Bài 32. Nội năng và sự biến thiên nội năng

CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
A.TÓM TẮT LÍ THUYẾT:
I. GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC:
- Nhiệt động lực học nghiên cứu các quá trình diễn biến trong tự nhiên theo quan điểm biến đổi năng lượng.
- Nhiệt động lức học khái quát một số lớn những kết quả quan sát và thí nhiệm thành 4 định luật cơ bản, thường được gọi là các nguyên lí của nhiệt động lực học:
Nguyên lí số 0: sự tồn tại của nhiệt độ.
Nguyên lí thứ nhất: định luật bảo toàn năng lượng có liên quan đến nội năng.
Nguyên lí thứ hai: xác định chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động lực học.
Nguyên lí thứ ba Ne-xto: khẳng định không thể đạt tới không độ tuyệt đối.
( tuy nhiên trong phần chuyên đề này , ta chỉ nghiên cứu về nguyên lí thứ nhất).
a.Các thông số xác định trạng thái và một số khái niệm cơ bản của nhiệt học phân tử :
Trạng thái của một hệ vĩ mô được đặc trưng bởi một số đại lượng vật lí gọi là thông số xác định trạng thái( V, P , T).
Nhiệt động lực học thừa nhận rằng ở một hệ cô lập( không trao đổi năng lượng và vật chất với bên ngoài) tồn tại trạng thái cân bằng nhiệt động, hệ chuyển tới trạng thái này theo thời gian và hệ không thể tự nó chuyển ra khỏi trạng thái này. ( tiên đề cơ bản của nhiệt động lực học).
b. Quá trình cân bằng:
-Quá trình gọi là cân bằng hay chuẩn tĩnh nếu tất cả các thông số của hệ biến đổi vô cùng châm, khiến cho hệ luôn ở các trạng thái cân bằng nối tiếp nhau.
c. Quá trình thuận nghịch :
- là quá trình có thể xảy ra cả theo chiều thuận , lẫn chiều nghịch; khi quá trình xảy ra theo chiều nghịch thì hệ trải qua các trạng thái trung gian đúng y như đã xảu ra theo chiều thuận( nhưng với thứ tự ngược lại) . Ngoài ra, sau khi quá trình diễn biến theo chiều nghịch đã được đổi gì trong môi trường xung quanh hệ.
II.NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC:
1. Nội năng:
a. Khái niệm:
Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo lên hệ và thế năng tượng tác giữa các phần tử đó.
b. nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích : U=f( T;V).
c. mở rộng về nội năng:
Theo thuyết động học phân tử thì mọi vật được tạo thành từ các phân tử chuyển động nhiệt không ngừng. động năng trung bình của hệ chuyển độnh nhiệt tỉ lệ với nhiệt độ. các phân tử tương tác với nhau, thế năng của lực tương tác phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai phân tử. Vật lí phân tử định nghĩa: nội năng UP của hệ là tổng độnh năng của các phân tử và thế năng tương tác giữa chúng:


Động năng thì phụ thuộc vào nhiệt độ, còn thế năng phụ thuộc vào khoảng cách phân tử , tức là phụ thuộc thể tích của hệ. như vậy nội năng UP của một hệ phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ.
Nếu truyền cho hệ nhiệt lượng Q và công A thì, nếu khoonh có biến đổi phân tử cho hệ (1), năng lượng Q+A nhận được sẽ làm tăng nội năng đúng bằn Q+A . Trở lại định nghĩa của nhiệt động lực học thì độ tăng nội năng đen ta u chính là (Q+A) . như vậy có sự phù hợp giữa định nghĩ nội năng theo nhiêt động lực học và theo vật lí phân tử, trong trường hợp không có biến đổi phân tử trong hệ. nội năng U được định nghĩa bởi 3.1 cũng trùng với nội năng U, P địnnh nghĩ bởi 3.4, sai kém một hàng số cộng.
Nếu trong hệ xảy ra biến đổi phân tử , phản ứng hóa học , hay biến đổi dưới mức phân tử, ( phản ứng hạt nhân ) thì nội năng u theo nhiệt động lực học không chỉ bằng nội năng up , theo vật lí phân tư, mà còn bao gồm cả năng lượng tương ứng biến đổi phân tử hoặc dưới mức phân tử..
Như vậy, nội năng trong nhiệt động lực học, được định nghĩa một cách hình thức , như khái quát , bao gồm mọi dạng năng lượng tích lũy trong hệ.
2. Công và nhiệt lượng:
Khi một hệ biến đổi theo một quá trình cân bằng vô cùng nhỏ có biến thiên thể tích dV và áp suất p thì hệ sinh công:


Công A` mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng hữu hajnn chuyển hệ từ trạng thái I đến trạng thái F tích được như sau: