TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

Đề tài:

KHÁI NIỆM NHIỆT NĂNG, NHIỆT LƯỢNG VÀ CÔNG

THÔNG QUA CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VÍ DỤ THỰC TẾ

Nhóm VI

GVHD: Lương Hạnh Hoa

Nguyễn Thanh Loan

SV: Lương Sơn Đỉnh

Hà Trung Đức

Hoàng Phước Muội

Võ Xuân Đào

Võ Đức Bổng

Nguyễn Lâm Thùy Linh

TP Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 11 năm 2011

Nhóm VI

Lời nói đầu

Trong cuộc sống hằng ngày, xung quanh chúng ta luôn xảy ra những hiện tượng

như đun nước, hoạt động của lò sưởi, các động cơ đốt trong, … . Đây là những hiện

tượng liên quan chặt chẽ đến nhiệt năng, nhiệt lượng và công-những đối tượng nghiên

cứu cơ bản của nhiệt động lực học.

Trong bài tiểu luận này, thông qua các ví dụ thực tế mà nhóm đưa ra, chúng ta sẽ

hiểu rõ hơn các khái niệm nhiệt năng, nhiệt lượng và công mà chúng ta đã học để ứng

dụng học tập và đời sống.

Do kiến thức còn hạn chế, nhóm chúng em vẫn không thể tránh khỏi những sai

sót, khiếm khuyết. Rất mong cô và các bạn đóng góp ý kiến để bổ sung và hoàn thiện.

Trang 2

Nhóm VI

Khái quát chung:

Cho đến cuối thế kỷ XVIII chuyển động của máy móc là trực tiếp do con người, động

vật hay các nguồn năng lượng tự nhiên như gió, thác nước. Các nhà bác học, các kĩ sư

thời đó rất quan tâm đến khái niệm công với mục đích cải thiện hiệu suất của những

máy này nghĩa là cải thiện tỉ lệ giữa “công hữu ích” và “công tiêu hao”.

Khi những máy hơi nước đầu tiên xuất hiện hoạt động nhờ đốt than, một vấn đề đặt

ra cho các kĩ sư: làm thế nào tạo ra được nhiều công hơn khi dùng nhiệt năng đốt?

Khái niệm về nhiệt nhanh chóng trở thành một trong những quan tâm chủ yếu của

khoa học: cơ học nhường chỗ cho nhiệt động học. Nhà vật lý người Anh James Prescott

Joule (1818-1889) thực hiên những thí nghiệm chính xác cho định lượng các quan hệ

giữa công và nhiệt.

Phương pháp nhiệt động lực học phân tử nghiên cứu những tính chất của vật chất

gây ra bởi một tập hợp rất lớn các phần tử chuyển động hỗn loạn.

Khác với phương pháp động học phân tử, phương pháp nhiệt động lực học phân tử

hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử mà khảo sát những hiện tượng

xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng lượng đi kèm theo những hiện

tượng ấy.

Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được phát sinh do khảo sát sự biến đổi

năng lượng chuyển động nhiệt còn gọi là “nhiệt năng”.Thành ra cơ năng để chạy các

máy phát động lực học (máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng…) vì vậy nên có tên

gọi là phương pháp nhiệt động lực học, tuy nhiên ngày nay phương pháp này vượt xa

phạm vi nghiên cứu ban đầu và được vận dụng để xét sự biến đổi năng lượng nói chung

trong các hiện tượng đã xảy ra.

Khi nghiên cứu những tính chất của vật chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của

một tập hợp rất lớn các phân tử người ta đưa ra các mối liên hệ giữa các dạng năng

lượng và các đại lượng liên quan đến năng lượng như công (cơ học) và nhiệt…để hiểu

rõ hơn vấn đề này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu các khái niệm năng lượng chuyển động

nhiệt (nhiệt năng), nhiệt lượng và công thông qua các hiện tượng và ví dụ thực tế dưới

đây.

Sự biến đổi từ các dạng năng lượng khác sang dạng năng lượng lượng chuyển động

và ngược lại đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên.

Trang 3

T0 Hinh a

T1 Hinh b

Nhóm VI

Năng lượng:

Vật chất luôn vận động. Năng lượng của hệ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ

vận động của vật chất trong hệ. Ở mỗi trạng thái, hệ có những dạng vận động xác định.

Do đó, ở mỗi trạng thái hệ có một năng lượng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi

thì năng lượng của hệ cũng thay đổi. Thực nghiện xác nhận rằng, độ biến thiên năng

lượng của hệ trong một quá trình biến đổi chỉ phụ thuộc vào các trạng thái đầu và cuối,

mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi. năng lượng là hàm trạng thái.

Năng lượng của hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng toàn bộ, thế năng

của hệ trong trường lực va nội năng của hệ. Trong nhiệt động lực học ta giả thuyết hệ

không chuyển động và không đặt trong trường lực nào, do đó năng lượng của hệ đúng

bằng nội năng của hệ.

I. Nhiệt năng (năng lượng chuyển động nhiệt ):

Để đi đến cái nhìn tổng quát về khái niệm của nhiệt năng một trong những khái

niệm quan trọng của nhiệt động lực học phân tử ta sẽ khảo sát những thí nghiệm sau

đây:

Thí nghiệm: Bỏ một miếng xốp nhẹ vào trong chậu nước, đặt

trong căn phòng kín (hoàn toàn không có gió).

Trường hợp 1: Ở nhiệt độ phòngT0, sau một thời gian ta

thấy miếng xốp đã di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu (hình a).

Trường hợp 2: Khi ta tăng nhiệt độ của nước trong chậu

lên T1, ta thấy miếng xốp di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu

xa hơn trường hợp 1 (hình b).

Giải thích: Để làm miếng xốp di chuyển thì nước trong chậu

phải tồn tại một dạng năng lượng nhất định. Đó chính là

tổng năng lượng chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử

nước, nó tác động vào miếng xốp làm dịch chuyển. Thông

qua thí nghiệm ta thấy khi nhiệt độ càng tăng miếng xốp di

chuyển nhiều hơn, chứng tỏ mức độ chuyển động hỗn loạn

của các phân tử nước lớn. Dạng năng lượng này phụ thuộc

vào nhiệt độ và được gọi là nhiệt năng.

Vậy trong vật chất, các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn loạn không ngừng, do

đó chúng có động năng. Động năng này có thể chia làm động năng chuyển động của

Trang 4

Nhóm VI

khối tâm của phân tử, cộng với động năng trong dao động của các nguyên tử cấu tạo

nên phân tử quanh khối tâm chung, và động năng quay của phân tử quanh khối tâm.

Tổng các động năng này của các phân tử chính là nhiệt năng của vật.

Vì sao khoan gỗ thì có thể lấy được lửa?

Nguyên nhân là do ma sát sinh nhiệt. Nhiệt là kết quả của những phân tử vật chất

chuyển động. Khi phân tử chuyển động chúng đều có năng lượng. Trong vật thể, phân

tử chuyển động không theo quy tắc sinh ra một lượng lớn năng lượng gọi là nhiệt năng.

Năng lượng vốn có của phân tử do chuyển động được gọi là động năng của phân tử. Do

tác dụng tương hỗ giữa các phân tử mà sinh ra năng lượng được gọi là thế năng của

phân tử. Động năng và thế năng của tất cả các phân tử trong vật thể đều được gọi là nội

năng. Động năng và thế năng đều có thể chuyển hóa thành nhiệt năng. Nhiệt năng là

một dạng năng lượng.

=>Nhiệt năng (năng lượng chuyển động nhiệt) của một vật hay một hệ nào đó

chính bằng tổng năng lượng chuyển động (động năng) của tất cả các phân tử cấu

tạo nên vật hay hệ.

Nhiệt năng có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử

cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh và nhiệt năng của vật càng lớn.

E = Nε

Trong đó:

E: là nhiệt năng

N: là số phân tử của hệ

ε : là năng lượng trung bình của chuyển động một phân tử ε= i2

KT

Hay E = Mμ

i2RT trong đó i là bậc tự do.

Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa các vật hay hệ thống do sự khác biệt về nhiệt

độ.Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách chuyển hóa giữa năng lượng

có hướng (thế năng, động năng định hướng trên tầm vĩ mô) và năng lượng hỗn loạn, qua

các quá trình vĩ mô nhưthực hiện công năng lên vật hoặc trao đổi nhiệt vĩ mô vào vật

hoặc các quá trình vi mô như các phản ứng hóa học (như sự cháy), phản ứng hạt nhân

(như phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong Mặt Trời), sự ma sát giữa các electron với

mạng tinh thể (trong bếp điện) hay ma sát cơ học. Nhiệt có thể được trao đổi qua các Trang 5

Nhóm VI

quá trình bức xạ, dẫn nhiệt hay đối lưu. Nói tóm lại để thay đổi nhiệt năng của hệ là

truyền nhiệt và thực hiện công.

II. Nhiệt lượng:

Nếu bạn lấy một lon coca từ tủ lạnh ra và đặt lên bàn ăn thì nhiệt độ của nó sẽ tăng lên –

lúc đầu nhanh, sau chậm dần tới khi nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ phòng. Cũng như vậy

nhiệt dộ của một tách cà phê nóng đặt trên đĩa sẽ hạ dần tới khi bằng nhiệt độ phòng.

Khái quát điều đó, ta coi lon coca hay cà phê như một hệ (nhiệt độ Ts) và phần liên quan

của nhà bếp là môi trường của hệ (nhiệt độ Te). Ta nhận thấy rằng nếu nhiệt độ Ts khác

Te, thì Ts phải thay đổi tới khi hệ nhiệt độ bằng nhau (hình a,b,c). Một sự thay đổi về

nhiệt độ như vậy là do có sự truyền một dạng năng lượng giữa hệ và môi trường. Năng

lượng này là nội năng (hay nhiệt năng) nó là động năng tập thể và thế năng liên kết với

chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử, phân tử và các hạt vi mô khác bên trong vật.

Nội năng truyền đi được gọi là nhiêt lượng và kí hiệu là Q. Nhiệt lượng là dương khi

nội năng được chuyển từ môi trường xung quanh nó sang hệ (ta nói rằng nhiệt được hấp

thụ). Nhiệt lượng là âm khi nội năng được chuyển từ hệ sang môi trường quanh nó (ta

nói rằng nhiệt được giải phóng hay bị mất).

Trong hình (a) ta thấy, trong đó Ts>Te, nội năng được chuyển từ hệ sang môi

trường, như vậy Q âm. Trong hình (b) ta thấy Ts=Te không có sự chuyển đó, Q=0 chẳng

được giải phóng, cũng chẳng bị hấp thụ. Còn trong hình (c) ta thấy T s<Te có sự chuyển

nhiệt từ môi trường sang hệ, như vậy Q là dương.

Ta xét một số ví dụ trong thực tế về nhiệt lượng:

Ví dụ 1:Cho 1 quả cầu sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng, dùng

ngọn lửa đèn cồn nung nóng quả cầu.

Sau 1 thời gian ngắn, khi sờ vào quả cầu ta nhận thấy quả

cầu nóng lên

Ta hãy làm sáng tỏ hiện tượng này:

Khi ngọn lửa nung nóng quả cầu, tức là đã có 1 phần năng

lượng từ ngọn lửa truyền cho quả cầu thông qua chuyển

động hỗn loạn của các phân tử.

Trang 6

Nhóm VI

Như vậy đã có sự trao đổi năng lượng giữa quả cầu và

ngọn lửa.

Quả cầu nhận năng lượng từ ngọn lửa để làm tăng nội năng

(quả cầu nóng lên)

Người ta gọi phần năng lượng trao đổi trên là nhiệt lượng.

Tóm lại, đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng thông qua chuyển động

hỗn loạn của các phân tử gọi là nhiệt lượng.

Ví dụ 2 : Vào mùa đông, các ngôi nhà thường đốt các lò sưởi. Khi bước vào căn phòng

đó ta cảm thấy ấm hơn môi trường bên ngoài căn phòng và dễ chịu hơn rất nhiều.

Giải thích: hơi ấm của lò sưởi đã truyền cho bên ngoài một nhiệt lượng thông qua hiện

tượng khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. một năng lượng đã

được truyền đi từ lò sưởi đó chính là phần nhiệt năng.

Ví dụ 3: Khi ta cho 1 chiếc thìa vào ấm nước đang sôi. Sau 1 thời

gian, ta nhận thấy chiếc thìa nóng lên.

Do nhiệt độ của ấm nước cao hơn nhiệt độ của thìa nên đã

có sự truyền nhiệt giữa chúng. Điều này chứng tỏ nhiệt lượng

được truyền từ môi trường nóng sang môi trường lạnh hơn.

Ví dụ 4: Trong quá trình đun sôi ấm nước, ta đã truyền cho ấm nước 1 nhiệt lượng Q

nào đó làm cho nước trong ấm nóng lên.

Tóm lại: tất cả các ví dụ trên đều có sự truyền nhiệt năng giữa các vật hoặc hệ vật, phần

năng lượng được truyền đi đó chính là nhiệt lượng. Một vật bất kì nóng hơn hay lạnh

hơn nhiệt độ phòng khi đặt nó ở môi trường nhiệt độ phòng. Sau một thời gian vật đó sẽ

có nhiệt độ bằng với nhiệt độ phòng.

Giả thuyết rằng một hệ nhiệt động có nhiệt độ TS nằm trong môi trường có nhiệt độ TE

nếu TS khác TE ( ví dụ TS>TE hoặc TS<TE) thì TS và TE phải thay đổi cho đến khi cả hệ

và môi trường có một nhiệt độ chung, có nghĩa là hệ và môi trường phải có sự trao đổi

năng lượng thông qua sự truyền nhiệt lượng (Q) cho đến khi có sự cân bằng nhiệt độ.

Giá trị của Q có thể dương hoặc âm hoặc bằng 0.

Trang 7

Nhóm VI

nếu Q>0 thì ta nói rằng hệ nhiệt động nhận nhiệt từ môi trường

nếuQ<0 thìhệ nhả nhiệt cho môi trường hoặc hệ toả nhiệt

nếu Q=0 khi TS=TE nghĩa là nhiệt độ hệ bằng nhiệt độ môi trường, trong trường

hợp này hệ và môi trường không có sự trao đổi nhiệt lượng.

Vậy Sự truyền năng lượng giữa hệ và môi trường được trao đổi trực tiếp giữa các phân

tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác nhau làm cho nội năng của hệ thay

đổi, dạng năng lượng này được gọi là nhiệt hay nhiệt lượng.

Như vậy có thể cho rằng nhiệt lượng là năng lượng trao đổi giữa hệ nhiệt động và môi

trường khi có sự chênh lệch nhiệt độ.

Đơn vị của nhiệt lượng Q là Jun(J)

Ban đầu người ta đo nhiệt lượng bằng Calo (cal) và có định nghĩa calo là nhiệt lượng

cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1g nước từ 14,50C đến 15,50C đến năm 1948 thế giới

công nhận nhiệt và công là đồng nhất và là năng lượng trao đổi nên phải có cùng đơn vị

đó là jun trong hệ SI:

1cal = 4,18 J

1J = 0,24 cal

Cơ chế truyền nhiệt:

Có ba cơ chế truyền nhiệt : đối lưu, dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt.

Cơ chế đối lưu.

Khi bạn nhìn ngọn lửa của cây nến hay que diêm là bạn đang xem năng lượng nhiệt

được truyền lên trên do đối lưu. Nhiệt lượng chuyển do đối lưu xảy ra khi một chất lưu,

chẳng hạn không khí hay nước, đang tiếp xúc với một vật có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ

của chất lưu. Nhiệt độ của chất lưu tiếp xúc với vật nóng tăng lên và chất lưu dãn nở - vì

nhẹ hơn chất lưu lạnh ở xung quanh, sẽ bị dâng lên do lực đẩy thủy tĩnh. Chất lưu lạnh

hơn ở xung quanh rơi xuống để chiếm chỗ chất lưu nóng vừa dâng lên và dòng đối lưu

hình thành.

Đối lưu là một phần của nhiều quá trình trong tự nhiên. Đối lưu của khí quyển

đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các mô hình khí hậu toàn cầu và sự

thay đổi thời tiết hàng ngày. Một sự truyền năng lượng khổng lồ trong đại dương cũng

nhờ một quá trình tương tự. Cuối cùng, năng lượng chuyển tới bề mặt Mặt Trời từ

những lò hạt nhân tại tâm của nó bởi các vùng đối lưu khổng lồ mà đỉnh của nó có thể

nhìn thấy dưới dạng sự tạo hạt của bề mặt Mặt Trời.

Trang 8

Nhóm VI

Dẫn nhiệt

Cơ chế này được minh họa bằng một ấm nước đặt trên bếp lò, khi đó phần nước nóng

hơn ở gần bếp nhất sẽ đi lên trên trộn lẫn với phần nước lạnh hơn ở gần mặt ấm.Cơ chế

này bao hàm sự chuyển động của toàn thể các phân tử giàu năng lượng trong chất lỏng

và chất khí. Sự cân bằng nhiệt độ trong chất lỏng và chất khí chủ yếu do hiện tượng đối

lưu. Chất rắn không có sự đối lưu.

Như vậy, dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt bằng chuyển động hỗn loạn của các phân

tử và nguyên tử bên trong vật chất.

Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S trong khoảng thời gian t là:

Trong đó : : hệ số dẫn nhiệt

: chênh lệch nhiệt độ giữa hai phân tử cách nhau một khoảng

: gradieng nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích, trong một đơn vị

thời gian khi gradieng nhiệt độ bằng đơn vị.

Đơn vị của hệ số dẫn nhiệt là oat trên mét độ Kelvin (w/mK).

Bức xạ nhiệt.

Bức xạ là nhiệt lượng được chuyển thông qua sự bức xạ năng lượng điện từ. Tất cả các

vật đều bức xạ năng lượng và lượng này tăng lên khi nhiệt độ tăng. Bức xạ nhiệt có một

đặc tính là : trong một số điều kiện đặc biệt nó có thể tồn tại cân

bằng với vật. Nghĩa là, năng lượng do vật bức xạ phát ra đúng

bằng năng lượng dưới dạng nhiệt mà vật thu vào bằng hấp thụ bức

xạ.

Cách truyền nhiệt từ vật này sang vật khác bằng bức xạ, đây là

cách Mặt Trời sưởi ấm Trái Đất. Bức xạ chảy từ Mặt trời đến Trái Đất, một số chúng bị

hấp thụ làm ấm bề mặt Trái Đất.

Trang 9

P

Nhóm VI

Khi bị đun nóng đến nhiệt độ 5000C các vật bắt đầu phát sáng và cho quang phổ ở

vùng đỏ khi nhiệt độ tăng lên lớn hơn 5000C thì vạch đỏ rộng ra, phát triển sang vùng da

cam, vàng, … Khi vật được nung đến ánh sáng trắng thì nó cho một quang phổ đủ màu

sắc liên tục từ đỏ tới tím, ánh sáng do vật phát ra là ánh sáng trắng.

Chẳng hạn dây tóc bóng đèn có nhiệt độ 2500K – 3000K thì ánh sáng phát ra là ánh

sáng trắng, ánh sáng Mặt Trăng cũng là ánh sáng trắng, nhiệt độ bề mặt khoảng 6000K.

Bức xạ nói trên là bức xạ nhiệt vì năng lượng cung cấp cho vật dưới dạng nhiệt.

Mặt Trăng không phải là đối tượng duy nhất phát ra bức xạ mà khi vật thể có nhiệt

độ trên 0K đều phát ra năng lượng bức xạ. Thách thức đợi các nhà khoa học là việc chỉ

rõ xem năng lượng bức xạ này liên hệ với nhiệt độ của vật như thế nào?

Nếu đặt một vật trong bình chứa mà các thành bên có nhiệt độ đồng đều, chúng ta

chờ đợi vật tiến tới trạng thái cân bằng nhiệt với các thành bình chứa, vật sẽ phát ra

năng lượng bức xạ hệt như thành bình. Một vật nếu thế sẽ hấp thụ và phát xạ cùng một

năng lượng. Một bề mặt tô đen hấp thụ mọi bức xạ chiếu tới và nó phải phản xạ theo

kiểu giống như thế nếu ở trạng thái cân bằng nhiệt.

C ông:

Ví dụ 1:

Khi đun nóng khí trong một xilanh có pittông ta đã

truyền một phần năng lượng chuyển động nhiệt có trong

chất đốt cho chất khí nghĩa là có sự truyền năng lượng

dưới hình thức nhiệt.

Sau đó nội năng của khí tăng lên sẽ được biến đổi một

phần thành cơ năng cho pittông (khí trong xilanh đẩy

pittông) và một phần thành nhiệt năng ( tức năng lượng

chuyển động nhiệt) cho vỏ xilanh và pittông (do sự ma

sát giữa pittông và xilanh)

Tất cả sự biến đổi năng lượng này đều xảy ra dưới hình thức công. Kết quả

của hai quá trình trên được gọi là sự biến nhiệt thành công

Ví dụ 2 :

Trang 10

dx

F = FXi = pAi

A > 0

v

1

p

2

Diện tích = A

V1 V2Hình a

A < 01

p

2

Diện tích = A

V1 V2

Hình b

Nhóm VI

Ta xét công do khối khí trong một hình trụ giản nở và làm

cho một pittông dịch chuyển như ta thấy trên hình vẽ pittông

có tiết diện S và áp suất khí là P vậy lực do khí tác dụng lên

pittông là F=Fx=PS .Gọi độ dịch chuyển của pittông sau khi

khối khí giản nở là dx. Khi đó công dA do khí tạo ra là : dA =

Fdx = pSdx . Mà như ta đã biết Sdx là độ biến thiên vô cùng

bé dV trong thể tích của hệ. Vậy công do hệ thực hiện là dA =

pdV(*)tích phân để xác định công được thực hiện đối với quá

trình này :

A =∫V 1

V 2

PdV

Công là tích phân của hàm p đối với thể tích V. Như

vậy, công được xác định bởi diện tích nằm dưới đường cong

biểu diển quá trình trên giản đồ P-V , từ phương trình (*) ta

thấy rằng:

Nếu P>0 ,A sẽ luôn luôn dương khi V2> V1, chúng

ta nói rằng hệ sinh công ( ứng với hình a )

Nếu P>0, và hệ co lại hay bị nén ( V2< V1, V

<0 ) khi đóA<0, chúng ta nói rằng công được

thực hiện trên hệ hay hệ nhận công ( ứng với

hình b )

Vậy từ những ví dụ trên xét về bản chất vật lý ta có

thể hiểu công cơ học là phần năng lượng đã được biến

đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc là phần năng

lượng (trừ trường hợp năng lượng chuyển động nhiệt)

đã được truyền từ nơi này tới nơi khác.

Công trong các quá trình :

Chúng ta biết rằng động cơ đốt trong l một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ

học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được

đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt

Trang 11

P

Nhóm VI

giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một píttông đẩy píttông này di chuyển đi. ta có thể

thực hiện công này bằng các quá trình cụ thể sau :

Trường hợp 1: quá trình đẳng tích v=const:

Truyền cho xilanh một nhiệt lượng nhưng thể

tích của xilanh không thay đổi v2 = v1, ta có

công theo phương trình (*) là:

δA = PdV = P(V2 –V1 ) = 0

Trong quá trình đẳng tích hệ không sinh công.

Trường hợp 2: quá trình đẳng áp p = const :

Truyền cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng nhưng áp suất của xilanh không thay

đổi ta có :

δA = PdV => A = ∫1

2

PdV = p( v2 – v1)

trường hợp 3: quá trình đẳng nhiệt T = const :

muốn pittông thực hiện đúng một quá trình đẳng nhiệt thì ta cần các thành dẫn nhiệt lý

tưởng nghĩa là nó dẫn nhiệt tức thời, khi đó:

δQ = du + δA =>δQ = δA = ∫1

2

PdV = ∫1

2 Mμ

RT dVV

= Mμ

RT lnV2/V1 (dU = 0)

trường hợp 4: quá trình đoạn nhiệt δQ = 0:

pittông thực hiện một quá trình đoạn nhiệt hoàn toàn không trao đổi nhiệt lượng với môi

trường bên ngoài.

δA = -dU = Mμ

i2R (T1-T2) =

1γ−1 (p1v1 – p2v2)

γ=¿cp/cv = i+2

i

Trường hợp 5: quá trình đa biến c = const:

δA=δQ−dU = Mμ

C dT− Mμ

i2 RdT

Trang 12

Nhóm VI

¿>δA = Mμ

¿ cv )dT => A =∫1

2

dA = Mμ

¿ cv )(T2 – T1)

C=n−γn−1 Cv

III. Mối liên hệ giữa công và nhiệt

Khi đem một dây thép cọ xát vào một vật khác, dây thép sẽ nóng lên. Khi thả dây

thép đó vào nước nóng, dây thép cũng nóng lên. Như vậy, bằng cách sinh công hay

truyền nhiệt đều có thể làm cho dây thép phát sinh những biến hoá giống nhau là nóng

lên. Như vậy, tốn công bao nhiêu để có bao nhiêu nhiệt lượng, giữa chúng phải chăng

có một quan hệ số lượng nhất định nào chăng?

Vì sao khi bơm xe, ống bơm lại nóng lên?

Khi dùng bơm bơm xe đạp được một lúc ống bơm có thể nóng phỏng cả tay. Vì

sao vậy? Bạn có thể cho là quả nén (Pittông) thắng lực ma sát với ống bơm làm cho

nhiệt năng của ống bơm tăng lên gây ra. Nhưng nếu suy nghĩ kĩ thì sự việc lại chẳng

đơn giản như vậy. Ở đây có hai điều nghi vấn nói chung khi bơm xe đạp, lên xuống 20,

30 lần là đủ. Sau khi bơm xong ống bơm trở nên nóng có lúc có thể bỏng tay, nhưng

nếu như bơm không thì phải bơm 50, 60 lần mới nóng. Vì sao lại như thế? Nếu quan sát

tỉ mỉ bạn sẽ phát hiện, sau khi bơm xong đoạn cuối của bơm là nóng nhất nhưng nói

chung trong khi bơm ta thường không ép pittông đến đoạn thấp nhất. Do đó có thể thấy

còn có những nguyên nhân khác làm cho ống bơm bị nóng.

Khi bơm xe pittông chuyển động xuống nén ép không khí trong ống bơm, đồng

thời với việc sinh công thắng lực ma sát với ống bơm, pittông còn phải sinh công khắc

phục áp lực không khí. Do pittông sinh công đối với không khí, nội năng không khí tăng

lên, nhiệt độ của nó cũng tăng lên.

Trong trường hợp khi chỉ bơm không, tốc độ tăng nhiệt độ của ống bơm không

nhanh, đó là vì khi bơm không, không khí không cần đi vào xăm xe đạp, nên đã bớt

được công biến đổi thành nhiệt năng để thắng áp lực không khí, do vậy ống bơm nóng

lên chậm.

Người ta đã đi tới kết luận về sự tương đương giữa nhiệt lượng và công bằng

nhiều con đường khác nhau.

Trang 13

Nhóm VI

=> tóm lại, trong quá trình bơm xe đã có sự biến công thành nhiệt để làm cho ống bơm

nóng lên.

R.Maye khi phân tích sản phẩm của quá trình oxi hóa các chất dinh dưỡng chứa trong

máu trong cơ thể đã nhận xét rằng:

Máu người xứ lạnh chứa nhiều sản phẩm oxi hóa hơn máu người xứ nóng.

Máu người lao động nặng chứa nhiều sản phẩm oxi hóa hơn người lao động nhẹ.

Từ đó ông đi tới kết luận là có sự tương đương giữa nhiệt lượng (tỏa ra để chống lại) và

công (sinh ra do lao động nặng).

Hirn khi phân tích hoạt động của rất nhiều nhà máy nhệt điện đã đi đến kết luận là giữa

công sinh ra của nhà máy và hiệu của nhiệt lượng cung cấp khi đốt than với nhiệt lượng

mất mát trong nhà máy có một tỉ lệ xác định: nếu công sinh ra ∆ Atính bằng kJ, hiệu

nhiệt lượng ∆Q tính bằng kcal, ta có: ∆ A∆ Q

≈ 4,2 kJ/kcal.

Công và nhiệt là hai đại lượng khác nhau. Chúng không phải là những dạng

năng lượng mà chỉ là những phần năng lượng đã được trao đổi giữa các vật tương tác

với nhau. Tuy nhiên chúng có mối liên hệ chặt chẽ.

Ta hãy lấy một ví dụ. Khi cọ xát hai vật với nhau, ta phải tốn một công, nhưng

đồng thời hai vật nóng lên, giống như chúng đã nhận được một nhiệt lượng nào đó.

Thực nghiệm đã chứng tỏ sự chuyển hóa giữa công và nhiệt luôn luôn tuân theo một hệ

thức định lượng xác định và joule là người đầu tiên đã xác định được mối liên hệ này :

cứ tốn một công bằng 4.18 J thì sẽ thu được một nhiệt lượng bằng 1 calo. Người ta cũng

đã xác nhận rằng 1calo nếu biến hết được thành công thì công này sẽ bằng 4,18 J .

Công và nhiệt đều là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi năng lượng,

nhưng bản thân chúng không phải là năng lượng, vì ở mổi trạng thái năng lương của hệ

có một trạng thái xác định, giá trị này không phụ thuộc vào quá trình đưa hệ đến trạng

thái đó. Còn công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi ( ở mỗi trạng thái hệ

không có công và nhiệt). Giá trị của công và nhiệt phụ thuộc vào tính chất của quá trình

biến đổi. Vậy, công và nhiệt không phải là những hàm trạng thái mà là hàm của quá

trình.

Trang 14

Nhóm VI

Sự truyền nhiệt lượng là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa

những phân tử hay nguyên tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên các vật đang

tương tác (quan điểm vi mô).

Sự thực hiện công là hình thức truyền năng lượng giữa những vật vĩ mô tương

tác với nhau và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời định hướng của vật vĩ

mô xét toàn bộ (hay một phần của vật ).

Trang 15

Nhóm VI

Tài liệu tham khảo

Vật lý phân tử (Đàm Trung Đồn – 1993)

Vật lý phân tử và nhiệt học (Đàm Trung Đồn-Nguyễn Viết Kính)

Vật lý đại cương – các nguyên lý và ứng dụng – tập 1:cơ học và nhiệt học (Trần

Ngọc Hợi – Phạm Văn Thiều – 2005)

Vật lý phân tử và nhiệt học (Bùi Trọng Tuân)

Vật lý đại cương – tập 1: cơ nhiệt (Nguyễn Xuân Chi – Đặng Quang Khang –

2008)

Cơ sở vật lý – tập 3 - nhiệt học (David Halliday – 2000)

Vật lý vui – quyển 1 (IA.I.PÊ REN MAN – 2009)

Vật lý phân tử và nhiệt học (Lê Văn-1976)

Bộ sách bổ trợ kiến thức chìa khóa vàng vật lý (Dương Quốc Anh-Nguyễn Mộng

Hưng-1997)

Vật lý phân tử (Phạm Doãn Hân-2001)

Vật lý-công nghệ-đời sống (Lê Nguyên Long-Nguyễn Khắc Mão-2001)

http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%E1%BB%87t_n%C4%83ng

http://tailieu.vn/tag/tai-lieu/nhi%E1%BB%87t%20n%C4%83ng.html

Trang 16