HỌc phầN: VẬt lý ĐẠi cưƠng dành cho sinh viên bậc cao đẲng khối ngành kỹ thuậT

Nguyên lí thứ nhất là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên

Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một
B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Khảo sát các quá trình cân bằng của khí lí tưởng

- Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng

- Nội năng khí lí tưởng

- Quá trình đẳng tích

- Quá trình đẳng áp

- Quá trình đẳng nhiệt

- Quá trình đoạn nhiệt
C/ Câu hỏi và bài tập

Nội năng là gì? Nó phụ thuộc vào những thông số nào của hệ? Nêu các cách làm biến đổi nội năng?

Tại sao có thể nói rằng nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt?
1/ Tìm vận tốc chảy của dòng khí CO₂ trong ống dẫn, biết rằng cứ nửa giờ khối lượng khí chảy qua 1 tiết diện ngang của ống bằng 0,51kg. Khối lượng riêng của khí bằng 7,5 kg/m³. Đường kính của ống bằng 2cm. Coi khí là chất lưu lí tưởng

2/ Một bình hình trụ đựng nước có bán kính R. Ở đáy bình có một lỗ thủng nhỏ bán kính r ( r << R). Biết chiều cao mực nước là h. Tìm vận tốc hạ mực nước trong bình?

3/ Khi đun nóng đẳng tích một khối khí thêm 1⁰C thì áp suất khí tăng thêm 1/360 áp suất ban đầu. Tính nhiệt độ ban đầu của khí?

4/ Một cột không khí chứa trong một ống nhỏ, dài, tiết diện đều. Cột không khí được ngăn cách với khí quyển bởi một cột thủy ngân có chiều dài d = 150mm. Áp suất khí quyển là P₀ = 750mmHg, chiều dài cột không khí khi ống nằm ngang là l₀ = 144mm. Hãy tính chiều dài cột không khí trong các trường hợp sau:

a/ Ống thẳng đứng, miệng ống ở trên

b/ Ống thẳng đứng, miệng ống ở dưới

c/ Ống đặt nghiêng góc 30⁰ so với phương ngang, miệng ống ở dưới

d/ Ống đặt nghiêng góc 30⁰ so với phương ngang, miệng ống ở trên

5/ Một bình dung tích V = 15cm³ chứa không khí ở nhiệt độ t₁ = 177⁰C, bình được nối với một ống nằm ngang chứa đầy thủy ngân, đầu kia của ống thông với khí quyển. Tính khối lượng của thủy ngân chảy vào bình khi không khí trong bình được làm lạnh đến nhiệt độ t₂ = 27⁰C. Khối lượng riêng của thủy ngân là D = 13,6 g/ cm³

6/ Một xi lanh kín được chia làm 2 phần bằng nhau bởi một pittong cách nhiệt, mỗi phần có chiều dài l₀ = 30cm, chứa một lượng khí giống nhau ở 27⁰C. Nung nóng một phần thêm 10⁰C và làm lạnh phần kia đi 10⁰C. Hỏi pitong dịch chuyển một đoạn bao nhiêu?

7/ Có 40g khí oxi chiếm thể tích 3l, áp suất 10at

a/ Tính nhiệt độ của khối khí

b/ Cho khối khí giãn nở đẳng áp đến thể tích 4l. Hỏi nhiệt độ của khối khí sau khi giãn nở?

8/ Một bình chứa khí H₂ nén thể tích V = 10l, nhiệt độ t₁ = 7⁰C, áp suất P = 50at. Khi nung nóng bình vì hở nên có một phần khí thoát ra ngoài; phần khí còn lại có nhiệt độ t₂ = 17⁰C, còn áp suất vẫn như cũ. Tính khối lượng khí H₂ thoát ra ngoài?

9/ Có m = 10g khí oxy ở áp suất P₁ = 3at. Sau khi hơ nóng đẳng áp, khối khí chiếm thể tích V₂ = 10l. Tìm nhiệt và khối lượng riêng của khối khí sau khi dãn nở?

10/ Có m = 10g khí oxy ở nhiệt độ t₁ = 10⁰C, áp suất P₁ = 3.10⁵ N/m³. Sau khi hơ nóng đẳng áp thể tích khí tăng đến V₂ = 10l. Tìm: Nhiệt lượng mà khối khí nhận được?

11/ Lúc đầu một khối khí H­₂ chiếm một thể tích V₁ = 1m³ dưới áp suất P₁ = 200Kpa. Người ta hơ nóng đẳng áp khối khí đến thể tích V₂ = 3m³, rồi sau đó tiếp tục hơ nóng đẳng tích đến áp suất P₃ = 500Kpa. Hãy vẽ đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi trạng thái của khối khí và tính nhiệt lượng mà khối khí nhận được trong cả quá trình?
Chương 5 NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

5.1 Những hạn chế của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học

- Nhiệt truyền tự nhiên từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Không có quá trình tự nhiên ngược lại vật lạnh  vật nóng

Nhiệt lượng không thể truyền từ không khí nóng trong phòng sang cốc nước để làm cho cốc nước nóng hơn lên

- Thế năng biến tự nhiên thành động năng rồi thành nhiệt tỏa ra. Không có quá trình tự nhiên ngược lại: Nhiệt  Động năng  Thế năng

Hòn đá không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được từ nguồn nóng sang công

5.2 Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch

5.2.1 Định nghĩa

Quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái A sang trạng thái B được gọi là thuận nghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược đó, hệ đi qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận

Hình 5.1 Quá trình thuận nghịch

Quá trình không thuận nghịch là quá trình mà khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận

Xét một con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của môi trường

Sau quá trình thuận và quá trình nghịch, công của trọng lực sinh ra bằng không. Kết quả là môi trường xung quanh không bị biến đổi

Xét quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm

Nếu nén khối khí vô cùng chậm từ V₂ đến V₁ (quá trình nghịch), khối khí sẽ đi qua các trạng thái cân bằng trung gian như trong quá trình giãn (quá trình thuận). Công mà khối khí nhận được trong quá trình nén bằng công do khí sinh ra trong quá trình giãn. Kết quả là sau khi trở về trạng thái ban đầu, khối khí không trao đổi công với bên ngoài và môi trường xung quanh không bị biến đổi

Về quá trình không thuận nghịch:

+ Các quá trình xảy ra có ma sát

Do có ma sát, một phần công trong quá trình thuận biến thành nhiệt; nếu tiến hành quá trình nghịch thì một phần công nữa biến thành nhiệt. Kết quả là một phần công biến thành nhiệt, nhiệt đó làm nóng các vật khác và làm môi trường xung quanh bị biến đổi

+ Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh

Sau khi vật nóng truyền nhiệt cho vật lạnh và lấy nhiệt từ vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi

Có vai trò rất quan trọng trong công trình xây dựng nguyên lí thứ hai của nhiệt động học

Là một hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt và biến nhiệt thành công

Động cơ nhiệt: là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công

VD: máy hơi nước

Máy làm lạnh: là loại máy tiêu thụ công để vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng

VD: máy làm lạnh dùng khí ép

Là chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch và hai quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

Hình 5.2 Chu trình Cacnô thuận

Giãn đẳng nhiệt ở T₁: tác nhân thu nhiệt Q₁

Giãn đoạn nhiệt: nhiệt độ từ T₁ giảm xuống T₂

Nén đẳng nhiệt ở T₂: tác nhân tỏa nhiệt Q₂

Nén đoạn nhiệt: nhiệt độ tăng từ T₂ lên T₁

Hiệu suất của chu trình Cacnô thuận nghịch

Vậy hiệu suất của chu trình Cácnô thuận nghịch đối với khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh

Nếu chu trình Cacnô thuận nghịch tiến hành theo chiều ngược lại thì ta có chu trình Cacnô ngược

Hiệu suất của tất cả các động cơ thuận nghịch chạy theo chu trình Cacnô với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh đều bằng nhau và không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy. Hiệu suất của động cơ không thuận nghịch thì nhỏ hơn hiệu suất của động cơ thuận nghịch

- Nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công

- Hiệu suất của động cơ nhiệt càng lớn nếu nhiệt độ nguồn nóng càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp

- Muốn tăng hiệu suất của động cơ nhiệt thì ngoài cách làm nói trên còn phải chế tạo sao cho động cơ này càng gần động cơ thuận nghịch (phải tránh mất mát nhiệt nhận từ nguồn nóng do truyền nhiệt và ma sát)

B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Biểu thức định lượng của nguyên lí Cácnô

Kiểm tra giữa kì
C/ Câu hỏi và bài tập

- Hãy cho biết ‎y nghĩa của định lí Cácnô

- Nguyên lí II NĐLH liên quan đến hiện tượng gì trong tự nhiên? Mối quan hệ giữa nó với nguyên lí I NĐLH như thế nào?
1/ Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Cacno giữa hai nguồn nhiệt T₁ = 9273 K và T₂ = 273K, công suất của động cơ là: P = 10⁶W. Tính:

a/ Hiệu suất của động cơ?

b/ Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng và nhiệt lượng mà tác nhân nhả ra từ nguồn lạnh trong một giây?
2/ Một động cơ nhiệt hoạt động với hai nguồn nhiệt t₁ = 227⁰C, t₂ = 27⁰C. Hỏi động cơ sinh ra một công cực đại là bao nhiêu khi nó nhận được của nguồn nóng một nhiệt lượng là Q₁ = 4,18KJ
Chương 6 TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN

A. Nội dung

-Điện tích là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhiễm điện của một vật. Đơn vị là Coulomb (C)

-Có hai loại điện tích là điện tích âm và dương. Các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, khác loại thì hút nhau

Thuyết điện tử

-Nguyên tử là một hệ điện gồm hạt nhân mang điện tích dương ở giữa và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh

-Ở điều kiện bình thường, tổng số điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của điện tử ở vỏ, nguyên tử trung hòa về điện

-Nguyên tử bị mất điện tử, nó trở nên thừa điện tích dương và trở thành ion dương. Nguyên tử thu thêm điện tử, nó trở nên thừa điện tích âm và trở thành ion âm

- Vật dẫn là vật để cho điện tích chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của vật

Các kim loại, các dung dịch axít, muối, bazơ, các muối nóng chảy… là các vật dẫn

- Điện môi là vật mà điện tích xuất hiện ở đâu sẽ định xứ ở đấy

Thủy tinh, êbônit, cao su, dầu, nước nguyên chất… là các điện môi

- Chất bán dẫn là những chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn và điện môi

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có phương nằm trên đường nối hai điện tích, chiều hút nếu trái dấu và đẩy nếu cùng dấu, độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

k= 9.10⁹ Nm²/C² ; ₀ = 8,86.10^-12C²/N.m²

Hình 6.1 Lực tĩnh điện tương tác giữa hai điện tích

6.1.2.2 Định luật Coulomb trong các môi trường

 là hằng số điện môi của môi trường đặt điện tích

- Điện trường là một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích, làm trung gian truyền tương tác tới các điện tích khác đặt vào môi trường đó

- Đặc điểm của điện trường là bất kì một điện tích nào đặt vào điện trường đều bị nó tác dụng một lực, lực này gọi là lực điện trường

- Điện trường bao quanh các điện tích đứng yên gọi là điện trường tĩnh

+ Vectơ cường độ điện trường E

+ Vectơ cảm ứng điện D

+ Điện thế

6.2.2 Vectơ cường độ điện trường

- Định nghĩa: q₀ là điện tích thử dương tại điểm cần tính cường độ điểm trường

- Ý nghĩa: Nếu q₀ = +1C thì

- Vectơ cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm:



Hình 6.2 Cường độ điện trường tại điểm M do điện tích q gây ra

- Nguyên lí chồng chất điện trường: Hay

- Vectơ cảm ứng điện gây bởi một điện tích điểm

- Cảm ứng điện không phụ thuộc môi trường

6.2.3 Thí dụ

……

6.3 Điện thông. Định lí Ô-G đối với điện trường

- Qua một điểm trong điện trường chỉ vẽ được duy nhất một đường cảm ứng điện

- Đường cảm ứng điện là đường cong hở xuất phát ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm

- Điện trường mạnh ở những nơi có đường sức mau, điện trường yếu ở những nơi có đường sức thưa

Vì D không phụ thuộc môi trường nên khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường khác nhau, phổ các đường cảm ứng điện là liên tục.

Điện thông qua diện tích dS vô cùng bé

Điện thông qua một diện tích S bất kì

Giả sử là góc tạo bởi hai vectơ và , ta định nghĩa góc khối từ O nhìn diện tích dS là đại lượng hay

Góc khối là một đại lượng vô hướng: khi nhọn; khi tù

Để xác định góc khối từ O nhìn một mặt S bất kì, ta chia S thành những diện tích vi phân dS rồi xác định góc khối từ O nhìn dS sau đó tích phân cho cả mặt S:

Giá trị tuyệt đối chính là phần diện tích mặt cầu ( tâm O, bán kính 1) nằm trong mặt nón đỉnh O tựa trên chu vi của S

Nếu S là mặt cầu tâm O bán kính r =1, thì

Nếu chọn chiều hướng ra ngoài mặt S, thì ; ngược lại thì

6.3.2.2 Điện thông xuất phát từ một điện tích điểm q

Cho một điện tích điểm q đặt tại vị trí O cố định; trong khoảng không gian xung quanh q tồn tại điện trường của q.

Xét một diện tích vi phân dS và gọi là vectơ pháp tuyến dương của dS, có chiều hướng ra ngoài O. Tại một điểm M của dS (OM =r) vectơ cảm ứng điện có phương nằm theo , có chiều từ O đi ra nếu q >0, đi vào O nếu q <0 và có độ lớn:

Điện thông qua diện tích vi phân dS cho bởi

Hay theo định nghĩa của góc khối:

Và dễ dàng nghiệm lại rằng đẳng thức trên đúng trong cả hai trường hợp q >0 và q <0.

Qui ước pháp tuyến dương hướng ra ngoài S:

Hệ thức này đúng trong cả hai trường hợp q >0 và q <0

Trong trường hợp điện tích q nằm ngoài mặt kín S, điện thông qua S cho bởi:

Ta dựng mặt nón đỉnh O tiếp xúc với mặt kín S; đường tiếp xúc của mặt nón ấy với S chia S thành hai phần là S₁ và S₂. Khi đó tích phân góc khối đối với S tách thành tổng hai tích phân:

Với qui ước chọn chiều pháp tuyến dương tại một điểm trên S luôn hướng ra ngoài S

Ta có: ;

Với là phần diện tích của mặt cầu (tâm O, r =1) nằm trong hình nón tiếp xúc nói trên

Cuối cùng ta được điện thông qua S:

Vậy, điện thông qua mặt kín S bằng tổng điện thông do từng điện tích gây ra qua mặt kín S

Điện thông qua một mặt kín bằng tổng đại số các điện tích chứa trong mặt kín ấy

Chọn chiều luôn hướng ra ngoài mặt S

Nếu điện tích trong thể tích V được phân bố liên tục thì ta có thể biểu diễn định lí Ô-G dưới một dạng khác (dạng vi phân)