Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học

Nguyên lí 1 nhiệt động lực học là định luật bảo toàn năng lượng, với các dạng năng lượng của một hệ thống nhiệt động. Định luật bảo toàn năng lượng nói rằng tổng năng lượng của một hệ cô lập là không đổi; năng lượng có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, nhưng không thể tạo ra cũng không bị phá hủy. Luật đầu tiên thường được viết theo công thức

${\displaystyle \Delta U=Q-A\quad (a)}$

Nó nói rằng sự thay đổi nội năng ΔU của một hệ thống kín bằng với lượng nhiệt Q cung cấp cho hệ thống, trừ đi lượng công A mà hệ thống thực hiện trên môi trường xung quanh. Một tuyên bố tương đương là máy động cơ vĩnh cửu loại đầu tiên là không thể. Một dạng khác thường thấy của biểu thức là:

${\displaystyle Q=\Delta U+A}$

Phương trình nói rằng lương nhiệt ${\displaystyle Q}$ cung cấp cho hệ sẽ được dùng để tăng nội năng ${\displaystyle \Delta U}$ và thực hiện công ${\displaystyle A}$. Biểu thức trên phản ánh đúng sự vận hành của một động cơ nhiệt hơn biểu thức bảo toàn năng lượng.

Lịch sử

Các điều tra về bản chất của nhiệt và công và mối quan hệ của chúng bắt đầu với việc phát minh ra các động cơ đầu tiên được sử dụng để lấy nước từ các mỏ. Những cải tiến cho các động cơ như vậy để tăng hiệu quả và công suất đầu tiên của chúng trước hết là từ các cơ chế làm việc với các máy như vậy nhưng chỉ làm chậm tiến bộ. Các nghiên cứu sâu hơn mà dựa trên cơ sở toán học và vật lý sẽ đến sau này.

Định luật nhiệt động lực học đầu tiên được phát triển theo kinh nghiệm trong khoảng nửa thế kỷ. Những tuyên bố đầy đủ đầu tiên của luật được Rudolf Clausius và từ William Rankine đưa ra vào năm 1850; Tuyên bố của Rankine được coi là ít khác biệt so với của Clausius.^[1] Một khía cạnh chính của cuộc đấu tranh là để đối phó với lý thuyết nhiệt lượng được đề xuất trước đây.

Năm 1840, Germain Hess đã tuyên bố một luật bảo toàn cho cái gọi là 'sức nóng của phản ứng' đối với các phản ứng hóa học.^[2] Luật của ông sau đó đã được công nhận là hệ quả của định luật nhiệt động lực học đầu tiên, nhưng tuyên bố của Hess không liên quan rõ ràng đến mối quan hệ giữa trao đổi năng lượng bằng nhiệt và công.

Theo Truesdell (1980), Julius Robert von Mayer năm 1841 đã đưa ra một tuyên bố có nghĩa là "trong một quá trình ở áp suất không đổi, nhiệt được sử dụng để tạo ra sự giãn nở có thể thay đổi được với công", nhưng đây không phải là tuyên bố chung của định luật đầu tiên.^[3][4]

Tuyên bố gốc: "phương pháp nhiệt động"

Các tuyên bố ban đầu của thế kỷ XIX về định luật nhiệt động lực học đầu tiên đã xuất hiện trong một khung khái niệm, trong đó việc truyền năng lượng dưới dạng nhiệt được coi là một khái niệm nguyên thủy, không được định nghĩa hoặc xây dựng bởi sự phát triển lý thuyết của khung, nhưng được giả định trước đó và đã được chấp nhận. Khái niệm nguyên thủy về nhiệt được coi là đã được thiết lập theo kinh nghiệm, đặc biệt là thông qua nhiệt lượng được coi là một chủ đề theo đúng nghĩa của nó, trước khi nhiệt động lực học. Cùng nguyên thủy với khái niệm nhiệt này là các khái niệm về nhiệt độ thực nghiệm và cân bằng nhiệt. Khung này cũng lấy nguyên tắc là khái niệm chuyển giao năng lượng thành công. Khung này không giả định một khái niệm về năng lượng nói chung, nhưng coi nó là nguồn gốc hoặc tổng hợp từ các khái niệm trước đây về nhiệt và công. Theo một tác giả, khung này đã được gọi là phương pháp "nhiệt động".^[5]

Biểu thức giải tích của nguyên lí thứ nhất

Với một biến đổi rất nhỏ của trạng thái của hệ, ta viết được:

${\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta A\quad (b)}$

Khi hệ biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2), thay cho đẳng thức (a) ta có:

${\displaystyle \int _{1}^{2}\mathrm {d} U=\int _{1}^{2}\delta Q-\int _{1}^{2}\delta A}$

Vì ${\displaystyle U}$ là một loại năng lượng nên giá trị của nó không phụ thuộc vào cách đạt tới 2 trạng thái nên ${\displaystyle \int _{1}^{2}\mathrm {d} U=U_{2}-U_{1}}$ không phụ thuộc vào dạng đường đi của quá trình. Vì vậy xét về mặt tính toán giải tích ${\displaystyle \mathrm {d} U}$ là vi phân toàn phần.

Ngược lại ${\displaystyle \int _{1}^{2}\delta Q}$ và ${\displaystyle \int _{1}^{2}\delta A}$ có thể có những giá trị khác nhau các quá trình được thực hiện để làm biến đổi trạng thái từ (1) đến (2). Vì vậy ${\displaystyle \delta Q}$ và ${\displaystyle \delta A}$ không phải là những vi phân toàn phần. Có nghĩa là ta không thể viết ${\displaystyle \int _{1}^{2}\delta Q=Q_{2}-Q_{1}}$ hay ${\displaystyle \int _{1}^{2}\delta A=A_{2}-A_{1}}$ VÌ không phải ở mỗi trạng thái có một nhiệt lượng hay công cơ học xác định.

Từ định nghĩa của entropi, ta có thêm một biểu thức cho một sự biến đổi thuận nghịch:

${\displaystyle \mathrm {d} U=T\mathrm {d} S+\delta A}$

Với ${\displaystyle T}$ là nhiệt độ của hệ, ${\displaystyle \mathrm {d} S}$ là lượng vi phân entropi

Tham khảo

1. Truesdell, CA (1980).
2. Hess, H. (1840). “Thermochemische Untersuchungen”. Annalen der Physik und Chemie. 126 (6): 385–404. Bibcode:1840AnP...126..385H. doi:10.1002/andp.18401260620.
3. Truesdell, CA (1980), trang 157 Từ158.
4. Mayer, Robert (1841). Bài viết: 'Nhận xét về các lực lượng tự nhiên ", như được trích dẫn trong: Lehninger, A. (1971). Năng lượng sinh học - cơ sở phân tử của biến đổi năng lượng sinh học, thứ 2. Ed. London: The Benjamin / Cummings Publishing Company.
5. Bailyn, M. (1994), tr. 79.

Nguồn tham khảo

• Adkins, C. J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (first edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, ISBN 0-521-25445-0.
• Aston, J. G., Fritz, J. J. (1959). Thermodynamics and Statistical Thermodynamics, John Wiley & Sons, New York.
• Balian, R. (1991/2007). From Microphysics to Macrophysics: Methods and Applications of Statistical Physics, volume 1, translated by D. ter Haar, J.F. Gregg, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-45469-4.
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
• Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
• Bryan, G. H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B. G. Teubner, Leipzig.
• Balescu, R. (1997). Statistical Dynamics; Matter out of Equilibrium, Imperial College Press, London, ISBN 978-1-86094-045-3.
• Buchdahl, H. A. (1966), The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, London.
• Callen, H. B. (1960/1985), Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (first edition 1960), second edition 1985, John Wiley & Sons, New York, ISBN 0-471-86256-8.
• Carathéodory, C. (1909). “Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik”. Mathematische Annalen. 67: 355–386. doi:10.1007/BF01450409. A translation may be found here. Also a mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
• Clausius, R. (1850), “Ueber die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen”, Annalen der Physik, 79: 368–397, 500–524, Bibcode:1850AnP...155..500C, doi:10.1002/andp.18501550403. See English Translation: On the Moving Force of Heat, and the Laws regarding the Nature of Heat itself which are deducible therefrom. Phil. Mag. (1851), series 4, 2, 1–21, 102–119. Also available on Google Books.
• Crawford, F. H. (1963). Heat, Thermodynamics, and Statistical Physics, Rupert Hart-Davis, London, Harcourt, Brace & World, Inc.
• de Groot, S. R., Mazur, P. (1962). Non-equilibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam. Reprinted (1984), Dover Publications Inc., New York, ISBN 0486647412.
• Denbigh, K. G. (1951). The Thermodynamics of the Steady State, Methuen, London, Wiley, New York.
• Denbigh, K. (1954/1981). The Principles of Chemical Equilibrium. With Applications in Chemistry and Chemical Engineering, fourth edition, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-23682-7.
• Eckart, C. (1940). The thermodynamics of irreversible processes. I. The simple fluid, Phys. Rev. 58: 267–269.
• Fitts, D. D. (1962). Nonequilibrium Thermodynamics. Phenomenological Theory of Irreversible Processes in Fluid Systems, McGraw-Hill, New York.
• Glansdorff, P., Prigogine, I., (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley, London, ISBN 0-471-30280-5.
• Gyarmati, I. (1967/1970). Non-equilibrium Thermodynamics. Field Theory and Variational Principles, translated from the 1967 Hungarian by E. Gyarmati and W. F. Heinz, Springer-Verlag, New York.
• Haase, R. (1963/1969). Thermodynamics of Irreversible Processes, English translation, Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
• Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081.
• Helmholtz, H. (1847). Ueber die Erhaltung der Kraft. Eine physikalische Abhandlung, G. Reimer (publisher), Berlin, read on 23 July in a session of the Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. Reprinted in Helmholtz, H. von (1882), Wissenschaftliche Abhandlungen, Band 1, J. A. Barth, Leipzig. Translated and edited by J. Tyndall, in Scientific Memoirs, Selected from the Transactions of Foreign Academies of Science and from Foreign Journals. Natural Philosophy (1853), volume 7, edited by J. Tyndall, W. Francis, published by Taylor and Francis, London, pp. 114–162, reprinted as volume 7 of Series 7, The Sources of Science, edited by H. Woolf, (1966), Johnson Reprint Corporation, New York, and again in Brush, S. G., The Kinetic Theory of Gases. An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary, volume 1 of History of Modern Physical Sciences, edited by N. S. Hall, Imperial College Press, London, ISBN 1-86094-347-0, pp. 89–110.
• Kestin, J. (1961). “On intersecting isentropics”. Am. J. Phys. 29: 329–331. Bibcode:1961AmJPh..29..329K. doi:10.1119/1.1937763.
• Kestin, J. (1966). A Course in Thermodynamics, Blaisdell Publishing Company, Waltham MA.
• Kirkwood, J. G., Oppenheim, I. (1961). Chemical Thermodynamics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Landsberg, P. T. (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations, Interscience, New York.
• Landsberg, P. T. (1978). Thermodynamics and Statistical Mechanics, Oxford University Press, Oxford UK, ISBN 0-19-851142-6.
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-74251-7.
• Mandl, F. (1988) [1971]. Statistical Physics (ấn bản thứ 2). Chichester·New York·Brisbane·Toronto·Singapore: John Wiley & sons. ISBN 978-0471915331.
• Münster, A. (1970), Classical Thermodynamics, translated by E. S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, ISBN 0-471-62430-6.
• Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London.
• Pippard, A. B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Planck, M.(1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London.
• Prigogine, I. (1947). Étude Thermodynamique des Phénomènes irréversibles, Dunod, Paris, and Desoers, Liège.
• Prigogine, I., (1955/1967). Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes, third edition, Interscience Publishers, New York.
• Reif, F. (1965). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T. Press, Cambridge MA.
• Truesdell, C. A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822–1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4.
• Truesdell, C. A., Muncaster, R. G. (1980). Fundamentals of Maxwell's Kinetic Theory of a Simple Monatomic Gas, Treated as a branch of Rational Mechanics, Academic Press, New York, ISBN 0-12-701350-4.
• Tschoegl, N. W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, ISBN 0-444-50426-5.

Đọc thêm

• Goldstein, Martin; Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343. Chpts. 2 and ba contain a nontechnical treatment of the first law.
• Çengel Y. A.; Boles M. (2007). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-125771-3. Chapter 2.
• Atkins P. (2007). Four Laws that drive the Universe. OUP Oxford. ISBN 0-19-923236-9.