NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG

Chia sẻ: Lanh Nguyen | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

274
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

1. Hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ) Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử vật chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với môi trường xung quanh Hệ cô lập: Hệ không trao đổi vật chất lẫn năng lượng với môi trường xung quanh. Hệ kín (đóng): Hệ chỉ trao đổi năng lượng mà không trao đổi vật chất với môi trường xung...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG

CHƯƠNG VI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG
Mục tiêu  Nắm được nội dung, ý nghĩa của nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thư hai nhiệt động lực học.  Vận dụng các nguyên lý để nghiên cứu các quá trình cân bằng, chiều diễn biến của một quá trình trong một hệ.  Aùp dụng các nguyên lý thứ nhất và thứ hai nhiệt động lực học đối với hệ thống sống.
Nội dung  MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN  NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH  ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH - NHIỆT DUNG RIÊNG  NGUYÊN LÝ THỨ HAI NĐLH – ENTROPY  CÁC NGUYÊN LÝ NĐLH ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG
I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ) Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần t ử vật chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với môi trường xung quanh  Hệ cô lập: Hệ không trao đổi vật chất lẫn năng lượng với môi trường xung quanh.  Hệ kín (đóng): Hệ chỉ trao đổi năng lượng mà không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.( khối lượng của hệ không đổi.)  Hệ mở: Hệ trao đổi vật chất lẫn năng lượng với môi trường xung quanh.
2. Nội năng U Nội năng là một đại lượng đặc trưng có mức độ vận động của vật chất bên trong hệ đó . Năng lượng của hệ gồm: W = Wđ + Wt + U động năng thế năng nội năng của hệ. Nhiệt động lực học : Wđ = Wt = 0 ⇒ W = U là hàm của trạng thái 3. Công và nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt) - Công: dạng truyền năng lượng làm thay đổi mức độ chuyển động có trật tự của toàn bộ hệ hay một phần của hệ (Ví dụ: khí giãn nở trong xylanh đẩy pittông chuyển động ) - Nhiệt: dạng truyền năng lượng trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của hệ ( đun nóng vật ,vận tốc các phân tử gia tăng len ) - Công và nhiệt đều là hàm của quá trình và có thể thể chuyển hóa lẫn nhau
I. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1. Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi bằng tổng công mà hệ sinh ra và độ biến thiên nôi năng của hệ trong quá trình biến đổi đó. Q = ∆U + A , ∆U = U2 – U1 Trong một biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức được viết lại là: δQ = dU + δA Quy ước: + Nếu A > 0 hệ sinh công, A < 0 hệ nhận công + Nếu Q > 0 hệ nhận nhiệt, Q < 0 hệ tỏa nhiệt. + Nếu ∆U > 0 nội năng của hệ tăng, ∆U < 0 nội năng của hệ giảm.
2. Hệ quả - Chu trình ( quá trình kín): U2 = U1 → ∆U = 0 Q=A ( nguyên lý I) Hệ nhân công (A < 0 ), hệ sẽ tỏa nhiệt (Q
- Hệ cô lập : A=Q=0 ∆U = 0 hay U2 = U1 ( nguyên lý I) Nghĩa là “ nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn” - Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau: Q = Q1 + Q2 = 0 → Q1 = - Q2 Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia nhận được.
III. ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – NHIỆT DUNG RIÊNG 1. Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng + Trạng thái cân bằng : là trạng thái mà hệ không biến đổi theo thời gian ( mọi thông số trạng thái ở đó là hoàn toàn xác định) và nếu không có tác dụng bên ngoài thì trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi. + Quá trình cân bằng: Là quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng Thực tế: quá trình vô cùng chậm ⇔ cân bằng ( chuẩn cân bằng)
2. Công mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng: Áp lực chất khí = tải trọng  Quá trình đủ chậm = quá trình cân bằng. Lấy từ từ ít viên đạn chì ra: Pittông dịch chuyển lên một đoạn dx với lực đẩy F . + Công mà khí sinh ra trong quá trình là: δA = F dx δA = (pS) dx , S.dx = dV ⇔ δA = p.dV + Quá trình từ trạng thái (1) ⇒ (2): V2 A =∫ δ = ∫ p. dV A ,p~V V1 + Nếu p = const ⇒ A = p (V2 – V1)
+ Biểu diễn bằng đồ thị: Trạng thái cân bằng = một điểm. Quá trình cân bằng = đường cong liên tục. p p C1 C2 P C2 C1 S S O v O v v1 v2 V1 V2 dv dv A=S>0 A=-S0
3. Nhiệt lượng mà quá trình nhận được trong quá trình cân bằng – Nhiệt dung: Nhiệt lượng δQ mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng δQ = mc. dT (J ) m (kg) : khối lượng hệ. dT :độ biến thiên nhiệt độ δQ - Nhiệt dung riêng c= ( nhiệt lượng cần thiết để một m , dT đơn vị khối lượng (kg) của hệ nhận được để đưa nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ ) T2 Q = mcdT ,c~T T1 Nếu c = const ⇒ Q = mc (T2 −T1 ) J - Nhiệt dung riêng phân tử : C = μ c ( là nhiệt KmoloK. lượng mà 1 kmol chất khí nhận được để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ)
m Vậy: δ = Q CdT µ -Aån nhiệt (nhiệt chuyển pha) L: Là nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng một chất thay đổi trạng thái hoàn toàn. Vậy nhiệt lượng Q cần thiết để thay đổi trạng thái của một khối lượng m là: Q = mL - Nhiệt độ chuyển pha : Nhiệt độ tại đó, hệ thay đổi trạng thái -Aån nhiệt và nhiệt độ chuyển pha phụ thuộc vào áp suất
Bây giờ ta tính A , Q và ∆ U trong các quá trình . 4. Trong quá trình đẳng tích: - V = const. ⇒ dV = 0 ⇒ δA = p dV = 0 nguyên lý I δQv = dU (*) hay Qv = ∆ U - Vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng độ tăng nội năng của hệ. Từ (*) ⇒ m m i Cv dT = R dT ⇒ µ µ 2 (nhiệt dung phân tử đẳng tích) i Cv = R 2
5. Trong quá trình đẳng áp - p = const. ⇒ dp = 0 ⇒ δA = pdV = pdV+ Vdp = d(pV) - Nguyên lý I : δQp = dU + δA = dU + d(pV) (**) ⇔ = d(U + pV). ⇔ δQp = dH. Hay Qp = ∆ H (H = U + pV Enthalpie của hệ , là hàm của trạng thái) Vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng áp bằng độ tăng Enthalpic của hệ
Để ý : pV = m RT ⇒ d(pV) = m RdT µ µ m mi m Từ (**): C pdT = RdT + RdT µ µ 2 µ ⇒ i (nhiệt dung phân tử đẳng áp) C p = ( + 1) R 2 ⇒ Cp = Cv + R Hay: Cp – Cv = R ( hệ thức Mayer.) m i + ∆U = Qp - A hoặc ∆U = R ∆T µ 2 m + p = const ⇒ A = p (V2 – V1) = R (T2 −T1 ) µ
Chú ý: Cv, Cp trên chỉ mang tính chất gần đúng - Nhiệt độ thấp nó thay đổi (giảm) theo nhiệt độ. - Phân tử gồm nhiều nguyên tử thì càng sai lệch với thực nghiệm . 6. Trong quá trình đẳng nhiệt - T = const. ⇒ dT = 0 ⇒ dU = 0. - Nguyên lý I δQT = δAT hay QT = AT vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được đều biến thành công mà hệ sinh ra. V 2 AT = p.dV V1 QT = V2 m dV m V AT = RT ∫ = RT ln 2 µ V µ V1 V1 Vì P1V1 = P2 V2 m P A T = RT ln 1 µ p2
7. Trong quá trình đoạn nhiệt - δQq = 0 hay Qq = 0 - Nguyên lý I, δAq = - dU (***) hay Aq = - ∆ U Vậy công mà hệ sinh ra bằng độ giảm nội năng của hệ. - Ta thấy rằng: khi hệ dãn nở đoạn nhiệt (sinh công) thì lạnh đi (tức nội năng giảm). Ngược lại, khi hệ bị nén đoạn nhiệt thì nóng lên . Từ (***) : m i − pdV = C v dT vôùi v = C R ⇔ µ 2 dV Vì m RT −RT = vdT C P= V µ V ⇔ dT R dV + =0 T Cv V R Cp − CV C p Với = = − 1= γ − 1 dT dV CV CV CV +(γ −1) =0 ⇔ T V γ = Cp/Cv : hệ số Poisson hay chỉ số đoạn nhiệt
Tích phân hai vế ta đượcù: lnT + (γ - 1) lnV = const ⇔ lnT + lnV γ -1 = const ⇔ ln (TV γ -1) = const ⇔ TV γ - 1 = const m Từ PV = RT ⇒ pVγ = const (phương trình Poisson) µ 1−γ T. p γ = const p P2 2 ’ ’ 1 2 p v2’ v1 v v2 p2
−m i -Công Aq =−∆U = R ∆T µ 2 V2 -Ngoài ra Aq = p . dV V1 V2 V2 γ dV γ dV Ta có: pV γ = p1 V1γ ⇒ A q = ∫ p1V = p1V ∫ 1 1 V1 Vγ V1 V γ γ p1V1 1−γ 1−γ ⇒ Aq= (V −V ) 1−γ 2 1 p V −p V1 γ γ Tương tự p1V1 = p2 V2 ⇒ Aq= 2 2 1 1 −γ