ĐỊNH LUẬT ĐẦU TIÊN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC: CÔNG THỨC, PHƯƠNG TRÌNH, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học nói rằng bất kỳ sự thay đổi nào do năng lượng của một hệ thống trải qua đều bắt nguồn từ công cơ học được thực hiện, cộng với nhiệt trao đổi với môi trường. Cho dù chúng đang ở trạng thái nghỉ hay đang chuyển động, các vật thể (hệ thống) có năng lượng khác nhau, có thể được chuyển đổi từ lớp này sang lớp khác thông qua một số loại quá trình.

Nếu một hệ thống ở trong trạng thái tĩnh trong phòng thí nghiệm và năng lượng cơ học của nó bằng 0, thì nó vẫn có nội năng, do thực tế là các hạt tạo nên nó liên tục trải qua các chuyển động ngẫu nhiên.

Hình 1. Một động cơ đốt trong sử dụng định luật đầu tiên của nhiệt động lực học để tạo ra công. Nguồn: Pixabay.

Các chuyển động ngẫu nhiên của các hạt, cùng với các tương tác điện và trong một số trường hợp là hạt nhân, tạo nên nội năng của hệ và khi nó tương tác với môi trường của nó, các biến thể nội năng phát sinh.

Có một số cách để thực hiện những thay đổi này:

- Thứ nhất là hệ trao đổi nhiệt với môi trường. Điều này xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai loại. Sau đó, cái nóng hơn nhường nhiệt - một cách truyền năng lượng - cho cái lạnh nhất, cho đến khi cả hai nhiệt độ bằng nhau, đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

- Bằng cách thực hiện một công việc, cho dù hệ thống thực hiện nó hay một tác nhân bên ngoài thực hiện nó trên hệ thống.

- Thêm khối lượng cho hệ (khối lượng bằng năng lượng).

Gọi U là nội năng, cân bằng sẽ là ΔU = U cuối cùng - U ban đầu, do đó thuận tiện để gán các dấu hiệu, theo tiêu chí của IUPAC (Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và ứng dụng) là:

- Q và W dương (+), khi hệ thống nhận nhiệt và thực hiện công trên nó (truyền năng lượng).

- Q và W (-) âm, nếu hệ thống tỏa nhiệt và thực hiện công trên môi trường (giảm năng lượng).

Công thức và phương trình

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học là một cách khác để nói rằng năng lượng không được tạo ra cũng không bị phá hủy, mà được chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Làm như vậy sẽ sinh ra nhiệt và công, có thể sử dụng tốt. Về mặt toán học, nó được biểu thị như sau:

ΔU = Q + W

Ở đâu:

- ΔU là sự thay đổi năng lượng của hệ cho bởi: ΔU = Năng lượng cuối cùng - Năng lượng ban đầu = U _f - U _o

- Q là nhiệt lượng trao đổi giữa hệ và môi trường.

- W là công việc được thực hiện trên hệ thống.

Trong một số văn bản, định luật đầu tiên của nhiệt động lực học được trình bày như thế này:

ΔU = Q - W

Điều này không có nghĩa là chúng mâu thuẫn với nhau hoặc có lỗi. Điều này là do công việc W được định nghĩa là công việc được thực hiện bởi hệ thống thay vì sử dụng công việc được thực hiện trên hệ thống, như trong cách tiếp cận IUPAC.

Với tiêu chí này, định luật đầu tiên của nhiệt động lực học được phát biểu theo cách này:

Cả hai tiêu chí sẽ cho kết quả chính xác.

Những quan sát quan trọng về định luật đầu tiên của Nhiệt động lực học

Nhiệt và công đều là hai cách truyền năng lượng giữa hệ và môi trường xung quanh. Tất cả các đại lượng liên quan có đơn vị trong Hệ thống quốc tế là joule hoặc joule, viết tắt J.

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học cung cấp thông tin về sự thay đổi năng lượng, không phải về các giá trị tuyệt đối của năng lượng cuối cùng hoặc ban đầu. Một số trong số chúng thậm chí có thể được coi là 0, vì những gì được đếm là sự khác biệt về giá trị.

Một kết luận quan trọng khác là mọi hệ cô lập đều có ΔU = 0, vì nó không thể trao đổi nhiệt với môi trường và không có tác nhân bên ngoài nào được phép tác động lên nó, do đó năng lượng không đổi. Một bình giữ nhiệt để giữ ấm cà phê của bạn là một giá trị xấp xỉ hợp lý.

Vậy trong hệ không cô lập ΔU luôn khác 0? Không nhất thiết, ΔU có thể bằng 0 nếu các biến của nó, thường là áp suất, nhiệt độ, thể tích và số mol, trải qua một chu kỳ trong đó giá trị ban đầu và giá trị cuối cùng của chúng giống nhau.

Ví dụ, trong chu trình Carnot, tất cả năng lượng nhiệt được chuyển thành công có thể sử dụng được, vì nó không ảnh hưởng đến ma sát hoặc tổn thất độ nhớt.

Đối với U, năng lượng bí ẩn của hệ thống, cô ấy bao gồm:

- Động năng của các hạt khi chúng chuyển động và động năng sinh ra từ dao động và chuyển động quay của các nguyên tử và phân tử.

- Thế năng do tương tác điện giữa các nguyên tử, phân tử.

- Tương tác đặc trưng của hạt nhân nguyên tử, như bên trong mặt trời.

Các ứng dụng

Định luật đầu tiên phát biểu rằng có thể tạo ra nhiệt và hoạt động bằng cách làm cho nội năng của một hệ thay đổi. Một trong những ứng dụng thành công nhất là động cơ đốt trong, trong đó một lượng khí nhất định được lấy và sự giãn nở của nó được sử dụng để thực hiện công việc. Một ứng dụng nổi tiếng khác là động cơ hơi nước.

Động cơ thường sử dụng các chu trình hoặc quá trình trong đó hệ thống bắt đầu từ trạng thái cân bằng ban đầu đến trạng thái cuối cùng khác, cũng là trạng thái cân bằng. Nhiều người trong số họ diễn ra trong các điều kiện thuận lợi cho việc tính toán công và nhiệt từ định luật đầu tiên.

Dưới đây là các mẫu đơn giản mô tả các tình huống thường gặp hàng ngày. Các quá trình minh họa nhất là các quá trình đoạn nhiệt, đẳng áp, đẳng nhiệt, đẳng áp, quá trình đường khép kín và quá trình mở rộng tự do. Trong chúng, một biến hệ thống được giữ không đổi và do đó luật đầu tiên có dạng cụ thể.

Quy trình đẳng tích

Chúng là những thứ mà khối lượng của hệ thống không đổi. Do đó, không có công việc nào được thực hiện và với W = 0, nó vẫn:

ΔU = Q

Quy trình Isobaric

Trong các quá trình này, áp suất không đổi. Công việc được thực hiện bởi hệ thống là do sự thay đổi của khối lượng.

Giả sử một chất khí bị giam trong một bình chứa. Vì công việc W được định nghĩa là:

Bằng cách thay thế lực này trong biểu hiện của công việc, nó dẫn đến:

Nhưng tích A. Δl bằng sự thay đổi thể tích ΔV, để lại công như sau:

Đối với một quá trình đẳng lập, luật đầu tiên có dạng:

ΔU = Q - p ΔV

Quá trình đẳng nhiệt

Chúng diễn ra ở nhiệt độ không đổi. Điều này có thể xảy ra bằng cách hệ thống tiếp xúc với bình chứa nhiệt bên ngoài và làm cho quá trình trao đổi nhiệt diễn ra rất chậm, để nhiệt độ không đổi.

Ví dụ, nhiệt có thể truyền từ bình chứa nóng vào hệ thống, cho phép hệ thống hoạt động, không có sự thay đổi trong ΔU. Vì thế:

Q + W = 0

Quy trình đoạn nhiệt

Trong quá trình đoạn nhiệt không có sự truyền nhiệt năng, do đó Q = 0 và định luật thứ nhất giảm xuống ΔU = W. Tình huống này có thể xảy ra trong các hệ thống cô lập tốt và có nghĩa là sự thay đổi năng lượng xuất phát từ công được thực hiện trên đó, theo quy ước ký hiệu hiện hành (IUPAC).

Có thể cho rằng vì không có sự truyền nhiệt năng nên nhiệt độ sẽ không đổi, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Điều đáng ngạc nhiên là sự nén của một chất khí bị cô lập dẫn đến nhiệt độ của nó tăng lên, trong khi sự giãn nở đoạn nhiệt thì nhiệt độ lại giảm.

Các quy trình trong đường dẫn kín và mở rộng miễn phí

Trong một quy trình đường dẫn khép kín, hệ thống trở lại trạng thái như lúc đầu, bất kể điều gì đã xảy ra ở các điểm trung gian. Các quy trình này đã được đề cập trước đây khi nói về các hệ thống không cô lập.

Trong đó ΔU = 0 và do đó Q = W hoặc Q = -W tùy thuộc vào tiêu chí dấu hiệu được thông qua.

Các quá trình đường dẫn kín là rất quan trọng vì chúng tạo nên nền tảng của động cơ nhiệt như động cơ hơi nước.

Cuối cùng, sự giãn nở tự do là một sự lý tưởng hóa diễn ra trong một bình chứa cách nhiệt có chứa khí. Bình chứa có hai ngăn được ngăn cách bởi một vách ngăn hoặc màng và khí ở một trong số chúng.

Thể tích của bình chứa tăng đột ngột nếu màng bị vỡ và khí nở ra, nhưng bình chứa không có pittong hoặc bất kỳ vật nào khác để chuyển động. Vì vậy chất khí không tác dụng trong khi nở ra và W = 0. Vì nó cách nhiệt nên Q = 0 và kết luận ngay rằng ΔU = 0.

Do đó, sự nở tự do không gây ra sự thay đổi năng lượng của chất khí, nhưng nghịch lý là trong khi nở ra nó không ở trạng thái cân bằng.

Ví dụ

- Quá trình đẳng tích điển hình là quá trình đốt nóng khí trong một vật chứa kín và cứng, ví dụ nồi áp suất không có van xả. Bằng cách này, thể tích không đổi và nếu chúng ta đặt một vật chứa như vậy tiếp xúc với các vật thể khác, nội năng của chất khí chỉ thay đổi nhờ sự truyền nhiệt do sự tiếp xúc này.

- Máy nhiệt thực hiện một chu trình trong đó chúng lấy nhiệt từ một bình nhiệt, biến hầu hết mọi thứ thành công, để lại một phần cho hoạt động của riêng chúng và nhiệt thừa được đổ vào một bình lạnh khác, nói chung là môi trường xung quanh.

- Chuẩn bị nước sốt trong nồi không đậy nắp là một ví dụ hàng ngày của quá trình đẳng tích, vì quá trình nấu được thực hiện ở áp suất khí quyển và thể tích nước sốt giảm theo thời gian khi chất lỏng bay hơi.

- Một chất khí lý tưởng trong đó diễn ra quá trình đẳng nhiệt giữ cho tích áp suất và thể tích không đổi: P. V = không đổi.

- Sự trao đổi chất của động vật máu nóng cho phép chúng duy trì nhiệt độ ổn định và thực hiện nhiều quá trình sinh học, tiêu tốn năng lượng có trong thức ăn.

Hình 2. Các vận động viên, giống như những cỗ máy nhiệt, sử dụng nhiên liệu để làm việc và lượng dư thừa bị mất qua mồ hôi. Nguồn: Pixabay.

Bài tập đã giải

Bài tập 1

Một chất khí được nén ở áp suất không đổi 0,800 atm, để thể tích của nó thay đổi từ 9,00 L đến 2,00 L. Trong quá trình chất khí tỏa nhiệt lượng 400 J. a) Tìm công đã thực hiện đối với chất khí và b) tính sự thay đổi nội năng của nó.

Giải pháp cho)

Trong quá trình đoạn nhiệt, người ta thỏa mãn rằng P _o = P _f , công của chất khí là W = P. ΔV, như đã giải thích trong các phần trước.

Các yếu tố chuyển đổi sau là bắt buộc:

Do đó: 0,8 atm = 81,060 Pa và Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m ³

Thay thế các giá trị bạn nhận được:

Giải pháp b)

Khi hệ thống toả nhiệt, Q được gán một dấu -, do đó định luật Nhiệt động lực học đầu tiên như sau:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Bài tập 2

Biết rằng nội năng của một chất khí là 500 J và khi bị nén đoạn nhiệt thể tích của nó giảm đi 100 cm ³ . Nếu áp suất tác dụng lên khí trong quá trình nén là 3,00 atm, hãy tính nội năng của khí sau khi nén đoạn nhiệt.

Giải pháp

Vì câu lệnh thông báo rằng nén là đoạn nhiệt, đúng là Q = 0 và ΔU = W, khi đó:

Với U = 500 J ban đầu.

Theo số liệu ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ và 3 atm = 303975 Pa, do đó:

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. Bản 7 ^ma . Đồi McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 4. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Định luật Nhiệt động lực học đầu tiên. Phục hồi từ: cultureuracientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Cơ bản về Vật lý. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Đại học Sevilla. Máy nhiệt. Được khôi phục từ: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Quá trình nhiệt. Được khôi phục từ: wikiwand.com.