1
Chương 1
Những khái niệm cơ
bản
Mục đích
■Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học
trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến;
■Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống,
trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình;
■Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất);
■Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ;
■Khái niệm về áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp
suất môi trường, đo áp suất;
■Sự truyền năng lượng, tương tác Công-Nhiệt
■Giới thiệu kỹ thuật giải quyết các vấn đề hệ thống nhiệt động lực học
2
1. Đối tượng, phạm vi/quan
điểm nghiên cứu của nhiệt
động học
Nhiệt động KT nghiên cứu gì?
■Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay
mất đi, mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác (Energy cannot be
created or destroyed, it transforms)
3
Nhiệt động KT nghiên cứu gì?
■Năng lượng có các thuộc tính là số lượng và chất lượng (Nhiệt truyền theo
chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động 2 (2nd law))
Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and
Microscopic Views of Thermodynamics)
■Vật chất được tạo thành từ các phân tử. Tính chất của vật
chất phụ thuộc vào bản chất ứng của các phân tử.
■Áp suất khí trong một bình kín là tổng hợp lực va đạp
phân tử lên thành bình:
■Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên
một diện tích vô cùng bé thành bình để xác định áp suất.
■Thay vào đó, có thể gắn vào một áp kế (xác định lực tác
dụng trung bình lên một diện tích thành bình) để xác định
áp suất. Đây là quan điểm vĩ mô.
■Nhiệt độ biểu thị sự nóng lạnh của vật chất và tỷ lệ với
tốc độ chuyển động phân tử:
■Quan điểm vi mô, có thể tính được nhiệt độ (thuyết động
học phân tử);
■Thay vào đó chỉ cần nhiệt kế để đo nhiệt độ.
Áp kế
Nhiệt động học chỉ nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô
4
2. Hệ thống (nhiệt), Hệ kín,
Hệ hở, Hệ cô lập
Hệ thống nhiệt (Thermodynamic
systems)
■Trong kỹ thuật, một bước quan trọng khi
nghiên cứu là xác định rõ đối tượng nghiên
cứu.
■Trong cơ học, nếu chuyển động của vật được
nghiên cứu, thì cần xác định vật ở trạng thái
tự do, sau đó xác định các lực tác động. Cuối
cùng là áp dụng Định luật 2 Newton.
■Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system)
dùng để chỉ đối tượng được nghiên cứu (ví dụ,
coffee trong cốc).
■Một khi hệ thống được định nghĩa, các tương
quan với các hệ thống khác được xác định.
Khi đó, các định luật vật lý hoặc các quy luật
phù hợp có thể được áp dụng để nghiên cứu.
5
■Hệ thống nhiệt là bất kỳ thứ gì chúng ta muốn nghiên cứu. Nó có thể đơn
giản chỉ là một cốc coffee hay phức tạp như là một tổ hợp hóa chất lọc
dầu. Chúng ta có thể quan tâm nghiên cứu vật chất bên trong một bình kín,
hay chất khí lưu chuyển trong một đường ống dẫn khí.
■Mọi thứ bên ngoài hệ thông được gọi là Môi trường (surroundings).
■Hệ thống được phân biệt với môi trường bởi Ranh giới (boundary). Ranh
giới có thể cố định hoặc di động.
■Việc xác định chính xác ranh giới có ý nghĩa
quan trọng khi nghiên cứu.
Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu:
- Hệ thống kín (closed systems): Không trao đổi chất với môi trường
- và Hệ thống hở (control volumes): Có trao đổi chất với môi trường.
Các dạng biến thể khác:
Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường);
Hệ thống cô lập (không trao đổi bất cứ điều gì).
Hệ thống kín (closed system/control mass)
■Là HT có lượng vật chất trong hệ thống không đổi.
■Được sử dụng khi có số lượng nhất định vật chất được
nghiên cứu;
■Không có sự trao đổi vật chất qua ranh giới;
■Hệ thống gồm khí chứa trong cylinder và piston phía
trên (giả thiết kín tuyệt đối).
■Ranh giới hệ thống là bề mặt trong của cylinder và
piston (đường nét đứt).
■Khi đun nóng, khí bên trong tăng nhiệt, giãn nở, đẩy
piston đi lên, một phần ranh giới phía dưới piston dịch
chuyển đi lên:
■Không có lượng vật chất nào ra khỏi hệ thống.
■Có năng lượng (nhiệt) truyền qua ranh giới với môi
trường.