Nhiệt Học - Nhiệt Động Lực Học, Phương Trình Trạng Thái Khí

🌡️

Khái Niệm Cơ Bản

Chuyển đổi nhiệt độ

T(K) = t(°C) + 273 t(°F) = \frac{9}{5}t(°C) + 32

Nhiệt lượng

Q = mc\Delta t

Q: nhiệt lượng (J), m: khối lượng (kg), c: nhiệt dung riêng (J/kg·K)

Nhiệt nóng chảy

Q = \lambda m

λ: nhiệt nóng chảy riêng (J/kg)

Nhiệt hóa hơi

Q = Lm

L: nhiệt hóa hơi riêng (J/kg)

💨

Chất Khí Lý Tưởng

Phương trình trạng thái khí lý tưởng

pV = nRT = \frac{m}{M}RT

R = 8.314 J/(mol·K) - hằng số khí lý tưởng

Phương trình Clapeyron

\frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2}

Quá trình đẳng nhiệt (T = const)

p_1 V_1 = p_2 V_2

Định luật Boyle-Mariotte

Quá trình đẳng tích (V = const)

\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}

Định luật Charles

Quá trình đẳng áp (p = const)

\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}

Định luật Gay-Lussac

💡 Ví dụ: Bơm xe

Khí trong bơm có V₁ = 500 cm³, p₁ = 1 atm. Sau khi nén, V₂ = 100 cm³

Áp suất sau nén: $p_2 = \frac{p_1 V_1}{V_2} = \frac{1 \times 500}{100} = 5$ atm

⚡

Nhiệt Động Lực Học

⚖️ Nguyên lý I Nhiệt động lực học

\Delta U = Q + A

ΔU: độ biến thiên nội năng, Q: nhiệt lượng nhận vào, A: công nhận được

Công của khí

A' = p\Delta V

Công khí thực hiện (A' = -A)

Nội năng khí lý tưởng đơn nguyên tử

U = \frac{3}{2}nRT = \frac{3}{2}\frac{m}{M}RT

Nhiệt dung mol đẳng tích

C_V = \frac{3}{2}R \approx 12.5 \text{ J/(mol·K)}

Nhiệt dung mol đẳng áp

C_p = C_V + R = \frac{5}{2}R

♻️ Nguyên lý II Nhiệt động lực học

Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn. Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 2.

Hiệu suất động cơ nhiệt

\eta = \frac{A'}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}

Q₁: nhiệt nhận từ nguồn nóng, Q₂: nhiệt tỏa ra nguồn lạnh

Hiệu suất chu trình Carnot

\eta_{max} = 1 - \frac{T_2}{T_1}

T₁: nhiệt độ nguồn nóng, T₂: nhiệt độ nguồn lạnh (K)

🌍

Ứng Dụng Thực Tế

🚗 Động cơ đốt trong

Động cơ ô tô hoạt động theo chu trình Otto: Nạp → Nén → Nổ → Xả. Hiệu suất thực tế khoảng 25-35%.

❄️ Tủ lạnh & Điều hòa

Hoạt động ngược chu trình nhiệt: Lấy nhiệt từ nguồn lạnh và thải ra nguồn nóng, cần cung cấp công từ bên ngoài.

COP = \frac{Q_2}{A}

COP: hệ số làm lạnh

🍳 Nấu ăn bằng nồi áp suất

Nồi áp suất tăng áp suất bên trong → Nhiệt độ sôi của nước tăng (> 100°C) → Thức ăn chín nhanh hơn.

💡 Ví dụ: Hiệu suất động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt hoạt động giữa nguồn nóng T₁ = 500K và nguồn lạnh T₂ = 300K

Hiệu suất Carnot: $\eta_{max} = 1 - \frac{300}{500} = 0.4 = 40\%$

🔥 Nhiệt Học