B.4 · Nhiệt động lực học

Tài liệu này bao gồm các chủ đề HL được chọn cho khóa học đầu tiên được đánh giá trong 2025; đây không phải là toàn bộ chương trình.

Điều kiện tiên quyết: đọc các đại lượng và đơn vị được nêu, và sử dụng phép toán cùng các điều kiện mô hình bên dưới.

Các ví dụ là gốc và hư cấu: chúng không phải là số đo thực tế hay các cuộc điều tra của học sinh thực tế.

Giải thích hiện tượng này là gì?

• Nén khí có thể làm nóng nó ngay cả khi không có bộ gia nhiệt. Công là một con đường khác để truyền năng lượng vào hệ thống.

Xây dựng mô hình

• Nội năng là tính chất của hệ được chọn.
• Nhiệt và công mô tả sự truyền năng lượng qua biên giới của nó.
• Đối với khí lý tưởng đơn nguyên tử, nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và số lượng chất.
• đoạt nhiệt: Quá trình không có sự trao đổi nhiệt.
• Nội năng: Tổng động năng và thế năng vi mô của một hệ.

Chọn bằng chứng để kiểm định mô hình

• Phát biểu quy ước dấu trước khi sử dụng định luật thứ nhất.
• Tại đây, độ biến thiên nội năng bằng nhiệt đưa vào hệ trừ đi công mà hệ thực hiện.
• Công giãn có thể làm giảm nội năng khi không có nhiệt truyền vào.

Trong phòng thí nghiệm: Xác định xem quá trình là đẳng nhiệt, đoạt nhiệt hay đẳng tích. Trên đồ thị áp suất - thể tích, diện tích dưới đường cong quá trình cho biết công mà khí thực hiện. Đường đi ảnh hưởng đến công ngay cả khi điểm đầu và điểm cuối trùng nhau.

Bắt đầu từ các đại lượng đã biết

• Đã biết: khí nhận 300 J nhiệt lượng và thực hiện 120 J công.
• Với ΔU = Q-W, ta có ΔU = 300-120 = 180 J.
• Đối với nén đẳng nhiệt, Q=0 và công do khí thực hiện là âm, nên ΔU mang giá trị dương.

Đến lượt bạn: Một khí nhận 500 J nhiệt lượng và thực hiện 200 J công. Tính độ biến thiên năng lượng trong.

Kiểm tra kết luận và giới hạn của nó

• Đẳng nhiệt không có nghĩa là nhiệt độ không đổi.
• Sử dụng quy ước dấu đã nêu; một số khóa học viết công tác dụng lên khí với dấu ngược lại.

Không đúng: Mọi quá trình đẳng nhiệt đều có nhiệt độ không đổi. Đẳng nhiệt cố định truyền nhiệt (Q = 0), chứ không phải nhiệt độ. Nén đẳng nhiệt làm tăng nhiệt độ - bơm xe đạp nóng lên - và giãn nở đẳng nhiệt làm giảm nó. Quá trình nhiệt độ không đổi là đẳng nhiệt, không phải đẳng nhiệt.

Tóm tắt:

• Năng lượng trong là tính chất của hệ thống được chọn.
• Phát biểu quy ước dấu trước khi sử dụng định luật thứ nhất.
• Lưu ý: đẳng nhiệt không có nghĩa là nhiệt độ không đổi.

Viết dựa trên sự thay đổi nội năng là 450 J

• Một khí nhận 800 J nhiệt lượng và thực hiện 350 J công.
• Tìm độ biến thiên năng lượng trong. Đẳng nhiệt có nghĩa là không có truyền nhiệt, chứ không phải nhiệt độ không đổi.

Viết từ hồ sơ đẳng nhiệt

• Một khí giãn nở chậm ở nhiệt độ không đổi, thực hiện 200 J công.
• ΔU = 0, suy ra Q = W = 200 J: nhiệt truyền vào chính xác bằng tốc độ công thoát ra — một đường đẳng nhiệt là sự cân bằng, chứ không phải sự vắng mặt năng lượng.

Viết dựa trên tổng của chu trình

• Trong một chu kỳ hoàn chỉnh, khí hấp thụ 500 J và thải ra 300 J.
• Công thuần = 500 − 300 = 200 J và ΔU = 0 trong suốt chu trình — nội năng là hàm trạng thái; nó trở về giá trị ban đầu.