A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ
1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG NHIỆT ĐỘNG HỌC
Hệ nhiệt động được gọi tắt là hệ, là một số rất lớn các tiểu phân (nguyên tử, phân tử, ion) đang được nghiên cứu và được phân cách với môi trường ngoài bằng một ranh giới xác định (thực hoặc ảo).
* Hệ cô lập: Không trao đổi chất, không trao đổi năng lượng với môi trường ngoài dưới dạng nhiệt và công. Hệ cô lập có thể tích không đổi.
* Hệ kín (hệ đóng): Không trao đổi chất, nhưng trao đổi năng lượng với môi trường ngoài, thể tích của hệ kín có thể thay đổi.
* Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi chất và nhiệt với môi trường ngoài, nhưng trao đổi công với môi trường ngoài.
* Hệ hở (hệ mở): Trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.
* Hệ đồng thể và hệ dị thể: Hệ đồng thể là hệ mà thuộc tính của nó hoặc không thay đổi hoặc thay đổi từ từ liên tục từ điểm này qua điểm kia và hoàn toàn không có bề mặt phân chia trong hệ. Còn trong hệ có bề mặt phân chia thì gọi là hệ dị thể.
Nói cách khác: Hệ đồng thể chỉ có một pha, còn hệ dị thể có nhiều pha.
* Hệ đồng nhất và không đồng nhất: Hệ đồng nhất là hệ có thành phần như nhau và tính chất như nhau ở khắp mọi điểm của hệ. Ngược lại là hệ không đồng nhất.
Như vậy: Hệ đồng nhất chính là hệ đồng thể, nhưng hệ đồng thể thì không nhất thiết phải đồng nhất.
1.2. Pha
Pha là những phần đồng thể giống nhau của một hệ hợp thành một pha.
Pha được giới hạn với những phần khác bằng những bề mặt phân chia. Pha đơn giản chỉ chứa một chất, còn pha chứa từ hai chất trở lên được gọi là pha phức tạp.
1.3. Trạng thái
Trạng thái của một hệ được xác định bởi tập hợp các thông số biểu diện các tính chất của hệ như nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V), nội năng (U), entanpi (H), entropi (S), thể đẳng áp (G).
Thông số của hệ được chia làm hai loại, đó là thông số cường độ và thông số khuyếch độ.
Các thông số cường độ như: nhiệt độ, áp suất, nồng độ, chiết suất, tỷ khối, độ nhớt... chúng không tỷ lệ thuận với khối lượng của hệ, tức là chúng không có tính cộng tính.
Các thông số khuyếch độ như: thể tích, khối lượng, nội năng (u),... chúng tỷ lệ thuận với khối lượng của hệ (tức là tỷ lệ với số mol của hệ), có tính cộng tính.
1.4. Biến đổi của một hệ
Một hệ nhiệt động biến đổi khi trạng thái của hệ đó thay đổi. Tức là một hay nhiều thông số của hệ thay đổi. Biến đổi của một hệ xác định nếu biết rõ được trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ đó. Đường đi chỉ xác định được khi trạng thái đầu, trạng thái cuối cùng như tất cả các trạng thái trung gian của hệ đều được xác định.
Khi trạng thái đầu và trạng thái cuối khác nhau thì quá trình biến đổi được gọi là biến đổi hở. Còn trạng thái đầu và cuối trùng nhau thì gọi là biến đổi kín - chu trình.
Một biến đổi được gọi là đoạn nhiệt nếu nó diễn ra trong điều kiện không trao đổi nhiệt với môi trường ngoài.
Một biến đổi được coi như thuận nghịch nếu những trạng thái trung gian mà hệ đi qua được xem như trạng thái cân bằng.
Khi biến đổi được thực hiện trong điều kiện đẳng áp, thì gọi là biến đổi đẳng áp, thực hiện trong điều kiện biến đối đẳng tích thì gọi là biến đổi đẳng tích,...
Một biến đổi còn được gọi là một quá trình.
1.5. Hàm trạng thái
Là một đại lượng mà biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào đường đi của hệ đó - tức là không phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình.
Nếu biểu diễn hàm trạng thái bằng toán học thì: Giả sử có một đại lượng X. Lấy tích phân của dX từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 , ta có:
∫2 = − =Δ
1
1
2 X X
X
dX , thì ta nói X là hàm trạng thái Còn ∫2δ =
1
X
X , thì ta nói X không phải là hàm trạng thái
Trong trường hợp này X phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình các đại lượng như nội năng (U), entanpi (H), áp suất (P), thể tích (V),... là hàm trạng thái còn công (A) và nhiệt (Q) không phải là hàm trạng thái, vì:
∫2δ =
1
A
A ∫2δ =
1
Q Q 1.6. Năng lượng
Năng lượng là thước đo cho mọi dạng vận động của vật chất.
Năng lượng của một hệ bao gồm 2 phần là ngoại năng và nội năng.
Ngoại năng chính là năng lượng bên ngoài hệ nó gồm động năng chuyển động của toàn hệ (là dạng năng lượng đặc trưng cho một vật chuyển động,
. 2
2 1 mv
Ed = ) và thế năng của hệ có được do vị trí của nó với trường lực bên ngoài, Et = mgh.
Nội năng (U) của hệ là tất cả các dạng năng lượng được dự trữ ở bên trong hệ như: Động năng chuyển động của phân tử, nguyên tử,..., thế năng tương tác (hút, đẩy) của các phân tử, nguyên tử,...
Trong nhiệt động học chúng ta chỉ quan tâm đến nội năng của hệ đó mà không cần quan tâm đến ngoại năng của nó. Chúng ta khảo sát hệ khi hệ không chuyển động và tác dụng của trường ngoài đến hệ là không đáng kể.
1.7. Công và nhiệt a) Công (A)
* Khái niệm: Công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng thông qua chuyển động có hướng của hệ.
Công không phải là hàm trạng thái vì: ∫2 δA =A
1
Quy ước về dấu của công (A):
+ Hệ nhận công: A>0
+ Hệ nhường công (sinh công): A<0
Trong hệ đơn vị SI, chúng ta mượn đơn vị của năng lượng là Jun (ký hiệu là J) để làm đơn vị cho công (A) chính vì vậy mà chúng ta hay nhầm công là năng lượng. Xin được nhắc lại công và nhiệt chỉ là những dạng truyền năng lược của hệ với môi trường ngoài chứ không phải là năng lượng.
* Tính công cho một số quá trình: Trong trường hợp hệ sinh công để thực hiện quá trình giãn nở thể tích
+ Quá trình không thuận nghịch Công do hệ thực hiện (hệ sinh công):
δA =−Pe ×dV (5.1a) Trong đó: - Pe là áp suất ngoài
- dV là biến thiên thể tích cho một quá trình vô cùng nhỏ
Với những biến đổi vô cùng chậm thì chấp nhận Pe = P (P là áp suất của hệ), nên:
δA =−P×dV (5.1b)
Khi đưa hệ từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 (hình vẽ). Lấy tích phân 2 vế (5.1b), ta được công giãn nở thể tích của hệ là:
=−∫2
1
PdV
A (5.2) - Với quá trình đẳng tích: V = const
dV = 0, nên AV = 0 (5.3) - Với quá trình đẳng áp: P = const
Ap= - P(V2 - V1) = -PΔV (5.4) 1
2
Chú ý: Nếu Pngoài= Pe = 0, thì A = 0 tức là sự giãn nở của khí trong chân không không sinh công.
Xét cho khí lý tưởng thì: PΔV = nRΔT (nếu số mol khí không thay đổi), khi đó: Ap = - nRΔT (5.5)
- Với quá trình đẳng nhiệt: T = const
Với khí lý tưởng , khi đưa hệ từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 để quá trình biến thiên thể tích xảy ra thì phải có sự thay đổi số mol.
Khi đó: AT = - ΔnRT (5.6) Vì: PΔV = ΔnRT
+ Quá trình thuận nghịch, đẳng nhiệt Xét cho 1 mol khí lý tưởng, ta có:
∫
−
= 2
1
PdV
AT (*) mà
V P RT RT
PV = → = thay vào biểu thức (*), được:
1 2 2
1
ln V RT V V
RT dV
AT =− ∫ =− (5.7) Vì T =const, nên
2 1 1 2 ~
P P V
V do đó:
2 1 1
2 ln
ln P
RT P V
RT V
AT =− =− (5.8)
Ví dụ 1: Giãn nở đẳng nhiệt 0,85 mol khí lý tưởng từ P1 = 15 atm tới P2 = 1 atm ở T = 300 K. Tính công giãn nở trong các trường hợp sau:
a) chân không
b) Khi áp suất ngoài không đổi là 1atm.
c) Khi quá trình thuận nghịch Lời giải
a) Pe = 0 → A = -PeΔV = 0 b) A = -Pe.( V2 - V1), mà:
2
2 P
V = nRT ;
1
1 P
V = nRT nên:
⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
−
1 2 1
2
1 1
P V nRT P
V
Do đó:
atm J atm atm
K K mol mol J
P nRTP P
A e 1980
15 1 1
. 1 1 . 300 . .
314.
, 8 . ,85 1 0
1
1 2
−
=
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ −
−
⎟⎟=
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
−
=
c) Vì quá trình thuận nghịch, nên áp dụng biểu thức:
J K K
mol mol J
P nRT P V
nRT V
A 5740
1 ln15 300 . . .
314.
8, . ,85 0 ln
ln
2 1 1
2 =− =− =−
−
=
Nhận xét: So sánh công do hệ thực hiện ở phần b nhỏ hơn ở phần c.
Vậy: Công của quá trình thuận nghịch là công cực đại
b)Nhiệt (Q)
Nhiệt cũng như công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng của hệ với môi trường ngoài nhưng khác công ở chỗ sự trao đổi năng lượng được thực hiện thông qua chuyển động hỗn loạn của các phân tử.
Ví dụ: nếu ta cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q (bằng cách làm nóng hệ) nhưng giữ cho thể tích của hệ không đổi, khi đó nhiệt độ của hệ sẽ tăng lên và chuyển động hỗn loại của các phân tử sẽ mạnh lên tức là nội năng của hệ tăng.
Hệ càng nhận nhiều nhiệt thì năng lượng của hệ càng tăng.
Nhiệt không phải là hàm trạng thái, giống như công. Tức là:
∫2δ =
1
Q Q
Nhiệt (Q) phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình.
Trong hệ đơn vị SI, nhiệt được đo bằng Jun (J). Tuy nhiên cũng có thể dùng đơn vị Calo (Cal) để đo. Khi đó, cần nhớ:
1cal = 4,184Jun.
Quy ước về dấu của nhiệt: