HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 2: NGUYÊN LÝ I – NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hệ nhiệt động Phát biểu nguyên lý I Trạng thái trình cân Công nhiệt trình cân Áp dụng nguyên lý I Khảo sát trình cân khí lý tưởng Bài tập Nguyên lý I Nhiệt động học nghiên cứu điều kiện quan hệ biến đổi định lượng lượng từ dạng qua dạng khác Cơ sở nhiệt động học hai nguyên lý rút từ thực nghiệm Trong nhiệt động học, người ta thiết lập hệ thức đại lượng vĩ mô hệ vật lý mà không quan tâm đến việc giải thích vi mô đại lượng I Hệ nhiệt động - Tập hợp vật xác định hoàn toàn thông số vĩ mô, độc lập nhau, gọi hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động, hay vắn tắt Hệ - Tất vật lại nằm hệ ngoại vật hệ hay gọi (xung quanh hệ) - Hệ không cô lập hệ có tương tác với môi trường trao đổi vật chất lượng Trong tương tác nói chung có trao đổi công nhiệt - Hệ cô lập hệ hoàn toàn tương tác trao đổi lượng với môi trường II Công nhiệt hệ nhiệt động: Thực nghiệm cho thấy hệ tương tác chúng trao đổi với lượng Có hai dạng trao đổi lượng : + Công: dạng truyền lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự vật Ví dụ : Khí dãn nở xilanh làm pittông chuyển động, khí truyền lượng cho pittông dạng công + Nhiệt: dạng truyền lượng, làm tăng mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử hệ nội hệ tăng lên giảm Ví dụ: cho vật lạnh tiếp xúc với vật nóng, phân tử chuyển động nhanh vật nóng va chạm với phân tử chuyển động chậm vật lạnh truyền cho chúng phần động Do nội vật lạnh tăng lên nội vật nóng giảm Quá trình tăng giảm dừng lại nhiệt độ hai vật Như công nhiệt đại lượng mức độ trao đổi lượng vật Tuy nhiên có khác sâu sắc chúng: công liên quan tới chuyển động có trật tự, nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn phân tử hệ Mặc dù chúng có mối liên hệ chặt chẽ với chuyển hóa lẫn nhau: công chuyển hóa thành nhiệt ngược lại Thực nghiệm chứng tỏ chuyển hóa công nhiệt tuân theo hệ thức định lượng xác định Năm 1845, Jun xác định tốn công 4,186J tạo nhiệt lượng 1Calo Công Nhiệt đại lượng (thước đo) để đo mức độ trao đổi lượng vật, chúng lượng, chúng xuất trình biến đổi trạng thái hệ Ở trạng thái, hệ có giá trị lượng xác định mà công nhiệt Như lượng hàm trạng thái, công nhiệt hàm trình III Nguyên lý I nhiệt động học Nguyên lý I trường hợp riêng định luật bảo toàn chuyển hóa lượng áp dụng vào trình nhiệt động - Quy ước dấu nhiệt lượng công: Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng; Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng; A > 0: Vật nhận công; A < 0: Vật thực công Q>0 Q0 A0)) Gọi p áp suất khí lên píttông, S diện tích píttông, ta có: F = p.S Từ : A = -pS.dl = - p.dV , với dV = Sdl biến thiên thể tích khối khí ứng với dịch chuyển dl V2 Công mà khối khí nhận A    A    pdV trình nén là: V1 Thể công hệ tọa độ p-V: P Công toàn trình có độ lớn tổng diện tích hình thang cong MNV2V1 Nếu trình tiến hành theo chu trình 1b2c1, trở trạng thái ban đầu công toàn phần O khối khí sinh có giá trị tuyệt đối diện tích chu trình (Phần tô đen đồ thị) Nếu khối khí biến đổi theo chu trình ngược lại : 1c2b1, nhận công có giá trị diện tích M N V V1 V2 c Nhiệt trình cân – Nhiệt dung - Nhiệt dung riêng C chất đại lượng vật lý có giá trị nhiệt lượng cần thiết truyền cho đơn vị khối lượng để nhiệt độ tăng thêm độ Q c   Q  c.m.dT mdT - Nhiệt dung riêng phân tử gam C chất đại lượng trị số nhiệt lượng cần truyền cho mol chất để nhiệt độ tăng độ m  Q  C dT (C = .c,  khối lượng mol)  Trong hệ SI ta có đơn vị c C là: [c] = J/kg.K , [C] = J/mol.K Công nhiệt trình cân khí lý tưởng a Quá trình đẳng tích: p p2 p p p1 p2 V  const   const    p1 T T T1 T2 Do V= const => dV = 0, nên công trao đổi: p3 V2 A    pdV  V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T m m m Q    Q  CV  dT  CV T2  T1   CV T  T1   CV nhiệt dung mol đẳng tích i Theo nguyên lý I, suy ra: CV  R V b Quá trình đẳng áp: p V V V1 V2 p  const   const    T T T1 T2 Do p= const => Công khối khí nhận được: V2 V1 V3 V2 A    pdV  p V1  V2  V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T m m m Q    Q  C p  dT  C p T2  T1   C p T  T1   Cp nhiệt dung mol đẳng áp Theo nguyên lý I, suy ra: CV  i2 R suy ra: Hệ thức Mayer CP  CV  R hệ số Poisson hay hệ số đoạn nhiệt CP i    CV i V c Quá trình đẳng nhiệt: T  const  pV  const  pV  p1V1  p2V2 p Do T= const => Công khối khí nhận được: V2 A    pdV   V1 V2 V m p m dV m RT   RT ln  RT ln  V  V2  p1 V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được, từ nguyên lý suy ra: p1 m V2 m P1 m Q   A  RT ln  RT ln  RT ln  p2  V1  p2 V d Quá trình đoạn nhiệt: e Quá trình đa biến : Các trình xét trường hợp riêng trình đa biến Đó trình áp suất thể tích khí lý tưởng liên hệ với hệ thức : pVn = const.Với n = (-∞, +∞) Các trường hợp riêng trình đa biến nêu bảng sau: n Quá trình PT trình Công A Nhiệt Q Biến thiên nội Đẳng áp V  const T P(V1- V2) m C p T  m CV T  Đẳng nhiệt pV  const V m RT ln  V2 V m RT ln  V1  Đoạn nhiệt pV   const m CV T  m CV T   Đẳng tích p  const T m CV T  m CV T  ÔN TẬP + Phần lý thuyết gồm nội dung: Thiết lập biểu thức tính công nhiệt số trình cân khí lý tưởng Vẽ đồ thị biến đổi trạng thái khí lý tưởng loại đồ thị khác (p,V), (T,V), (T,S), (p,T) … + Phần tập gồm dạng tập: Tính công, nhiệt nội khí lý tưởng số trình cân Các tập tối thiểu cần yêu cầu ôn tập: Chương 2: 8.1, 8.2, 8.4, 8.5, 8.9, 8.10, 8.12, 8.14, 8.16, 8.17, 8.24, 8.25, 8.27, 8.29, 8.31, 8.34 [...]... đẳng áp: p V V V1 V2 p  const   const    T T T1 T2 Do p= const => Công khối khí nhận được: 2 1 3 V2 V1 V3 V2 A    pdV  p V1  V2  V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T 2 m m m Q    Q  C p  dT  C p T2  T1   C p T  T1   Cp là nhiệt dung mol đẳng áp Theo nguyên lý I, suy ra: CV  i 2 R 2 suy ra: Hệ thức Mayer CP  CV  R hệ số Poisson hay hệ số đoạn nhiệt CP i  2   CV i V c Quá... J/kg.K , [C] = J/mol.K 2 Công và nhiệt trong các quá trình cân bằng của khí lý tưởng a Quá trình đẳng tích: p p2 2 p p p1 p2 V  const   const    p1 1 T T T1 T2 Do V= const => dV = 0, nên công trao đổi: p3 3 V2 A    pdV  0 V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được: T 2 m m m Q    Q  CV  dT  CV T2  T1   CV T  T1   CV là nhiệt dung mol đẳng tích i 2 Theo nguyên lý I, suy ra: CV  R V b... i  2   CV i V c Quá trình đẳng nhiệt: T  const  pV  const  pV  p1V1  p2V2 p 2 Do T= const => Công khối khí nhận được: V2 A    pdV   V1 V2 V m p m dV m RT   RT ln 1  RT ln 2  V  V2  p1 V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được, từ nguyên lý 1 suy ra: p1 m V2 m P1 m Q   A  RT ln  RT ln  RT ln  p2  V1  p2 1 3 V d Quá trình đoạn nhiệt: e Quá trình đa biến : Các quá trình đã xét ở trên... Phần lý thuyết gồm các nội dung: Thiết lập biểu thức tính công và nhiệt trong một số quá trình cân bằng của khí lý tưởng Vẽ đồ thị biến đổi các trạng thái của khí lý tưởng trên các loại đồ thị khác nhau (p,V), (T,V), (T,S), (p,T) … + Phần bài tập gồm các dạng bài tập: Tính công, nhiệt và nội năng khí lý tưởng trong một số quá trình cân bằng Các bài tập tối thiểu cần yêu cầu ôn tập: Chương 2: 8.1, 8 .2, ... gồm các dạng bài tập: Tính công, nhiệt và nội năng khí lý tưởng trong một số quá trình cân bằng Các bài tập tối thiểu cần yêu cầu ôn tập: Chương 2: 8.1, 8 .2, 8.4, 8.5, 8.9, 8.10, 8. 12, 8.14, 8.16, 8.17, 8 .24 , 8 .25 , 8 .27 , 8 .29 , 8.31, 8.34 ... trình đa biến Đó là quá trình áp suất và thể tích khí lý tưởng liên hệ với nhau bởi hệ thức : pVn = const.Với n = (-∞, +∞) Các trường hợp riêng của quá trình đa biến nêu trong bảng sau: n Quá trình PT quá trình Công A Nhiệt Q Biến thiên nội năng 0 Đẳng áp V  const T P(V1- V2) m C p T  m CV T  1 Đẳng nhiệt pV  const V m RT ln 1  V2 V m RT ln 2  V1 0  Đoạn nhiệt pV   const m CV T  0 m CV T... M N V V1 V2 c Nhiệt trong quá trình cân bằng – Nhiệt dung - Nhiệt dung riêng C của một chất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng để nhiệt độ của nó tăng thêm một độ Q c   Q  c.m.dT mdT - Nhiệt dung riêng phân tử gam C của một chất là một đại lượng về trị số bằng nhiệt lượng cần truyền cho một mol chất đó để nhiệt độ của nó tăng một độ m... lớn bằng tổng diện tích hình thang cong MNV2V1 Nếu quá trình tiến hành theo một chu trình 1b2c1, khi trở về trạng thái ban đầu thì công toàn phần do O khối khí sinh ra có giá trị tuyệt đối bằng diện tích của chu trình (Phần tô đen trên đồ thị) Nếu khối khí biến đổi theo chu trình ngược lại : 1c2b1, nó sẽ nhận công có giá trị cũng bằng diện tích đó M N V V1 V2 c Nhiệt trong quá trình cân bằng – Nhiệt .. .Chương 2: NGUYÊN LÝ I – NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hệ nhiệt động Phát biểu nguyên lý I Trạng thái trình cân Công nhiệt trình cân Áp dụng nguyên lý I Khảo sát trình cân khí lý tưởng Bài tập Nguyên lý. .. tưởng số trình cân Các tập tối thiểu cần yêu cầu ôn tập: Chương 2: 8.1, 8 .2, 8.4, 8.5, 8.9, 8.10, 8. 12, 8.14, 8.16, 8.17, 8 .24 , 8 .25 , 8 .27 , 8 .29 , 8.31, 8.34 ... V2 A    pdV   V1 V2 V m p m dV m RT   RT ln  RT ln  V  V2  p1 V1 Nhiệt lượng khối khí nhận được, từ nguyên lý suy ra: p1 m V2 m P1 m Q   A  RT ln  RT ln  RT ln  p2  V1  p2