Các nguyên lí của nhiệt động lực học

Nguyên lý I Nhiệt động lực học

Phát biểu nguyên lý

Nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bản loàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Sau đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí này.

Độ biên thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

ΔU = A + Q      

Với quy ước về dấu thích hợp, biểu thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng khác như vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu nhiệt và thực hiện công…

Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau. Sau đây là quy ước về dấu của nhiệt lượng và công

• Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng;
• Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng;
• A > 0: Hệ nhận công;
• A < 0: Hệ thực hiện công.

Ví dụ: Khi cung cấp cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra đẩy pittông lên và thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng là bao nhiêu?

DU = Q – A = 120-90 = 30J.

Vận dụng

Trong hệ toạ độ (p, V), quả trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông gốc với trục thể tích (hình 33.2/176)

Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biểu thức của nguyên lí thứ nhất của NĐLH có dạng:

ΔU = Q

Ý nghĩa vật lí của biểu thức trên:

– Vì trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1, nên để chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, chất khí phải nhận nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của chất khí tăng (ΔU > 0).

– Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng.

Nguyên lý II Nhiệt động lực học

Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh nóng lên. Trong quá trình này, năng lương được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của mình và của không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, nghĩa là không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Tại sao?

Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

a) Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bảng rồi thả ra, con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A.

Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác. Quá trình này xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch.

b) Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên ấm nước không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể tự truyền theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện quá trình ngược” phải dùng một “máy làm lạnh”, nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác.

Trong thí dụ nêu ở phần vào bài, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng, nhưng nội năng lại không thể tự chuyển hoá thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này cũng là quá trình không thuận nghịch.

Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH.

Như vậy, trong NĐLH nguyền lí thứ nhất chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra.

Nguyên lí II nhiệt động lực học

Nguyên lí thứ hai của NĐLH cho biết chiều mà quá trình có thể tự xảy ra hoặc không thể tự xảy ra. Sau đây là hai cách phát biểu đơn giản nhất.

a) Cách phát biểu của Clau-đi-út

Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.

Mệnh đề trên được Clau-đi-út (Clausius), nhà vật lí người Đức, phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của NĐLH. Mệnh đề này không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, chỉ khẳng định là điều này không thể tự xáy ra được.

b) Cách phát biểu của Cac-nô

Chúng ta đã biết, trong động cơ nhiệt chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp được chuyển thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi trường bên ngoài. Cac-nô (Carnot), nhà vật lí người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng trên trong mệnh đề:

Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.

Chú ý: Người ta có thể chứng minh được hai cách phái biểu trên của nguyên lí thứ hai của NĐLH là tương đương.

Vận dụng

Nguyên lí thứ hai của NĐLH giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ,…

Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng.

Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là:

+ Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1).

+ Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A) gọi là tác nhân và các thiết bị phát động.

+ Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra (Q2).

Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là:

trong đó, với Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh.

Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học.

Trên đây là những kiến thức liên quan đến các nguyên lí của nhiệt động lực học do Luật Trẻ Em đã tổng hợp và chia sẻ đến các bạn. Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ cung cấp cho các bạn những kiến thức bổ ích nhé!

Đăng bởi: Trường Tiểu học Thủ Lệ

Chuyên mục: Tổng hợp