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

Chia sẻ: Trần Văn Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

245
lượt xem 37
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2
Chương 2: NGUYÊN LÝ I – NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hệ nhiệt động. Phát biểu nguyên lý I. 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 ởng Bài tập Nguyên lý I
Nhiệt động học nghiên cứu các điều kiện và quan hệ biến đổi định lượng của năng lượng từ dạng này qua dạng khác. Cơ sở của nhiệt động học là hai nguyên lý rút ra từ thực nghiệm. Trong nhiệt động học, người ta thiết lập những hệ thức giữa các đại lượng vĩ mô của hệ vật lý mà ến việc giải thích vi mô của các đại lượng đó. I. Hệ nhiệt động - Tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi các thông số vĩ mô, 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 hay còn gọi là (xung quanh hệ). - Hệ không cô lập là hệ có ác với môi trường ngoài như trao đổi vật chất và ợng. Trong những tương tác này nói chung sẽ có sự ổi công và nhiệt. - Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không có ác và ổi năng lượng 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 động hỗn loạn của các phân tử của hệ và ó nội năng của hệ sẽ hoặc giảm đi. Ví dụ: cho một vật lạnh tiếp xúc với một vật nóng, các phân tử chuyển động nhanh của vật nóng sẽ va chạm với các phân tử chuyển động chậm hơn của vật lạnh và truyền cho chúng một phần động năng của mình. Do đó nội năng của vật lạnh tăng lên và nội năng của vật nóng giảm đi. Quá trình tăng giảm này sẽ dừng lại khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau.
Như vậy công và nhiệt đều là các đại lượng do mức độ ổi năng lượng 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 đến chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ. Mặc dù vậy chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau: công có thể chuyển hóa thành nhiệt và ợc lại. Thực nghiệm chứng tỏ sự chuyển hóa giữa công và nhiệt luôn tuân theo một hệ thức định lượng xác định. Năm 1845, Jun ác định được rằng cứ tốn một công 4,186J thì sẽ tạo ra một nhiệt lượng 1Calo. Công và Nhiệt là các đại lượng (thước đo) để ức độ ổi năng lượng giữa các vật, nhưng chúng không phải là ợng, chúng chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Ở mỗi trạng thái, hệ có một giá trị ợng xác định mà không có công và nhiệt. Như thế ợng là một hàm trạng thái, còn công và nhiệt là hàm của quá trình.
III. Nguyên lý I của nhiệt động học Nguyên lý I là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hóa 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 nhiệt do hệ tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ 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 gọi là “khủng hoảng” của khoa học và nhận thức.
IV. Khảo sát các quá trình cân bằng của khí ởng trên cơ sở nguyên lý I 1. Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng a. ịnh nghĩa: - Trạng thái CB của hệ là trạng thái không biến đổi theo thời gian và tính bất biến đó không phụ thuộc các quá trình của ngoại vật. - Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng. - Thực tế không có quá trình CB. Nếu quá trình biến đổi là vô cùng chậm để có ủ thời gian cần thiết lập lại trạng thái cân bằng mới của hệ thì quá trình đó ợc coi là quá trình cân bằng. -Mỗi trạng thái CB được xác định bằng một thông số nhiệt động. + Trạng thái CB của hệ ồ thị p,V) ợc biểu diễn bằng một điểm. + Quá trình CB trên đồ thị p, V) ợc biểu diễn bằng một đường cong liên tục.
b. Công của áp lực trong quá trình cân bằng Giả sử không khí ợc biến đổi theo quá trình cân bằng, trong đó thể tích biến đổi từ V1 đến V2. Ngoại lực tác dụng lên píttông là F. Khi píttông dịch F chuyển một đoạn dl thì khối khí nhận được công từ bên ngoài : A = -Fdl dl dV (có dấu trừ vì khi nén khí thì dl < 0, khối khí thực sự nhận công (A>0)). Gọi p là áp suất của khí lên píttông, S là diện tích của píttông, ta có: F = p.S Từ ó : A = -pS.dl = - p.dV , với dV = Sdl là biến thiên thể tích của khối khí ứng với dịch chuyển dl. Công mà khối khí nhận được trong V2 quá trình nén trên là: A A pdV V1
Thể hiện công trên hệ tọa độ p-V: P Công toàn bộ trong quá M trình có ộ lớn bằng tổng diện tích hình thang cong MNV2V1 N Nếu quá trình tiến hành theo V một chu trình 1b2c1, khi trở về trạng thái ban đầu thì công toàn phần do O V1 V2 khối khí sinh ra có giá trị tuyệt đối bằng diện tích của chu trình (Phần tô đen trên đồ thị). Nếu khối khí biến đổi theo chu trình ngược lại : 1c2b1, nó sẽ nhận công có giá trị cũng bằng diện tích đó.
c. Nhiệt trong quá trình cân bằng – Nhiệt dung - Nhiệt dung riêng C của một chất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng để nhiệt độ của nó ột độ. Q c Q c.m.dT mdT - Nhiệt dung riêng phân tử gam C của một chất là một đại lượng về trị số bằng nhiệt lượng cần truyền cho một mol chất đó ể nhiệt độ của nó ột độ. m Q C .dT (C = .c, là khối lượng của một mol) Trong hệ SI ta có ị của c và C là: [c] = J/kg.K , [C] = J/mol.K
2. Công và nhiệt trong các quá trình cân bằng của khí ởng. a. Quá trình đẳng tích: p p2 2 p p p1 p2 V const const p1 1 T T T1 T2 Do V= const => dV = 0, nên công trao đổi: p3 3 V2 A pdV 0 V V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T2 m m m Q Q CV dT CV T2 T1 CV T T1 CV là nhiệt dung mol đẳng tích i Theo nguyên lý I, suy ra: CV R 2
b. Quá trình đẳng áp: p V V V1 V2 p const const 2 1 3 T T T1 T2 Do p= const => Công khối khí nhận được: V2 A pdV p V1 V2 V2 V1 V3 V V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T2 m m m Q Q C p dT C p T2 T1 Cp T T1 Cp là nhiệt dung mol đẳng áp i 2 Theo nguyên lý I, suy ra: CV R 2 suy ra: Hệ thức Mayer CP CV R CP i 2 hệ số Poisson hay hệ số ạn nhiệt CV i
c. Quá trình đẳng nhiệt: p T const pV const pV p1V1 p2V2 2 Do T= const => Công khối khí nhận được: 1 V2 V2 3 m dV m V1 m p2 A pdV RT RT ln RT ln V V2 p1 V1 V1 V Nhiệt lượng khối khí nhận được, từ nguyên lý 1 suy ra: m p1 m V2 m P Q A RT ln RT ln RT ln 1 p2 V1 p2
d. Quá trình đoạn nhiệt:
e. Quá trình đa biến : Các quá trình đã xét ở trên là những trường hợp riêng của quá trình đa biến. ó là quá trình áp suất và thể tích khí ởng liên hệ với nhau bởi hệ thức : pVn = const.Với n = (-∞, +∞). Các trường hợp riêng của quá trình đa biến nêu trong bảng sau: PT quá Biến thiên nội n Quá trình Công A Nhiệt Q trình năng V m m 0 Đẳng áp const P(V1- V2) Cp T CV T T m V1 m V2 1 Đẳng nhiệt pV const RT ln RT ln 0 V2 V1 m m Đoạn nhiệt pV const CV T 0 CV T p m m Đẳng tích const 0 CV T CV T T
ÔN TẬP + Phần lý thuyết gồm các nội dung: Thiết lập biểu thức tính công và nhiệt trong một số quá trình cân bằng của khí ởng. Vẽ ồ thị biến đổi các trạng thái của khí tưởng trên các loại đồ thị khác nhau (p,V), (T,V), (T,S), (p,T) …. + Phần bài tập gồm các dạng bài tập: Tính công, nhiệt và nội năng khí ởng trong một số quá trình cân bằng Các bài tập tối thiểu cần yêu cầu ôn tập: 2: 8.1, 8.2, 8.4, 8.5, 8.9, 8.10, 8.12, 8.14, 8.16, 8.17, 8.24, 8.25, 8.27, 8.29, 8.31, 8.34