Nhiệt động lực học là lĩnh vực vật lý nghiên cứu các hiện tượng liên quan tới nhiệt lượng với chuyển động cùng năng lượng của hệ vật chất macroscale. Trong đó hai định luật đầu tiên nắm giữ vai trò nền tảng để giải thích mối quan hệ giữa nhiệt với công cùng biến đổi trạng thái vật chất. Bài viết này sẽ làm rõ nội dung định luật thứ nhất với thứ hai nhấn mạnh vai trò của nội năng cùng ý nghĩa thực tiễn của chúng.
Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học
Khái niệm định luật thứ nhất có thể hiểu như quy luật bảo toàn năng lượng trong hệ nhiệt. Nội dung chính là năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi mà chỉ chuyển hóa giữa các dạng. Cụ thể trong lĩnh vực nhiệt động lực học năng lượng toàn phần của hệ được xác định bởi tổng nội năng, công thực hiện lên hệ, nhiệt truyền vào hay ra khỏi hệ.
Trong quá trình thay đổi trạng thái hệ có thể nhận hay truyền cả công với nhiệt. Nếu hệ nhận nhiệt từ môi trường bên ngoài thì nội năng sẽ tăng hay hệ thực hiện công ra bên ngoài khiến nội năng giảm. Tổng thể hai yếu tố này giữ cho nội năng thay đổi phù hợp nguyên lý bảo toàn.
Khái niệm nội năng là năng lượng ẩn chứa trong vật chất mà không quan sát được trực tiếp. Nội năng bao gồm năng lượng vận động với thế vi mô của các phân tử trong hệ. Dù không thể đo trực tiếp nhưng thay đổi nội năng biểu hiện qua nhiệt độ tăng hay giảm của hệ hay các quá trình giãn nở nén.
Tóm lại định luật thứ nhất giúp chúng ta hiểu rằng mỗi lượng nhiệt truyền vào hệ cộng thêm phần công thực hiện lên hệ đều sẽ làm thay đổi nội năng của hệ và ngược lại.
Ý nghĩa của nội năng
Vai trò của nội năng quan trọng nằm ở trung tâm của mọi ứng dụng năng lượng nhiệt. Trong các máy hơi nước, động cơ đốt trong, tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ đều dựa trên nguyên tắc thay đổi nội năng khi thực hiện công với trao đổi nhiệt.
Trong vật lý với kỹ thuật nội năng là thông số cần quan tâm khi nghiên cứu nhiệt dung với đảo nhiệt động cùng hiệu suất của các máy nhiệt. Khi biết năng lượng đầu vào phần công làm ra hữu ích ta có thể đánh giá hiệu quả của hệ thiết bị.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học
Nếu định luật thứ nhất vốn còn nhìn chung đơn giản chỉ là bảo toàn năng lượng định luật thứ hai mang đến ý nghĩa về chiều thuận tự nhiên của các quá trình nhiệt. Về bản chất định luật thứ hai phát biểu rằng không thể có quá trình nào chỉ nhận vào từ một nguồn nhiệt biến hoàn toàn thành công cơ học mà không sinh ra sự phân tán nhiệt hay tác động tới môi trường xung quanh.
Một hệ quan trọng để minh họa định luật này là chu trình Carnot chu trình đảo nhiệt thực hiện trên một chất làm việc giữa hai nguồn nhiệt ở nhiệt độ khác nhau. Kết quả chỉ ra rằng luôn tồn tại tổn thất nhiệt không thể tránh khỏi nên hiệu suất không thể đạt tuyệt đối 100 phần trăm.
Một cách diễn đạt khác về định luật thứ hai là mọi quá trình tự nhiên đều làm tăng tổng entropi của hệ và môi trường. Entropi là đại lượng biểu thị mức độ hỗn loạn mất khả năng thực hiện công. Khi entropi tăng hệ có xu hướng tiến tới trạng thái cân bằng nhiệt, nơi mọi thứ ổn định mất khả năng sinh công.
Mối liên hệ giữa hai định luật, ứng dụng
Hai định luật nhiệt động lực học có mối liên hệ chặt chẽ. Trong các chu trình nhiệt định luật thứ nhất xác định sự thay đổi nội năng với công còn định luật thứ hai đặt ra giới hạn hiệu suất của quá trình đó.
Ví dụ trong máy hơi nước hay động cơ ô tô thì bộ phận quan trọng là buồng đốt với xy lanh. Nhiên liệu cháy sinh ra nhiệt truyền vào piston rồi bộ phận này thực hiện công đẩy piston. Phần còn lại bị thải ra khí thải hay thất thoát ra môi trường do không thể chuyển hết nhiệt thành công. Hiệu suất thực tế luôn thấp hơn hiệu suất lý thuyết vì entropi tăng.
Trong các ứng dụng đời sống như tủ lạnh với hệ máy áp dụng nguyên lý nhiệt động đảo chiều khi đẩy nhiệt ra ngoài để làm lạnh môi trường trong tủ. Tuy nhiên mức lạnh đạt được luôn phụ thuộc vào hiệu suất của hệ luôn có thất thoát nhiệt.
Bài tập minh họa
Ví dụ bài tập đơn giản trong môn vật lý đại học thể hiện hai định luật này. Một hệ kín có khí lý tưởng ban đầu có nhiệt độ cùng áp suất xác định. Khí được nén với nhiệt độ không đổi còn gọi là đẳng nhiệt. Theo định luật thứ hai công thực hiện tính bằng công thức diện tích dưới đồ thị PV thì nhiệt truyền vào hệ để giữ nhiệt độ không đổi. Nội năng không đổi vì chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Kết quả cho thấy định luật thứ hai phản ánh chiều thuận của quá trình với định luật thứ nhất đảm bảo cân bằng năng lượng.
Trong bài tập khác một chu trình Carnot lý tưởng giữa hai nguồn nhiệt cho thấy hiệu suất bằng 1 trừ nhiệt độ thấp chia cho nhiệt độ cao mà cả hai tính theo độ tuyệt đối. Kết quả cho thấy không thể chuyển phần nhiệt hoàn toàn thành công cơ học.
Hai định luật nhiệt động lực học không thể tách rời. Định luật thứ nhất khẳng định giải pháp kiểm toán năng lượng trong hệ chứa phần nhiệt với công còn định luật thứ hai nhắc nhở về chiều tự nhiên không thể vượt qua của hiệu suất. Nội năng là đại lượng trung tâm liên kết hai định luật đánh dấu sự thay đổi của hệ khi trao đổi năng lượng.
Hiểu với vận dụng thành thạo hai định luật này giúp chúng ta thiết kế hệ thống nhiệt hiệu quả hơn cùng lựa chọn vật liệu cách nhiệt tối ưu hóa quy trình gia nhiệt làm mát với công nghiệp hóa chất, hàng không, kỹ thuật nhiệt cùng nhiều lĩnh vực khác. Chỉ khi nắm vững nguyên lý chúng ta mới phát triển bền vững trong môi trường công nghệ nhiệt ngày càng hiện đại