1.4 Trạng thái cân bằng, quá trình và chu trình
Khi nói tới nhiệt độ của một hệ, ta giả định rằng mọi điểm của hệ có nhiệt độ như nhau, hay xấp xỉ như nhau. Khi những tính chất là không đổi từ điểm này sang điểm khác và không có xu hướng thay đổi theo thời gian, thì một trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được thiết lập. Nếu nhiệt độ, chẳng hạn, đột ngột tăng lên tại một phần của hệ, thì ta giả định sự phân bố lại tự phát sẽ xảy ra cho đến khi tất cả các phần của hệ có nhiệt độ tăng lên giống nhau.
Nếu một hệ sẽ chịu sự biến đổi lớn tính chất của nó khi tác dụng một nhiễu loạn nhỏ nào đó, thì người ta nói nó ở trạng thái siêu cân bằng. Một hỗn hợp xăng và không khí, và một quả bóng căng phồng trên đỉnh kim tự tháp là thí dụ.
Khi một hệ biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác, thì đường đi gồm những trạng thái liên tiếp qua đó hệ đã đi qua được gọi là một quá trình. Nếu trong khi đi từ trạng thái này sang trạng thái tiếp theo, sự sai lệch khỏi trạng thái cân bằng là nhỏ, và do đó có thể bỏ qua, thì xảy ra một quá trình giả cân bằng; trong trường hợp này, mỗi trạng thái trong quá trình có thể lí tưởng hóa là một trạng thái cân bằng. Các quá trình giả cân bằng có thể xem gần đúng là nhiều quá trình, thí dụ sự nén và dãn của chất khí trong động cơ đốt trong, với độ chính xác có thể chấp nhận được. Nếu một hệ trải qua một quá trình giả cân bằng (thí dụ sự nén của chất khí trong buồng động cơ), thì nó có thể được biểu diễn trên hệ tọa độ thích hợp bằng một đường liền nét, như thể hiện giữa trạng thái 1 và trạng thái 2 trên Hình 1.4a. Tuy nhiên, nếu hệ đi từ trạng thái này đến trạng thái cân bằng khác qua một loạt trạng thái không cân bằng (như trong sự cháy) thì một quá trình không cân bằng xảy ra. Trong hình 1.4b, đường cong đứt nét biểu diễn một quá trình không cân bằng giữa (V1, P1) và (V2, P2); các tính chất không đồng đều trong cả hệ và vì thế trạng thái của hệ là không rõ tại mỗi trạng thái giữa hai trạng thái đầu cuối.
Hình 1.4 Một quá trình (a) Giả cân bằng. (b) Không cân bằng
Một quá trình nhất định được xem là giả cân bằng hay không cân bằng tùy thuộc vào quá trình đó được thực hiện như thế nào. Chúng ta hãy thêm trọng lượng W lên trên piston của Hình 1.5 và lí giải xem W có thể thêm vào như thế nào theo kiểu không cân bằng hoặc theo kiểu cân bằng. Nếu trọng lượng được thêm vào đột ngột dưới dạng một vật nặng lớn, như Hình 1.5a, thì một quá trình không cân bằng sẽ xảy ra trong chất khí. Nếu chúng ta chia trọng lượng đó thành một số lượng lớn những trọng lượng nhỏ và thêm vào từng trọng lượng nhỏ một, như Hình 1.5b, thì một quá trình giả cân bằng sẽ xảy ra.
Hình 1.5 Bổ sung thêm trọng lượng (a) không cân bằng và (b) cân bằng
Lưu ý rằng môi trường không giữ vai trò gì trong khái niệm cân bằng. Có thể môi trường thực hiện công lên hệ qua sự ma sát; để có sự giả cân bằng, chỉ cần các tính chất của hệ là đồng đều tại bất kì thời điểm nào trong một quá trình.
Hình 1.6 Bốn quá trình tạo nên một chu trình
Khi một hệ ở trong một trạng thái ban đầu cho trước trải qua một loạt quá trình giả cân bằng và quay trở về trạng thái ban đầu, thì hệ đã trải qua một chu trình. Tại cuối chu trình, các tính chất của hệ có giá trị bằng như chúng có lúc bắt đầu.
Tiếp đầu ngữ đẳng được gắn vào tên của một tính chất bất kì giữ nguyên không đổi trong một quá trình. Quá trình đẳng nhiệt là quá trình trong đó nhiệt độ giữ nguyên không đổi; trong quá trình đẳng áp, áp suất là một hằng số; một quá trình đẳng tích là một quá trình thể tích không đổi. Trên Hình 1.6, các đường chân nối là đường đẳng áp và đẳng tích (tương ứng là đường nối giữa trạng thái 4 và 1, và giữa trạng thái 2 và 3).
Nhiệt động lực học căn bản
Merle C Potter
