Chuyên đề cơ sở của nhiệt động lực học - Vật lý 10

CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 
A.TÓM TẮT LÍ THUYẾT: 
I. GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: 
- Nhiệt động lực học nghiên cứu các quá trình diễn biến trong tự nhiên theo quan điểm biến đổi năng lượng.
- Nhiệt động lức học khái quát một số lớn những kết quả quan sát và thí nhiệm thành 4 định luật cơ bản, thường được gọi là các nguyên lí của nhiệt động lực học:
Nguyên lí số 0: sự tồn tại của nhiệt độ.
Nguyên lí thứ nhất: định luật bảo toàn năng lượng có liên quan đến nội năng.
Nguyên lí thứ hai: xác định chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động lực học. 
Nguyên lí thứ ba Ne-xto: khẳng định không thể đạt tới không độ tuyệt đối.
( tuy nhiên trong phần chuyên đề này , ta chỉ nghiên cứu về nguyên lí thứ nhất).
a.Các thông số xác định trạng thái và một số khái niệm cơ bản của nhiệt học phân tử : 
Trạng thái của một hệ vĩ mô được đặc trưng bởi một số đại lượng vật lí gọi là thông số xác định trạng thái( V, P , T). 
Nhiệt động lực học thừa nhận rằng ở một hệ cô lập( không trao đổi năng lượng và vật chất với bên ngoài) tồn tại trạng thái cân bằng nhiệt động, hệ chuyển tới trạng thái này theo thời gian và hệ không thể tự nó chuyển ra khỏi trạng thái này. ( tiên đề cơ bản của nhiệt động lực học). 
b. Quá trình cân bằng:
-Quá trình gọi là cân bằng hay chuẩn tĩnh nếu tất cả các thông số của hệ biến đổi vô cùng châm, khiến cho hệ luôn ở các trạng thái cân bằng nối tiếp nhau.
c. Quá trình thuận nghịch :
- là quá trình có thể xảy ra cả theo chiều thuận , lẫn chiều nghịch; khi quá trình xảy ra theo chiều nghịch thì hệ trải qua các trạng thái trung gian đúng y như đã xảu ra theo chiều thuận( nhưng với thứ tự ngược lại) . Ngoài ra, sau khi quá trình diễn biến theo chiều nghịch đã được đổi gì trong môi trường xung quanh hệ.
II.NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC:
1. Nội năng:
a. Khái niệm:
Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo lên hệ và thế năng tượng tác giữa các phần tử đó.
b. nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích : U=f( T;V).
c. mở rộng về nội năng:
 Theo thuyết động học phân tử thì mọi vật được tạo thành từ các phân tử chuyển động nhiệt không ngừng. động năng trung bình của hệ chuyển độnh nhiệt tỉ lệ với nhiệt độ. các phân tử tương tác với nhau, thế năng của lực tương tác phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai phân tử. Vật lí phân tử định nghĩa: nội năng UP của hệ là tổng độnh năng của các phân tử và thế năng tương tác giữa chúng: 
Động năng thì phụ thuộc vào nhiệt độ, còn thế năng phụ thuộc vào khoảng cách phân tử , tức là phụ thuộc thể tích của hệ. như vậy nội năng UP của một hệ phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ.
Nếu truyền cho hệ nhiệt lượng Q và công A thì, nếu khoonh có biến đổi phân tử cho hệ (1), năng lượng Q+A nhận được sẽ làm tăng nội năng đúng bằn Q+A . Trở lại định nghĩa của nhiệt động lực học thì độ tăng nội năng đen ta u chính là (Q+A) . như vậy có sự phù hợp giữa định nghĩ nội năng theo nhiêt động lực học và theo vật lí phân tử, trong trường hợp không có biến đổi phân tử trong hệ. nội năng U được định nghĩa bởi 3.1 cũng trùng với nội năng U, P địnnh nghĩ bởi 3.4, sai kém một hàng số cộng. 
Nếu trong hệ xảy ra biến đổi phân tử , phản ứng hóa học , hay biến đổi dưới mức phân tử, ( phản ứng hạt nhân ) thì nội năng u theo nhiệt động lực học không chỉ bằng nội năng up , theo vật lí phân tư, mà còn bao gồm cả năng lượng tương ứng biến đổi phân tử hoặc dưới mức phân tử..
Như vậy, nội năng trong nhiệt động lực học, được định nghĩa một cách hình thức , như khái quát , bao gồm mọi dạng năng lượng tích lũy trong hệ. 
2. Công và nhiệt lượng:
Khi một hệ biến đổi theo một quá trình cân bằng vô cùng nhỏ có biến thiên thể tích dV và áp suất p thì hệ sinh công:
Công A' mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng hữu hajnn chuyển hệ từ trạng thái I đến trạng thái F tích được như sau: 
Khi tính tích phân phải viết biểu thức của áp suất dưới dạng một hàm của V: p=p(V).
Công A' cũng có thể tính được trên đồ thị p-V. giá trị tuyệt đối của A' bằng diện tích hình gạch chéo trên đồ thị( hình thanh cong), dấu của A' dương nếu chiều từ I đến F là chiều kim đồng hồ trên chu vi hình thang cong.
Hình vẽ
Công A' mà khí sinh ra trong 1 chu trình cân bằng kín I2F2I( hình trên) thì nói chung là khác 0 và có độ lớn bằng diện tích phần gạch chéo bao quanh bởi đường biểu diễn I1F2I, và có dấu (+) nếu diễn biến của chu trình theo chiều kim đồng hồ trên chu vi I1F2I, có dấu (-) nếu diễn biến của chu trình theo chiều ngược lại.
Khi một vật không sinh công hoặc nhận công mà nhận một nhiệt lượng Q thì vật sẽ tăng nhiệt độ hoặc biến đổi trạng thái( vd: nóng chảy).
Nếu truyền nhiệt lượng cho một vật làm cho nhiệt độ của vật tăng lên dT thì tỉ số
 C = Được định nghĩa là nhiệt dung của vật.
Xét một vật có khối lượng đơn vị c = gọi là nhiệt dung riêng của chất tạo nên vật. nếu vật có lượng chất là 1 mol thì C = gọi là nhiệt dung mol của chất cấu tạo nên vật.
Ngoài ra tỉ số còn phụ tuộc vào quá trình biến đổi của hệ:
Đẳng tích =CV.
Đẳng áp = CP.
3. Nội dung nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học:
-Xét một hệ nhiệt động tương tác với môi trường xung quanh và chuyển trạng thái ban đầu từ I đến trạng thái cuối là F. gọi Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được, A là công mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái I đến F, có thể có nhiều quá trình khác nhau chuyển hệ cùng một trạng thái I đến cùng một trạng thái F. trên hình vẽ , vẽ 2 quá trình cân bằng kí hiệu 1 và 2 , và một quá trình ko cân bằng ( kí hiệu 3 ) 
Hình vẽ
Thực nhiệm chứng tỏ rằng nhiệt lượng Q và công A mà hệ nhận được đối với mỗi quá trình 1, 2,3 thì khác nhau . nếu kí hiệu Q1, Q2, Q3, là nhiệt nhận được trong quá trình 1,2,3 và A1, A2 , A3 là công nhận của quá trình 1,2 ,3 thì nói chung ta sẽ đo được :
 và 
 Nhưng nếu xét đại lượng Q+A thì thực nghiệm cho thấy:
Thế tức là trong 3 quá trình kể tren đại lượng Q+A như nhau và chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu I và trạng thái cuối F.
Người ta khái quát hóa kết quả này thừa nhận đói với tất cả mội quá trình : tổng nhiệt lượng và công a mà hệ nhận được trong một quá trình bất chuyển hệ từ trạng thái i đến trạng thái chỉ phụ thược hai trạng thái này , (đó là nội dung của nguyên lí I nhiệt động lực học ).
4. Nội năng và phát biêu nguyên lí I nhiệt động lực học:
Để thuận lợi trong việc vận dụng nguyên lí I ta sử dụng hàm trạng thái nội năng U như sau: 
Đại lượng Q+A chính là năng lượng mà hệ nhận được( dưới cả hai dạng nhiệt lượng Q và công A) khi chuyển từ trạng thái I đến trạng thái F( kí hiệu hiệu là ) , ta có:
Vì chỉ phụ thuộc vào trạng thai I và F nên có thể coi là độ biến thiên của một hàm U của trạng thái khi chuyển từ I sang F:
Vì là năng lượng nên hàm U cũng là năng lượng, năng lượng ấy tích lũy trong hệ nên gọi là nội năng của hệ: U(F) là nội năng của hệ ở trạng thái F, U(I) là nội năng của hệ ở trạng thái I. hệ ở trạng thái I nhận được năng lượng (=Q+A) và chuyển sang trạng thái F với nội năng tăng lên 
Theo như trên nguyên lí I nhiệt độnh lực học được phát biểu: Tổng nhiệt lượng và công Q+A mà hệ nhận được trong một quá trình bằng độ tăng nội năng của hệ, độ tăng này chỉ phụ thuộc trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của quá trình.
Khi xét một quá trình vô cùng nhỏ thì ta có :
Với lần lượt là nhiệt lượng và công nhận được trong quá trình, đó là các đại lượng vô cùng nhỏ nhưng chưa hẳn là vi phân của một hàm nào đấy( gọi là vi phân toàn chỉnh). dU 
là độ tăng nội nang U cũng vô cùng nhỏ, nhưng độ tăng của một hàm U nên đó là vi phân. 
5. Ứng dụng của nguyên lí I nhiệt động lực học:
Quá trình đẳng tích:
Công A mà vật nhận được bằng không( A=0) vì thể tích không đổi. nhiệt lượng Q nhận được . Vậy:
Nếu vật chứa mol ( ) thì:
 với là nhiệt dung mol đẳng tích của chất cấu tạo nên vật.
Từ biểu thức biến thiên nọi năng với 1 mol chất khí ta có:
Với U0 là nội năng của hệ ở không độ tuyệt đối.
b. quá trình đẳng nhiệt:
Công trong quá trình này không thay đổi:
Theo định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt ta có: p=
=> A'==
Khi khí dãn thì công sinh ra dương.
Độ biến thiên nội năng bằng 0.
Nhiệt lượng được xác định bởi công thức:
Nếu thể tích tăng thì Q dương: khí dãn và nhận nhiệt.
Nếu thể tích giảm thì Q âm : khí bị nén và tỏa nhiệt.
Hệ thức May-e giữa và :( Theo quan điểm vĩ mô). 
Nếu khí tuân thủ theo đúng phương trình Cla-pê-rôn-Men-đê-lê-ép thì có nhiệt dung mol tuân theo hệ thức May-e: 
c. quá trình Đẳng áp ta có : 
d. quá trình đoạn nhiệt cân bằng của khí lí tưởng:
Quá trình đoạn nhiệt là quá trình biến đổi, trong đó hệ không nhận nhiệt và cũng không nhả nhiệt cho các vật xung quanh. 
Xét 1 lượng khí ở trạng thái 1 và 2:
Vì nên 
 dU=
=> = -pdV.
theo pttt:(1) => Mà 
=> 
Tích phân 2 vế ta được:
lnT+(
=> ( 2).
Vậy trong quá trình đoạn nhiệt ta có: