ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -  TIỂU LUẬN MÔN HỌC PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG GHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN PHẦN: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Công Triêm Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Thanh Nga Lê Thanh Sơn Lớp LL&PPDH Vật lý – K23 Huế, tháng năm 2015 Phân tích chương trình Vật lí phổ thông MỤC LỤC 2.2.1 Nguyên lý I Nhiệt động lực học 10 2.2.2 Nguyên lý II Nhiệt động lực học 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 MỞ ĐẦU Để nghiên cứu tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, phương pháp động học phân tử, người ta dùng phương pháp nhiệt động lực học Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết trình phân tử mà khảo sát tượng xảy với quan điểm biến đổi lượng kèm với tượng Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa hai nguyên lý rút từ thực nghiệm gọi nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai Nhiệt động lực học Nhờ nguyên lý này, không cần ý đến cấu tạo phân tử vật, ta rút nhiều kết luận tính chất vật điều kiện khác Nhằm hiểu sâu nội dung kiến thức phần “Cơ sở Nhiệt động lực học”, tiểu luận sâu nghiên cứu kiến thức phần“cơ sở Nhiệt động lực học” -2- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN 1.1 Các khái niệm - Nội - Công nhiệt lượng - Máy nhiệt (động nhiệt, máy lạnh) 1.2 Các nguyên lý - Nguyên lí I Nhiệt động lực học - Nguyên lí II Nhiệt động lực học 1.3 Ứng dụng - Áp dụng nguyên lý I cho trình khí lý tưởng - Nguyên tắc hoạt động động nhiệt máy lạnh NỘI DUNG KIẾN THỨC 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Nội Nội khái niệm sở Nhiệt động lực học Khái niệm nội đời phát triển gắn liền với nguyên lý I Nhiệt động lực học Vật chất vận động lượng hệ đại lượng xác định mức độ vận động vật chất hệ Ở trạng thái hệ có lượng xác định Năng lượng hệ gồm động ứng với chuyển động có hướng (chuyển dộng cơ) hệ, hệ trường lực phần lượng ứng với vận động bên (nội năng) hệ W = Wđ + Wt + U -3- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Tùy theo tính chất chuyển động tương tác phân tử cấu tạo nên vật, ta hiểu nội bao gồm: + động chuyển động nhiệt hỗn loạn phân tử (tịnh tiến quay); + gây lực tương tác phân tử chúng; + động chuyển động dao động nguyên tử phân tử; + lượng vỏ điện tử nguyên tử ion; + lượng hạt nhân nguyên tử; + lượng xạ điện từ Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng nội U, mà độ biến thiên nội ∆U hệ biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác Trong trình chuyển trạng thái có động phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, tất thành phần khác nội không biến đổi trình Do đó, để đơn giản NĐLH coi nội dạng lượng bao gồm động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ tương tác phân tử Ở trạng thái, hệ có nội xác định Khi trạng thái hệ thay đổi nội hệ thay đổi độ biến thiên nội hệ trình biến đổi phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình biến đổi nội phụ thuộc vào trạng thái hệ Ta nói nội hàm trạng thái * Khi nhiệt độ thay đổi động phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, nội phụ thuộc vào nhiệt độ vật * Khi thể tích thay đổi khoảng cách phân tử cấu tạo nên vật thay đổi, làm cho tương tác chúng thay đổi, nội phụ thuộc vào thể tích vật Vậy, nội vật phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích vật Nội hàm số nhiệt độ thể tích : U = f(T, V) Đối với khí lí tưởng người ta bỏ qua tương tác phân tử lúc không va chạm, nên bỏ qua tương tác chúng, nội khí lý tưởng tổng -4- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông động chuyển động nhiệt phân tử Nội khí lí tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ khi, tức nội hàm số nhiệt độ U = f(T) * Phân biệt hai khái niệm nội nhiệt + Nội dạng lượng bao gồm động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ tương tác phân tử + Nhiệt năng lượng chuyển động nhiệt, nghĩa động chuyển động phân tử cấu tạo nên hệ Theo cách hiểu nhiệt phần nội Đối với khí lý tưởng nhiệt đồng với nội * Các cách làm biến đổi nội hệ Vì nội phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích hệ nên ta làm thay đổi nhiệt độ thể tích hệ nội thay đổi Vậy hai cách làm thay đổi nội hệ thực công truyền nhiệt lượng Ví dụ: - Ấn pittông xilanh chứa khí xuống thể tích khí xilanh giảm đồng thời khí nóng lên tức nội khí biến đổi - Thả miếng đồng vào nước nóng Sau thời gian miếng đồng nóng lên có nghĩa nội biến đổi 2.1.2 Công nhiệt lượng Sự thực công truyền nhiệt lượng hai hình thức truyền lượng hệ khác tương tác với + Sự thực công hình thức truyền lượng vật vĩ mô tương tác với gắn liền với chuyển dời có định hướng vật (hay phần vật) + Sự truyền nhiệt hình thức truyền lượng xảy trực tiếp nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên vật tương tác Như vậy, truyền nhiệt cho hệ truyền dạng lượng (năng lượng chuyển động hỗn loạn phân tử) từ nơi đến nơi khác trực tiếp dẫn đến tăng nội hệ truyền nhiệt lượng Còn thực công hệ truyền dạng lượng (trừ truyền -5- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông lượng chuyển động nhiệt) từ nơi đến nơi khác biến đổi dạng lượng khác trực tiếp dẫn đến tăng dạng lượng hệ (động năng, năng, nội năng…) + Công nhiệt đại lượng đo mức độ trao đổi lượng hệ công liên quan đến chuyển động có trật tự nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn phân tử hệ * Phân biệt khác lượng với nhiệt công + Năng lượng đại lượng đặc trưng cho chuyển động tương tác vật chất Năng lượng tồn vật chất Năng lượng hàm trạng thái Ví dụ: Cơ đặc trưng cho chuyển động học, nhiệt đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn phân tử (chuyển động nhiệt),… + Công nhiệt dạng lượng mà phần lượng trao đổi vật tương tác với Công nhiệt xuất trình biến đổi trạng thái hệ Vì công nhiệt hàm trình, hàm trạng thái 2.1.2.1 Công áp lực trình cân Trạng thái cân hệ trạng thái không biến đổi theo thời gian tính bất biến không phụ thuộc vào trình ngoại vật Quá trình cân trình biến đổi gồm chuỗi liên tiếp trạng thái cân Theo định nghĩa trình cân trình lý tưởng trình biến đổi hệ chuyển từ trạng thái cân sang trạng thái cân trạng thái cân trước bị phá vỡ tức thay đổi theo thời gian Tuy nhiên trình thực chậm để có đủ thời gian thiết lập lại cân hệ trình coi trình cân -6- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Khảo sát trình nén khí xilanh ∆l Ngoại lực tác dụng lên pittông F Khi pitông dịch chuyển đoạn ∆l , khối khí nhận công ∆A = − F ∆l (1) Vế phải có dấu trừ nén ∆l < , khối khí thực nhận công ∆A > Vì trình cân nên ngoại lực F có giá trị luôn lực khối khí tác dụng lên pittông Nếu gọi p áp suất khí lên pittông S diện tích pittông F = pS (2) Từ (1) (2), suy công mà khối khí nhận ∆A = − pS ∆l = − p∆V , ∆V = S ∆l độ biến thiên thể tích khối khí ứng với độ dịch chuyển ∆l Nếu khối khí bị nén giảm thể tích từ giá trị V xuống giá trị V1 công mà khối khí nhận trình nén A = − p∆V = − p (V1 − V2 ) (3) Giả sử khối khí biến đổi theo trình cân từ trạng thái C đến trạng thái C1 biểu diễn đường cong C 2C1 hình bên, thể tích biến đổi từ V2 đến V1.Với biến thiên thể tích dV nhỏ, công nguyên tố áp lực trình cân là: dA = pdV Công biểu diễn diện tích phần gạch chéo đồ thị -7- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Như công mà hệ thực trình diện tích hình thang cong giới hạn đường biểu diễn trình, trục hoành hai đường trục tung qua hai điểm đầu điểm cuối trình Nếu khối khí giãn nở thể tích khí tăng lên, công mà khối khí nhận tính theo (3) có giá trị âm, nghĩa khối khí sinh công A’ =-A Nếu trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu hệ thực chu trình cân Giả sử hệ biến đổi theo chu trình cân I(1)M(2)I hình vẽ Công mà hệ sinh chu trình cân tính A ' = AV1I (1) MV2 + AV1I (2) MV2 (4) Nếu dựa vào đồ thị công mà hệ sinh chu trình cân tính A ' = SV1I (1) MV2 − SV1I (2) MV2 (5) Công mà hệ sinh diện tích miền giới hạn đường biểu diễn (diện tích phần gạch chéo) -8- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Dấu A’ dương chiều diễn biến trình chiều kim đồng hồ chu vi diện tích có gạch chéo Dấu A’ âm chiều diễn biến trình ngược lại 2.1.2.2 Nhiệt lượng Nhiệt lượng phần lượng mà vật nhận thêm hay bớt trình truyền nhiệt Nhiệt lượng kí hiệu Q Trong hệ SI, đơn vị nhiệt lượng jun (J) Trước đây, người ta dùng đơn vị nhiệt lượng calori (cal) cal = 4,18 J hay 1J = 0,24 cal * Công thức tính nhiệt lượng + Nhiệt lượng thu vào hay tỏa vật nhiệt độ vật thay đổi : Q = mc ∆T (6) đó, c nhiệt dung riêng chất tạo nên vật (J/kg.K), m khối lượng vật (kg), ∆T độ biến thiên nhiệt độ vật (K), Q = m µ C ∆T , (C = µc ) (7) với C nhiệt dung phân tử chất cấu tạo nên vật (J/mol.K), µ khối lượng mol chất (kg/mol) Nếu vật biến đổi đẳng tích, Q = m C V ∆T (8) μ với CV nhiệt dung phân tử đẳng tích Nếu vật biến đổi đẳng áp, Q = m C P ∆T (9) μ với CP nhiệt dung phân tử đẳng áp -9- Phân tích chương trình Vật lí phổ thông + Nhiệt lượng tỏa đốt cháy m (kg) nhiên liệu : Q = m q (10) đó, q suất tỏa nhiệt nhiên liệu (J/kg) + Nhiệt lượng nóng chảy: Q = λ m, λ nhiệt nóng chảy riêng (J/kg) + Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, L nhiệt hóa riêng (J/kg) 2.2 Các nguyên lý Nhiệt động lực học 2.2.1 Nguyên lý I Nhiệt động lực học 2.2.1.1 Phát biểu: Trong trình biến đổi, độ biến thiên nội hệ có giá trị tổng công nhiệt mà hệ nhận trình ∆U = A + Q (11) Có thể phát biểu nguyên lý I theo cách sau: nhiệt truyền cho hệ trình có giá trị độ biến thiên nội hệ công hệ sinh trình Q = ∆U – A (12) Các đại lượng ∆U, A, Q dương âm  Quy ước dấu: Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng, Q < 0: hệ truyền nhiệt lượng, A > 0: hệ nhận công, A < 0: hệ thực công 2.2.1.2 Hệ nguyên lý I 2.2.1.3 Đối với hệ cô lập Hệ cô lập không trao đổi nhiệt công với bên Ta có A = Q = Theo (11) ta có ΔU = hay U = const Vậy, nội hệ cô lập bảo toàn Nếu hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt với giả sử Q , Q2 nhiệt lượng mà hai vật trao đổi cho Q1 + Q2 = Q = hay Q1 = – Q2 (13) Vậy, hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật tỏa nhiệt lượng mà vật thu vào Ví dụ: - 10 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Nung nóng miếng đồng thả vào cốc nước lạnh nhiệt lượng mà miếng đồng tỏa nhiệt lượng nước thu vào 2.2.1.4 Đối với hệ biến đổi theo chu trình Sau chu trình, hệ trở trạng thái ban đầu, ta có ΔU = hay U = const Vậy, nội hệ biến đổi theo chu trình bảo toàn Từ (11) suy A + Q = hay A = – Q (13’) Vậy, chu trình, công mà hệ nhận có giá trị nhiệt hệ tỏa bên hay công hệ sinh có giá trị nhiệt mà hệ nhận từ bên Do đó, người ta phát biểu nguyên lý I sau thực động vĩnh cửu loại (động vĩnh cửu loại loại động sinh công mà không cần tiêu thụ lượng tiêu thụ phần lượng công sinh ra) 2.2.1.3 Áp dụng nguyên lý I cho trình cân khí lý tưởng 2.2.1.3.1 Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng tích trình biến đổi trạng thái thể tích không đổi Phương trình V = const hay p =const T Ví dụ: Quá trình hơ nóng hay làm lạnh khối khí bình kín có hệ số giãn nở không đáng kể Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng tích từ trạng thái sang trạng thái  Công mà khối khí nhận trình đẳng tích - 11 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Từ (3) ta có A = 0, (vì V1 = V2 nên ∆V = 0) (12)  Nhiệt lượng khối khí nhận Từ (8) ta có Q = m m C V ∆T = C V (T2 −T1 ) (13) μ μ Độ biến thiên nội trình đẳng tích Từ (11), (12),(13) ta có ∆U = Q = m µ CV ∆T (14) Vậy, trình đẳng tích nhiệt trao đổi độ biến thiên nội khí 2.2.1.3.2 Quá trình đẳng áp Quá trình đẳng áp trình biến đổi trạng thái áp suất không đổi Phương trình p = const hay V = const T Ví dụ: Quá trình đốt nóng hay làm lạnh khối khí đựng rong xilanh với pittông di chuyển tự (sao cho áp suất khối khí áp suất khí ) Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng áp từ trạng thái sang trạng thái  Công mà khí nhận trình đẳng áp Từ (3) ta có - 12 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông A = −p (V2 −V1 ) = p (V1 −V2 ) (15)  Nhiệt lượng khí nhận trình đẳng áp Từ (8) ta có Q = m m C P ∆T = C P (T2 −T1 ) (16) μ μ Độ biến thiên nội khí trình đẳng áp Từ (11), (16),(17) ta có ∆U = p (V1 −V2 ) + m µ CP ∆T (17) Vậy trình đẳng áp, nhiệt lượng mà hệ nhận phần làm tăng nội nó, phần sinh công 2.2.1.3.3 Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng áp trình biến đổi trạng thái nhiệt độ không đổi Phương trình T = const hay pV = const Ví dụ: Quá trình nén giãn khối khí tiếp xúc vói môi trường lớn có nhiệt độ không đổi hay bình điều nhiệt.Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng nhiệt từ trạng thái sang trạng thái  Công mà khí nhận trình đẳng nhiệt Từ (3) ta có: ∆A = − p ∆V Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng - 13 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông p= Ta có ∆A = − m µ m RT µ V RT ∆V (18) V Vì nội khí lí tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ nên trình đẳng nhiệt, nội khí không đổi, ta có ∆U =  Nhiệt lượng mà khối khí nhận trình đẳng nhiệt Từ (11), (19) ta có ∆U = A + Q = suy Q = - A (20) Như vậy, trình đẳng nhiệt, toàn nhiệt lượng mà hệ nhận dùng để sinh công Vậy, trình đẳng nhiệt công mà khí sinh nhiệt lượng mà nhận ngược lại Hay nói cách khác, trình nén đẳng nhiệt, khối khí nhận công tỏa nhiệt trinh giãn đẳng nhiệt, khối khí sinh công nhận nhiệt 2.2.1.3.4 Chu trình Do trạng thái đầu trạng thái cuối trình trùng nên độ biến thiên nội chu trình tức ∆U = Công nhiệt lượng mà hệ nhận chu trình A = A1 + A2 + A3 + … + An, Q = Q1 + Q2 + Q3 + … + Qn, Trong A i, Qi tương ứng công nhiệt lượng mà hệ nhận ứng với trình chu trình Hoặc công mà hệ nhận chu trình tính phần diện tích giới hạn đường biểu diễn trình biến đổi Áp dụng nguyên lý I NĐLH: ∆U = A + Q suy A = -Q Ta tóm tắt biểu thức trình cân khí lí tưởng theo bảng sau - 14 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Quá trình Phương trình trình A Đẳng tích p = const T Đẳng áp V = const T Đẳng nhiệt pV = const ∆U=A + Q Q m C ∆T µ ∆U = Q m C ∆T µ ∆U = A + Q V p(V1 – V2) A≠0 P Q ≠0 ∆U = 0, (vì Q = -A) 2.2.1.4 Ý nghĩa nguyên lý I Nhiệt động lực học Nguyên lý I có vai trò quan trọng việc nhận thức tự nhiên khoa học kĩ thuật Ăngghen người nêu lên tính tổng quát nguyên lý I Ăngghen khẳng định nguyên lý I định luật bảo toàn biến đổi vận động, sở chủ nghĩa vật biện chứng Độ tăng hay giảm nội hệ độ giảm hay tăng lượng hệ khác trao đổi lượng với hệ Nếu hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác theo trình khác nhau, nhiệt lượng công hệ nhận trình khác tổng đại số nhiệt lượng công mà hệ nhận trình lại độ biến thiên nội hệ Nguyên lý I vận dụng dịnh luật bảo toàn chuyển hóa lượng vào tượng nhiệt Không thể có máy làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêm lượng từ bên sinh công lớn lượng truyền cho Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ độ biến thiên nội công , nhiệt lượng trình biến đổi - 15 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông 2.2.1.5 Những hạn chế nguyên lý I Nhiệt động lực học Tất trình vĩ mô tự nhiên phải tuân theo nguyên lý I Tuy nhiên có số trình vĩ mô phù hợp với nguyên lý I không xảy thực tế Ví dụ: Xét hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác Khi đặt hai vật tiếp xúc với chúng trao đổi nhiệt với - Theo nguyên lý I nhiệt lượng mà vật tỏa nhiệt lượng mà vật thu vào Trong hệ xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng - Thực tế hệ xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh + Như nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến trình thực tế xảy + Nguyên lý I không đề cập tới vấn đề chất lượng nhiệt Thực tế cho thấy nhiệt lượng nhận từ môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng cao nhiệt lượng nhận môi trường có nhiệt độ thấp (ví dụ nhiệt lượng thu từ kg than đá khác với nhiệt lượng thu từ kg gỗ) + Nguyên lý I chưa nêu lên khác trình chuyển hóa công nhiệt Theo nguyên lý I công nhiệt tương đương chuyển hóa lẫn Thực tế chứng tỏ công chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt ngược lại nhiệt biến phần mà biến hoàn toàn thành công 2.2.2 Nguyên lý II Nhiệt động lực học Nguyên lý II NĐLH khắc phục hạn chế nguyên lý I đóng vai trò quan trọng việc chế tạo máy nhiệt 2.2.2.1 Các khái niệm 2.2.2.1.1 Quá trình thuận nghịch Một trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái gọi thuận nghịch, tiến hành theo chiều ngược lại trình ngược đó, hệ qua trạng thái trung gian trình thuận - 16 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Như trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không xảy biến đổi Ví dụ: - Con lắc dao động không ma sát nhiệt độ nhiệt độ mội trường; - Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô chậm; … Đa số trình học ma sát trình thuận nghịch 2.2.2.1.2 Quá trình không thuận nghịch Quá trình không thuận nghịch trình tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian trình thuận Do trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trạng thái ban đầu môi trường xung quanh bị biến đổi Ví dụ: - Các trình có ma sát; - Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh; … 2.2.2.2 Các máy nhiệt Theo nguyên lý I, tác nhân (hệ thực chu trình thường gọi tác nhân) thực chu trình ∆U = lúc Q = -A * Nếu chu trình tác nhân sinh công cho ngoại vật thiết phải nhận nhiệt ngoại vật Đó nguyên tắc hoạt động động nhiệt (máy nước, động nổ,…) * Nếu chu trình tác nhân truyền nhiệt cho ngoại vật thiết phải nhận công ngoại vật Đó nguyên tắc hoạt động máy lạnh Động nhiệt máy lạnh có tên gọi chung máy nhiệt Máy nhiệt hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt biến nhiệt thành công 2.2.2.2.1 Động nhiệt Động nhiệt loại máy nhiệt biến nhiệt thành công - 17 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Ví dụ máy nước, loại động đốt Theo nguyên lý I, để sinh công A’(A’ = - A) chu trình, tác nhân phải dùng nhiệt lượng Q = A’ Nguyên lý I không giải vấn đề đặt thực tế toàn nhiệt lượng Q mà tác nhân nhận ngoại vật chu trình dùng để sinh công A’ hay không? Thực tế tác nhân sử dụng toàn nhiệt lượng Q (Q ≡ Q1) mà nhận nguồn nhiệt để sinh công A’ mà phải truyền cho nguồn nhiệt thứ hai phần nhiệt lượng Q’ mà nhận nguồn nhiệt thứ Như tác nhân thực chu trình động nhiệt phải làm việc hai nguồn nhiệt: ♦ Nguồn nóng có nhiệt độ T cao nhiệt độ tác nhân, truyền nhiệt lượng Q cho tác nhân; ♦ Nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp nhiệt độ tác nhân, nhận nhiệt lượng Q’ tác nhân Nguồn nóng T1 Q1 Tác nhân A’ Q’2 Nguồn lạnh T2 Sơ đồ hoạt động động nhiệt - 18 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông * Nếu giá trị công A’ gần giá trị nhiệt lượng Q tốt nhiêu Để đặc trưng cho tính chất động nhiệt người ta đưa khái niệm hiệu suất ηđược biểu thị công thức Q2' A ' Q1 − Q2' η= = =1(21) Q1 Q1 Q1 Hiệu động nhiệt nhỏ Hiệu suất động nhiệt thực tế khoảng 25% - 45% Ví dụ: Động đốt kì - Nguồn nóng: nhiên liệu cháy xilanh vào cuối kì nén; - Nguồn lạnh: vỏ nước bao quanh xilanh (không có hình vẽ) không khí làm nguội khí thải từ xilanh kì thoát; - Tác nhân hòa khí gồm hỗn hợp không khí nhiên liệu Sơ hoạt động động đốt kì Xét động nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô Chu trình Cácnô đóng vai trò quan trọng lý thuyết máy nhiệt nói riêng nhiệt động lực học nói chung Đó chu trình gồm hai trình đẳng nhiệt hai trình đoạn nhiệt xen kẽ thực hai nguồn nhiệt có nhiệt độ không đổi (T1 > T2) * Hiệu suất động nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô η= T A ' T1 − T2 = =1- (22) Q1 T1 T1 - 19 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Hiệu suất chu trình xảy nhỏ hiệu suất chu trình  Q1 − Q2' T1 − T2  < Cácnô  ÷ (23) Q T 1   2.2.2.2.2 Máy lạnh Máy lạnh loại máy tiêu thụ công để vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng Ví dụ tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ,… Nguyên tắc hoạt động máy lạnh Khi thực chu trình, tác nhân máy lạnh nhận ngoại vật lượng hình thức công có giá trị A đồng thời nhận nguồn lạnh T lượng hình thức nhiệt có giá trị Q Các dạng lượng mà tác nhân nhận vào biến đổi sang dạng nội góp phần làm tăng nội tác nhân Để trở lại trạnh thái ban đầu tác nhân lại truyền phần nội cho ngoại vật (nguồn nóng T1) hình thức nhiệt có giá trị Q’1 Nguồn nóng T1 Q’1 Tác nhân Q2 A Nguồn lạnh T2 Sơ đồ hoạt động máy lạnh Ví dụ: - tủ lạnh - 20 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Trong đó: Nguồn lạnh dàn bay hơi; Nguồn nóng không khí đối lưu qua dàn ngưng; Tác nhân số môi chất lỏng dễ hóa (amôiac anhydric) - Máy điều hòa nhiệt độ máy lạnh Khi trời nóng, nguồn lạnh không khí phòng, nguồn nóng không khí trời Khi trời lạnh, nguồn nóng không khí phòng, nguồn lạnh không khí trời * Nếu máy lạnh chuyển nhiệt lượng Q từ nguồn lạnh lên nguồn nóng lớn nhận công A ngoại vật máy lạnh tốt Để đặc trưng cho tính chất máy lạnh người ta đưa khái niệm hiệu biểu thị công thức ε= Q2 Q = ' (24) A Q1 - Q2 Hiệu máy lạnh thường có giá trị lớn * Đối với máy lạnh hoạt động theo chu trình Cácnô hiệu xác định ε= T2 (25) T1 − T2 2.2.2.3 Nguyên lý II Nhiệt động lực học 2.2.2.3.1 Phát biểu nguyên lý II - 21 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông  Phát biểu Claudiut: Nhiệt tự truyền từ nơi lạnh sang nơi nóng mà không kèm theo biến đổi  Phát biểu Kelvin: Một hệ nhiệt động học tạo công tiếp xúc với nguồn nhiệt  Phát biểu Thomson: Không thể tồn tự nhiên trình mà hậu biến nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không để lại dấu vết cho môi trường xung quanh Các phát biểu tương đương với 2.2.2.3.2 Biểu thức định lượng nguyên lý II Đối với động nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô thuận nghịch Từ (21) (22) ta có Q1 − Q2 ' T1 − T2 = , Q1 T1 Q2 ' T 1− = 1− , Q1 T1 Q2 ' T2 T = ⇒ Q2 ' = Q1 Q1 T1 T1 Suy Đối với động nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô không thuận nghịch hiệu suất nhỏ động thuận nghịch, ta có Hay Q2 ' T 1− < 1− , Q1 T1 T Q2 ' < Q1 T1 Về mặt định lượng, nội dung nguyên lý II phát biểu: Trong chu trình thực nguồn nóng có nhiệt độ cao T nguồn lạnh có nhiệt độ thấp T2, tác nhân nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng Q1, sinh công A’= Q1 – Q2’ nguồn lạnh nhận nhiệt lượng Q2 có giá trị bé Q1 - 22 - T2 T1 Phân tích chương trình Vật lí phổ thông 2.2.2.3.3 Ý nghĩa nguyên lý II nhiệt động lực học  Nguyên lý II rõ chiều diễn biến trình Khác với nguyên lý I thực cách tuyệt đối, nguyên lý II mang tính thống kê thực độ xác đến thăng giáng (sai lệch nhỏ)  Nguyên lý II bổ sung cho nguyên lý I đóng vai trò quan trọng việc chế tạo máy nhiệt  Nguyên lý II NĐLH khẳng định rằng: “Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại hai”(động vĩnh cửu loại hai động biến đổi hoàn toàn nhiệt lượng nhận thành công (động nhiệt vĩnh cửu) truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà không cần nhận công (máy lạnh vĩnh cửu)) - 23 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông KẾT LUẬN Phần “Cơ sở Nhiệt động lực học” cung cấp kiến thức phổ thông bao gồm khái niệm vật, tượng trình vật lý thường gặp đời sống sản xuất thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học, nguyên lý trình bày phù hợp với lực toán học lực suy luận logic học sinh, nguyên tắc ứng dụng quan trọng vật lý đời sống Các kiến thức phân bố vào bài, mục cụ thể chúng có quan hệ với thể thống nội dung bài, chương - 24 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Công Triêm, Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), NXBGD Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo viên), NXBGD Lương Duyên Bình (chủ biên) (1995), Vật lý đại cương (tập 1), NXBGD Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa), NXBGD Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên), NXBGD - 25 - [...]... Nếu trong chu trình tác nhân truyền nhiệt cho ngoại vật thì nhất thiết nó phải nhận công của ngoại vật Đó là nguyên tắc hoạt động của máy lạnh Động cơ nhiệt và máy lạnh có tên gọi chung là máy nhiệt Máy nhiệt là một hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt hoặc biến nhiệt thành công 2.2.2.2.1 Động cơ nhiệt Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công - 17 - Phân tích chương trình Vật lí... thuyết về máy nhiệt nói riêng và nhiệt động lực học nói chung Đó là chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau và được thực hiện giữa hai nguồn nhiệt có nhiệt độ không đổi (T1 > T2) * Hiệu suất của động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cácnô η= T A ' T1 − T2 = =1- 2 (22) Q1 T1 T1 - 19 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Hiệu suất của mọi chu trình có thể xảy... tạo máy nhiệt  Nguyên lý II của NĐLH khẳng định rằng: “Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai” (động cơ vĩnh cửu loại hai là động cơ biến đổi hoàn toàn nhiệt lượng nhận được thành công (động cơ nhiệt vĩnh cửu) hoặc truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà không cần nhận công (máy lạnh vĩnh cửu)) - 23 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông KẾT LUẬN Phần Cơ sở của Nhiệt động lực học ... đồ hoạt động của động cơ nhiệt - 18 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông * Nếu giá trị của công A’ càng gần giá trị của nhiệt lượng Q 1 bao nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu Để đặc trưng cho tính chất này của động cơ nhiệt người ta đưa ra khái niệm hiệu suất ηđược biểu thị bởi công thức Q2' A ' Q1 − Q2' η= = =1(21) Q1 Q1 Q1 Hiệu sất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 1 Hiệu suất của các động cơ nhiệt thực... mà bao giờ cũng phải truyền cho nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng Q’ 2 mà nó đã nhận của nguồn nhiệt thứ nhất Như vậy tác nhân thực hiện chu trình trong động cơ nhiệt phải làm việc giữa hai nguồn nhiệt: ♦ Nguồn nóng có nhiệt độ T 1 cao hơn nhiệt độ tác nhân, truyền nhiệt lượng Q 1 cho tác nhân; ♦ Nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp hơn nhiệt độ tác nhân, nhận nhiệt lượng Q’ 2 của tác nhân Nguồn nóng... quá trình có ma sát; - Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh; … 2.2.2.2 Các máy nhiệt Theo nguyên lý I, khi tác nhân (hệ thực hiện chu trình thường được gọi là tác nhân) thực hiện một chu trình thì ∆U = 0 lúc đó Q = -A * Nếu trong chu trình tác nhân sinh công cho ngoại vật thì nhất thiết nó phải nhận nhiệt của ngoại vật Đó là nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt (máy hơi nước, động cơ nổ,…)... - Quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm; … Đa số các quá trình cơ học không có ma sát đều là quá trình thuận nghịch 2.2.2.1.2 Quá trình không thuận nghịch Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận Do đó đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch... cấp những kiến thức phổ thông cơ bản bao gồm những khái niệm về các sự vật, hiện tượng và quá trình vật lý thường gặp trong đời sống và sản xuất thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học, các nguyên lý được trình bày phù hợp với năng lực toán học và năng lực suy luận logic của học sinh, những nguyên tắc cơ bản của các ứng dụng quan trọng của vật lý trong đời sống Các kiến thức cơ bản trên có thể được phân bố... công 2.2.1.3.3 Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái khi nhiệt độ không đổi Phương trình T = const hay pV = const Ví dụ: Quá trình nén hoặc giãn một khối khí tiếp xúc vói một môi trường lớn có nhiệt độ không đổi hay bình điều nhiệt. Giả sử khối khí lí tưởng biến đổi đẳng nhiệt từ trạng thái 1 sang trạng thái 2  Công mà khí nhận được trong quá trình đẳng nhiệt Từ (3) ta... với máy lạnh hoạt động theo chu trình Cácnô thì hiệu năng được xác định bởi ε= T2 (25) T1 − T2 2.2.2.3 Nguyên lý II của Nhiệt động lực học 2.2.2.3.1 Phát biểu nguyên lý II - 21 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông  Phát biểu của Claudiut: Nhiệt không thể tự truyền từ nơi lạnh sang nơi nóng hơn mà không kèm theo một sự biến đổi nào cả  Phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt động học không thể tạo ... phổ thông Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), NXBGD Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo viên), NXBGD Lương Duyên Bình (chủ biên) (1995),... 1), NXBGD Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa), NXBGD Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên), NXBGD - 25 - ... hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật tỏa nhiệt lượng mà vật thu vào Ví dụ: - 10 - Phân tích chương trình Vật lí phổ thông Nung nóng miếng đồng thả vào cốc nước lạnh nhiệt lượng