1.2 Mô tả vĩ mô
Trong nhiệt động lực học kĩ thuật, ta mặc định công nhận chất trong hệ hay thể tích điều khiển của chúng ta là một môi trường liên tục; nghĩa là, nó phân bố liên tục trong vùng đang xét. Sự công nhận như vậy cho phép chúng ta mô tả một hệ hay một thể tích điều khiển chỉ bằng một vài tính chất có thể đo được.
Xét định nghĩa khối lượng riêng:
trong đó Δm là khối lượng chứa trong thể tích ΔV, như thể hiện trên Hình 1.3. Trên phương diện vật lí, ΔV không thể được phép co đến không vì, nếu ΔV trở nên cực nhỏ, thì Δm sẽ biến thiên không liên tục, phụ thuộc vào số phân tử có trong ΔV.
Tuy nhiên, có những tình huống trong đó giả thiết liên tục không có giá trị; thí dụ, sự đi trở vào khí quyển của các vệ tinh. Ở độ cao 100 km, quãng đường tự do trung bình, khoảng cách trung bình một phân tử đi được trước khi nó va chạm với một phân tử khác, là khoảng 30 mm; cách tiếp cận vĩ mô với giả thiết liên tục của nó là cái gây nghi vấn. Ở độ cao 150 km, quãng đường tự do trung bình vượt quá 3 m, khoảng cách đó có thể sánh với kích cỡ của vệ tinh! Dưới những điều kiện này, phải sử dụng các phương pháp thống kê dựa trên hoạt tính phân tử.
Hình 1.3 Khối lượng là một môi trường liên tục
1.3 Tính chất và trạng thái của một hệ
Vật chất trong một hệ có thể tồn tại ở một vài pha: chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khí. Pha là một lượng vật chất có thành phần hóa học giống nhau hết; nghĩa là, nó là đồng nhất. Nó là các chất rắn, chất lỏng, hoặc chất khí nguyên chất. Các ranh giới pha chia tách pha trong cái, khi xem như một tổng thể, gọi là một hỗn hợp. Các chất khí có thể trộn lẫn với bất kì tỉ lệ nào để tạo ra một pha đơn nhất. Hai chất lỏng có thể hòa trộn tạo thành một hỗn hợp khi hòa vào nhau; nhưng có những chất lỏng không hòa trộn, thí dụ như nước và dầu, tạo thành hai pha riêng biệt.
Một chất tinh khiết là đồng đều về thành phần hóa học. Nó có thể tồn tại ở nhiều pha, ví dụ băng, nước lỏng và hơi nước, trong đó từng pha sẽ có thành phần giống nhau. Một hỗn hợp khí đồng đều là một chất tinh khiết khi nó không phản ứng hóa học (như trong sự cháy) hoặc hóa lỏng, trong trường hợp đó thành phần hóa học sẽ thay đổi.
Một tính chất là bất kì một đại lượng nào dùng để mô tả một hệ. Trạng thái của một hệ là điều kiện của nó khi mô tả bởi những giá trị cho trước cho những tính chất của nó tại một thời điểm nhất định. Những tính chất thường dùng là áp suất, nhiệt độ, thể tích, vận tốc và vị trí; những tính chất khác thỉnh thoảng cũng được xét đến. Hình dạng là quan trọng khi những hiệu ứng bề mặt là đáng kể.
Đặc điểm cơ bản của một tính chất là nó có một giá trị duy nhất khi một hệ ở trong một trạng thái nhất định, và giá trị này không phụ thuộc vào những trạng thái trước đó mà hệ đã trải qua; nghĩa là, nó không phải là một hàm đường đi. Vì một tính chất không phụ thuộc vào đường đi, nên mọi sự thay đổi chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ. Sử dụng kí hiệu f để biểu diễn một tính chất, thì phát biểu toán học là
Điều này đòi hỏi df là một vi phân xác định, f2 - f1 biểu diễn sự biến thiên ở một tính chất khi hệ thay đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2. Có một vài đại lượng chúng ta sẽ gặp, như công, là hàm đường đi, với chúng không tồn tại vi phân xác định.
Một số nhỏ những tính chất độc lập đủ để xác định tất cả những tính chất khác và từ đó xác định trạng thái của hệ. Nếu hệ gồm một pha duy nhất, không có các hiệu ứng từ trường, điện trường và hiệu ứng bề mặt, thì trạng thái đó là cố định khi bất kì hai tính chất nào đó là cố định; hệ đơn giản này nhận được sự quan tâm nhiều nhất trong nhiệt động lực học kĩ thuật.
Các tính chất nhiệt động lực học được chia thành hai loại khái quát là cường tính và quãng tính. Cường tính là một tính chất không phụ thuộc vào khối lượng của hệ. Nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng và vận tốc là thí dụ, vì chúng là như nhau đối với toàn bộ hệ, hoặc đối với những phần của hệ. Nếu ta mang hai hệ lại với nhau, thì cường tính không cộng chung được.
Quãng tính là một tính chất thật sự phụ thuộc vào khối lượng của hệ; khối lượng, thể tích, động lượng và động năng là thí dụ. Nếu mang hai hệ lại với nhau, thì quãng tính của hệ mới bằng tổng quãng tính của hai hệ ban đầu.
Nếu ta chia một quãng tính cho khối lượng thì ta được một quãng tính riêng. Vì thế, thể tích riêng được định nghĩa là
υ = V/m (1.3)
Ta thường dùng kí tự in hoa để biểu diễn quãng tính (ngoại lệ: m cho khối lượng) và kí tự in thường để kí hiệu cường tính có liên quan.
Nhiệt động lực học căn bản
Merle C Potter
