Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học - Đỗ Ngọc Uấn

Ch−ơng 8
Nguyên lý thứ nhất nhiệt
động lực học
Bμi giảng Vật lý đại c−ơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
Đ1.Khái niệm năng l−ợng-công
vμ nhiệt
1. Năng l−ợng:
• Đặc tr−ng cho mức độ vận động của vật
chất trong hệ.-> trạng thái xác định, năng
l−ợng xác định. 
=>Năng l−ợng lμ hμm của trạng thái.
• Hệ không chuyển động, không đặt trong
tr−ờng lực -> Năng l−ợng của hệ đúng
bằng nội năng của hệ: W = U
Khối khí đẩy pít tông -> sinh công -> nội năng
giảm -> trao đổi năng l−ợng; Nén: nhận công.

 Công vμ nhiệt lμ những đại l−ợng đo mức độ
trao đổi năng l−ợng. Chúng không phải lμ năng
l−ợng. Chúng không phải lμ hμm trạng thái mμ
lμ hμm của quá trình.
•Sự t−ơng đ−ơng giữa công vμ nhiệt:
•Nung nóng khối khí, giữ V=const
->Chuyển động hỗn loạn tăng ->T tăng
->trao đổi năng l−ợng: nhận nhiệt.
4,18j 1calo
2. Công vμ nhiệt:
Đ2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động
lực học
Trong cơ học: Độ biến thiên năng l−ợng của hệ
bằng công mμ hệ trao đổi trong quá trình đó:
ΔW = W2- W1= A -> Nhiệt?
1. Phát biểu nguyên lý thứ nhất nhiệt
động lực học:
Độ biến thiên năng l−ợng của hệ trong quá
trình biến đổi bằng tổng công vμ nhiệt hệ
nhận đ−ợc trong quá trình đó
ΔW = W2- W1= A +Q
Công liên quan đến chuyển động có trật tự
Nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn
=> A’=-A, Q’=-Q Công vμ nhiệt hệ sinh & toả
ra.
• Hệ đứng yên thì W=U (nội năng)
• => Trong quá trình biến đổi, độ biến thiên nội
năng của hệ bằng tổng công vμ nhiệt hệ nhận
đ−ợc trong quá trình đó:
ΔU = U2-U1= A+Q
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ:
dU = δA + δQ
A, Q -Công vμ nhiệt hệ nhận đ−ợc. 
2. ý Nghĩa nguyên lý I NĐLH:
• Nếu A>0, Q>0 => ΔU = U2-U1>0 nội năng
tăng, Hệ nhận công vμ nhiệt. Công sinh ra A’<0 
& nhiệt toả ra Q’<0.
• Nếu A U2 Nội năng giảm, 
Hệ sinh công A’>0 & toả nhiệt Q’>0.
• Nếu A=0 & Q=0 => U2=U1 Nội năng bảo toμn
• Định luật bảo toμn vμ chuyển hoá năng l−ợng: 
Năng l−ợng không tự sinh ra vμ cũng không tự
mất đi, nó chỉ chuyển hoá từ dạng nμy sang dạng 
khác, truyền từ hệ nμy sang hệ khác.
3. Hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt
Động Lực học:
 Không tồn tại động cơ vĩnh cửu loại I: Giả sử
hệ thực hiện một chu trình kín vμ trở lại trạng 
thái ban đầu; Tức U2=U1-> ΔU = 0 => A=-Q 
hay -A = Q; Nh− vậy hệ nhận công thì toả nhiệt, 
sinh công thì phải nhận nhiệt.
 Trong một hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, 
nhiệt l−ợng do vật nμy toả ra bằng nhiệt l−ợng
do vật kia thu vμo:
ΔU = 0 => Q1 =-Q2.
Đ3. ứng dụng nguyên lý thứ I nhiệt
động lực học
1. Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng
a. Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của hệ lμ
trạng thái trong đó mọi thông số trạng thái
không biến đổi theo thời gian. Trạng thái cân
bằng bị phá vỡ nếu chịu tác động từ bên ngoμi.
Quá trình cân bằng lμ quá trình biến đổi gồm
một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng
Thực tế không có quá trình CB; QT biến đổi rất
chậm: Trạng thái CB đ−ợc thiết lập trong toμn hệ
tr−ớc khi chuyển sang trạng thái CB tiếp theo
 QT giả cân bằng
áp suất tác dụng lên pít tông
p = F/S
Công khối khí nhận đ−ợc: 
δA=-F.dl=-pSdl
S.dl=dV => δA = -pdV
Công hệ nhận đ−ợc trong quá trình V1=> V2
∫ ∫ −==
2
1
V
V
2
1
pdVdAA
A bằng diện tích d−ới
đ−ờng cong.
Trong chu trình A bằng tổng đại số Agiãn+Anén
b. Công mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB
Nén chậm
F
dl<0
S
p
Nén
V2 V1V
2 A>0
1
Giãn
V1 V2V
1 A<0
2
p
c. Nhiệt mμ hệ nhận đ−ợc trong quá trình CB
Nhiệt dung phân tử(1 mol): C = μ.c J/(mol.K)
Nhiệt hệ nhận đ−ợc: CdTmQ μ=δ
Nhiệt dung: riêng c của một chất lμ đại l−ợng
vật lý có giá trị bằng l−ợng nhiệt cần thiết mμ
một đơn vị khối l−ợng nhận đ−ợc để nhiệt độ
của nó tăng thêm 1 độ.
C = Cv trong quá trình đẳng tích
C = Cp trong quá trình đẳng áp
kg.K
j
 vĐ 
dT.m
Qc δ=
p
V2
1
2
VV1
2. Quá trình đẳng tích
• V= const 
•P/T = const (ĐL Gay-Lussac)
 T
2
iRmU Δμ=Δ
TCmQ v Δμ=
2
iRCv =
2
1
3 
2
2
1
1
T
p
T
p
T
p ==
•Nhiệt nhận đ−ợc: 
12 TTT −=Δ
V
p
•Công A= p(V1-V2)=0 
• =>ΔU = Q
• Biến thiên nội năng:
3. quá trình đẳng áp
• p = const
• V/T = const (ĐL Gay-Lussac)
3
3
1
1
T
V
T
V
T
V == 
• Nhiệt hệ nhận đ−ợc: Q= ΔU -A
 T
2
iRmQ Δμ= TRmT
2
iRmQ Δμ+Δμ=
=> R=CP-CV R
2
2iCP
+=
i
2i
C
C
V
P +==γ
TRmVp Δμ=Δ
V
p
+p(V2-V1)
Hệ số Poisson
TCmT)RC(mT)R
2
iR(mQ PV Δμ=Δ+μ=Δ+μ=
• Công nhận đ−ợc: A=-p(V2-V1)
2 1 3
v2 v1 v3
4. quá trình đẳng nhiệt
• T=const =>T1=T2 =T
• pV=const (ĐL Boyle-Mariotte)
∫ −= 2
1
v
v
pdVA
2
1
1
2
1
2
11 V
VlnRTm
V
VlnRTm
V
VlnVpA μ=μ−=−=
1
2
V
VlnRTmAQ μ=−=
p 3
p1 1
p2 2
v1 v2 v
p1V1=p2V2=pV
p=p1V1/V
•ΔU=0 => A=-Q hay Q=-A
• Công nhận đ−ợc:
∫ −= 2
1
v
v
11 V
dVVp
5. Qúa trình đoạn nhiệt
• δQ=0 hay Q=0 
• p tăng do V↓ & T↑
• dU= δA ( Nguyên lý I NĐH)
; dTCmdT
2
iRmdU Vμ=μ=
constVln)1(Tln =−γ+ constTV 1 =−γ
V
dVRTdTC V −=⇒ -pdVA =δ RTmpV μ= 0 
V
dV
C
R
T
dT
V
=+
1
C
CC
C
R
V
VP
V
−γ=−=
constTV 1 =−γ
const)TVln( 1 =−γ
1 constp.T
1
>γ=γ
γ−
constpV =γ
• Về ph−ơng diện vật lý: Trong QT đoạn nhiệt
p↓ do V↑ & T↓ còn khi p ↑ do V ↓ & T ↑
Đoạn nhiệt dốc hơn
T=const->pV=constδQ=0->pVγ=const
p
v
 T
2
iRmU Δμ=Δ
• Độ biến thiên nội năng
trong QT đoạn nhiệt:
Công mμ hệ nhận đ−ợc trong QT đoạn nhiệt:
• Về mặt toán học:
PVγ= const & γ>1
Trong QT đẳng nhiệt:
p↓ doV↑
hay p↑do V↓
Công do hệ sinh ra: A’=-A
 T
2
iRmUQUA Δμ=Δ=−Δ=
∫ −= 2
1
V
V
)pdV(A
111 RT
mVp μ=
Công Anhận trong
qt đoạn nhiệt
V1->V2:
1
)VV(Vp
V
dVVpA 
1
1
1
211
V
V
11
2
1
−γ
−=−=
γ−γ−γ
γ ∫ γ
1
VpVpA 1122 −γ
−=
1
1211
T)1(
)TT(Vp
−γ
−=A 
γγ = 2211 VpVpvμ thay
Nhân vμo
γ
γ
γγ =⇒=
V
VppVppV 1111