Bài 33: Các Nguyên Lí Của Nhiệt Động Lực Học

I. Nguyên lí 1: nhiệt động lực học

1. Phát biểu nguyên lí 1

Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được hoặc cho đi.

 (*)

Với ΔU = U₂ – U₁ là độ biến thiên nội năng của hệ.

Qui ước:

Q  >  0:  Hệ nhận nhiệt lượng.           

A > 0: Hệ nhận công

Q  <  0:  Hệ tỏa nhiệt lượng.              

A < 0: Hệ sinh công

ΔU  >  0: nội năng của hệ tăng.

ΔU  <  0: nội năng của hệ giảm.

2. Nội năng và công của khí lí tưởng

a. Nội năng của khí lí tưởng:

Các phân tử khí lí tưởng chỉ tương tác nhau khi va chạm nên ta bỏ qua thế năng tương tác phân tử 

⇒  Nội năng của khí lí tưởng chỉ bao gồm tổng động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử có trong khí đó.

b. Công thức tính công:

+ Công mà lượng khí thực hiện trong quá trình bất kỳ MN: được biểu diễn bởi diện tích hình thang cong MNV₂V₁.

A’ = Diện tích hình thang cong MNV₂V₁

+ Công mà lượng khí thực hiện trong quá trình dãn nở đẳng áp MN: được biểu diễn bởi diện tích hình chữ nhật MNV₂V₁

A’ = p(V₂ - V₁) ⇒  A’ = p.ΔV

3. Áp dụng nguyên lí 1 cho khí lí tưởng

a. Quá trình đẳng tích:

ΔV = 0 ⇒ A = 0 nên Q = ΔU

Vậy trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí.

b. Quá trình đẳng áp:

ΔV ≠ 0 ⇒ A ≠ 0 nên Q = DU – A

Trong đó A = - A’ = - p(V₂ – V₁)  với V₂ > V₁

⇒ Q = ΔU + A’  (A’ là công mà khí sinh ra).

Vậy trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra.

c. Quá trình đẳng nhiệt: ΔU = 0 ⇒ Q = - A = A’

Vậy trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết sang công mà khí sinh ra.

d. Chu trình

Chu trình là một quá trình mà trạng thái cuối của nó trùng với trạng thái đầu. Trong chu trình ΔU = 0 nên Q = - A = A’

Vậy tổng đại số nhiệt lượng mà hệ nhận được chuyển hết sang công mà hệ sinh ra trong chu trình đó.

II. Nguyên lí 2: nhiệt động lực học

1. Động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công.

a. Cấu tạo:

Gồm 3 phần:

+ Nguồn nóng: để cung cấp nhiệt lượng cho tác nhân.

+ Bộ phận phát động, trong đó có vật trung gian gọi là tác nhân.

+ Nguồn lạnh: để thu nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra.

b. Nguyên tắc hoạt động

Tác nhân nhận nhiệt lượng Q₁ từ nguồn nóng biến một phần thành công A và toả phần nhiệt lượng còn lại Q₂ cho nguồn lạnh.

c. Hiệu suất của động cơ nhiệt

Là tỉ số giữa công A’ sinh ra với nhiệt lượng Q₁  nhận được từ nguồn nóng: H =   

 Thường H khoảng 25% đến 45%.

d. Hiệu suất cực đại H_max:

Hiệu suất của một động cơ nhiệt bất kỳ: H =   <  

+ Muốn nâng cao hiệu suất của động cơ nhiệt ta nâng cao nhiệt độ nguồn nóng T₁ hay hạ thấp nhiệt độ nguồn lạnh T₂ hoặc cả hai.

+ Động cơ nhiệt có hiệu suất bằng H_max = , gọi là động cơ nhiệt lí tưởng.

2. Máy lạnh

Máy lạnh là thiết bị dùng để lấy nhiệt từ một vật này truyền sang vật khác nóng hơn nhờ nhận công từ các vật ngoài.

3. Phát biểu nguyên lí 2: nhiệt động lực học

Có hai cách phát biểu thông thường:

• Cách 1. Nhiệt không tự nó truyền từ một vật này sang một vật khác nóng hơn.
• Cách 2. Động cơ nhiệt không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công ⇒ Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại hai.

III. Bài tập luyện tập Các nguyên lí của nhiệt động lực học của trường Nguyễn Khuyến

Câu 1. Nội năng của khí lí tưởng

A. không phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.

B. chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

C. phụ thuộc vào thể tích.

D. phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.

Câu 2. Gọi Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được, là độ biến thiên nội năng của hệ, A là công mà hệ nhận được thì

A. .

B. .

C. .        

D. .

Câu 3. Nếu hệ nhận nhiệt và nhận công thì nội năng sẽ

A. không đổi.

B. giảm.

C. tăng.                           

D. giảm rồi tăng.

Câu 4. Biểu thức diễn tả đúng quá trình chất khí vừa nhận nhiệt vừa nhận công là

A. ΔU = Q + A; Q > 0; A < 0.

B. ΔU = Q; Q > 0.

C. ΔU = Q + A; Q < 0; A > 0.

D. ΔU = Q + A; Q > 0; A > 0.

Câu 5. Phát biểu nào sau đây không phù hợp với nguyên lí II của nhiệt động lực học?

A. Nhiệt không tự nó truyền từ một vật sang vật nóng hơn.

B. Động cơ nhiệt không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công.

C. Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai.

D. Động cơ nhiệt có thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công.

Câu 6. Động cơ nhiệt lí tưởng làm việc giữa hai nguồn nhiệt 27^oC và 127^oC. Hiệu suất của động cơ là

A. 30%.

B. 25%.

C. 50%.                          

D. 20%.

Câu 7. Người ta thực hiện công 150 J để nén khí trong một xi-lanh. Biết khí truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 20 J độ biến thiên nội năng của khí là

A. 150 J.

B. 130 J.

C. 170 J.                         

D. 20 J.

Câu 8. Người ta nung nóng một khối khí trong xi lanh thì khí nở ra thực hiện công 70 J đẩy pittông đi lên. Nội năng của khí tăng thêm một lượng là 30 J. Nhiệt lượng mà khối khí nhận được là

A. 20 J.

B. 100 J.

C. 40 J.                           

D. 50 J.

Câu 9. Trong một quá trình nung nóng đẳng áp ở áp suất 1,5.10⁵ Pa, một chất khí tăng thể tích từ 40 dm³ đến 60 dm³ và tăng nội năng một lượng là 4,28 J. Nhiệt lượng truyền cho chất khí là

A. 1280 J.

B. 3004,28 J.

C. 7280 J.                       

D. – 1280 J.

Câu 10. Hai quả cầu bằng chì giống nhau, chuyển động thẳng đều với vận tốc lần lượt là 10 m/s và 20 m/s, ngược chiều nhau trên mặt sàn nằm ngang nhẵn đến va chạm với nhau. Sau va chạm 2 vật dính chặt vào nhau và chuyển động cùng vận tốc. Nhiệt dung riêng của chì là 130 J/kg.K. Coi nhiệt lượng truyền ra ngoài môi trường là không đáng kể. Độ tăng nhiệt độ của mỗi vật tăng là

A. 0,64^oC.

B. 0,86^oC.

C. 1,2^oC.                         

D. 0,3^oC.

IV. Hướng dẫn giải bài tập luyện tập Các nguyên lí của nhiệt động lực học

Giáo viên biên soạn : Nguyễn Văn Sơn

Đơn vị: Trường THCS - THPT Nguyễn Khuyến