Chương X: Nhiệt động lực học

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.

I. TRẠNG THÁI CÂN BẰNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC.

1. Trạng thái cân bằng TOP

Trong cơ học, ta biết rằng trạng thái cân bằng của một vật là trạng thái mà vật đó đứng yên đối

với một hệ quy chiếu quán tính nhất định.

Trong nhiệt động lực học khái niệm trạng thái cân bằng của một hệ là trạng thái trong đó các

đại lượng vĩ mô (p, V, T) xác định trạng thái của hệ là không thay đổi. Những đại lượng xác định trạng thái

của một vật còn gọi là thông số trạng thái.

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không thể xảy ra các hiện tượng truyền nhiệt, các phản

ứng hóa học, biến đổi trạng thái giữa khí, lỏng, rắn. Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khác với trạng

thái cân bằng cơ học ở chỗ là mặc dù các đại lượng vĩ mô đặc trưng cho hệ không đổi nhưng các phần tử

cấu tạo nên hệ vẫn không ngừng chuyển động hỗn loạn. Chẳng hạn một hệ gồm một chất lỏng, đựng trong

bình kín, trên mặt của chất lỏng có hơi bão hoà của nó. Hệ này ở trạng thái cân bằng nên các đại lượng p, V,

T là không đổi. Tuy nhiên bên trong hệ vẫn có những phân tử bay hơi ra khỏi chất lỏng và ngược lại cũng

có những phân tử thuộc phần hơi bão hoà bay trở lại vào chất lỏng. Dĩ nhiên số phân tử bay ra và bay trở

vào chất lỏng trong cùng một thời gian nào đấy phải bằng nhau.

Chất khí ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nó tại mọi điểm của nó đều giống nhau và không

đổi theo thời gian. Tuy nhiên tại một miền nhỏ nào đó trong không gian và ở một thời điểm nhất định nào

đấy, các phân tử chất khí có thể có động năng trung bình lớn hơn động năng trung bình các phân tử chất khí

ở những miền khác. Do đó nhiệt độ ở miền nhỏ nói trên có thể lớn hơn nhiệt độ ở các miền khác. Như vậy,

sẽ xảy ra sự dẫn nhiệt từ miền có nhiệt độ cao đến miền có nhiệt độ thấp. Sự dẫn nhiệt này chỉ có thể xảy ra

trong một phạm vi không gian nhỏ so với toàn bộ thể tích chất khí.

Hình (10.1) biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất chất khí ở trạng thái cân bằng theo thời gian. Ta

thấy tuy rằng chất khí được giữ ở trạng thái cân bằng nhưng giá trị áp suất không phải hoàn toàn bất biến

mà dao động ít nhiều chung quanh giá trị trung bình. Những dao động nhỏ như vậy được gọi là những thăng

giáng.

Như vậy có hai đặc điểm của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.

Cuối cùng ta cần phân biệt trạng thái cân bằng và trạng thái dừng. Giả sử có một thanh kim loại

mà hai đầu thanh được giữ ở hai nhiệt độ xác định và khác nhau. Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng

thái dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại đã xảy ra quá trình truyền nhiệt

(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 .

Nhiệt động lực học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng trong quá trình chuẩn cân bằng tức là

những quá trình thuận nghịch. Những quá trình này được gọi chung là quá trình nhiệt động lực học.

II. NĂNG LƯỢNG CHUYỂN ÐỘNG NHIỆT VÀ NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ

TƯỞNG

1. Ðịnh luật phân bố đều năng lượng Boltzmann. TOP

Năng lượng chuyển động nhiệt còn gọi là nhiệt năng của một vật nào đó chính là tổng năng

lượng chuyển động của tất cả các phân tử cấu tạo nên vật. Việc xét riêng nhiệt năng và sự biến đổi của nó

trong một vật là rất khó khăn bởi vì năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử luôn luôn liên quan mật

thiết với thế năng tương tác giữa các phân tử. Chẳng hạn khi đung nóng vật, nhiệt độ của nó tăng lên thì

không những năng lượng chuyển động mà cả thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật cũng đều biến đổi. Vì

vậy, để thuận tiện cho việc tìm hiểu sâu về năng lượng chuyển động nhiệt ta chọn khí lý tưởng trong đó lực

tương tác và do đó thế năng tương tác giữa các phân tử rất nhỏ, có thể bỏ qua.

Ðối với các khí một nguyên tử (ví dụ như Hêli, Nêon, Argon) ta có thể coi phân tử như là chất

điểm. Phân tử có 1 nguyên tử chỉ có động năng của chuyển động tịnh tiến còn động năng ứng với chuyển

động quay thì không có. Nguyên tử gồm một hạt nhân tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử và một vành

nhẹ của các electron. Khi các phân tử va chạm nhau thì ngoài việc trao đổi cho nhau động năng của chuyển

động tịnh tiến phân tử, phân tử này còn truyền cho vành electron của phân tử kia một xung lượng quay.

Nhưng xung lượng này không làm quay được hạt nhân vì giữa hạt nhân và vành electron không có sự liên

kết rắn chắc. Hơn nữa vì mômen quán tính I của chuyển động quay của phân tử có 1 nguyên tử nhỏ có thể

coi bằng không (vì bán kính hạt nhân quá nhỏ) do đó động năng của chuyển động quay phân tử cũng coi

như bằng không, nghiã là cho rằng nguyên tử không quay.

Vậy đối với khí lý tưởng một nguyên tử chứa N phân tử thì năng lượng chuyển động nhiệt của

nó sẽ là:

Sự phân bố động năng của phân tử một nguyên tử thành 3 thành phần độc lập liên quan tới việc

coi phân tử như một chất điểm có 3 bậc tự do. Ta nhớ rằng số bậc tự do của một cơ hệ là số toạ độ độc lập

cần thiết để xác định vị trí và cấu hình của cơ hệ đó trong không gian.

Từ nhận xét trên ta suy ra rằng đối với mỗi bậc tự do, động năng trung bình của chuyển động

tịnh tiến của phân tử có 1 nguyên tử là bằng nhau và bằng KT/2

Từ đó, một cách tự nhiên, người ta giả thiết rằng nếu như phân tử còn có thêm một số bậc tự do

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.