Nhiệt động lực học là khái niệm được nhắc đến nhiều trong bộ môn vật lý. Vậy cụ thể chúng được định nghĩa như thế nào? Có bao nhiêu nguyên lý nói về vấn đề này? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!
Nguyên lý I Nhiệt động lực học
Phát biểu nguyên lý
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Độ biến thiên nội năng bằng tổng công và nhiệt lượng nhận được. Được biểu hiện qua công thức sau:
ΔU = A + Q
Phương trình trên diễn đạt được các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng. Cụ thể là các vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu nhiệt… Chúng sẽ bị phụ thuộc vào dấu của phương trình.
Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau. Bạn hãy chú ý đến quy ước dưới đây:
- Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng
- Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng
- A > 0: Hệ nhận công
- A < 0: Hệ thực hiện công
Vận dụng
Ta có biểu thức của nguyên lý nhiệt động lực học khi chất khí chuyển trạng thái. Chuyển trạng thái từ 1 sang 2 cụ thể như sau:
ΔU = Q
Ý nghĩa vật lí của biểu thức:
- Vì nhiệt độ ở trạng thái 2 cao hơn trạng thái 1. Nên khi muốn chuyển ngược lại từ 1 sang 2 thì chất khí phải nhận nhiệt lượng >0. Đồng thời nội năng của chất khí tăng ΔU > 0.
- Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng chất khí nhận được dùng để làm tăng nội năng.
Nguyên lý II Nhiệt động lực học
Quá trình thuận nghịch
Kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng rồi nhanh chóng thả ra. Con lắc lúc này sẽ bị dao động. Con lắc sẽ di chuyển qua lại giữa 2 bên nếu không có lực ma sát.
Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình, vật sẽ tự động quay về trạng thái ban đầu khi không có can thiệp của vật khác. Quá trình xảy ra với 2 chiều thuận nghịch.
Quá trình không thuận nghịch
Khi đặt ấm nước nóng ngoài không khí, nó sẽ tự truyền nhiệt ra không khí. Sau đó nguội dần khi nhiệt độ nước bằng nhiệt độ không khí. Nhưng lúc này, ấm nước sẽ không tự lấy lại được nhiệt lượng đã truyền. Đồng nghĩa với việc nó không tự quay trở lại trạng thái ban đầu được. Quá trình này được gọi là quá trình không thuận nghịch.
Nhiệt độ có thể truyền từ vật nóng sang vật lạnh nhưng không có chiều ngược lại. Nếu muốn xảy ra chiều ngược lại thì cần có sự can thiệp.
Trong vật lý, cơ năng có thể chuyển hoá thành nội năng. Nhưng nội năng thì không chuyển hoá được thành cơ năng. Quá trình chuyển hoá này được gọi là quá trình không thuận nghịch.
Trong tự nhiên cũng có rất nhiều quá trình chuyển hoá không thuận nghịch. Chúng đều không vi phạm nguyên lý I của nhiệt động lực học.
Nguyên lí II nhiệt động lực học
Phát biểu của Clau-đi-út
“Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn”. Đây chính là mệnh đề được phát biểu bởi Clau-đi-út, nhà vật lí người Đức. Mệnh đề này khẳng định để truyền nhiệt từ vật lạnh sang nóng thì cần có sự tác động. Ông cũng không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang nóng.
Phát biểu của Cac-nô
Các-nô đã khái quát mệnh đề bằng việc nghiên cứu nhiệt của động cơ. Mệnh đề được phát biểu như sau: “Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học”.
Hiện nay, các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã chứng minh được 2 phát biểu trên là tương đương.
Vận dụng
Nguyên lý thứ II của nhiệt động lực học sẽ giải thích được một số hiện tượng trong đời sống. Cụ thể là động cơ nhiệt, điều hoà, tủ lạnh,… Động cơ nhiệt là động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng.
Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều có ba bộ phận cơ bản như sau:
- Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1)
- Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A). Cùng các thiết bị phát động
- Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra (Q2)
Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là:
H = (Q1-Q2)/Q1 = |A|/Q1
Trong đó:
- Q1: Nhiệt lượng của nguồn nóng
- Q2: Nhiệt lượng của nguồn lạnh
Hiệu suất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 100%. Từ đó suy ra, nhiệt lượng được nguồn nóng cung cấp không hoàn toàn chuyển thành công cơ học.
Bài viết đã cung cấp đủ các kiến thức về nhiệt động lực học. Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ cung cấp cho các bạn những kiến thức bổ ích nhé!
