Nhiệt động lực học

Mục tiêu Học tập 9.1.A: Mô tả áp suất mà một khí tác dụng lên bình chứa theo chuyển động của các nguyên tử bên trong khí đó.

• 9.1.A.1 Các nguyên tử trong khí va chạm với nhau, tác dụng lực lên các nguyên tử khác trong khí và lên bình chứa khí.
  • 9.1.A.1.i Các va chạm liên quan đến cặp nguyên tử hoặc một nguyên tử và một vật cố định có thể được mô tả và phân tích bằng các nguyên lý bảo toàn động lượng.
  • 9.1.A.1.ii Áp suất mà khí tác dụng lên một bề mặt là tỷ số giữa tổng độ lớn các thành phần vuông góc của lực do các nguyên tử khí tác dụng lên bề mặt và diện tích của bề mặt đó.
    • Phương trình: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
  • 9.1.A.1.iii Áp suất tồn tại khắp nơi bên trong bản thân khối khí, không chỉ giới hạn ở ranh giới giữa khí và bình chứa.

Mục tiêu Học tập 9.1.B: Mô tả nhiệt độ của một hệ theo chuyển động của các nguyên tử bên trong hệ đó.

• 9.1.B.1 Nhiệt độ của một hệ được đặc trưng bởi động năng trung bình của các nguyên tử bên trong hệ đó.
  • 9.1.B.1.i Phân bố Maxwell–Boltzmann cung cấp biểu diễn đồ thị về năng lượng và tốc độ của các nguyên tử ở một nhiệt độ xác định.
  • 9.1.B.1.ii Tốc độ bình phương trung bình tương ứng với động năng trung bình đối với khí lý tưởng liên hệ với nhiệt độ của khí qua công thức:
    • Phương trình: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 chỉ yêu cầu học sinh thực hiện phân tích định tính và định lượng về các va chạm trong một và hai chiều. Học sinh không cần biết dạng hàm của phân bố Maxwell-Boltzmann nhưng cần am hiểu cách các đặc điểm của phân bố này liên hệ với nhiệt độ của khí.

Mục tiêu Học tập 9.2.A: Mô tả các tính chất của khí lý tưởng.

• 9.2.A.1 Mô hình cổ điển của khí lý tưởng giả sử rằng vận tốc tức thời của các nguyên tử là ngẫu nhiên, thể tích của các nguyên tử là không đáng kể so với tổng thể tích do khí chiếm giữ, các nguyên tử va chạm đàn hồi, và các lực đáng kể duy nhất tác dụng lên nguyên tử là những lực xảy ra trong quá trình va chạm.
• 9.2.A.2 Khí lý tưởng là khí mà trong đó mối quan hệ giữa áp suất, thể tích, số mol hoặc số nguyên tử, và nhiệt độ của khí có thể được mô hình hóa bằng phương trình
  • Phương trình: $PV = nRT = N k_B T$
• 9.2.A.3 Các biểu đồ mô tả áp suất, nhiệt độ và thể tích của khí có thể được sử dụng để mô tả hoặc xác định các tính chất của khí đó.
• 9.2.A.4 Một nhiệt độ tại đó khí lý tưởng có áp suất bằng không có thể được ngoại suy từ biểu đồ áp suất theo nhiệt độ.

Mục tiêu Học tập 9.3.A: Mô tả sự truyền năng lượng giữa hai hệ tiếp xúc nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ của hai hệ đó.

• 9.3.A.1 Hai hệ được coi là tiếp xúc nhiệt nếu chúng có thể trao đổi năng lượng thông qua các quá trình nhiệt.
  • 9.3.A.1.i Sự nung nóng là quá trình truyền năng lượng vào một hệ thống thông qua các cơ chế nhiệt.
  • 9.3.A.1.ii Sự làm lạnh là quá trình truyền năng lượng ra khỏi một hệ thống thông qua các cơ chế nhiệt.
• 9.3.A.2 Các quá trình nhiệt thông qua đó năng lượng có thể được truyền giữa các hệ ở nhiệt độ khác nhau bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt.
• 9.3.A.3 Năng lượng được truyền thông qua các quá trình nhiệt tự phát từ hệ có nhiệt độ cao hơn sang hệ có nhiệt độ thấp hơn.
  • 9.3.A.3.i Trong các va chạm giữa các nguyên tử từ các hệ thống khác nhau, năng lượng có khả năng được truyền cao nhất từ các nguyên tử có năng lượng lớn hơn sang các nguyên tử có năng lượng nhỏ hơn.
  • 9.3.A.3.ii Sau nhiều lần va chạm giữa các nguyên tử từ các hệ thống khác nhau, trạng thái xác suất nhất là trạng thái trong đó cả hai hệ thống đều có cùng nhiệt độ.
• 9.3.A.4 Cân bằng nhiệt đạt được khi không có sự truyền năng lượng ròng nào thông qua các quá trình nhiệt giữa hai hệ đang tiếp xúc nhiệt với nhau.

Mục tiêu Học tập 9.4.A: Mô tả nội năng của một hệ.

• 9.4.A.1 Nội năng của một hệ là tổng động năng của các vật thể cấu thành hệ và thế năng của cấu hình các vật thể đó.
  • 9.4.A.1.i Các nguyên tử trong khí lý tưởng không tương tác với nhau qua lực bảo toàn, và cấu trúc bên trong không được xét đến. Do đó, khí lý tưởng không có thế năng nội tại.
  • 9.4.A.1.ii Nội năng của khí đơn nguyên tử lý tưởng là tổng động năng của các nguyên tử cấu thành khí đó.
    • Phương trình: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
• 9.4.A.2 Sự thay đổi nội năng của một hệ có thể dẫn đến sự thay đổi về cấu trúc nội tại và hành vi nội tại của hệ mà không làm thay đổi chuyển động của tâm khối hệ.

Mục tiêu học tập 9.4.B: Mô tả hành vi của một hệ thông qua các quá trình nhiệt động lực học.

• 9.4.B.1 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học là cách phát biểu lại định luật bảo toàn năng lượng, tính đến năng lượng truyền vào hoặc ra khỏi hệ qua công, gia nhiệt hoặc làm mát.
  • 9.4.B.1.i Đối với hệ cô lập, tổng năng lượng là không đổi.
  • 9.4.B.1.ii Đối với hệ kín, độ biến thiên nội năng bằng tổng năng lượng truyền vào hoặc ra khỏi hệ qua gia nhiệt, hoặc công thực hiện lên hệ.
    • Phương trình: $\Delta U = Q + W$
  • 9.4.B.1.iii Công thực hiện lên hệ bởi áp suất ngoài không đổi hoặc trung bình làm thay đổi thể tích của hệ (ví dụ: pit-tông nén khí trong bình chứa) được xác định là
    • Phương trình: $W = -P \Delta V$
• 9.4.B.2 Đồ thị áp suất-thể tích (còn gọi là sơ đồ PV) là các biểu diễn dùng để mô tả các quá trình nhiệt động lực học.
  • 9.4.B.2.i Các đường đẳng nhiệt trên sơ đồ PV được gọi là đường đẳng nhiệt.
  • 9.4.B.2.ii Giá trị tuyệt đối của công thực hiện lên khí khi khí giãn nở hoặc bị nén bằng diện tích nằm dưới đường cong của đồ thị áp suất theo thể tích của khí.
• 9.4.B.3 Các trường hợp đặc biệt của quá trình nhiệt phụ thuộc vào mối quan hệ giữa cấu hình hệ, bản chất của công thực hiện lên hệ và môi trường xung quanh. Bao gồm đẳng tích (đẳng thể tích), đẳng nhiệt và đẳng áp, cũng như các quá trình không có sự trao đổi năng lượng qua quá trình nhiệt với hệ (quá trình đẳng nhiệt).

Mục tiêu học tập 9.5.A: Mô tả năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một vật một lượng nhất định.

• 9.5.A.1 Lượng năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một vật liệu liên quan đến nhiệt dung riêng của vật liệu đó.
  • Phương trình: $Q = mc\Delta T$
• 9.5.A.2 Nhiệt dung riêng của một vật liệu là tính chất nội tại của vật liệu đó, phụ thuộc vào cấu trúc sắp xếp và tương tác của các nguyên tử cấu thành vật liệu.

Mục tiêu học tập 9.5.B: Mô tả tốc độ mà năng lượng được truyền qua dẫn nhiệt trong một vật liệu cho trước.

• 9.5.B.1 Tốc độ mà năng lượng được truyền qua dẫn nhiệt trong một vật liệu cho trước liên quan đến độ dẫn nhiệt, kích thước vật lý của vật liệu và hiệu nhiệt độ xuyên qua vật liệu.
  • Phương trình: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
• 9.5.B.2 Độ dẫn nhiệt của một vật liệu là tính chất nội tại của vật liệu đó, phụ thuộc vào cấu trúc sắp xếp và tương tác của các nguyên tử cấu thành vật liệu.

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 sẽ mô hình hóa nhiệt dung riêng độc lập với nhiệt độ.

Mục tiêu học tập 9.6.A: Mô tả sự biến thiên entropy của một hệ cho trước theo thời gian.

• 9.6.A.1 Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng tổng entropy của một hệ cô lập không bao giờ giảm và chỉ không đổi khi tất cả các quá trình mà hệ trải qua đều thuận nghịch.
• 9.6.A.2 Entropy có thể được mô tả định tính là xu hướng lan tỏa của năng lượng hoặc khả năng không sẵn có của một phần năng lượng hệ để thực hiện công.
  • 9.6.A.2.i Năng lượng cục bộ sẽ có xu hướng phân tán và lan rộng.
  • 9.6.A.2.ii Entropy là hàm trạng thái do đó chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại hoặc cấu hình của hệ, không phụ thuộc vào cách hệ đạt đến trạng thái đó.
  • 9.6.A.2.iii Entropy cực đại xảy ra khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.
• 9.6.A.3 Sự biến thiên entropy của hệ được xác định bởi sự tương tác của hệ với môi trường xung quanh.
  • 9.6.A.3.i Hệ cô lập tự phát tiến tới trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.
  • 9.6.A.3.ii Entropy của hệ cô lập không bao giờ giảm, nhưng entropy của hệ kín có thể giảm vì năng lượng có thể truyền vào hoặc ra khỏi hệ.

Tuyên bố giới hạn: Chỉ xử lý định tính định luật thứ hai của nhiệt động lực học nằm trong phạm vi của AP Physics 2.