Chương 8: Các nguyên lý nhiệt động học

Trong cơ học ta đã biết, khi vật chuyển động có ma sát thì cơ năng của vật giảm dần. Phần cơ năng mất mát ấy đã chuyển hoá đi đâu? Thực tế chứng tỏ rằng, ma sát luôn làm vật nóng lên. Vậy giữa Cơ và Nhiệt có mối liên hệ mật thiết với nhau, cơ năng có thể chuyển hoá thành nhiệt năng và ngược lại. Nhiệt Động Học nghiên cứu các mối quan hệ và các điều kiện biến đổi định lượng của năng lượng giữa Cơ và Nhiệt. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 8: Các nguyên lý nhiệt động học172 Giaùo Trình Vaät Lyù Ñaïi Cöông – Taäp I: Cô – Nhieät - Ñieän Chương 8 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC Trong cơ học ta đã biết, khi vật chuyển động có ma sát thì cơ năng của vậtgiảm dần. Phần cơ năng mất mát ấy đã chuyển hoá đi đâu? Thực tế chứng tỏ rằng, masát luôn làm vật nóng lên. Vậy giữa Cơ và Nhiệt có mối liên hệ mật thiết với nhau, cơnăng có thể chuyển hoá thành nhiệt năng và ngược lại. Nhiệt Động Học nghiên cứucác mối quan hệ và các điều kiện biến đổi định lượng của năng lượng giữa Cơ vàNhiệt. Cơ sở của Nhiệt Động Học dựa trên hai nguyên lý rút ra từ thực nghiệm. §8.1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN1 – Năng lượng chuyển động nhiệt: Năng lượng chuyển động nhiệt là phần năng lượng do chuyển động hỗn loạncủa các phân tử tạo nên (chính là động năng của các phân tử). Năng lượng chuyểnđộng nhiệt được kí hiệu là E. Theo thuyết động học phân tử, khi nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyểnđộng hỗn loạn càng mạnh, động năng của chúng càng lớn. Vậy năng lượng chuyểnđộng nhiệt của một khối khí bất kì không những phụ thuộc vào số lượng phân tử khímà còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí đó. Đối với khí đơn nguyên tử, từ (7.4) suy ra, động năng trung bình của các phân 3tử khí là: Eñ = kT (8.1) 2Do đó, năng lượng chuyển động nhiệt của một khối khí bất kì là: N 3 3m E = N.E ñ = N A . kT = RT (8.2) NA 2 2µTrong đó N là số phân tử khí, NA là số Avôgađrô, R là hằng số khí lí tưởng, m là khốilượng khí và µ là khối lượng của một mol khí. Nếu ta coi phân tử khí đơn nguyên tử như một chất điểm thì vị trí của nó trongkhông gian được xác định bởi 3 thông số x, y, z – gọi là 3 bậc tự do. Từ (8.1) ta có thểnói, động năng trung bình của phân tử khí được phân bố đều theo các bậc tự do, mỗi 1bậc là kT. 2 Tổng quát, Boltzmann đã thiết lập được định luật phân bố đều của năng lượngchuyển động nhiệt theo các bậc tự do như sau: Một khối khí ở trạng thái cân bằng vềnhiệt độ thì năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí được phân bố đều theoChöông 8: CAÙC NGUYEÂN LÍ NHIEÄT ÑOÄNG HOÏC 173bậc tự do, mỗi bậc là ½ kT. Nếu gọi i là số bậc tự do của phân tử khí, thì năng lượng i mchuyển động nhiệt của một khối khí là: E= RT (8.3) 2 µPhân tử khí có 1 , 2 , 3 nguyên tử thì i = 3 , 5 , 62 – Nội năng – nội năng của khí lý tưởng: Ta biết, năng lượng là thuộc tính của vật chất đặc trưng cho mức độ vận độngcủa vật chất. Nội năng U của một hệ là phần năng lượng ứng với sự vận động ở bêntrong hệ, bao gồm năng lượng chuyển động nhiệt E, thế năng tương tác giữa các phântử khí Et và phần năng lượng bên trong mỗi phân tử EP. U = E + E t + EP (8.4) Đối với khí lý tưởng, ta bỏ qua thế năng tương tác giữa các phân tử, nên: U = E + EP (8.5)Với các biến đổi trạng thái thông thường, không làm thay đổi đến trạng thái bên trongcủa phân tử, nên Ep = const. i mVậy: dU = dE = RdT (8.6) 2µĐộ biến thiên nội năng của một khối khí lí tưởng bằng độ biến thiên năng lượngchuyển động nhiệt của khối khí đó.3 – Nhiệt lượng và công: Khi một hệ nhiệt động trao đổi năng lượng với bên ngoài thì phần năng lượngtrao đổi đó được thể hiện dưới dạng công và nhiệt lượng. Ví dụ: khí nóng trong xylanh đẩy piston chuyển động đi lên, ta nói khí đã sinhcông A. Ngoài ra nó còn làm nóng piston. Phần năng lượng khí truyền trực tiếp chopiston để làm piston nóng lên, được gọi là nhiệt lượng Q. Vậy: nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt) chính là phần năng lượng chuyển độngnhiệt trao đổi trực tiếp giữa các phân tử của hệ đang xét với các phân tử của môitrường bên ngoài. Trong hệ SI, đơn vị nhiệt lượng là jun (J). Trước đây, người ta dùng đơn vịnhiệt lượng là calori (cal). Ta có: 1 cal = 4,18 J hay 1J = 0,24 calQui ước về dấu: + Công A, nhiệt Q có giá trị dương khi hệ nhận từ bên ngoài. + Công A, nhiệt Q có giá trị âm khi hệ cung cấp ra bên ngoài. Để tìm biểu thức tính công của khí, ta xét một khối khí bị nhốt trong xy lanhvà piston. Giả sử áp suất khí đẩy piston chuyển động đi lên. Khi piston dịch chuyểnmột đoạn dx thì khí sinh công: dA = F.d ...