Physic Labs

Vật lý thống kê cổ điển

Nội năng và enthalpy

Nội năng U là năng lượng vi mô của hệ; enthalpy H=U+pV là thế nhiệt động tiện dụng cho các quá trình đẳng áp.

Nội năng U là năng lượng vi mô của hệ; enthalpy H=U+pV là thế nhiệt động tiện dụng cho các quá trình đẳng áp.

H=U+pV,dU=δQ−δWH=U+pV, \qquad dU=\delta Q-\delta W

Định nghĩa: Đại lượng và ý nghĩa

U bao gồm động năng và thế năng vi mô, không gồm động năng hay thế năng của toàn hệ. Với hệ đơn giản nén được, dU=T dS−p dV (khi chỉ có công pV thuận nghịch); H có vi phân dH=T dS+V dp. Do đó ở áp suất không đổi, biến thiên enthalpy bằng nhiệt trao đổi nếu chỉ có công pV.

Đổi nhiệt và công pV

Định lượng

CV=(∂U/∂T)V,Cp=(∂H/∂T)pC_V=(\partial U/\partial T)_V, \qquad C_p=(\partial H/\partial T)_p

Ví dụ: Ví dụ

Một mol khí lý tưởng đơn nguyên tử được nung đẳng áp qua ΔT=10 K. Tính ΔH, biết Cₚ=5R/2.

Lời giải

ΔH=nCₚΔT=(1)(5R/2)(10 K)≈208 J.

Ví dụ: Ví dụ: khí đi qua bộ gia nhiệt

Một mol khí lý tưởng đơn nguyên tử được nung đẳng áp từ 300 K lên 360 K. Với Cₚ=5R/2, nhiệt cấp trong quá trình chỉ có công pV là Qₚ=ΔH=nCₚΔT. Thay R=8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹, ta được Qₚ≈1×(5/2)×8,314×60≈1,25 kJ. Năng lượng này vừa làm tăng nội năng, vừa cung cấp công giãn nở.

Ở nhiệt độ và thể tích cố định, nhiệt dung đẳng tích liên hệ trực tiếp với độ biến thiên nội năng, còn nhiệt dung đẳng áp liên hệ với enthalpy. Với khí lý tưởng, do thể tích tăng khi nung đẳng áp, cần thêm nhiệt cho công giãn nở nên Cₚ−Cᵥ=R trên mỗi mol. Hệ thức này cũng nhắc rằng enthalpy không phải “nhiệt chứa trong vật”; nó là hàm trạng thái được chọn vì thuận tiện khi áp suất được khống chế. Với chất lỏng và chất rắn, độ nở nhiệt nhỏ nên hai nhiệt dung thường gần nhau, nhưng chênh lệch vẫn phụ thuộc vào tính nén được và độ nở nhiệt của vật liệu. Trong bảng hơi nước và tính toán thiết bị dòng chảy, tra enthalpy thường thuận tiện hơn cân bằng riêng nhiệt và công tại mỗi bước. Đó là lý do enthalpy là biến trung tâm trong tua-bin và bộ trao đổi nhiệt.

Trắc nghiệm nhanh

Với hệ đơn giản ở áp suất không đổi và chỉ có công pV, biến thiên enthalpy bằng gì?

Công thức định nghĩa enthalpy nào đúng?

Tài liệu tham khảo

  1. Charles Kittel and Herbert Kroemer (1980). Thermal Physics
  2. L. D. Landau and E. M. Lifshitz (1980). Statistical Physics