Một bình chứa carbon dioxide (CO2) ở nhiệt độ phòng và áp suất 20 atm (áp suất không khí trong phòng là 1 atm) Để quan sát hiện tượng khối khí CO2 giảm nhiệt độ và hóa rắn khi phun ra khỏi bình, người ta dặt một miếng vải ở miệng ống xả của bình chứa và mở van thì thấy CO2 rắn (có nhiệt độ thấp) được hình thành trên miếng vải. Hiện tượng khối khí biển đổi trực tiếp thành chất rắn như CO2 trong hiện tượng này được gọi là sự ngưng kết. Hãy vận dụng định luật 1 nhiệt động lực học để giải thích vì sao CO2 khi phun ra lại giảm nhiệt độ.
Vận dụng định luật 1 nhiệt động lực học
- Khi CO2 ở trong bình:
+ CO2 ở thể khí, có áp suất cao (20 atm).
+ Nội năng của CO2 (U₁) cao do:
- Năng lượng động của các phân tử CO2 cao (do chuyển động nhanh).
- Năng lượng liên kết giữa các phân tử CO2 cao (do ở trạng thái khí).
- Khi CO2 phun ra khỏi bình:
+ CO2 di chuyển từ môi trường áp suất cao (trong bình) sang môi trường áp suất thấp (bên ngoài).
+ Do chênh lệch áp suất, CO2 tự nở ra nhanh chóng.
+ Quá trình nở ra này không có trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh (Q = 0).
Advertisements (Quảng cáo)
+ Công thực hiện bởi hệ (A) là âm. Lý do:
- Hệ (CO2) tự nở ra, đẩy piston (miệng bình) ra ngoài.
- Theo định nghĩa công, A = F.s, với F là lực đẩy của CO2 và s là quãng đường di chuyển của piston.
- Vì CO2 đẩy piston ra ngoài, nên F hướng ra ngoài và s > 0.
- Do đó, A = F.s < 0.
- Giải thích sự giảm nhiệt độ:
+ Theo định luật 1 nhiệt động lực học: ΔU = Q + A = 0 + A < 0
+ Do Q = 0 và A < 0, nên ΔU < 0.
+ Nội năng của CO2 giảm (U₂ < U₁).
+ Sự giảm nội năng dẫn đến giảm nhiệt độ của CO2.
- Lý do:
+ Năng lượng động của các phân tử CO2 giảm do chúng di chuyển chậm lại.
+ Năng lượng liên kết giữa các phân tử CO2 giảm do CO2 chuyển từ thể khí sang thể rắn.
- Kết luận:
Sự giảm nhiệt độ của CO2 khi phun ra khỏi bình là do sự giảm nội năng của CO2. Nguyên nhân của sự giảm nội năng này là do công thực hiện bởi hệ (CO2) khi nở ra nhanh chóng trong môi trường áp suất thấp.