CHƯƠNG 10 : NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC
I. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ CÁC QÚA TRÌNH NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC.
1. Trạng thái cân bằng
2. Quá trình chuẩn cân bằng
3. Quá trình thuận nghịch
II. NĂNG LƯỢNG CHUYỂN ÐỘNG NHIỆT VÀ NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG .
1. Ðịnh luật phân bố đều năng lượng Boltzmann
2. Năng lượng chuyển động nhiệt của chất khí mà phân tử gồm nhiều nguyên tử
III. LIÊN QUAN GIỮA NHIỆT LƯỢNG VÀ CÔNG CƠ HỌC
IV. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC
1. Nguyên lý bảo toàn và biến hóa năng lượng
2. Nội năng là một hàm số đơn gía của trạng thái
3. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học
V. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
1. Nhiệt dung riêng đẳng tích
2. Nhiệt dung riêng đẳng áp
3. Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích
4. Ðơn vị đo nhiệt dung riêng
VI. ỨNG DỤNG ÐỊNH LUẬT 1 ÐỂ TÍNH CÔNG .
VII. NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC
VIII. KHÁI NIỆM ENTROPY
IX. ÐỊNH LÝ NERNST
X. CÁC THẾ NHIỆT ÐỘNG
Ưu điểm của phương pháp động học phân tử là đi sâu vào bản chất hiện tượng nhưng nó cũng
gặp phải những nhược điểm như tính chất gần đúng của những kết quả định lượng và sự phức tạp của công
việc tính toán. Phương pháp nhiệt động lực học không khảo sát chi tiết hiện tượng xảy ra mà chỉ tính sự
biến đổi năng lượng trong những hiện tượng ấy. Phương pháp này được phát sinh từ sự khảo sát sự biến đổi
nhiệt năng thành cơ năng để chạy các máy phát động lực như máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng,
nên có tên gọi là phương pháp nhiệt động lực học. Các nguyên lý nhiệt động lực học này rất cần thiết cho kỹ
thuật cũng như cho việc nghiên cứu khoa học nói chung.
(vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn. Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp
nhiệt ổn định từ các nguồn.
Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Ðó là
trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi,
trong hệ không xảy ra các quá trình như dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha.v.v...
2. Quá trình chuẩn cân bằng
TOP
Khi một hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một chuổi các trạng thái nối tiếp nhau
xảy ra, tạo nên một quá trình. Những trạng thái nối tiếp nhau này là những trạng thái cân bằng vì sự biến
thiên của các thông số trạng thái theo thời gian là đủ chậm so với khoảng thời gian giữa hai trạng thái kế
tiếp được chọn tuỳ ý .Một quá trình diễn biến vô cùng chậm như thế được gọi là quá trình chuẩn cân bằng
(chuẩn tĩnh) và có thể coi nó là một dãy nối tiếp các trạng thái cân bằng.
Những quá trình xảy ra trong thực tế không phải là những quá trình chuẩn cân bằng nhưng nếu
chúng xảy ra càng chậm bao nhiêu thì càng gần đúng là quá trình chuẩn cân bằng bấy nhiêu.
3. Quá trình thuận nghịch
TOP
Trong nhiệt động lực học, không những chúng ta chỉ xét quá trình nói chung mà ta cần chú ý
đến cả chiều diễn biến của quá trình. Vì thế dưới đây ta sẽ xét khái niệm quá trình thuận nghịch.
Quá trình thuận nghịch là quá trình diễn biến theo cả hai chiều, trong đó nếu lúc đầu quá trình
diễn ra theo một chiều nào đó (chiều thuận) rồi sau lại diễn ra theo chiều ngược lại để trở về trạng thái ban
đầu thì hệ đi qua mọi trạng thái giống như lúc hệ diễn biến theo chiều thuận và khi hệ đã trở về trạng thái
ban đầu thì không gây ra một biến đổi gì cho ngoại vi.
Mọi quá trình thuận nghịch đều là quá trình chuẩn cân bằng. Ta có thể biểu diễn quá trình thuận
nghịch trên đồ thị bằng một đường cong liền nét như đối với quá trình chuẩn cân bằng.
Mọi quá trình thực do diễn biến nhanh hoặc vì bao giờ cũng có sự tỏa nhiệt do ma sát nên
chúng đều không phải là quá trình thuận nghịch. Trong trường hợp này khi hệ trở lại trạng thái ban đầu thì
quá trình đã gây ra một sự biến đổi cho ngoại vi và quá trình bao gồm một dãy các trạng thái không cân
bằng. Những quá trình này gọi là quá trình không thuận nghịch. Nếu chúng xảy ra càng chậm và càng ít ma
sát thì chúng càng gần đúng với quá trình thuận nghịch và các qúa trình đó đều là những quá trình đã được
lý tưởng hóa .
khác thì đối với mỗi bậc tự do này cũng sẽ có thành phần động năng trung bình là KT/2.
Trong phạm vi vật lý cổ điển lý thuyết trên đã được chứng minh và được phát biểu một cách
đầy đủ như sau: Nếu hệ phân tử ở trạng thái cân bằng với nhiệt độ T thì động năng trung bình phân bố đều
theo bậc tự do và ứng với mỗi bậc tự do của phân tử thì động năng trung bình là KT/2 . Ðó là định luật của
sự phân bố đều động năng theo bậc tự do hay gọi tắt là định luật phân bố đều năng lượng Boltzmann.
2. Năng lượng chuyển động nhiệt của chất khí mà phân tử gồm nhiều nguyên
tử.
TOP
Trước hết ta xét phân tử có 2 nguyên tử. Phân tử này có thể coi như một hệ gồm 2 nguyên tử
cách nhau một khoảng nào đó (Hình 10.3). Giả sử khoảng cách giữa hai nguyên tử không đổi (trường hợp
này phân tử được coi là phân tử "rắn chắc") .Một hệ như vậy, nói chung, có 6 bậc tự do.
Tóm lại đối với phân tử 2 nguyên tử "rắn chắc" (như H2, O2, N2 v.v...) thì số bậc tự do bằng 5
trong đó 3 bậc tự do ứng với chuyển động tịnh tiến (quy ước gọi tắt là bậc tự do tịnh tiến) và 2 bậc tự do
ứng với chuyển động quay (quy ước gọi tắt là bậc tự do quay). Vậy động năng trung bình của phân tử 2
nguyên tử là:
Ðối với phân tử có 3 hay nhiều nguyên tử liên kết rắn chắc với nhau (như H2O, NH3 v.v...) thì có 3
bậc tự do tịnh tiến và 3 bậc tự do quay, trừ trường hợp các nguyên tử nằm trên cùng đường thẳng, khi đó số
bậc tự do quay chỉ có 2 (giống như đối với phân tử có 2 nguyên tử). Hình vẽ 10.4 nêu thí dụ đối với phân tử
3 nguyên tử rắn chắc. Vậy năng lượng chuyển động nhiệt của lượng khí lý tưởng 3 hay nhiều nguyên tử
gồm N phân tử sẽ là :
Cần chú ý rằng ở nhiệt độ bình thường các nguyên tử trong phân tử coi như không dao động.
Nhưng ở nhiệt độ đủ cao, các nguyên tử sẽ dao động chung quanh vị trí cân bằng. Dao động này được coi
như dao động điều hoà. Cơ học đã cho biết, giá trị trung bình của động năng và thế năng của dao động điều
hoà bằng nhau. Vì vậy nếu trong phân tử mà các nguyên tử dao động điều hoà thì theo định luật phân bố
đều năng lượng, năng lượng ứng với mỗi bậc tự do dao động sẽ gồm 2 phần: một phần năng lượng dưới
dạng động năng có giá trị bằngĠ, một phần năng lượng dưới dạng thế năng có giá trị cũng bằng
KT/2
. Như
vậy năng lượng ứng với 1 bậc tự do dao động không phải là
KT/2
Căn cứ vào bản chất vật lý của nhiệt lượng và công cơ học như đã nêu ở trên thì hai đại lượng này
phải đo bằng cùng đơn vị. Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt lượng cũng giống như đơn vị đo công cơ học. Ðó là
Joule (J). Nhưng trong quá trình phát triển của vật lý học, lúc đầu chưa hiểu được bản chất của các hiện
tượng nhiệt, nên dựa vào thuyết "chất nhiệt" người ta đã quy ước đo nhiệt lượng bằng calo (viết tắt là cal)
tức là nhiệt lượng để làm nóng một gam (g) nước ở áp suất chuẩn (p = 760 mmHg) từ 19,5oC đến 20,5oC.
Ðơn vị nhiệt lượng còn có thể chọn là kcal: 1 kcal = 1000 cal.
Khoảng giữa thế kỷ 19, Joule đã chứng minh bằng thực nghiệm mối liên quan định lượng giữa đơn
vị J và đơn vị cal.
1 cal = 4,18 J.
Ðể biểu thị mối liên quan này, ta định nghĩa đương lượng công của nhiệt là:
I = 4.18 J/cal. (10.16)
Và đương lượng nhiệt của công là
Nhiệt lượng và công cơ học tuy cùng đơn vị nhưng sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công
là hai hình thức truyền năng lượng khác nhau, nên chúng có những điểm khác nhau về mặt định tính. Sự
truyền nhiệt cho hệ là sự truyền 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. Ngược lại, sự thực hiện công lên hệ thì có thể là sự
truyền của cùng một dạng năng lượng bất kỳ nào đó không phải là nhiệt năng từ nơi này đến nơi khác. Cũng
có thể là sự biến đổi giữa những dạng năng lượng khác nhau, trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng
bất kỳ của hệ (động năng, thế năng, nội năng,...)
Bây giờ ta hãy phân tích sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt lượng và công.
Ta đã biết rằng năng lượng là đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động và tương tác của vật
chất. Chẳng hạn cơ năng đặc trưng cho chuyển động động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho chuyển động
hỗn loạn của các phân tử, điện năng đặc trưng cho chuyển động của các hạt mang điện, thế năng hấp dẫn
đặc trưng cho tương tác hấp dẫn giữa các vật thể, thế năng của điện trường đặc trưng cho sự tương tác điện
giữa các vật mang điện v.v...
Vậy ta thấy nhiệt lượng và công không phải là những dạng năng lượng mà chỉ là những phần
năng lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác với nhau khi có sự thay đổi trạng thái . Nhiệt và công
chỉ xuất hiện khi có sự truyền hoặc biến đổi năng lượng còn năng lượng thì luôn luôn tồn tại cùng vật chất.
Trong phần nầy ta sẽ gặp nhiều lần khái niệm "biến nhiệt thành công" (hay ngược lại). Ta
không thể giải thích đó là sự biến đổi nhiệt năng thành cơ năng vì giải thích như vậy là thiếu chính xác. Ta
khai thác phần năng lượng khác nhau đó mà hệ vẫn không thay đổi gì cả (vì trạng thái không đổi) như vậy
có nghĩa là chúng ta thu được năng lượng từ hư vô. Ðiều đó trái với định luật bảo toàn và biến hóa năng
lượng.
3. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
TOP
Bây giờ ta hãy khảo sát trường hợp hệ biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) chỉ do sự trao
đổi nhiệt giữa hệ với ngoại vật và sự thực hiện công của ngoại vật đối với hệ.
Nếu do sự trao đổi nhiệt và thực hiện công của ngoại vật lên hệ mà hệ chuyển từ một trạng thái
xác định nầy sang một trạng thái xác định khác, thì trong mọi cách chuyển có thể xảy ra giữa hai trạng thái
đó, tổng nhiệt lượng trao đổi và công thực hiện là không đổi.
Trong trường hợp hệ thực hiện một quá trình kín (chu trình) nghĩa là sau quá trình biến đổi
trạng thái hệ lại quay trở về đúng trạng thái ban đầu thì ta có:
Từ đấy ta rút ra cách phát biểu nguyên lý thứ nhất cho một chu trình là:
Nếu hệ biến đổi trạng thái theo một chu trình bất kỳ nào đó có thể xảy ra thì tổng nhiệt lượng trao
đổi và công thực hiện trong chu trình đó phải bằng không, nội năng của hệ không đổi.
Hệ thức này nói lên rằng giá trị nội năng của một trạng thái của hệ được xác định sai khác một
hằng số cộng.
Quá trình thiết lập nguyên lý thứ nhất có liên quan chặt chẽ với một vấn đề hấp dẫn trong lịch
sử vật lý là có thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại 1 hay không ? Ðộng cơ vĩnh cửu loại 1đó 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 là công sinh ra. Một động cơ như vậy không thể nào thực hiện được.
Biểu thức giải tích của nguyên lý thứ nhất.
Với một biến đổi rất nhỏ của trạng thái của hệ, ta viết
Biểu thức (10.22) là nội dung của nguyên lý thứ nhất. Khi vận dụng nó để xét các vấn đề cụ thể
ta quy ước như sau:
V. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG.
TOP
Nhiệt dung riêng của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần
cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ thêm 1o.
Để thuận tiện trong việc tính toán người ta còn đưa thêm khái niệm nhiệt dung riêng phân tử.
(10.2)
Ðối chiếu giá trị lý thuyết với gía trị thực nghiệm, ta có được những nhận xét sau:
Thuyết nhiệt dung riêng được trình bày trên đây gọi là thuyết nhiệt dung riêng cổ điển. Nó chỉ
ứng dụng được trong một phạm vi nhất định. Thiếu sót chủ yếu của thuyết này là:
1- Không giải thích được sự sai lệch giữa các trị số lý thuyết và thực nghiệm của nhiệt dung riêng
mặc dù sự sai lệch này không lớn nhưng vẫn vượt quá sai số thực nghiệm và là một sai lệch có thực.
2- Không giải thích được một cách đầy đủ và rõ ràng những giá trị thực nghiệm lớn của nhiệt dung
riêng các khí mà phân tử có số nguyên tử lớn hơn 3.
Copyright: Tài liệu đại học ©