Quá trình nhiệt động lực học
Nhiệt (Q) là năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ. Đối với hệ thống và môi trường, nhiệt là năng lượng truyền từ hệ thống sang môi trường hoặc từ môi trường sang hệ thống, do sự chênh lệch nhiệt độ. Nếu nhiệt độ của hệ thống cao hơn nhiệt độ môi trường, nhiệt sẽ truyền từ hệ thống sang môi trường. Nếu nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ của hệ thống, thì nhiệt sẽ truyền từ môi trường sang hệ thống.
Nhiệt (Q) là năng lượng di chuyển do sự chênh lệch nhiệt độ, trong khi công (W) liên quan đến sự truyền năng lượng thông qua công. Ví dụ, nếu hệ thực hiện công lên môi trường, thì năng lượng sẽ di chuyển từ hệ sang môi trường. Ngược lại, nếu môi trường thực hiện công lên hệ, thì năng lượng sẽ di chuyển từ môi trường sang hệ.
Năng lượng nội tại và định luật nhiệt động lực học thứ nhất
Năng lượng nội tại (U) của hệ thống là tổng của tất cả động năng phân tử trong hệ thống, cộng với tổng thế năng phát sinh từ sự tương tác giữa các phân tử trong hệ thống. Nếu nhiệt truyền từ môi trường vào hệ thống (hệ thống nhận năng lượng), năng lượng trong hệ thống sẽ tăng lên. Ngược lại, nếu hệ thống thực hiện công lên môi trường (hệ thống giải phóng năng lượng), năng lượng trong hệ thống sẽ giảm xuống.
Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, sự thay đổi năng lượng bên trong của hệ thống bằng lượng nhiệt được thêm vào hệ thống (hệ thống nhận năng lượng) trừ đi công do hệ thống thực hiện (hệ thống giải phóng năng lượng).
ΔU = biến đổi nội năng, Q = nhiệt lượng, W = công
Năng lượng nội tại là đại lượng vi mô của hệ thống nên giá trị của nó không thể biết được. Trong khi đó, sự thay đổi năng lượng nội tại có thể được biết thông qua năng lượng được thêm vào hệ thống và năng lượng được giải phóng bởi hệ thống dưới dạng nhiệt và công. Ngược lại, các đại lượng vĩ mô như nhiệt độ (T), áp suất (p), thể tích (V) và khối lượng (m) hoặc số mol (n) thì đã biết.
Nhiệt và công chỉ liên quan đến quá trình truyền năng lượng giữa hệ thống và môi trường. Nhiệt và công không phải là đại lượng biểu thị trạng thái của hệ thống.
Quy tắc dấu cho Nhiệt lượng (Q) và Công (W)
Các quy tắc về dấu cho Nhiệt và Công được điều chỉnh theo phương trình Định luật Nhiệt động lực học thứ nhất. Nhiệt (Q) trong phương trình trên là nhiệt lượng được thêm vào hệ (Q dương), trong khi công (W) trong phương trình trên là công do hệ thực hiện (W dương). Nếu nhiệt thoát ra khỏi hệ, thì Q âm. Nếu công được thực hiện trên hệ, thì W âm.
Ví dụ 1 :
Nếu hệ thống nhận thêm 2000 Jun nhiệt lượng, trong khi hệ thống thực hiện công 1000 Jun, thì năng lượng nội tại của hệ thống thay đổi bao nhiêu?
Dung dịch
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Jun.
Hệ thống hấp thụ 2000 Joule nhiệt (hệ thống nhận năng lượng), hệ thống cũng cung cấp 1000 Joule công (hệ thống giải phóng năng lượng). Sự thay đổi năng lượng của hệ thống = 1000 Joule.
Ví dụ 2 :
Nhiệt lượng 2000 Joule thoát ra khỏi hệ. Hệ thực hiện công 1000 Joule. Tính sự thay đổi nội năng của hệ.
Dung dịch
Nếu hệ thống tỏa nhiệt, thì Q sẽ âm.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Jun.
Hệ thống tỏa ra 2000 Joule nhiệt lượng. Hệ thống cũng thực hiện 1000 Joule công (năng lượng hệ thống giải phóng). Do đó, năng lượng bên trong của hệ thống giảm đi 3000 J.
Ví dụ 3 :
Hệ thống được cung cấp 2000 Jun nhiệt lượng và 1000 Jun công được thực hiện. Tính toán sự thay đổi nội năng của hệ thống.
Dung dịch
Công việc đã được thực hiện trên hệ thống, vì vậy W có giá trị âm.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Jun.
Năng lượng bên trong của hệ thống tăng thêm 3000 Jun.
