Nguyên lí của nhiệt động lực học

Ngày nay, các nguyên lí của nhiệt động lực học được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và trong công nghệ. Đặc biệt hơn là công nghệ về các máy nhiệt thì nguyên lý này càng được áp dụng nhiều. Vậy có những nguyên lý nhiệt động lực học nào? Theo dõi bài viết dưới đây để được chúng tôi bật mí cho bạn nhé!

1. Nguyên lý I Nhiệt động lực học

1.1. Phát biểu nguyên lý

Nguyên lý I Nhiệt động lực học là sự vận dụng, kết hợp chặt chẽ giữa định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Dưới đây là một cách phát biểu về nguyên lý này mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc. 

Độ biên thiên nội năng của hệ sẽ có giá trị bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

ΔU = A + Q

Với quy ước về dấu thích hợp thì biểu thức trên có thể được dùng để diễn đạt các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng. Ví dụ như vật thực hiện công, vật thu nhiệt, vật truyền nhiệt và thực hiện công…

Có nhiều cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau và ở dưới đây là quy ước chính xác nhất:

• Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng;
• Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng;
• A > 0: Hệ nhận công;
• A < 0: Hệ thực hiện công.

Ví dụ cụ thể: Khi cung cấp cho chất khí ở trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra và đẩy pittông lên thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng lúc này là bao nhiêu?

Ta có công thức tính nội năng của khí biến thiên một lượng như sau:

DU = Q – A = 120-90 = 30J.

1.2. Vận dụng nguyên lý I Nhiệt động lực học

Trong hệ trục tọa độ (p, V), quá trình này được biểu diễn bằng một đường thẳng vuông góc với trục thể tích.

Cho chất khí chuyển dần dần từ trạng thái 1 sang trạng thái 2. Khi đó biểu thức của nguyên lý của Nhiệt động lực học có dạng:

ΔU = Q

Ý nghĩa của biểu thức trên:

Do trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1. Vì vậy để có thể chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 đòi hỏi chất khí phải nhận một nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của chất khí tăng (ΔU > 0).

Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng.

2. Nguyên lý II Nhiệt động lực học

Ví dụ một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Nguyên nhân khiến hòn đá và không khí xung quanh nóng lên là do cơ năng của hòn đá chuyển hóa dần thành nội năng của hòn đá. Trong quá trình này, năng lượng sẽ được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của chính mình và của không khí xung quanh để có thể quay trở lại được với độ cao ban đầu. Mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học. Tại sao lại như vậy?

2.1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

2.1.1. Ví dụ quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch 

a) Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả ra, một điều hiển nhiên bạn sẽ thấy lúc này là con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ vị trí A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A và cứ tiếp tục như vậy.

Quá trình trên được là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật sẽ tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của bất kỳ một vật nào khác. Quá trình này xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch.

b) Một ấm nước nóng khi đặt ở ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần. Tuy nhiên ấm nước không thể tự lấy mình lại được nhiệt lượng đã truyền cho không khí để trở về một trạng thái ban đầu vốn có. Khi đó, người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

2.1.2. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể nào tự truyền theo chiều ngược lại được. Muốn thực hiện quá trình ngược” thì phải dùng một “máy làm lạnh”, có nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác.

Trong ví dụ nêu ở đầu mục 2, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng. Tuy nhiên nội năng lại không thể tự mình chuyển hóa lại được thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này cũng được xem là quá trình không thuận nghịch.

Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể xảy ra được theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của Nhiệt động lực học.

Như vậy, trong nguyên lý thứ nhất của Nguyên lý động lực học chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra.

2.2. Nguyên lí II Nhiệt động lực học

Nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học cho biết được chiều mà quá trình có thể hoặc không thể tự xảy ra. Dưới đây là hai cách phát biểu đơn giản giúp cho bạn dễ hình dung nhất.

a) Cách phát biểu của Clau-đi-út

“Nhiệt không thể tự mình truyền từ một vật sang vật nóng hơn”.

Mệnh đề trên được Clau-đi-út – một nhà vật lí người Đức phát biểu vào năm 1850. Mệnh đề đó được xem là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của Nhiệt động lực học. Nó hoàn toàn không hề phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, mà chỉ khẳng định là điều này không thể tự xảy ra được.

b) Cách phát biểu của Cac-nô

Trong động cơ nhiệt thì chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp được chuyển hóa thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi trường bên ngoài. Cac-nô – nhà vật lý người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng này trong mệnh đề:

“Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học”.

2.3. Vận dụng

Nguyên lý II Nhiệt động lực học ngày nay được vận dụng khá phổ biến vào trong đời sống. Nó giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật ví dụ như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà…

Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng.

Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận chính là:

• Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1).
• Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A).
• Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra (Q2).

Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt được tính theo công thức dưới đây:

Trong đó:

• Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng;
• Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh.

Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng < 100%. Có nghĩa là nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể nào hoàn toàn biến thành công cơ học.

Trên đây là toàn bộ kiến thức về các nguyên lí của nhiệt động lực học mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng rằng với những chia sẻ ở trên bài viết sẽ cung cấp cho bạn những kiến thức bổ ích. Thietbikythuat cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết và hẹn gặp lại bạn trong những bài viết tiếp theo nhé!