Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học

Các vật ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ. Nếu hệ và môi trường không trao đổi nhiệt thì hệ cô lập đối với ngoại vật về phương diện nhiệt: ta nói rằng giữa hệ và ngoại vật có một vỏ cách nhiệt. Nếu hệ và ngoại vật trao đổi nhiệt nhưng không sinh ra công do sự nén hoặc dãn nở thì hệ cô lập đối với ngoại vật về phương diện cơ học.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học Chương 7 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC7.1 Khái niệm về hệ nhiệt động - trạng thái cân bằng - quá trình cân bằng - công và nhiệt của quá trình cân bằng7.1.1 Hệ nhiệt động Một tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi các thông số vĩ mô, độc lập vớinhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ). Các vật ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ. Nếu hệ và môi trường không trao đổi nhiệt thì hệ cô lập đối với ngoại vật vềphương diện nhiệt: ta nói rằng giữa hệ và ngoại vật có một vỏ cách nhiệt. Nếu hệ vàngoại vật trao đổi nhiệt nhưng không sinh ra công do sự nén hoặc dãn nở thì hệ cô lậpđối với ngoại vật về phương diện cơ học. Hệ gọi là cô lập nếu nó hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng vớimôi trường ngoài.7.1.2 Trạng thái cân bằng - quá trình cân bằngĐịnh nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái không biến đổi theo thời gian vàtính bất biến đó không phụ thuộc vào các quá trình của ngoại vật. Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạngthái cân bằng. Quá trình cân bằng theo định nghĩa trên chỉ là một quá trình lí tưởng, không cótrong thực tế. Tuy nhiên nếu quá trình thực hiện rất chậm để có đủ thời gian thiết lậplại sự cân bằng mới thì quá trình đó được coi là quá trình cân bằng.7.1.3 Công của áp lực trong quá trình cân bằng Ngoại lực tác dụng lên pittông là F (hình 7-1). F dl Hình 7-1 Khi pittông dịch chuyển một đoạn dl thì khối khí nhận được một công là: δA = - Fdl 69Khi nén dl 0 (khí thực sự nhận công).Vì quá trình trên là cân bằng nên F bằng áp lực khối khí tác dụng lên pittông. Gọi p làáp suất của khí lên pittông có diện tích S thì: F = p.S δA = - PSdl = -pdVdo đó:Công A mà khí nhận được trong suốt quá trình nén được tính: V2 A = ∫ δA = − ∫ pdV (7-1) V1 Nếu hệ thực hiện theo một chu trình (1b2c1) (hình 7-2) thì khi trở về trạng tháicân bằng hệ thực hiện được một công A: A = A1 - A2 p 2 b a c 1 O V V2 V1 Hình 7-2trong đó A1= số đo S(2b1V1V2) A2= số đo S(1c2V1V2)7.1.4 Nhiệt trong quá trình cân bằng, nhiệt dung Nhiệt dung riêng c của một chất là một đại lượng vật lý về trị số bằng nhiệt lượngcần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng chất ấy để nhiệt độ của nó tăng lên 10. Gọi m là khối lượng của vật, δQ là nhiệt lượng truyền cho vật trong một quátrình cân bằng nào đó và dT là độ biến thiên nhiệt độ của vật trong quá trình đó thì: δQ c= mdTsuy ra: δQ = cmdT (7-2) Nhiệt dung phân tử C của một chất là một đại lượng cần thiết truyền cho 1molchất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 10. C = μc (7-3)μ là khối lượng của 1mol chất đó. Trong hệ đơn vị SI đơn vị của c là J/kg.độ(K), đơn vị của C là J/mol.K. 70Từ (7-2) và (7-3) suy ra: m δQ = (7-4) CdT μ7.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là một trường hợp riêng của định luật bảotoàn và chuyển hóa năng lượng vận dụng vào các quá trình vĩ mô.7.2.1 Phát biểu Độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi vĩmô có giá trị bằng tổng của công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó. ΔW = A + Q (7-5) Ở trên ta đã giả thuyết rằng cơ năng của hệ không đổi (Wđ + Wt = const) do đóΔW = ΔU nên (7-5) được viết lại: ΔU = A + Q (7-6) Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổngcủa công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó. Trong một số trường hợp, để tính toán thuận tiện, người ta còn dùng các ký hiệuvà phát biểu sau: Nếu A và Q là công và nhiệt mà hệ mà hệ nhận được thì A = -A và Q = -Q làcông và nhiệt mà hệ sinh ra, từ (7-6) ta có: Q = ΔU + A (7-7) Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học có thể phát biểu như sau: Nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năngcủa hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó. Các đại lượng ΔU, A và Q có thể dương hoặc âm: - A>0 và Q>0 ⇒ ΔU >0 : nội năng của hệ tăng. - A Q = Q1 + Q2 = 0 ⇒ Q1 = -Q2 Nếu Q10 (vật 2 thu nhiệt) và ngược lại.Vậy: Trong một hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này toả rabằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào.b/ Hệ biến đổi theo một chu trình Hệ là một máy làm việc tuần hoàn, nghĩa là nó biến đổi theo một quá trình kínhay chu trình. Sau một dãy các biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu. Như vậy sau mộtchu trình ΔU = 0. Từ (7-6) ⇒ A = -QVậy: ...