Giải Vật Lý 10 Bài 33. Các nguyên lý của nhiệt động lực học

Bài 33. CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC
A. KIẾN THỨC CẦN NAM vững
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.
Biếu 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 đối hoặc thay đổi không đáng kể có độ lớn bằng tích của áp suất chất khí và độ lớn của độ biến thiên thế tích: A = p.AV.
Quá trỉnh đẳng tích
Trong quá trình đẳng tích thì V1 = v2 => ÀV = 0.
p
P2
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 biếu diễn bằng một đoạn thẳng song song với trục Op như hình 22.
Quá trình đằng áp
Trong quá trình đẳng áp thì p = hằng số,
P1
(2)
(1)
o V V
Hình 22
(1)	(2)
o V1 v2
Hỉnh 23
AV * 0 nên AA ? 0 và A = p.AV.
Một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để làm tăng nội nàng của khí, phần còn lại biến thành còng 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 thắng vuông góc với trục Op như hình 23.
Quớ trình, dẳng nhiệt
Trong hệ tọa độ (p, V), quá trình đẳng nhiệt được biểu diễn bằng đường hyperbol như hình 24. Có thế 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
Hỉnh 24
làm cho khí dãn ra, sinh công nhưng nhiệt độ khí vẫn không thay đổi.
Nội năng khí không đoi (AU = 0) nên trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà sinh ra.
Biểu thức của nguyên lí thứ nhát: 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 trình trong đó vật (hay hệ) có thể tự quay về trạng thái ban đầu 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 đêh sự can thiệp của các vật khác.
Nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học
Các phát biểu của Claudiut
Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.
Chú ý: Cách phát biểu của Claudiut không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà chỉ khẳng định điều này không thế tự xảy ra được.
Cách phát biểu của Cácnô
Động cơ nhiệt không thế’ chuyển hóa tất cả nhiệt lượng thành công cơ học.
Vụn dụng
Có thể dùng nguyên lí thứ hai đế giải thích nhiều hiện tượng trong đời sông và kĩ thuật. Chẳng hạn có thế 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 đê nhận nhiệt lượng do tác nhân đế tác nhàn giam nhiệt độ.
Động CƯ nhiệt không thế chuyển hóa tất cá nhiệt lượng nhận được thành còng cơ học. Khi động cơ nhiệt hoạt động, một phần nhiệt lượng dược truyền cho nguồn lạnh. Nhiệt lượng nhận được từ nguồn nóng bằng tỏng nhiệt lượng chuyến hóa thành công và nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh.
Hiêu suất của dộng cơ nhiệt: 11 =	- - --“%
Q:	Q,
Hiệu suàt của dộng cơ nhiệt bao giờ cũng nhó hơn 100%.
Muôn nàng cao hiệu suất dộng cơ nhiệt phai nàng cao nhiệt độ T1 cúa nguồn nóng và hạ thấp nhiệt độ T2 của nguồn lạnh.
B. TRẢ LỜI CÂU HỎI
Cl. Xác dịnh (láu cua các đại lượng trong hệ thức nguyên li ĩ NDLIl cho các quá trình vật thu nhiệt lượng dê tàng nội n.51 g đồng thời thực hiện công.
Trả lời
Theo nguyên lí 1 cúa nhiệt động lực học thì:
Khi thu nhiệt lượng: Q > 0
Trả lời
AU = Q khi Q > 0: vật nhận nhiệt lượng
khi Q < 0: vật truyền nhiệt lượng
AU = A khi A > 0: vật nhận công
khi A < 0: vật thực hiện công
AU = Q + A khi Q > 0 và A < 0: vật thực hiện hai việc cùng một lúc là nhận nhiệt lượng đế tăng nội năng đồng thời thực hiện công.
AU = Q + A khi Q > 0 và A > 0: vật thực hiện hai việc cùng một lúc là nhận nhiệt lượng và nhận công đế tăng nội năng.
C3. Về mùa hè, người ta có thể dùng máy điều hòa nhiệt độ đế truyền nhiệt từ trong phòng ra ngoài trời, mặc dù nhiệt độ ngoài trời cao hơn trong phòng. Hỏi điều này có vi phạm nguyên lí II NĐLH không? Tại sao?
Trả lời
Theo nguyên lí II NĐLH thì nhiệt không thế tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn, nhưng ở đây ta dùng máy điều hòa để làm nhiệm vụ này nên không vi phạm nguyên lí II NĐLH.
C4. Hãy chứng minh rằng cách phát biểu: động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học, không vi phạm định luật bảo toàn và chuyến hóa năng lượng.
Trả lời
Cách phát biểu của Sadi carnot: động cơ nhiệt không thể chuyền hóa tất cả nhiệt lượng nhận dược thành công cơ học. Các phát biểu này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vì tổng nhiệt năng và cơ năng mà hệ nhận được không đổi và có thể chuyến hóa dưới dạng nhiệt năng và cơ năng, không nhất thiết phải thành cơ năng hoàn toàn.
c. GIẢI BÀI TẬP
1. Trong các hệ thức sau, hệ thức nào diễn tả quá trình nung nóng khí trong một bình kín khi bỏ qua sự nở vì nhiệt của bình?
A. AU = A.	B. AU = Q + A.
c. AU = 0.	D. AU = Q.
Giải
Chọn đáp án D. AU = Q. (Khi nung nóng một bình kín và bỏ qua sự nở vì nhiệt của bình thì thế tích khí không thay đối nên khí không thực hiện được công, nghĩa là A = 0).
Trong quá trình chất khí nhận nhiệt và sinh công thì Q và A trong hệ thứ AU = Q + A phải có giá trị nào sau đây?
A. Q 0.	B. Q > 0 và A > 0.
c. Q > 0 và A < 0.	D. Q < 0 và A < 0.
Giải
Theo nguyên lí I NĐLH: AU = Q + A.
Nếu chất khí nhận nhiệt thì Q > 0
Nếu chất khí sinh công thì A < 0
Vậy chọn đáp án c.
Trường hợp nào sau đây ứng với quá trình đẳng tích khi nhiệt độ tăng?
A. AU = Q với Q > 0.	B. AU = Q + A với A > 0.
c. AU = Q + A với A < 0.	D. AU = Q với Q < 0.
Giải
Khi khối khí đẳng tích thì AV = 0 nên khối khí không thực hiện được công, nghĩa là A = 0.
Suy ra AU = Q với Q > 0 (do nhận nhiệt độ)
Vậy chọn đáp án A.
Người ta thực hiện công 100J để nén khí trong một xilanh. Tính độ biến thiên nội năng của khí, biết khí truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 20J
Giải
Theo nguyên lí I NĐLH thì AU = Q + A
Khi khối khí bị nén nó nhận một công là:
A = 100 (J) > 0
và truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng:
Q = -20 (J) < 0
Vậy độ biến thiên nội năng của khối khí là:
AU = Q + A = 100 - 20 = 80 (J).
Người ta truyền cho khí trong xilanh nhiệt lượng 100J. Khí nở ra thực hiện công 70J đẩy pit-tông lên. Tính độ biên thiên nội năng của khí.
Giải
Theo nguyên lí I NĐLH thì:
AU = Q + A
Khí trong xilanh nhận một nhiệt lượng là:
Q = 100 (J) > 0
và thực hiện một công là:
A = -70 (J) < 0
Vậy độ biến thiên nội năng của khí là:
AU = Q + A = 100 - 70 = 30 (J).
Khi truyền nhiệt lượng 6.106J cho khí trong một xilanh hình trụ thì khí nở ra đẩy pit-tông lên làm thế tích của khí tăng thêm 0,5m3. Tính độ biến thiên nội năng của khí biết áp suất của khí là -8.106N/m2 và coi áp suất này không đổi trong quá trình khí thực hiện công.
Giải
Theo nguyên lí I NĐLH thì:
AU = Q + A
Nhiệt lượng khí nhận được là:
Q = 100 (J) > 0
Công thực hiện của khối khí là:
A = F.h = p.s,— = p.v = -8.1O6O,5 = -4.106 (J) < 0 s
Vậy độ biến thiên nội năng của khối khí là:
AU = Q + A = 6.106 - 4.106 = 2.106 (J).