Bài giảng Vật lí đại cương

1. NỘI DUNG
I. Bản chất của nhiệt – Nhiệt độ
II. Sự truyền nhiệt & Sự hấp thu nhiệt
III. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
IV. Năng lượng CĐ nhiệt – Nội năng
V. Nguyên lý I Nhiệt động lực học
VI. Nguyên lý II Nhiệt động lực học

2. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Nhiệt có khả năng sinh công.
 Nhiệt là một dạng năng
lượng – Nhiệt năng.
I.1. Bản chất của nhiệt

3. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Thuyết động học phân tử cấu tạo vật chất

4. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Thuyết động học phân tử cấu tạo vật chất

5.  Áp suất
 
 2
F
p Pa; N / m
S
F : Áp lực tác dụng
S : Diện tích
1Pa = 1N/m2 = 7,6.10−3 torr = 9,8692×10−6 atm
I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

6. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Phương trình cơ bản thuyết động học phân tử
Hệ thức liên hệ giữa áp suất, mật độ,
động năng của các phân tử khí.
 0 th
2
p n E
3
0 i
i
n n
  - Mật độ phân tử khí
th
E - Động năng trung bình
p - Áp suất khí

7. I.2 Nhiệt độ
I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 th
2E
T
3k
23
A
R
k 1,38.10 (J/ K)
N

 
th
E - Động năng trung bình
23 1
A
N 6,02.10 mol


8. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Thang nhiệt độ
• Celsius ( )
• Fahrenheit ( )
• Kelvin ( )

9. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

10. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

11. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ
 Sự bay hơi

12.  Sự nở vì nhiệt
• Sự nở dài:
• Sự nở khối:
( ): hệ số nở dài
I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

13. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

14. I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

15. Ví dụ:
Mỗi thanh ray xe lửa làm bằng thép có chiều dài
ở nhiệt độ . Hỏi:
a. Chiều dài mỗi thanh ray vào ngày trời nắng, nhiệt
độ ngoài trời là bao nhiêu?
b. Nếu để khe hở giữa các thanh ray là thì
đường ray có bị cong đi hay không?
I. BẢN CHẤT CỦA NHIỆT – NHIỆT ĐỘ

16. II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT
II.1. Nhiệt lượng
• Năng lượng được truyền giữa hệ và môi trường
xung quanh nó (phần chênh lệch nhiệt độ giữa hệ
và một phần nào đó của môi trường quanh hệ).
• Đơn vị nhiệt lượng: Joule (J); calorie (cal)

17. II.2. Sự dẫn nhiệt
• Quá trình truyền nhiệt năng khi có sự tiếp xúc
trực tiếp giữa các vật có nhiệt độ khác nhau.
• Tốc độ truyền nhiệt:
h c h c
T T T T
Q
H kA A
t L R
 
  
: độ dẫn nhiệt
: nhiệt trở
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

18. Ví dụ:
Một tấm kính cửa sổ rộng , cao , dày
. Biết nhiệt độ bên ngoài là và bên trong là
. Tính:
a. Tốc độ mất nhiệt qua tấm kính
b. Nhiệt lượng truyền qua tấm kính trong giờ.
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

19.  Đối lưu nhiệt
• Quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự dịch
chuyển của khối chất lỏng hoặc chất khí trong
không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng
có nhiệt độ khác.
• Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo hai cách:
tự nhiên và cưỡng bức.
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

20.  Bức xạ nhiệt
• Quá trình truyền nhiệt bằng tia mang năng
lượng. Vật hấp thu tia đó, chuyển năng lượng
thành nhiệt.
• Công suất phát xạ:
• Tốc độ truyền nhiệt:
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

21. II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

22. II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

23. II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

24. Ví dụ:
1. Xem Mặt Trời là quả cầu bán kính và
nhiệt độ bề mặt . Xác định năng lượng
toàn phần do Mặt trời bức xạ trong một giây.
2. Dây tóc bóng đèn có công suất có nhiệt
độ . Giả sử độ phát xạ của dây tóc bóng
đèn là . Tính diện tích bề mặt dây tóc.
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

25.  Nhiệt dung riêng:
 Nhiệt lượng:
 Nhiệt dung mol:
 Nhiệt chuyển pha:
II. SỰ TRUYỀN NHIỆT - HẤP THU NHIỆT

26. III. PT TRẠNG THÁI KHÍ LÍ TƯỞNG
III.1. Các ĐL thực nghiệm về chất khí.
 ĐL Boyle – Mariotte
• Ở nhiệt độ xác định,
áp suất và thể tích
của khối khí xác định
tỉ lệ nghịch với nhau.

27. III. PT TRẠNG THÁI KHÍ LÍ TƯỞNG
 ĐL Gay – Lusac
• Ở áp suất nhất định, thể
tích và nhiệt độ tuyệt
đối của khối khí xác định
tỉ lệ thuận với nhau.

28.  ĐL Charles
PT TRẠNG THÁI KHÍ LÍ TƯỞNG
• Ở thể tích nhất định, áp
suất và nhiệt độ tuyệt
đối của khối khí xác định
tỉ lệ thuận với nhau.

29. III.2. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
III. PT TRẠNG THÁI KHÍ LÍ TƯỞNG
• n: số mol khí
• m: khối lượng khí
• : khối lượng mol
•

30. Ví dụ: Một bình kín chứa khí lí tưởng ở .
a. Tìm động năng trung bình của các phân tử khí.
b. Tìm mật độ phân tử khí, biết áp suất khí trong
bình là
III. PT TRẠNG THÁI KHÍ LÍ TƯỞNG
 th
2E
T
3k
 0 th
2
p n E
3

31. IV. 2. Số bậc tự do
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG
He
Ar
Xe
2
O
2
H
2
N
2
CO
2
H S
3
NH
IV. 1. NLCĐ nhiệt: th
3
E nRT
2


32.  ĐL phân bố NL đều theo bậc tự do
th
i i
E kT nRT
2 2
 
• NL ứng với bậc tự do:
• Một hệ phân tử đạt trạng thái cân bằng
nhiệt, tại nhiệt độ , năng lượng chuyển
động nhiệt trung bình của phân tử phân bố
đều cho các bậc tự do.
1
kT
2
• Năng lượng ứng với mỗi bậc:
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

33. IV.3. Nội năng
  
th t p
U E E E
th
E : Năng lượng chuyển động nhiệt
t
E : Năng lượng tương tác
p
E : Năng lượng liên kết giữa các nguyên tử
Năng lượng ứng với sự vận động bên trong hệ.
Nội năng là hàm trạng thái.
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

34.  Nội năng khí lý tưởng:
th th
U E dU dE
  
 Độ biến thiên nội năng một khối khí lý tưởng
bằng độ biến năng lượng chuyển động nhiệt
của khối khí đó.
    
2 1
i
U U U nR T
2
: số mol khí
: hs khí lí tưởng
: độ BT nội năng
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

35. Ví dụ: Bài tập 2.51/37
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

36. IV.4. Công của khối khí
(2)
(1)
A pdV
  
 Độ lớn của công bằng
trị số diện tích hình
phẳng giới hạn bởi đồ
thị và hai trục thể
tích ; .
x

(1)
(2)
p
V
A
O
(1)
(2)
1
V 2
V
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

37. Ví dụ: Bài tập 2.73/40
IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

38.  Hệ nhiệt động & Môi trường
 Trạng thái & thông số trạng thái
 Quá trình nhiệt động
 Chu trình
 Chu trình thuận nghịch & không thuận nghịch
 Hệ mở - Hệ kín & Hệ cô lập
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

39. V.1. Nguyên Lý 1
U A Q
  
 Nếu hệ nhận công và nhiệt,
 Nếu hệ sinh công và nhiệt,
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Độ biến thiên nội năng trong quá trình biến đổi
bất kì bằng tổng công & nhiệt hệ trao đổi với
môi trường.

40.  Hệ quả
 Với hệ cô lập:
 Sau một chu trình biến đổi, nội năng của hệ
không thay đổi. Nếu hệ nhận bao nhiêu công
thì sẽ cung cấp bấy nhiêu nhiệt cho môi
trường và ngược lại.
U 0 A Q 0 A Q
       
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

41. IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

42. IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

43. IV. NLCĐ NHIỆT – NỘI NĂNG

44. Ví dụ: Bài tập 2.58/38
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

45. V.2. Khảo sát quá trình biến đổi đẳng tích
• Công:
• Nhiệt:
• Nhiệt dung mol đẳng tích:
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

46. Ví dụ: Bài tập 2.52/37
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

47. V.3. Khảo sát quá trình biến đổi đẳng áp
• Công:
• Nhiệt:
• Nhiệt dung mol đẳng áp:
• Hệ thức Mayer:
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

48. Ví dụ: Bài tập 2.53/37
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

49. V.4. Khảo sát quá trình biến đổi đẳng nhiệt
• Công: 2
1
V
A nRTln
V
 
• Nhiệt: 2
1
V
Q A nRTln
V
  
U 0 A Q 0 A Q
       
• Độ biến thiên nội năng:
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

50. V.5. Khảo sát quá trình đoạn nhiệt
• Hệ số Poisson:
p
V
C i 2
C i

  
• Công:
i
A U nR T
2
   
• Nhiệt: Q 0

p.V = const

• Hệ thức Laplace:
1
T .p = const
 
V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

51. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

52. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

53. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

54. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

55. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

56. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

57. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

58. V. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

59. VI.1. Những hạn chế của NLI nhiệt động lực học
• Không chỉ rõ chiều diễn biến trong các quá trình
nhiệt động.
• Không đề cập đến điều kiện chuyển hóa giữa
công & nhiệt.
• Không phân biệt được sự khác nhau về chất
lượng giữa các nguồn nhiệt.
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

60. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

61. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

62. VI.2. Động cơ nhiệt
1 2 2
1 1 1
Q Q Q
A
H 1
Q Q Q
 
 
   
• Hiệu suất động cơ nhiệt
• Thiết bị hoạt động tuần
hoàn, liên tục chuyển hóa
nhiệt thành công cơ học.
NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

63. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

64. Ví dụ: Bài tập 2.90/43
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

65. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

66. VI.3. Máy làm lạnh
• Thiết bị hoạt động tuần
hoàn, liên tục vận chuyển
nhiệt từ nguồn lạnh sang
nguồn nóng.
• Hệ số làm lạnh:
  
 
2 2
1 2
Q Q
A Q Q
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

67. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

68. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

69. Không thể biến đổi nhiệt lượng hoàn toàn
thành công mà môi trường xung quanh không
chịu sự biến đổi nào. Nói cách khác, không có
động cơ nhiệt với hiệu suất hay không
thể chế tạo được động cơ nhiệt nếu nó chỉ tiếp
xúc với một nguồn nhiệt.
 Phát biểu của Kelvin – Planck
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

70. Nhiệt lượng không thể tự động
truyền từ một vật lạnh sang vật
nóng. Nói cách khác, sự truyền nhiệt
từ vật lạnh sang vật nóng không thể
xảy ra nếu không có sự bù trừ nào.
 Phát biểu của Clausius:
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

71. VI.4. Chu trình Carnot thuận
• Dãn khí đẳng nhiệt
• Dãn khí đoạn nhiệt
• Nén khí đẳng nhiệt
• Nén khí đoạn nhiệt
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
 Hiệu suất động cơ nhiệt
theo chu trình Carnot:
  2
C
1
T
H 1
T Chu trình Carnot thuận

72.  Chu trình Carnot nghịch
• Nén khí đoạn nhiệt
• Nén khí đẳng nhiệt
• Dãn khí đoạn nhiệt
• Dãn khí đẳng nhiệt
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Chu trình Carnot nghịch
 Hệ số làm lạnh:
 

2
C
1 2
T
T T

73.  Định lý Carnot
• Hiệu suất động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình
không thuận nghịch luôn nhỏ hơn hiệu suất động
cơ nhiệt hoạt động theo chu trình thuận nghịch.
• Hiệu suất động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình
Carnot không phụ thuộc vào tác nhân, chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ các nguồn nhiệt.
  2
C
1
T
H 1
T
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
 

2
C
1 2
T
T T

74. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

75. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

76. VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

77.  Bất đẳng thức Clausius
Q
0
T



• Dấu “ ” ứng với chu trình thuận nghịch
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
 : lượng nhiệt hệ nhận được
• Dấu “ ” ứng với chu trình không thuận nghịch.
 : nhiệt độ nguồn

78. • Entropy là hàm trạng thái, đặc trưng cho mức độ
hỗn loạn của hệ.
• Entropy là hàm thế, có tính cộng được.
• Entropy không xác định đơn trị mà sai kém một
hằng số cộng.
(2)
2 1
(1)
Q
S S S
T

     0
Q
S S
T

  
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

79.  Độ biến thiên entropy của các quá trình biến đổi.
• Đoạn nhiệt:
(2)
(1)
Q
S 0
T

  

• Đẳng nhiệt:
(2) (2)
(1) (1)
Q 1 Q
S Q
T T T

    
 
• Đẳng tích:
(2) (2)
V 2
V
1
(1) (1)
nC dT T
Q
S nC ln
T T T

   
 
• Đẳng áp:
(2) (2)
p 2
p
1
(1) (1)
nC dT T
Q
S nC ln
T T T

   
 
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

80.  Nguyên lý tăng entropy
• Mọi quá trình nhiệt động xảy ra trong hệ cô lập luôn
theo chiều hướng sao cho entropy của hệ tăng lên.
• Hệ cô lập ở trạng thái cân bằng khi entropy của
nó đạt cực đại.
(2)
(1)
Q
S
T

   • Với quá trình thuận nghịch, .
 Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các
phân tử trong hệ.
VI. NL II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC