Thể nhiệt động

Lúc khởi đầu thì nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu về sự chuyển hoá nhiệt thành công. Tuy nhiên, vì các định luật cơ bản của nhiệt động lực học có bản chất rất tổng quát, nên sau đó các phương pháp nhiệt động lực học cũng được dùng để nghiên cứu hàng loạt các hiện tượng vật lý và hoá học khác nhau. Các phương pháp đó đều dùng các thế nhiệt động mà chúng ta sẽ tìm hiểu trong bài này...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thể nhiệt động Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 1Thế nhiệt độngTHẾ NHIỆT ĐỘNGBiên soạn: Lê Quang NguyênLúc khởi đầu thì nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu vềsự chuyển hoá nhiệt thành công. Tuy nhiên, vì các định luật cơbản của nhiệt động lực học có bản chất rất tổng quát, nên sauđó các phương pháp nhiệt động lực học cũng được dùng đểnghiên cứu hàng loạt các hiện tượng vật lý và hoá học khácnhau. Các phương pháp đó đều dùng các thế nhiệt động màchúng ta sẽ tìm hiểu trong bài này. Trong số các hiện tượnghoá, lý được nghiên cứu rất thành công bằng phương pháp thếnhiệt động ta có thể kể: Sự thay đổi trạng thái của các chất tinh khiết; Sự chuyển pha sắt từ-thuận từ, dẫn điện-siêu dẫn …; Sự thay đổi trạng thái của các hỗn hợp hai thành phần; Phản ứng hoá học: trạng thái cân bằng và chuyển dời; Phản ứng điện hóa: pin, chất điện phân …1. NHẮC LẠI: CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC1.1 ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌCĐịnh luật thứ nhất của nhiệt động lực học thực (định luật 1)chất là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho các hệ thốngcó trao đổi nhiệt với môi trường chung quanh. Có thể hiểu địnhluật 1 một cách dễ dàng mà chỉ dựa vào trực giác vật lý.Thật vậy, năng lượng bên trong (nội năng) của một hệ thay đổilà nhờ hệ đó trao đổi nhiệt và công với môi trường chungquanh. Nếu hệ thu nhận nhiệt hay công thì nội năng của nóphải tăng lên. Ngược lại, nội năng hệ sẽ giảm đi khi hệ tỏanhiệt hay thực hiện công. Do năng lượng được bảo toàn, nghĩalà không thể tự nhiên sinh ra hay mất đi, ta phải có:Độ tăng nội năng = Nhiệt + Công nhận đượchayĐộ giảm nội năng = Nhiệt + Công mất điMột cách tổng quát ta có thể viết: (1.1.1)U  Q  ATrong đó U là độ biến thiên nội năng của hệ đang xét, Q và Alà nhiệt và công mà hệ trao đổi với môi trường ngoài. Để chohệ thức trên mang tính tổng quát, người ta quy ước Q và A làcác số đại số: Q > 0 nếu hệ nhận nhiệt, Q < 0 nếu hệ toả nhiệt;A > 0 nếu hệ nhận công, A < 0 nếu hệ thực hiện công.Khi hệ thống trải qua một quá trình làm cho nội năng biến đổimột lượng rất nhỏ dU (quá trình vi phân) thì ta có tương ứng: (1.1.2)dU  dQ  dACác hệ thức (1.1.1) và (1.1.2) thể hiện định luật thứ nhất củanhiệt động lực học.1.2 ĐỊNH LUẬT THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌCChúng ta có thể tưởng tượng ra những quá trình vật lý hoàntoàn không vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, nhưng trênthực tế lại không hề xảy ra, chẳng hạn như: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 2Thế nhiệt động Cà phê trong một chiếc tách để trên bàn bỗng nhiên lạnh đi và bắt đầu xoay tròn. Đầu của một cái muỗng để yên tự nhiên nóng lên, còn đầu kia thì lạnh đi. Các phân tử khí trong một căn phòng tự nhiên dồn vào một góc phòng và cứ loanh quanh trong góc đó.Những điều tưởng tượng “ngớ ngẩn” trên không hề vi phạmđịnh luật 1: cà phê có thể thu được động năng để xoay trònbằng cách lạnh đi; đầu nóng của chiếc muỗng có thể lấy nănglượng từ đầu lạnh; và các phân tử khí cũng không phải thay đổiđộng năng của mình mà chỉ cần thay đổi vị trí.Tuy nhiên, hãy chú ý một điều: các quá trình ngược lại của cácquá trình trên lại xảy ra một cách hoàn toàn tự nhiên. Thật vậy,sau khi được khuấy và để yên, cà phê xoay chậm dần rồingừng quay, động năng chuyển thành nhiệt làm cho tách càphê nóng lên chút ít. Khi nung nóng một đầu muỗng, nhiệt sẽtruyền sang đầu lạnh cho tới khi nhiệt độ hai đầu bằng nhau.Các phân tử khí được thả ra từ một góc phòng sẽ tự phân bốđều khắp phòng.Chiều diễn tiến của các quá trình trong tự nhiên là chiều ứngvới entropy tăng. Đó là nội dung của định luật thứ hai của nhiệtđộng lực học (định luật 2). Một cách chính xác hơn thì địnhluật 2 phát biểu như sau:Trong một quá trình làm cho hệ chuyển từ trạng thái cân bằngnày sang trạng thái cân bằng khác, entropy toàn phần của hệ vàcủa môi trường chung quanh hệ luôn luôn tăng lên hay giữnguyên không đổi (entropy chỉ giữ nguyên không đổi với cácquá trình thuận nghịch).Như vậy, các quá trình nêu trên đây không thể xảy ra vì chúnglàm cho entropy của hệ và môi trường giảm đi, còn các quátrình ngược lại thì xảy ra hoàn toàn tự nhiên vì chúng làm choentropy của hệ và môi trường tăng lên hay giữ nguyên.TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA ENTROPYGiả sử trong một quá trình vi phân hệ ở nhiệt độ T trao đổi mộtlượng nhiệ ...