Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học phát biểu rằng nhiệt là một dạng năng lượng, và các quá trình nhiệt động, do đó, tuân thủ nguyên lí bảo toàn năng lượng. Điều này có nghĩa là nhiệt năng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi, mà nó có thể được truyền từ nơi này sang nơi khác và biến đổi thành dạng năng lượng khác hoặc từ dạng năng lượng khác biến đổi thành.
Nhiệt động lực học là một ngành vật lí nghiên cứu các liên hệ giữa nhiệt lượng và những dạng năng lượng khác. Đặc biệt, nó mô tả năng lượng nhiệt được biến đổi qua lại như thế nào với những dạng năng lượng khác và nó ảnh hưởng đến vật chất như thế nào. Các nguyên lí cơ bản của nhiệt động lực học được trình bày thành bốn định luật.
“Định luật thứ nhất phát biểu rằng nội năng của một hệ phải bằng công thực hiện trên hệ, cộng hoặc trừ lượng nhiệt chảy vào hoặc chảy ra khỏi hệ và bất kì công nào khác thực hiện trên hệ,” phát biểu của Saibal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri. “Cho nên, nó là một phát biểu lại của định luật bảo toàn năng lượng.”
Một chất khí nóng, khi bị giam trong xilanh, tác dụng áp suất lên piston, làm piston chuyển động xuống. Chuyển động đó có thể được khai thác để thực hiện công bằng hợp lực tác dụng lên đỉnh piston nhân với quãng đường piston dịch chuyển.
Mitra tiếp, “Độ biến thiên nội năng của một hệ bằng tổng năng lượng nhận vào và truyền ra khỏi hệ tương tự như số tiền nạp vào và rút ra làm biến đổi số dư tài khoản ngân hàng của bạn.” Điều này được phát biểu theo toán học như sau: ΔU = Q – W, trong đó ΔU là độ biến thiên nội năng, Q là nhiệt lượng hệ nhận vào, và W là công do hệ thực hiện.
Lịch sử
Các nhà khoa học cuối thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19 bị ám ảnh bởi lí thuyết chất nhiệt, lần đầu tiên được đề xuất bởi Antoine Lavoisier vào năm 1783, và được củng cố thêm bởi công trình nghiên cứu của Sadi Carnot vào năm 1824. Thuyết chất nhiệt xem nhiệt lượng là một loại chất lỏng chảy tự nhiên từ vùng nóng sang vùng lạnh, giống hệt như nước chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp. Khi chất lỏng nhiệt này chảy từ một vùng nóng sang một vùng lạnh, nó có thể biến đổi thành động năng và được làm cho thực hiện công giống hệt như nước từ trên cao đổ xuống có thể làm quay bánh xe nước vậy. Cho đến khi Rudolph Clausius công bố “Lí thuyết cơ của nhiệt” vào năm 1879 thì thuyết chất nhiệt mới bị bác bỏ.
Các hệ nhiệt động
Theo David McKee, giáo sư vật lí tại Đại học Nam Missouri, thì năng lượng có thể phân làm hai nhóm. Một là đóng góp vĩ mô cỡ con người của chúng ta, ví dụ như một piston chuyển động và tác dụng lực đẩy lên một hệ chất khí. Cái tương tự xảy ra ở thang bậc rất nhỏ bé mà chúng ta không thể theo dõi từng đóng góp một.
McKee lí giải, “Khi tôi đặt hai miếng kim loại lên nhau, thì các nguyên tử dao động xung quanh ranh giới, và hai nguyên tử va đập vào nhau, và một trong hai bật ra nhanh hơn hạt kia, tôi không thể theo dõi tường tận được. Nó xảy ra ở thang bậc thời gian rất nhỏ và ở một khoảng cách rất nhỏ, và nó xảy ra nhiều, nhiều lần trong mỗi giây. Cho nên, chúng ta cứ việc phân chia toàn bộ sự truyền năng lượng thành hai nhóm: nhóm chúng ta theo dõi được và nhóm chúng ta không theo dõi được. Nhóm thứ hai này là cái chúng ta gọi là nhiệt lượng.”
Các hệ nhiệt động thường được xét là mở, kín hoặc cô lập. Một hệ mở tự do trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh của nó; một hệ kín thì trao đổi năng lượng chứ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh của nó; và một hệ cô lập thì không trao đổi năng lượng hay vật chất với môi trường xung quanh của nó. Ví dụ, một nồi súp đang sôi nhận năng lượng từ lò đun, phát xạ nhiệt từ thân nồi, và thoát vật chất ở dạng hơi nước. Đây sẽ là một hệ mở. Nếu chúng ta đậy nắp lên nồi, thì nó vẫn tiếp tục phát xạ nhiệt, nhưng nó không còn thoát vật chất ở dạng hơi nước nữa. Đây sẽ là một hệ kín. Tuy nhiên, nếu chúng ta rót súp vào một bình cách nhiệt hoàn toàn và đậy kín nắp, thì sẽ không còn vật chất hay năng lượng đi vào hay đi ra khỏi hệ. Đây sẽ là một hệ cô lập.
Tuy nhiên, trên thực tế, không thể tồn tại các hệ cách nhiệt hoàn toàn. Tất cả các hệ truyền năng lượng sang môi trường của chúng qua bức xạ nhiệt cho dù chúng được cách nhiệt tốt bao nhiêu. Súp đựng trong bình cách nhiệt sẽ chỉ giữ nóng được trong vài ba giờ và sẽ tiến tới nhiệt độ phòng sau đó. Một ví dụ khác, các sao lùn trắng, tàn dư nóng của những ngôi sao đã cạn kiệt nhiên liệu, có thể bị cô lập bởi nhiều năm ánh sáng của chân không gần như hoàn hảo trong môi trường giữa các sao, nhưng cuối cùng chúng vẫn sẽ nguội từ vài chục nghìn độ xuống gần không độ tuyệt đối do sự tiêu hao năng lượng qua bức xạ nhiệt. Mặc dù quá trình này kéo dài lâu hơn tuổi hiện nay của vũ trụ, nhưng không gì ngăn được nó xảy ra.
Động cơ nhiệt
Ứng dụng thực tiễn nhất của định luật thứ nhất là động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và ngược lại. Đa số động cơ nhiệt thuộc nhóm hệ mở. Nguyên lí cơ bản của động cơ nhiệt khai thác các liên hệ giữa nhiệt lượng, thể tích và áp suất của một chất lưu làm việc. Chất lưu này thường là một chất khí, nhưng trong một số trường hợp nó có thể trải qua các biến đổi pha từ khí sang lỏng và trở lại khí trong một chu trình khép kín.
Khi chất khí nóng lên, nó giãn nở; tuy nhiên, khi chất khí đó bị giam cầm, thì áp suất của nó tăng. Nếu thành dưới của buồng giam là đỉnh của một piston di động, thì áp suất này tác dụng một lực lên bề mặt piston làm nó chuyển động xuống dưới. Chuyển động này khi đó có thể được khai thác để thực hiện công bằng hợp lực tác dụng lên đỉnh piston nhân với quãng đường mà piston dịch chuyển.
Có vô số biến thể trên động cơ nhiệt cơ bản đó. Chẳng hạn, động cơ hơi nước dựa trên buồng đốt ngoài để đun nóng một nồi hơi chứa chất lưu làm việc, thường là nước. Nước biến đổi thành hơi nước, và áp suất hơi được khai thác để điều khiển một piston biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Tuy nhiên, các động cơ xe hơi sử dụng buồng đốt trong, trong đó nhiên liệu lỏng bay hơi, hòa trộn với không khí và được đánh lửa bên trong một xilanh phía trên một piston di động làm nó chuyển động xuống dưới.
Tủ lạnh, máy điều hòa và bơm nhiệt
Tủ lạnh và bơm nhiệt là động cơ nhiệt biến đổi cơ năng thành nhiệt năng. Đa số thiết bị này thuộc nhóm hệ kín. Khi một chất khí bị nén, nhiệt độ của nó tăng lên. Chất khí nóng này sau đó truyền nhiệt sang môi trường xung quanh của nó. Sau đó, khi chất khí nén được phép giãn nở, nhiệt độ của nó trở nên lạnh hơn trước lúc nó bị nén vì một phần năng lượng của nó đã bị tiêu hao trong chu kì nóng. Chất khí lạnh này sau đó hấp thu nhiệt năng từ môi trường của nó. Đây là nguyên lí hoạt động của máy điều hòa không khí. Thật ra máy điều hòa không tạo ra cái lạnh; chúng lấy nhiệt lượng đi. Chất lưu làm việc được truyền ra bên ngoài bởi một bơm cơ học trong đó nó được làm nóng bởi sự nén. Tiếp theo, nó truyền nhiệt lượng đó cho môi trường bên ngoài, thông thường qua một bộ trao đổi nhiệt làm lạnh bằng không khí. Sau đó, nó được đưa trở vào bên trong, nơi nó được phép giãn nở và nguội đi để nó có thể hấp thu nhiệt từ không khí trong phòng qua một bộ trao đổi nhiệt khác.
Bơm nhiệt đơn giản là một máy điều hòa không khí chạy ngược. Nhiệt lượng từ chất lưu làm việc bị nén được dùng để làm ấm căn phòng. Sau đó nó được dẫn ra bên ngoài, tại đó nó giãn nở và trở nên lạnh đi, nhờ đó cho phép nó hấp thu nhiệt từ không khí bên ngoài, cho dù trời mùa đông thì không khí bên ngoài vẫn thường ấm hơn chất lưu làm việc.
Các hệ thống điều hòa không khí địa nhiệt và bơm nhiệt sử dụng các ống hình chữ U dài trong các giếng sâu hoặc một ma trận các ống nằm ngang chôn trên một diện tích lớn qua đó chất lưu làm việc chảy xoay vòng, và nhiệt được truyền đến hoặc truyền khỏi mặt đất. Các hệ thống khác sử dụng nước sông hoặc nước biển làm nóng hoặc làm nguội chất lưu làm việc.
Nguồn: LiveScience
