SGK Vật Lí 10 - Bài 33. Các nguyên lí của nhiệt động lực học

Các ngụyên lí cùa
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Đồng thời với việc tìm hiểu cơ chế vi mô của các hiện tượng nhiệt, người ta tiến hành nghiên cứu các hiện tượng này ở cấp độ vĩ mô, dựa trên ba khái niệm cơ bản là nội năng, công và nhiệt lượng và đã vận dụng thành công những kết quả nghiên cứu này vào khoa học, công nghệ và đời sống. Một trong những thành tựu nghiên cứu quan trọng nhất trong lĩnh vực này là việc tìm ra các nguyên lí của nhiệt động lực học.
I - NGUYÊN Lí I NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC (NĐLH)
Phát biểu nguyên lí
Nguyên lí I NĐLH là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng vào các quá trình biến đổi trạng thái của những đối tượng cấu tạo bởi một số rất lớn các phân tử, nguyên tử. Những đối tượng ấy được gọi là hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ).
Ta đã biết, nội năng của một hệ (là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử của hệ) có thể thay đổi bằng hai cách là truyền nhiệt và thực hiện công. Nếu hệ đồng thời nhận được công và nhiệt thì theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng :
Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.
AU=A+Q	(33.1)
Đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên 1ÍINĐLH.
Với quy ước về dấu thích hợp, hệ thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình biến đổi trạng thái khác như hệ truyền nhiệt, hệ thực hiện công ...
ra Xác định dấu của các đại lượng trong hệ thức của nguyên lí I NĐLH cho các quá trình hệ thu nhiệt lượng để tăng nội năng đồng thời thực hiện công.
ra Các hệ thức sau đây diễn tả những quá trình nào ?
AƯ = Q khi Q > 0 ; khi Q < 0.
AƯ = A khi A > 0 ; khi A < 0.
AƯ = Q + A khi Q > 0 và A < 0.
AƯ = Q + A khi Q > 0 và A > 0.
Ví dụ :
Người ta cung cấp cho khí trong một xilanh nằm ngang nhiệt lượng 1,5 J. Khí nở ra đẩy pit-tông đi một đoạn 5 cm với một lực có độ lớn là 20 N. Tính độ biến thiên nội năng của khí. Giải :
Công mà chất khí thực hiện có độ lớn là :
A =	= 20.0,05 = 1 J
Vì khí nhận nhiệt lượng và thực
hiện công Ọ4 < 0), nên theo nguyên lí i NĐLH, ta có :
A.U = Q + A = 1,5- 1 =0,5 J
Hình 33.2
Quy ước về dấu của nhiệt lượng và công : Q > 0 : Hệ nhận nhiệt lượng ;'
Q < 0 : Hệ truyền nhiệt lượng ;
A > 0 : Hệ nhận công ;
A < 0 : Hệ thực hiện công.
® ; ra
Vận dụng
Có thể dùng nguyên lí I NĐLH để tìm hiểu về sự truyền và chuyển hoá năng lượng, trong các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí.
Sau đây là ví dụ về việc vận dụng nguyên lí I NĐLH vào quá trình đẳng tích.
Trong hệ toạ độ (p, V) quá trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông góc với trục thể tích.
Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 (pl? Vị, 3}) sang trạng thái 2 (p2’ ^2’ ^2) (Hình 33.2).
Hãy chứng minh rằng, khi đó hệ thức của nguyên lí I NĐLH có dạng :
AU = Q
Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng. Quá trình đẳng tích là quá trình truyền nhiệt.
II - NGUYÊN Lí II NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC
Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
a) Quá trình thuận nghịch
Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả ra, dưới tác dụng của trọng lực con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từÂ sang B, rồi từ B trở về A... (Hình 33.3). Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch.
b) Quá trình không thuận nghịch
Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên, ấm nước không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.
Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, nhưng không thể tự truyền theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn, sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện “quá trình ngược” này phải dùng một “máy làm lạnh”, nghĩa là phải cần đêh sự can thiệp từ bên ngoài.
Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh nóng lên. Trong quá trình này, năng lượng được bảo toàn. Tuy nhiên, hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của mình và không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Quá trình chuyển hoá năng lượng này cũng là quá trình không thuận nghịch.
Các thí nghiệm cho thấy, cơ năng có thể chuyển hoá hoàn toàn thành nội năng, nhưng ngược lại, nội năng không thể chuyển hoá hoàn toàn thành cơ năng. Sự chuyển hoá giữa cơ năng và nội năng cũng là một quá trình không thuận nghịch.
Như vậy, trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí I NĐLH.
R. CLAU-DI-ÚT (Rudolf Clausius, 1822- 1888)
Nhà vật lí người Đức
ĨS về mùa hè, người ta có thể dùng máy điều hoà nhiệt độ để truyền nhiệt từ trong phòng ra ngoài trời, mặc dù nhiệt độ ngoài trời cao hơn trong phòng. Hỏi điểu này có vi phạm nguyên lí II NĐLH không ? Tại sao ?
s. CẢC-NÕ
(Sadi Carnot, 1796 - 1832) Nhà vật lí người Pháp
S3 Hãy chứng minh rằng, cách phát biểu trên không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
Nguyên lí II nhiệt động lực học
a) Cách phát biểu của Clau-di-út
Nhiệt không thẻ tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
Mệnh đề trên được Clau-di-út, phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí IINĐLH. Mệnh đề này không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ một vật sang vật nóng hơn, chỉ khẳng định là điều này không thể tự xảy ra được.
b) Cách phát biểu của Các-nô
Động cơ nhiệt không thể chuyển hoậ tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
H3
Vận dụng
Nguyên lí II NĐLH có thể'dùng để giải thích nhiều hiện tượng trong đời sống và kĩ thuật. Ví dụ : có thể dùng nguyên lí II để giải thích nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của động cơ nhiệt. Mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là :
Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng ;
Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác nhân và các thiết bị phát động ;
Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra.
Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng <2i cho bộ phận phát động để bộ phận này chuyển hoá thành công A. Theo nguyên lí II thì bộ phận phát động không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. Do đó, cần có nguồn lạnh để nhận phần nhiệt lượng Q2 còn lại, chưa được chuyển hoá thành công (Hình 33.4).
Cũng vì thế mà hiệu suất của động cơ nhiệt |A|	1?
H =	 NĐLH. Nêu tên, đơn vị và quy ước dấu của các đại lượng trong hệ thức.
 luôn nhỏ hơn 1.
ÔI
Vì theo quy ước dấu, công sinh ra có giá trị âm, nên trong công thức trên ta viết là giá trị tuyệt đối của A để hiệu suất luôn là một đại lượng số học.
c Nguồn lạnh Ị
Hình 33.4
Nguyên lí I NĐLH : Độ biến thiên nội năng cùa hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.
ÁU=A+Q
Quy ước về dấu :
0 > 0 : Hệ nhận nhiệt lượng;
0. < 0 : Hệ truyền nhiệt lượng;
4 > 0 : Hệ nhận công;
4 < 0 : Hệ thục hiện công.
Nguyên lí II NĐLH : Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hon.
Động co nhiệt không thể chuyển hoá tất cà nhiệt lượng nhận đuọc thành công co học.
CÂU HÒI VÀ BÀI TẬP
1. Phát biểu và viết hệ thức của nguyên
2. Phát biểu nguyên lí II NĐLH.
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. AƯ = 4;	B. A(7=Q + A;
c. AƯ = 0;	D. AƯ=Q.
Trong quá trình chất khí nhận nhiệt và sinh công thì QvàA trong hệ thức Aư = A + Q 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.
Trường hợp nào sau đây ứng với quá trình đẳng tích khi nhiệt độ tăng ?
AƯ = Q với Q > 0 ;
Aư = Q + A với A > ũ ; c. Aư = Q + A với A < 0 ;
D. Aư = Q với Q < 0.
Người ta thực hiện công 100 J để nén khí
trong một xilanh. Tính độ biến thiên nội năng .của khí, biết khí truyền ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 20 J.
Người ta truyền cho khí trong xilanh nhiệt lượng 100 J. Khí nở ra thực hiện công 70 J đẩy pit-tông lên. Tính độ biến thiên nội năng của khí.
8. Khi truyền nhiệt lượng 6.106 J cho khí trong một xilanh hình trụ thì khí nở ra đẩy pit-tông lên làm thể tích của khí tăng thêm 0,50 m3. Tính độ biến thiên nội năng của khí. Biết áp suất của khí là 8.1 o6 N/m2 và coi áp suất này không đổi trong quá trình khí thực hiện công.
Động cơ nhiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường
Sử dụng động cơ nhiệt luôn gắn liền với việc khai thác các nhiên liệu như than đá, dầu lửa, khí đốt... Việc các nguồn nhiên liệu trên đang cạn kiệt dần là một nguy cơ đối với cuộc sống cúa con người.
Tuy nhiên, còn một nguy cơ nữa mà con người đang phái đối mặt. Đó là việc các nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ nhiệt đang làm ô nhiễm môi trường sống của con người và các sinh vật khác trên Trái Đất.
Mọi động cơ nhiệt, kế cá những động cơ hiện đại nhất mà con người hi vọng có thế chế tạo ra được trong tương lai, cũng không thế chuyến hoá hoàn toàn nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy toả ra thành công cơ học mà phái toá một phần nhiệt lượng này vào khí quyến. Nhiệt lượng do các động cơ nhiệt thái vào khí quyển làm cho nhiệt độ của khí quyển tăng cao hơn mức bình thường. Hầu hết các sinh vật trên Trái Đất đều quen sống ở môi trường có nhiệt độ trong khoáng từ o°c đến 5O°C (trừ một số vi rút đặc biệt) và rất nhạy cám với sự thay đối nhiệt độ bất thường. Do đó, sự tăng nhiệt độ bất thường do các động cơ nhiệt gây ra sê ánh hướng xấu đến sự sinh sán và tăng trướng của các sinh vật trên Trái Đất. Ngoài ra việc tăng nhiệt độ bất thường cúa khí quyển còn là nguyên nhân gây ra các thiên tai, đe doạ cuộc sống của con người và các sinh vật khác.
Mặt khác, đế làm nguội các động cơ nhiệt công suất lớn dùng trong các nhà máy, người ta thường dùng nước. Dòng nước, sau khi làm nguội động cơ nhiệt, có nhiệt độ rất cao được thải vào các sông, hồ... làm cho nhiệt độ của nước sông, hồ cao hơn mức bình thường. Việc thay đổi nhiệt độ bất thường cúa nước sông, hồ ánh hướng đến quá trình sinh-sán cũng như tăng trướng cúa các loài thuỷ sán. Người ta đã phái lên tiếng cảnh báo nhiều lần về sự huý diệt của nhiều loài thuỷ sản sống ớ sông, hồ gần những nhà máy sử dụng động cơ nhiệt.
Ngoài việc gây ra "ô nhiêm nhiệt" nêu trên, các động cơ nhiệt còn làm ô nhiễm môi trường bới các khí độc do việc đốt cháy các nhiên liệu toả ra. Xăng chẳng hạn, khi bị đốt cháy thái ra rất nhiều khí độc trong đó đặc biệt nguy hiếm là khí cacbon ôxit (CO) và hơi chì (nếu là xăng có pha chì). Người ta đã đưa ra nhiều đạo luật để hạn chế việc làm ô nhiễm môi trường bằng khí độc cúa các động cơ nhiệt như quy định phải lắp bộ phận điều chính đế giám lượng khí CO thải vào khí quyến, cấm dùng xăng pha chì, khuyến khích sứ dụng các phương tiện giao thông không có động cơ nhiệt như xe đạp, xe máy và xe ô tô dùng động cơ điện... Tuy nhiên các biện pháp trên đều chưa đạt được những kết quá mong muốn. Môi trường vẫn tiếp tục bị ô nhiễm.
Người ta đang nghiên cứu việc khai thác năng lượng từ "hiđrô nặng". Nếu việc này thành công thì không những không lo thiếu nhiên liệu vì hiđrô nặng được điều chế từ nguồn nước biến gần như vô tận, mà còn không lo môi trường bị ô nhiễm khí độc do động cơ chạy bằng nhiên liệu này không sinh ra khí độc.
Trong khi chưa tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì chúng ta phái biết sứ dụng một cách tiết kiệm nhất và hiệu quả nhất những nhiên liệu hiện có, hạn chế đến mức thấp nhất sự ô nhiễm nhiệt cũng như sự ô nhiễm khí độc do các động cơ nhiệt gây ra.
Một số hĩnh ảnh gây ô nhiễm môi trường