A. MỞ ĐẦU
“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một phần quan trọng của chuyên
ngành phương pháp dạy học nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến
thức và cách thể hiện nội dung kiến thức đó trong sách giáo khoa vật lí, tức là nắm được
ý đồ của tác giả giáo khoa và cách tổ chức dạy cho học sinh một số kiến thức cụ thể.
Cở sở của nhiệt động lực học gồm có bốn nguyên lí rút ra từ thực nghiệm:
nguyên lý số không dẫn đến sự tồn tại của nhiệt độ; nguyên lý thứ nhất là định luật bảo
toàn năng lượng; nguyên lý thứ hai xác định chiều diễn biến của các quá trình nhiệt
động lực học; nguyên lý thứ ba (nguyên lý Nernst) khẳng định rằng không thể đạt tới
không độ tuyệt đối. Trong phần “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở chương trình vật lý
phổ thông chỉ đề cập đến nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai. Những nguyên lý của
nhiệt động lực học có tính chất rất tổng quát, nên ngày nay người ta ứng dụng có hiệu
quả lớn trong việc nghiên cứu các quá trình vật lí và hoá học, các tính chất của vật liệu
và bức xạ.
Để nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngoài
phương pháp động học phân tử, người ta còn dùng phương pháp nhiệt động lực học.
Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử
mà khảo sát các hiện tượng xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng
lượng đi kèm với các hiện tượng ấy. Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được
phát sinh do khảo sát sự biến đổi năng lượng chuyển động nhiệt thành cơ năng để chạy
các máy phát động lực (máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng…) vì vậy nên có tên
gọi là phương pháp nhiệt động lực học.
Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa trên hai nguyên lý cơ bản được rút ra từ
thực nghiệm gọi là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học. Nhờ các
nguyên lý này, không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của vật, ta cũng có thể rút ra nhiều kết luận
về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau. Nhằm hiểu sâu hơn nội dung kiến
thức của phần “cơ sở của Nhiệt động lực học”, trong tiểu luận này tôi đi sâu nghiên cứu
những kiến thức cơ bản của phần“cơ sở của Nhiệt động lực học”.


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1



Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Thực ra đây chỉ là thang đo thực nghiệm dựa vào sự dãn nở của các chất.
Thông thường dùng thang nhiệt độ Celsius ( 0C), trong thang nhiệt độ này nhiệt
độ có thể âm, bằng không hoặc dương. Nhiệt độ thấp nhất là – 273 0C. Trong
tính toán người ta thường dùng thang nhiệt độ Kelvin (T 0K). Liên hệ giữa t0C
và T0K như sau: T0K = t0C + 237. Như vậy, - 273 0C ứng với 00K. Thành thử
nhiệt độ tuyệt đối T không thể âm
a. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng [7]
Chất khí mà sự tương tác giữa các phân tử là nhỏ không đáng kể và kích
thước riêng của các phân tử có thể bỏ qua gọi là khí lý tưởng. Người ta hay dùng
mô hình chất khí lý tưởng vì nó có các tính chất đơn giản nhất. Tuy nhiên thực
tế không tồn tại chất khí hoàn toàn lý tưởng, nhưng các khí thực khi khá loãng
có các tính chất gần với khí lý tưởng. Quan sát và thí nghiệm cho thấy, các chất
khí gần với khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái sau đây (gọi là
m

phương trình trạng thái khí lý tưởng) pV = µ RT

(1)

Trong đó:
m: khối lượng của khối khí; µ là khối lượng của một kmol (hay khối
lượng phân tử kilogam); p là áp suất; V là thể tích; T là nhiệt độ tuyệt đối
R = 8,31.103 J/kmol.K là hằng số khí
Khi lượng khí bằng một Kmol, m = µ , thì phương trình (1) có dạng
pV µ = RT


A
kB =

8,31.103 ( J / Kmol.K )
= 1,38.10−23 ( J / K )
26
6, 023.10 (1/ Kmol )

Phương trình (4) bây giờ có dạng pV = Nk BT
hay p = nk BT
Trong đó n =

(6)
(7)

N
là số phân tử khí trong một đơn vị thể tích. Các phương
V

trình (1), (6) và (7) là các dạng khác nhau của phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
b. Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí [7]
Theo quan điểm của thuyết động học phân tử: mọi chất dù là khí, lỏng hay
rắn đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử. Các phân tử chuyển động hỗn
loạn không ngừng. Đối với các chất khí thì thuyết động học phân tử còn giả
thuyết thêm các phân tử khí có thể coi như các chất điểm chuyển động tự do,
không tương tác nhau trừ những khi va chạm. Các phân tử khí khi va chạm lên
thành bình gây nên áp suất. Các va chạm giữa các phân tử và giữa các phân tử
với thành bình được giả thuyết là các va chạm đàn hồi.
Ta xét một chất khí gồm N phân tử đựng trong một các bình hình lập
phương có cạnh a. Ta lấy một diện tích nhỏ ∆S của thành bình và tính số va đập

(8)

N
là số phân tử trong một đơn vị thể tích. Vì va chạm giữa
V

phân tử và thành bình là va chạm đàn hồi nên sau khi va chạm động lượng của
mỗi phân tử biến thiên một lượng ∆p = −mv − (mv) = −2mv . Theo định lý về động
lượng thì độ biến thiên động lượng của một vật trong thời gian nào đó bằng
xung lượng của ngoại lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó
∆p = fb .∆t

Ta có fb .∆t = −2mv suy ra fb = −

(9)

2mv
. Theo định luật III Niutơn, mỗi
∆t

phân tử tác động lên thành bình một lực f = − f b =

2mv
. Do đó lực nén vuông
∆t

góc của các phân tử lên bề mặt ∆S là
F = ( ∆n) f =

2mv


N

∑v
i =1

2
i

v2

(11)

với vi là độ lớn vận tốc của phân tử thứ i.
1
3

2 mv 2
3 2

Ta viết lại (10): p = nmv 2 = n

(11)

Khối lượng của tất cả các phân tử theo giả thuyết là như nhau. Do đó có
thể đưa nó vào trong dấu trung bình

mv 2 mv 2
=
= Wd

nhiệt độ: nhiệt độ là thông số vĩ mô phản ánh mức độ vận động của các phân tử
cấu tạo nên các vật. Vật càng nóng thì chuyển động nhiệt càng mãnh liệt.
III.1.2. Nội năng
a. Định nghĩa
Nội năng là một trong những khái niệm cơ sở của Nhiệt động lực học. Khái niệm
nội năng ra đời và phát triển gắn liền với nguyên lý I của Nhiệt động lực học.
Trong vật lí hiện đại, người ta hiểu nội năng là tập hợp tát cả các dạng
năng lượng ( trừ cơ năng của toàn bộ hệ) có trong hệ đang xét.
Năng lượng toàn phần của một hệ bao gồm động năng của hệ liên quan
đến chuyển động có hướng của toàn bộ hệ, thế năng của hệ trong trường ngoài
và nội năng của hệ

∆W = Wđ + Wt + U

Thuyết động học phân tử đã làm rõ bản chất của khái niệm nội năng.
Ngày nay, người ta hiểu nội năng bao gồm:
- Động năng của các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử .
- Thế năng tương tác của các phân tử quy định bởi các lực phân tử giữa chúng.
- Năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử.
- Năng lượng của các võ điện tử của nguyên tử.
- Năng lượng hạt nhân.
- Năng lượng bức xạ điện từ.
Tuy nhiên, trong NĐLH người ta không quan tâm đến toàn bộ nội năng
của vật mà chỉ chú ý tới biến thiên nội năng của vật khi vật chuyển từ trạng thái
6


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

nhiệt này sang trạng thái nhiệt khác. Trong quá trình chuyển trạng thái này chỉ



Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

- Nhiệt năng là năng lượng của chuyển động nhiệt, nghĩa là động năng của chuyển
động của các phân tử cấu tạo nên vật. Theo cách hiểu này thì nhiệt năng là một phần của nội
năng. Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng.
b. Các cách làm biến đổi nội năng của hệ
Vì nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ nên nếu ta làm thay
đổi nhiệt độ và thể tích của hệ thì nội năng thay đổi. Vậy hai cách làm thay đổi
nội năng của hệ là thực hiện công và truyền nhiệt lượng.
* Thực hiện công
Khi bơm xe đạp bằng bơm tay, ta thấy bơm bị nóng lên. Điều đó chứng tỏ
không khí trong bơm đã nóng lên, nghĩa là nội năng của không khí đã biến thiên
do ta thực hiện công.
Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
Ví dụ:
- Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
- Ấn pittông trong một xilanh chứa khí xuống thì thể tích của khí trong
xilanh giảm đồng thời khí nóng lên tức nội năng của khí đã biến đổi.
* Truyền nhiệt lượng
Có thể làm cho không khí trong bơm nóng lên bằng cách hơ nóng thân bơm
và làm cho miếng kim loại nóng lên bằng cách thả nó vào nước nóng. Khi đó nội
năng của không khí hay miếng kim loại tăng lên không do thực hiện công mà do
truyền nhiệt lượng.
Ví dụ:
- Thả miếng đồng vào nước nóng. Sau một thời gian miếng đồng nóng
lên có nghĩa là nội năng của nó đã biến đổi.

về nhiệt độ. Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách chuyển hóa
giữa năng lượng có hướng (thế năng, động năng định hướng trên tầm vĩ mô) và
năng lượng hỗn loạn, qua các quá trình vĩ mô như thực hiện công năng lên vật
hoặc trao đổi nhiệt vĩ mô vào vật hoặc các quá trình vi mô như các phản ứng hóa
học (như sự cháy), phản ứng hạt nhân (như phản ứng tổng hợp hạt nhân bên
trong Mặt Trời), sự ma sát giữa các electron với mạng tinh thể (trong bếp điện)
hay ma sát cơ học. Nhiệt có thể được trao đổi qua các quá trình bức xạ, dẫn

9


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

nhiệt hay đối lưu. Lượng nhiệt năng dự trữ hay chuyển tải trên các vật còn gọi là
nhiệt lượng và thường được ký hiệu trong các tính toán bằng chữ Q.
Ta sẽ quy ước coi nhiệt Q là dương (Q > 0) nếu đó là nhiệt do hệ nhận
vào, coi nhiệt Q là âm (Q < 0) nếu bản thân hệ tỏa nhiệt. Nhiệt là một hình thức
trao đổi năng lượng nhưng nhiệt cũng không phải là năng lượng. Nhiệt chỉ xuất
hiện trong một quá trình biến đổi trạng thái của hệ, nhiệt cũng là một hàm của
quá trình. Nhiệt được tính theo đơn vị calo hoặc Jun : 1 cal =4,18 J
Như vậy, ta thấy rằng công và nhiệt đều là những đại lượng đặc trưng cho
mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ. Tuy có sự khác nhau giữa công và
nhiệt nhưng chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và có sự chuyển hoá lẫn
nhau: công có thể biến thành nhiệt và ngược lại. Ví dụ: khi cọ sát hai vật, chúng
nóng lên tương tự như chúng đã nhận nhiệt; khi đốt nóng một vật, nghĩa là
truyền nhiệt cho vật thì vật nóng lên, nội năng của vật thay đổi nhưng đồng thời
vật dãn nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công làm cho vật dãn nở.
Vì sự thực hiện công và quá trình truyền nhiệt lượng đều là những cách
làm biến đổi nội năng của vật nên chúng tương đương nhau. Việc tìm ra sự
tương đương này là một sự kiện quan trọng đối với khoa học và kĩ thuật, đặc


m

µ

(C =µc )

C ∆T

với C là nhiệt dung phân tử của chất cấu tạo nên vật (J/mol.K), µ là khối
lượng của một mol chất (kg/mol).
Q=

Nếu vật biến đổi đẳng tích thì

m
C V ∆T với CV là nhiệt dung
μ

phân tử đẳng tích.
Nếu vật biến đổi đẳng áp thì

Q=

m
C P ∆T
μ

với CP là nhiệt dung


tương tác với nhau và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời có định hướng
của vật (hay một phần của vật).
* Sự truyền nhiệt : là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa
các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên các vật đang tương tác.
Như vậy, sự truyền nhiệt cho hệ chỉ là sự truyền cùng một dạng năng
lượng (năng lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử) từ nơi này đến
nơi khác và trực tiếp dẫn đến sự tăng nội năng của hệ được truyền nhiệt lượng.
Còn sự thực hiện công đối với hệ thì có thể là sự truyền cùng một dạng năng
lượng bất kì nào đó (trừ sự truyền năng lượng chuyển động nhiệt) từ nơi này đến
nơi khác hay có thể là sự biến đổi giữa những dạng năng lượng khác nhau và
trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ (động năng, thế
năng, nội năng…).[3]
* Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng
giữa các hệ nhưng công liên quan đến chuyển động có trật tự còn nhiệt liên quan
đến chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ.[3]
* Phân biệt sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công

12


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

+ Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động và tương tác của
vật chất. Năng lượng luôn tồn tại cùng vật chất. Năng lượng là hàm trạng thái.
Ví dụ:
Cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho
chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt),…
+ Công và nhiệt không phải là những dạng năng lượng mà là những phần
năng lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác với nhau. Công và nhiệt chỉ
xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Vì vậy công và nhiệt là



Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

c. Đối với hệ cô lập
Hệ cô lập thì không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài. Ta có A = Q =
0. Do đó, ΔU = 0 hay U = const. Vậy, nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.
Nếu hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và giả sử Q 1, Q2 là
nhiệt lượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì Q1 + Q2 = Q = 0 hay Q1 = – Q2.
Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà
vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia đã thu vào.
Ví dụ: Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh thì nhiệt
lượng mà miếng đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào.
d. Đối với hệ biến đổi theo chu trình
Sau một chu trình, hệ trở về trạng thái ban đầu, ta có ΔU = 0 hay U =
const. Vậy, nội năng của hệ biến đổi theo chu trình được bảo toàn.
Từ biểu thức của NLI suy ra A + Q = 0 hay A = – Q
Do đó, 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 được
từ bên ngoài.
Phát biểu nguyên lý I theo cách khác: không thể thực hiện được động cơ
vĩnh cửu loại một (động cơ vĩnh cửu loại một là loại động cơ có thể sinh công
mà không cần tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc chỉ tiêu thụ một phần năng
lượng ít hơn công sinh ra).
Nếu hệ nhận công A > 0 thì hệ sẽ toả nhiệt Q < 0. Muốn sinh công A 0
Không thể có một động cơ sinh công mà không cần thu năng lượng. Động
cơ có thể sinh công mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng được gọi là
động cơ vĩnh cửu loại một. Nguyên lý I cho thấy không thể nào chế tạo được
động cơ vĩnh cửu loại một.


Trong quá trình đẳng tích ∆V = 0 nên công mà khối khí nhận vào trong
V2

quá trình này A = − ∫ pdV = 0
V1

Nhiệt mà khối khí nhận vào:
T

m 2
m
m
Q = ∫ δ Q = CV ∫ dT = CV ( T2 − T1 ) hay Q = CV ∆T
µ
µ T1
µ

Độ biến thiên nội năng ∆U = Q + A ⇒ ∆U = Q
Vậy: trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng
để làm tăng nội năng của khí.
* Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất không đổi
Ví dụ: Nung nóng một lượng khí chứa trong xilanh có pittông đóng kín.
Trong hệ toạ độ p – V, quá trình này được biểu diễn bằng một đoạn thẳng
song song với trục OV. Đoạn 1 – 2 ứng với quá trình giãn đẳng áp.
15


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Trong hệ toạ độ p – V, quá trình này được biểu diễn bằng một cung
đường cong hyperbol. Đoạn 1 – 2 ứng với quá trình giãn đẳng nhiệt.
p
p1

1

p2
0

A’
V1

16

Hình 7

2
V2

V


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Trong quá trình đẳng nhiệt, nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ nên ∆U = 0
Công mà khí nhận được A = − A' ≠ 0
V


1

Nhiệt lượng mà khí nhận được
Từ (23) ta được Q = A'
Vậy, Trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được
chuyển hết sang công mà khí sinh ra.
* Quá trình đoạn nhiệt
Một quá trình được gọi là đoạn nhiệt nếu như trong đó hệ cách nhiệt với
bên ngoài δ Q = 0 hay Q = 0
Phương trình đoạn nhiệt pV γ = const , nghĩa là p1V1γ = p2V2γ cho trạng thái
1 và trạng thái 2
Ví dụ: quá trình nén, dãn khí trong một bình có vỏ cách nhiệt lý tưởng.
Trong hệ toạ độ p – V, quá trình này được biểu diễn bằng đường cong có
độ dốc hơn trrong quá trình đẳng nhiệt. Đoạn 1 – 2 ứng với quá trình giãn đoạn nhiệt.
p
1

p1
p2

2

0

V1

V2

Hình 8
Do quá trình đoạn nhiệt nên Q = 0

p
=
p
∫ γ
1 1
1
V
V1 V

1− γ

p1V1γ
p1V1γ  V 
1− γ
1− γ
V2 − V1  =
A=
 ÷ − 1
γ −1
γ − 1  V 


Hoặc thay p1V1γ = p2V2γ ta được: A =

p2V2 − p1V1
γ −1

Độ biến thiên nội năng của khối khí: ∆U = Q + A ⇒ ∆U = Q
Vậy: trong quá trình đoạn nhiệt Q = 0, độ biến thiên nội năng của hệ
đúng bằng công mà khối khí nhận vào [2]



Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Ta có thể tóm tắt các biểu thức chính trong các quá trình cân bằng của khí
lý tưởng
Quá trình
Đẳng tích
Đẳng áp

Dữ kiện
p
= const
T
V
= const
T

A
A=0
A = − p(V2 − V1 )

Q
m

Q = µ CV ∆t
m

Q = µ C p ∆t


A=

p2V2 − p1V1
γ −1

Q=

V
m
RT ln 2
µ
V1

Q=0

∆U = A + Q
m
∆U = CV ∆t

µ

∆U =

m
CV ∆t
µ

∆U = 0

∆U =

nhưng có những quá trình diễn ra trong thực tế mà nguyên lý I không giải thích
được. Ví dụ cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau chúng sẽ trao
đổi nhiệt. Nguyên lý I chỉ đòi hỏi vật này cho bao nhiêu thì vật kia nhận bấy
nhiêu nhiệt mà không thể chỉ ra rằng nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hoặc
từ vật lạnh sang vật nóng. Nhưng trong thực tế vật chỉ truyền từ vật nóng sang
vật lạnh, quá trình truyền ngược lại không thể tự nó xảy ra.
Ví dụ: Xét một hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau. Khi đặt hai
vật tiếp xúc với nhau thì chúng sẽ trao đổi nhiệt với nhau
Theo nguyên lý I thì nhiệt lượng mà vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà
vật kia thu vào. Trong hệ có thể xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang
vật lạnh hoặc từ vật lạnh sang vật nóng
Thực tế trong hệ trên chỉ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang
vật lạnh.
Như vậy, nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến của quá trình thực tế
xảy ra và không đề cập tới vấn đề chất lượng của nhiệt. Thực tế cho thấy nhiệt
lượng nhận được từ môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng hơn nhiệt lượng
nhận được ở môi trường có nhiệt độ thấp (ví dụ nhiệt lượng thu được từ 1 kg
than đá khác với nhiệt lượng thu được từ 1 kg gỗ).
Mặt khác, nguyên lý I chưa nêu lên sự khác nhau trong quá trình chuyển
hóa giữa công và nhiệt lượng. Theo nguyên lý I thì công và nhiệt là tương
đương nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau. Thực tế chứng tỏ rằng công có thể
chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt lượng nhưng nhiệt lượng chỉ có thể chuyển
hóa một phần thành công.
III.2.2.Định luật thứ II của nhiệt động lực học (nguyên lý II NĐLH)
Nguyên lý II của NĐLH khắc phục những hạn chế của nguyên lý I và
đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các máy nhiệt.
III.2.2.1. Các khái niệm

20


2. Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác
nhân và các thiết bị phát động.
3. Nguồn lạnh để thu nhiệt do tác nhân toả ra.
Máy nhiệt được chia làm hai loại: động cơ nhiệt và máy lạnh.
* Động cơ nhiệt

21

A


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Động cơ nhiệt là một máy hoạt động tuần hoàn biến nhiệt thành công.
Ví dụ: máy hơi nước, các loại động cơ đốt trong.
Thực tế cho thấy động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu nó làm việc giữa hai
(hay nhiều) nguồn nhiệt. Thông thường một động cơ nhiệt hoạt động giữa hai
nguồn nhiệt (ví dụ lò nung và bình ngưng trong máyhơi nước) gọi là nguồn nóng
và nguồn lạnh. Chất vận chuyển (hơi nước, không khí khô, khí cháy, …) biến
nhiệt thành công gọi là tác nhân. Nguồn nhiệt là một hệ bên ngoài đối với tác
nhân. Trong nhiệt động lực học nguồn nhiệt được coi là rất lớn so với tác nhân,
có nhiệt độ không đổi nó nhường nhiệt hoặc nhận nhiệt nhưng nhiệt độ của nó
luôn luôn không đổi.
Trong động cơ nhiệt làm việc giữa hai nguồn nhiệt, tác nhân nhận được
trong mọi chu trình một lượng nhiệt Q 1 lấy từ nguồn nóng ở nhiệt độ T 1 chuyển
một phần nào đó ra công A’; phần nhiệt còn lại Q2’ nhường cho nguồn lạnh ở
nhiệt độ T2 ( với T2 < T1)
Nguồn nóng
T1
Q1

∆U = A + Q = 0 hay − A' + Q1 − Q2' = 0 ⇒ A' = Q1 − Q2'

Khi đó

η=

Q1 − Q2'
Q'
= 1− 2
Q1
Q1

(25)

Hiệu suất của các động cơ nhiệt trong thực tế thường nằm trong khoảng
25% - 45%
Động cơ đốt trong ra đời vào cuối thế kỉ XIX. Năm 1867, động cơ nổ bốn
kì đầu tiên do Ni-co-lai Ốt-tô chế tạo đưa ra thử nghiệm và ba mươi năm sau thì
đến lượt động cơ điêzen. [8]
Nguồn nóng là nhiên liệu cháy trong xilanh vào cuối kì nén.
Nguồn lạnh là vỏ nước bao quanh xilanh và không khí làm nguội khí thải
ra từ xilanh ở kì thoát khí.
Tác nhân là hoà khí (gồn hỗn hợp không khí và hơi nhiên liệu)

Hình 11: Sơ đồ hoạt động của động cơ nổ bốn kì
- Kì thứ nhất: Hút nhiên liệu. Pittông chuyển động xuống dưới. Van hút
mở, van xả đóng, hôn hợp nhiên liệu được hút vào xilanh. Cuối kì này xilanh đã
chứa đầy hỗn hợp và van hút đóng lại.
- Kì thứ hai: Nén nhiên liệu. Pittông chuyển động lên phía trên nén hỗn
hợp nhiên liệu trong xilanh.

24


Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1

Nguồn nóng T1
Q’1
Tác
nhân
Q2

A

Nguồn lạnh T2
Sơ đồ hoạt động của máy lạnh
Người ta xác định hiệu năng của máy lạnh bằng tỉ số giữa nhiệt Q 2 lấy ra
từ nguồn lạnh và công tiêu thụ ε =

Q2
A

(26)

Vì Q1' = Q2 + A trong đó Q1’ là nhiệt lượng mà tác nhân tỏa ra cho nguồn
Q

2
nóng nên ta có thể viết ε = Q ' − Q
1
2