Các Nguyên Lí Của Nhiệt động Lực Học

CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

A)Tóm tắt lý thuyết:

1,Nguyên lí I nhiệt động lực học:

-Độ biến thiên nội năng của một vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.

                                                           $\Delta $U = A + Q

Trong đó: $\Delta $U là độ biến thiên nội năng của vật (J)

                    A là công cơ học (J)

                    Q là nhiệt lượng (J)

-Qui ước dấu:

+$\Delta $U > 0 : nội năng tăng ; $\Delta $U < 0 : nội năng giảm.

+A > 0 : hệ nhận công ; A < 0 : hệ thực hiện công.

+Q > 0 : hệ nhận nhiệt ; Q < 0 : hệ truyền nhiệt.

-Các đại lượng công, nhiệt và độ biến thiên nội năng trong các đẳng quá trình:

+Quá trình đẳng tích: $\Delta $V = 0 $\to $ A = 0 nên $\Delta $U = Q.

+Quá trình đẳng nhiệt: T = 0 $\to \Delta $U = 0 nên Q = -A.

+Quá trình đẳng áp: A = $p\left( {{V}_{2}}-{{V}_{1}} \right)=p\Delta V$

                                    $\Delta $U = Q – A

2,Nguyên lí II nhiệt động lực học:

a,Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch:

-Quá trình thuận nghịch là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác.

Ví dụ: dao động điều hòa của con lắc đơn.

-Quá trình không thuận nghịch là quá trình vật không thể tự trở về trạng thái ban đầu.

-Nhận xét:

+Cơ năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nội năng, nhưng ngược lại nội năng không thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng.

+Quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

b,Nguyên lí II nhiệt động lực học:

-Cách phát biểu của Clau – di - ứt: Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang một vật nóng hơn.

-Cách phát biểu của Các – nô: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.

-Hiệu suất của động cơ nhiệt:

                                                      $H=\frac{A}{{{Q}_{1}}}=\frac{\left| {{Q}_{1}}-{{Q}_{2}} \right|}{{{Q}_{1}}}$

                                                    $H=1-\frac{{{Q}_{2}}}{{{Q}_{1}}}\le \frac{{{T}_{2}}-{{T}_{1}}}{{{T}_{1}}}={{H}_{\max }}$

B)Ví dụ minh họa:

Ví dụ 1: Người ta cung cấp nhiệt lượng 1,5 J cho chất khí đựng trong 1 xilanh đặt nằm ngang. Chất khí nở ra, đẩy pit tông đi một đoạn 5cm. Tính độ biến thiên nội năng của chất khí. Biết lực ma sát giữa pit tông và xilanh có độ lớn là 20N.

A.0,1J                             B.0,2J                            C.0,5J                              D.0,8J

                                                                 Hướng dẫn

Ta có: $A=-F.s$ = -1 J

$\Delta $U = Q + A = 0,5 J

Chọn đáp án C.

Ví dụ 2: Một ĐC của xe máy có H = 20%. Sau một giờ hoạt động tiêu thụ hết 1kg xăng có năng suất tỏa nhiệt là 46.10$^{6}$ J/kg. Công suất của động cơ xe máy là bao nhiêu?

A.2555,56 W               B.2653,64 W                  C.1463,76 W                  D.2464,72 W

                                                         Hướng dẫn

Khi 1 kg xăng cháy hết sẽ tỏa ra nhiệt lượng 46.10$^{6}$J.

H = $\frac{\left| A \right|}{Q}=0,2\Rightarrow \left| A \right|={{92.10}^{5}}$J

$P=\frac{A}{t}$ = 2555,56 W

Chọn đáp án A.

Ví dụ 3: Một động cơ nhiệt mỗi giây nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng 3,6.10$^{4}$J đồng thời nhường cho nguồn lạnh 3,2.10$^{4}$J. Tính hiệu suất của động cơ.

A.11%                           B.22%                            C.96%                          D.78%

                                                       Hướng dẫn

$H=\frac{\left| A \right|}{{{Q}_{1}}}=\frac{\left| {{Q}_{1}}-{{Q}_{2}} \right|}{{{Q}_{1}}}=\frac{1}{9}\Rightarrow $ H = 11%

Chọn đáp án A.

Ví dụ 4: Bình kín (dung dịch coi như không đổi) chứa 14g N$_{2}$ ở áp suất 1 atm và t = 27$^{0}$C. Khí được đun nóng, áp suất tăng gấp 5 lần. Nội năng của khí biến thiên lượng là bao nhiêu? Lấy c$_{N}$ = 0,75 KJ/kg.K.

A.15374J                       B.35623J                        C.23647J                       D.12432J

                                                            Hướng dẫn

V không đổi $\Rightarrow $ A = 0 $\Rightarrow \Delta $U = Q

Vì quá trình đẳng tích ta có: T$_{2}$ = 1500K

$\Rightarrow Q=m.c.\Delta T$ = 12432 J

Chọn đáp án D.

Ví dụ 5: Chất khí trong 1 xilanh có p = 8.10$^{5}$ Pa. Khi dãn đẳng áp khí sẽ thực hiện một công là bao nhiêu? Nếu nhiệt độ của nó tăng lên gấp đôi. Xilanh có tiết diện ngang bên trong là 200 cm$^{3}$ và lúc đầu mặt pit tông cách đáy xilanh 40 cm.

A.0,008 m$^{3}$                   B.0,064 m$^{3}$                    C.0,016 m$^{3}$                   D.0,032 m$^{3}$

                                                    Hướng dẫn                                                                

A = p.$\left( {{V}_{2}}-{{V}_{1}} \right)$ = 6400 J

Với V$_{1}$ = S.h = 8.10$^{-3}$ m$^{3}$

Vì quá trình đẳng áp $\Rightarrow {{V}_{2}}=0,016{{m}^{3}}$

Chọn đáp án C.

Ví dụ 6: Hiệu suất của một động cơ nhiệt là 40%, nhiệt lượng nguồn nóng cung cấp là 800J. Công mà động cơ nhiệt thực hiện là:

A.2kJ                              B.320J                             C.800J                            D.480J

                                                                Hướng dẫn

Hiệu suất của động cơ là:

$H=\frac{A}{{{Q}_{1}}}\Leftrightarrow A=H.{{Q}_{1}}=800.0,4=320J$

Chọn đáp án B.

Ví dụ 7: Trong một chu trình của động cơ nhiệt lí tưởng, chất khí thực hiện một công bằng 2.10$^{3}$J và truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng bằng 6.10$^{3}$J. Hiệu suất của động cơ đó bằng?

A.33%                            B.80%                             C.65%                              D.25%

                                                            Hướng dẫn

Vì $A={{Q}_{1}}-{{Q}_{2}}\Rightarrow {{Q}_{1}}={{8.10}^{3}}$

Hiệu suất của động cơ là: $H=\frac{A}{{{Q}_{1}}}$ = 25%

Chọn đáp án D.

Ví dụ 8: Một khối khí có thể tích 10 lít ở áp suất 2.10$^{5}$ N/m$^{2}$ được nung nóng đẳng áp từ 30$^{0}$C đến 150$^{0}$C. Tính công do khí thực hiện trong quá trình trên.

A.729J                          B.636J                               C.474J                           D.748J     

                                                             Hướng dẫn

Trong quá trình đẳng áp, ta có:

$\frac{{{V}_{1}}}{{{T}_{1}}}=\frac{{{V}_{2}}}{{{T}_{2}}}\Leftrightarrow {{V}_{2}}=\frac{{{T}_{2}}}{{{T}_{1}}}.{{V}_{1}}$ = 13,96 l

Công do khí thực hiện là: $A=p.\Delta V=p.({{V}_{2}}-{{V}_{1}})$ = 729J

Chọn đáp án A.

Ví dụ 9: Động cơ nhiệt lí tưởng mỗi chu trình truyền 80% nhiệt lượng nhận được cho nguồn lạnh. Biết nhiệt độ nguồn lạnh là 30$^{0}$C. Tìm nhiệt độ của nguồn nóng.

A.527,85K                        B.378,75K                        C.275,35K                        D.735,87K

                                                             Hướng dẫn

${{Q}_{2}}=H.{{Q}_{1}}=0,8{{Q}_{1}}$

$H=\frac{{{Q}_{1}}-{{Q}_{2}}}{{{Q}_{1}}}=\frac{{{T}_{1}}-{{T}_{2}}}{{{T}_{1}}}$

$\Leftrightarrow \frac{{{Q}_{2}}}{{{Q}_{1}}}=\frac{{{T}_{2}}}{{{T}_{1}}}\Leftrightarrow {{T}_{1}}$ = 378,75K

Chọn đáp án B.

Ví dụ 10: Trong xilanh có tiết diện 200 cm$^{2}$, pit tông cách đáy 30 cm, có khí ở 27$^{0}$C và 10$^{6}$ N/m$^{2}$. Khi nhận nhiệt lượng do 5g xăng bị cháy cung cấp, khí dãn nở đẳng áp, nhiệt độ tăng thêm 150$^{0}$C. Tính công do khí thực hiện. Biết khí cháy 10% nhiệt lượng của xăng cung cấp cho khí. Năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,8.10$^{7}$J/kg.

A.1000J                            B.1500J                           C.2000J                           D.3000J    

                                                     Hướng dẫn

${{V}_{1}}=S.h=6000c{{m}^{3}}$

Quá trình đẳng áp:

$\frac{{{V}_{1}}}{{{T}_{1}}}=\frac{{{V}_{2}}}{{{T}_{2}}}\Rightarrow {{V}_{2}}=9000c{{m}^{3}}$

Công do khí thực hiện: $A=p({{V}_{2}}-{{V}_{1}})$ = 3000J

Chọn đáp án D.

C)Bài tập tự luyện:

Câu 1: Trường hợp nội năng của vật bị biến đổi không phải do truyền nhiệt là:

A.Chậu nước để ngoài nắng một lúc thì nóng lên.

B.Gió mùa đông bắc tràn về làm cho không khí lạnh đi.

C.Khi trời lạnh, ta xoa hai bàn tay vào nhau cho ấm lên.

D.Cho cơm nóng vào bát thì bang bát cũng thấy nóng.

Câu 2: Phát biểu không đúng với nguyên lí I nhiệt động lực học là:

A.Nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ chuyển hóa thành độ biến thiên nội năng của hệ và công mà hệ sinh ra.

B.Công mà hệ nhận được bằng tổng đại số của độ biến thiên nội năng của hệ với nhiệt lượng mà hệ truyền cho môi trường xung quanh.

C.Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được.

D.Nhiệt lượng mà hệ truyền cho môi trường xung quanh bằng tổng của công mà hệ sinh ra và độ biến thiên nội năng của hệ.

Câu 3: Công và nhiệt lượng Q trái dấu với nhau trong trường hợp hệ:

A.tỏa nhiệt và nhận công.

B.tỏa nhiệt và sinh công.

C.nhận nhiệt và nhận công.

D.nhận công và biến đổi đoạn nhiệt.

Câu 4: $\Delta $U = 0 trong trường hợp hệ:

A.biến đổi theo chu kì.

B.biến đổi đẳng tích.

C.biến đổi đẳng áp.

D.biến đổi đoạn nhiệt.

Câu 5: $\Delta $U = Q là hệ thức của nguyên lí I áp dụng cho:

A.quá trình đẳng áp.

B.quá trình đẳng nhiệt.

C.quá trình đẳng tích.

D.cả ba quá trình nói trên.

Câu 6: Quá trình thuận nghịch :

A.là quá trình vật trở về trạng thái ban đầu nhưng cần đến sự can thiệp của vật khác.

B.là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác.

C.là quá trình vật không trở về trạng thái ban đầu khi không có sự can thiệp của vật khác.

D.là quá trình vật không thể trở về trạng thái ban đầu mà không có sự can thiệp của vật khác.

Câu 7: Chọn phát biểu đúng?

A.Quá trình không thuận nghịch là quá trình vật có thể tự trở về trạng thái ban đầu.

B.Quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

C.Dao động điều hòa của con lắc đơn là quá trình không thuận nghịch.

D.Quá trình thuận nghịch là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu khi có sự can thiệp của vật khác.

Câu 8: Chọn phát biểu sai?

A.Quá trình thuận nghịch là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác.

B.Quá trình không thuận nghịch là quá trình vật không thể tự trở về trạng thái ban đầu.

C.Cơ năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nội năng.

D.Nội năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng.

Câu 9: Chọn phương án sai?

A.Quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

B.Cơ năng không thể chuyển hóa hoàn toàn thành nội năng.

C.Con lắc đơn dao động điều hòa là quá trình thuận nghịch.

D.Nội năng không thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng.

Câu 10: Một động cơ nhiệt nhận từ nguồn nóng một nhiệt lượng 1200J và truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng 900J. Hiệu suất của động cơ là:

A.lớn hơn 75%.

B.75%.

C.25%.

D.nhỏ hơn 25%.

Đáp án:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
C	D	A	A	C	B	B	D	B	C

 

  

Bài viết gợi ý:

1. Nội năng và sự biến thiên nội năng

2. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

3. Quá trình đẳng tích. Định luật Sác - lơ

4. Quá trình đẳng nhiệt. Định luật Bôi - lơ - ma - ri - ôt

5. Cấu tạo chất - Thuyết động học phân tử chất khí

6. Cơ năng

7. Thế năng