U = const. Vậy : nội năng của hệ cô lập được bảo toàn. Trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ ổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào. 5. Ý nghĩa - Ăngghen là ời đầu tiên đã nêu lên tính tổng quát của nguyên lý, và khẳng định nguyên lý I chính là định luật bảo toàn và biến đổi vận động và kết luận: “nguyên lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên”. - Thực tế ứng tỏ mọi hiện tượng vĩ ều tuân theo nguyên lý I và nó úp các nhà khoa học và triết học giải quyết đúng đắn các vấn đề ...