Giải bài tập Vật lý 10 Bài 33: Các nguyên lý của nhiệt động lực học

§33. CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC
A. KIẾN THỨC Cơ BẢN
I. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học
Phát biểu nguyên lí
Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
Biểu thức:	AU = Q + A
Quy ước về dấu của nhiệt lượng, công và độ biến thiên nội năng:
Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng của các vật khác.
Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng cho các vật khác.
A > 0: Vật nhận công.
A < 0: Vật sinh công.
AU > 0: Nội năng tăng.
AU < 0: Nội năng giảm.
Vận dụng
* Công của chất khí dãn nở khi áp suất không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể có độ lớn bằng tích của áp suất chất khí và độ lớn của độ biến thiên thể tích: A = p.AV
Quá trình đẳng tích
ỳ”'f
Pi	Ị (1)
() V V Hỉnh 33.1
Trong quá trình đẳng tích thì V, = v2 => AV = 0.
Nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí.
Biểu thức nguyên lí thứ nhất: AU = Q.
Trong hệ tọa độ (p, V) quá trình này được biểu diễn bằng một đoạn thẳng song song với trục Op như hình 33.1.
Pậ
Quá trình đẳng áp
Trong quá trình đẳng áp thì p = hằng số, AV * 0 nên AA * 0 và A = p.AV.
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.
Biểu thức nguyên lí thứ nhất: AU = Q + A
Trong hệ tọa độ (p, V) quá trình này được biểu diễn bằng một đoạn thẳng vuông góc với trục Op (Hình 33.2).
Quá trình đẳng nhiệt
Trong hệ tọa độ (p, V), quá trình đẳng nhiệt được biểu diễn bằng đường hyperbol như hình 33.3. Có thể hình dung quá trình này như sau:
Có một lượng khí được giam trong một xilanh được đóng kín bằng một pittông di động, người ta cung cấp nhiệt cho khí làm cho khí dãn ra, sinh công nhưng nhiệt độ khí vẫn không thay đổi.
Nội năng khí không đổi (AU = 0) nên trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra.
Biểu thức của nguyên lí thứ nhất: Q + A = 0
II. Nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học
Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
Quá trình thuận nghịch là quá trinh trong đó vật (hay hệ) có thể tự quay về trạng thái ban đẩu mà không cần đến sự can thiệp của các vật khác.
Quá trình không thuận nghịch là quá trình trong đó vật (hay hệ) không có thể tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của các vật khác.
Nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học
Cách phát biểu của Clau-di-ut
Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.
Chú ý'. Cách phát biểu của Clau-di-ut không phủ nhận khả năng truyền' nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà chỉ khẳng định điều này không thể tự xảy ra được.
Cách phát biểu của Các-nô
Dộng cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng thành công cơ học.
Vận dụng
Có thể dùng nguyên lí thứ hai để giải thích nhiều hiện tượng trong đời sống và kĩ thuật. Chẳng hạn có thể giải thích hoạt động của động cơ nhiệt: Mỗi động cơ nhiệt có ba bộ phận cấu thành cơ bản:
Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng cho tác nhân để tăng nhiệt độ.
Bộ phận phát động trong đó là tác nhân giãn nở sinh công.
Nguồn lạnh để nhận nhiệt lượng do tác nhân để tác nhân giảm nhiệt độ. Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. Khi động cơ nhiệt hoạt động, một phần nhiệt lượng được truyền cho nguồn lạnh. Nhiệt lượng nhận được tử nguồn nóng bằng tổng nhiệt lượng chuyển hóa thành công và nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh. Hiệu suất của động cơ nhiệt: H = -^77—1 = 77-0/0
Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%
Muốn nâng cao hiệu suất động cơ nhiệt phải nâng cao nhiệt độ T, của nguồn nóng và hạ thấp nhiệt độ T2 của nguồn lạnh.
B. HOẠT ĐỘNG
C1. Xác định dấu của các đại lượng trong hệ thức của nguyên lí I Nhiệt dộng lục học cho các quá trinh vật thu nhiệt lu'o'ng dể tãng nội nãng đóng thoi thực hiện công.
C2. Các hệ thức sau dây diễn tả những quá trinh nào?
a) AU = Q khi Q > 0; khi Q 0; khi A < ó.
c) AU = Q + A khi Q > 0 và A 0 và A > 0
C3. Vế mùa hè, người ta có thể dùng máy điều hóa nhiệt độ dể truyền nhiệt tu trong phòng ra ngoài troi, mặc dủ nhiệt độ ngoài troi cao hơn trong phòng. Hỏi điéu này có vi phạm nguyên lí II nhiệt dộng lực học không? Tại sao?
C4. Hãy chửng minh rằng cách phát biểu trên không vi phạm dinh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
c. CẢU HỎI VÀ BÀI TẬP
Phát biếu và viêt hệ thức cùa nguyên li I NĐLH. Nêu tén, (lơn vị và quy Ước (lâu ctiii các đại lượng trong hệ thức.
Phát biếu nguyên li II NĐLH.
Trong các hệ thức sau. hệ thức nào diện tà quá trình nung nóng khi trong một hình kin khi bó qua sự nỡ vi nhiệt cùa hình?
A. AƯ = Ai	B. Aư = Q + A;	c. AU = 0:	D. Aư = Q.
Trong quá trình chất khi nhận nhiệt vá sinh cóng thi Q và A trong hẹ thức \U A 4 Q phái có giá trị nào sau dày?
A. Q 0;.	B.	Q > I) và A > 0;
c. Q > 0 và A < 0;	1).	Q < 0 và A <0.
Trường hợp nào sau đay ưng vđi quá trình đẵng tích khi nhiệt độ tang?
A. Aư - Q vái Q >	0:	B.	Ai' Q + A với A > 0;
c. AƯ = Q + A vứi	A < Ó:	D.	Al' - ọ với y < I).
Người ta thực hiện công 100-J dế iién khi trong một. xilaiih. Tinh độ hiến tllién nội nang cùa khí, biêt khi truyền ra mỏi trường xung quanh nhiệt lượng 2ƠJ.
Người ta truyền cho khi trong'xilitnh nhiệt lượng 10O.J. Khi uư ra thực hiện cóng 7O-J (lay pit.tông lén. Tinh dộ biên thiên nội nang cùa khi.
Khi truyền nhiệt lượng 6.10‘ J cho khí trong một xilanh hình trụ thì khi I1Ớ ra dây pit tong lên làm thế tích cha khi tang thòm 0,50m1. Tinh độ biến thiêu nội nàng cứa khi. Biôt áp suàt cứa khí la 8.10'N/mz vã coi áp suất náy không đổi trong quá trinh khi thực hiện cõng.
LỜI GIẢI
• Hoạt.động
Cl. Vật thu nhiệt lượng: Q > 0 Nội năng vật tàng: Aư > 0 Vật thực hiện còng: A < 0 (Tên vật khác)
C2. a) AU = Q AU = Q b) AU = Ã
AU = A
Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng và tăng nội năng. Q < 0: Vật toa nhiệt lượng vá giam nói năng.
A > 0: Vật nhận còng và lãng nội nâng.
A < 0: Vật thực hiện còng và giam nội năng.
c) AU = Q + A; Q > 0; A < 0: Vật. nhận nhiệt lượng, thực hiện công, nội nâng có thô tăng hoặc giảm.
z\U = Q + A; Q > 0; A > 0: vật nhận nhiệt lượng, nhận cóng, nội năng tăng.
C3. Không vi phạm nguyên lí TI NĐLH.
Nhiệt không tự truyền trực tiếp từ phòng ra ngoài mà còn thòng qua nhiều vật, nhiều quá trình khác nữa.
C4. Trong động cơ nhiệt, một phần nhiệt lượng'dộng cơ nhận phui truyền cho nguồn lạnh, phẩn còn lại chuyên thành cõng (ách phát biếu của Các-nô không màu thuần định lúật bao toàn va chuyến hóa năng lượng.
Câu hỏi và bài tập
Tr 175, 176 SGK	,
Tr 178 SGK
I). (Khí trong bình kín không dãn nỏ' nên A =.0 > AU = Q)
c. (Khí nhận nhiệt: Q 0; sinh công: A < 0
A. Quá trình đẳng tích: V = const. => A = 0 —> AƯ = (ị
Nhiệt độ tăng —> u tăng; Aư > 0
80(J)
Khí nhận công:	A = 1004
Khí truyền nhiệt cho môị_ trường: Q = 204 Áp dụng nguyên lí I NĐLH: AU - A + Q = 80J Nội năng khí tăng 80J
Kill trong xilanh nhận nhiệt: Q = 1004
Khí nở, thực hiện còng:	A = 70J
AU = A + Q = 304 Nội năng khí táng 304
Khí nhận nhiệt:	Q = 6.10 4
Thể tích khí tăng: z\V = 0,50m".
Áp suâl khí: p = 8.10'
= const
- Ị \h
MÌ
Hình ‘Ỉ3.4
Khí. nhận nhiệt, nóng lên dãn nó' dẳng áp, thực hiện còng A lên pittỏng làm nó dịch chuyên đoạn Ah. Áp lực khí lên pittông F = p.s (S là diện tích pittông)
Công của lực E: A = -F.Ah = -pS.Ah = p.AV
= -8.10G.0,50 = —4.106 (J Áp dụng nguyên lí I: AU = A + Q = 2.10" (4)