Đang tải... (xem toàn văn)
NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦANHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC1. Hạn chế của nguyên lý thứ nhất2. Qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch3. Máy nhiệt và hiệu suất của động cơ nhiệt4. Nguyên lý 2 nhiệt động lực học5. Chu trình và định lý Carnot6. Entropy và nguyên lý tăng entropy
NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hạn chế nguyên lý thứ Qúa trình thuận nghịch không thuận nghịch Máy nhiệt hiệu suất động nhiệt Nguyên lý nhiệt động lực học Chu trình định lý Carnot Entropy nguyên lý tăng entropy HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT ) Hệ nguyên lý 1: A=-Q Không nêu lên khác q trình chuyển hóa cơng nhiệt ) Hệ nguyên lý 1: Q1 = - Q2 Không g rõ chiều q q trình thực tế xảy Khơng đề cập đến chất lượng nhiệt nhiệt Quả nặng di chuyển Nước ấm lên Hộp KL (70 0C) Hộp KL (40 0C) Cục nước đá (0 0C) Nước (40 0C) HẠN Ạ CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT ) Vấn đề: Nguyên lý dẫn đến hệ trái qui luật tự nhiên ) Vấn đề: có giới hạn trình biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác: diễn theo chiều định ) Lý do: Nguyên lý chưa rõ chiều diễn biến trình nhiệt động ) Cần bổ sung sở lý luận (nguyên lý, định luật) Q TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHƠNG THUẬN NGHỊCH Q trình thuận nghịch ) Quá trình biến đổi từ trạng thái A ↔ B khơng có tổn hao hay mát lượng (có trạng thái trung gian) P PA Công hệ nhận trình thuận nghịch = cơng hệ cung cấp bên PB Nhiệt hệ nhận = nhiệt hệ cung cấp cho bên O A B VA VB V ) Hệ ttrở llạii trạng t thái cân â bằ bban đầ đầu ((chu h trình t ì h kín) kí ) sau quáá trình t ì h xảy ả theo chiều thuận nghịch ⇒ xung quanh không xảy biến đổi ) Quá trình xảy vơ chậm ⇒ quan sát (lưu giữ) ⇒ lý tưởng QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHƠNG THUẬN NGHỊCH Q trình khơng thuận nghịch ) Quá trình biến đổi trạng thái A B, tiến hành theo chiều ngược, hệ khơng có trạng thái trung gian chiều thuận (do có tổn hao hay mát lượng) Cơng hệ nhận q trình nghịch ≠ công hệ cung cấp bên g tron g q q trình thuận ngồi Nhiệt hệ nhận trình nghịch ≠ nhiệt hệ cung cấp cho bên ngồi q trình thuận ) Sau tiến hành theo chiều thuận nghịch hệ trở lại trạng thái ban đầu (chu trình kín) ⇒ mơi trường xung quanh bị biến đổi MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy nhiệt ) Thiết bị biến nhiệt thành công khai thác chênh lệch nhiệt độ sử dụng tác động tác nhân bên + Nguồn nóng: nguồn nhiệt độ cao (T1) ) Cấu trúc: + Nguồn N lạnh: l h nguồn nhiệt hiệt độ thấp thấ (T2) + Tác nhân nhiệt: chất vận chuyển nhiệt Nguồn nóng (T1) Nguồn nóng (T1) Q1 Q1’ Động nhiệt Q2’ Nguồn lạnh (T2) A’ Động nhiệt Q2 Nguồn lạnh (T2) A MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Hiệu suất máy nhiệt ) Động nhiệt: tỉ số công sinh nhiệt từ nguồn nóng máy nhận vào A' η= Q1 Nguyên lý 1: ΔU = U2 – U1 = A + Q Hệ thực chu trình kín: ΔU = A + (Q1 – Q2’ ) = ⇒ A’ = Q1 – Q2’ Q1 − Q2 ' Q2 ' ⇒ η= = 1− Q1 Q1 ) Máy Má làm lạnh: l h tỉ số ố iữ nhiệt hiệt nhận hậ đượ từ nguồn lạnh l h với ới công ô máy nhận vào Q2 Q2 η= = = A Q1 '−Q2 Q1 ' − Q2 MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Động nhiệt Nguồn N nóng ó (T1): ) Lò đốt, đố bình ngưng, Tác nhân: nước, khí cháy Hơi nước giãn nở đẩy piston CĐ Hơi nước (khí) Nước (lỏng) Công sinh làm quay bánh xe MÁY NHIỆT Ệ - HIỆU Ệ SUẤT ĐỘNG Ộ CƠ NHIỆT Ệ Máy làm lạnh ) Nguồn nóng (T1): bình ngưng, Dàn lạnh ) Nguồn lạnh (T2): Dàn lạnh ) Tác nhân: khí hóa lỏng Sulfur dioxide (SO2) Chlorofluorocarbon (CFC) halomethane ⇒ ô nhiễm môi trường (phá hỏng tầng ầ ô-zôn, gây hiệu ứng nhà kính ) Carbon dioxide ((CO2) Độ nén Động é Dàn nóng MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy làm lạnh ) Tủ lạnh (refrerator) T1 Q1’ Dàn lạnh A Buồng làm đá Q2 T2 Động nén Dàn nóng Một tủ lạnh có hiệu suất = 45 % với %, ới tốc tố độ tản tả nhiệt hiệt 200 kJ/min Nếu tủ trì nhiệt độ 2oC nhiệt độ môi trường 27 oC (275 K) ⇒ công suất động xác định 0.67 kW CHU TRÌNH CARNOT Ph Phương pháp há để tăng ă hiệ hiệu suất ấ động độ nhiệt hiệ ) Tăng nhiệt độ nguồn nóng cao đến mức hạ nhiệt nguồn lạnh đến mức Lưu ý: Nhiệt lượng lấy ấ nguồn nhiệt độ cao tốt nhiệt lượng lấy nguồn nhiệt thấp Hơi nước Hơi nước Lò Turbin Máy phát Nước Bình ngưng Nước lạnh Nước nóng Nhiệt độ nguồn lạnh khơng thểể thấp nhiệt độ làm lạnh có sẵn Phải thiết kế sử dụng vật liệu có sức bền cao cho phận có nguồn nóng ) Động phải có chu trình làm việc giống động thuận nghịch cho tránh mát nhiệt nhận từ nguồn nóng truyền nhiệt ma sát CHU TRÌNH CARNOT Biểu thức định lượng nguyên lý ) Từ định lý Carnot ⇒ηtn-Carnot lớn nhất, tức là: − Q2 ' T Q' T ≤ 1− ⇒ ≥ Q1 T1 Q1 T1 ) Nếu Nế Q2 nhiệt, hiệt tác tá nhân hâ nhận hậ từ nguồn lạnh, l h đó, Q2 = - Q2’ ⇒ có: ó Q T Q Q Q Q − ≥ ⇔ − ≥ hay + ≤ Q1 T1 T2 T1 T1 T2 Dấu ấ “=”: chu trình Carnot thuận nghịch Dấu “ 0, δQ2 > ⇒ T2 T1 dS = dS1 + dS = Hay: T1 > T2 Vật nhận hậ nhiệt hiệt phải hải có ó nhiệt hiệt độ thấp thấ h vật ật nhả nhiệt hiệt ⇒ nguyên ê lý tăng tă entropy rõ chiều biến thiên trình ) Khi entropy đạt giá trị cực đại: dS = ⇒ 1 − = hay: T1 = T2 T2 T1 Quá trình trao đổi nhiệt két thúc nhiệt độ vật ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Ý nghĩa nguyên lý tăng Entropy ) Xét Chu trình Carnot: nguồn lạnh nhận nhiệt lượng ΔQ2, nguồn nóng nhả nhiệt lượng ΔQ1 thơng qua tác nhân ) Do q trình thuận nghịch ⇒ entropy tồn phần (tổng entropy S1 nguồn nóng tổng entropy S2 nguồn lạnh) hệ = const, const tức là: ΔS = ΔS1 + ΔS = T2 ⇒ ΔQ2 = ΔQ1 T1 ΔQ2 ΔQ1 − =0 T2 T1 ) Công thực chu trình A' = ΔQ1 − ΔQ2 ) Hiệu suất chu trình: A' T2 ηC = =1− ΔQ1 T1 ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Thuyết chết nhiệt ) Vũ trụ hệ cô lập Khi S → Smax ⇒ cân nhiệt Các trính biến đổi dừng lại ⇒ sống chấm dứt ) Saii lầm lầ thuyết h ế Mâu thuẫn với định luật bảo toàn biến đổi NL q trình biến đổi NL khơng dừng lại Thực nghiệm quan sát vật lý thiên văn: có vùng có trạng thái cân nhiệt động ⇒ tương ứng suy thoái chết ngơi già; có vùng có nhiệt ệ độ ộ cao ⇒ có q q trình biến đổi ứng g với ựg giảm entropy py ((thăngg g giáng g lớn)) ⇒ tương ứng xuất Không xét đến ảnh hưởng trường hấp dẫn vũ trụ ⇒ vật chất vũ trụ tản (dãn nở) ⇒ tiếp tục bị phân rã, rã tạo thành thiên hà, hà ⇒ entropy tăng ⇒ không dẫn tới trạng thái đẳng nhiệt đồng ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Mối quan hệ hàm nội U với Entropy ) Nguyên lý NĐLH: dU = δQ +δA Do: δA = - pdV Nguyên N ê lý NĐLH: NĐLH δQ = TdS ) Nội năng: dU = TdS – pdV ⇒ U hàm S V: U = U(S,V) ⎛ ∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dS dU = ⎜ + ⎟ dV ⎜ ⎟ ⎝ ∂V ⎠ S ⎝ ∂S ⎠V U = const S = const V = const ⇒ ⎛ ∂U ⎞ T =⎜ ⎟ ∂ S ⎠V ⎝ ⎛ ∂U ⎞ p=⎜ ⎟ ⎝ ∂V ⎠ S ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng ) Xét trình biến đổi thuận nghịch từ trạng thái 1(p1,V1, T1) sang trạng thái (p2,V2, T2) : δQ ΔS = ∫ T ) Quá trình đoạn nhiệt (δQ = 0) δQ δQ ΔS = ∫ = ⇒ S1 = S2 T ) Quá trình đẳng nhiệt (T= const) 2 δQ Q ΔS = ∫ = ∫ δQ = T T1 T ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng ) Quá trình thuận nghịch Từ nguyên lý NĐLH: δQ = dU - δA m iR m m RT m dV dU = dT = CV dT vàà δA = − pdV dV = − dV = − RT μ μ μ V μ V m m dV ⇒ δQ = CV dT + RT μ μ V 2 dT m dV m T2 m V2 δQ m = CV ∫ + R∫ = CV ln + R ln ΔS = ∫ T μ T μ 1V μ T1 μ V1 Do R = Cp – CV từ phương trình trạng thái khí lý tưởng, có: T = ΔS = P m V m CV ln + Cp ln V1 μ P1 μ pVμ mR ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng m V Cp ln μ V1 m P2 ) Q trình đẳng tích (V= const): ΔS = CV ln μ P1 )Q Quá trình đẳng g áp p ((P= const): ) ΔS = Tính nhiệt lượng đồ thị entropy 2 ∫ ∫ ) Q = δQ = TdS = T ( S − S1 ) = TΔS T T1 T 1 2 T O S1 S2 S O S1 dS S2 S Những nội dung cần lưu ý Hạn chế nguyên lý NĐLH Nguyên lý NĐLH (2 cách phát biểu Clausius Thompson) hệ Chu trình Carnot thuận nghịch (khái niệm, đồ thị mơ tả q trình biểu thức tính hiệu suất động hoạt động theo chu trình này) Nội ộ dungg định ị lýý Carnot p phươngg p pháp p tăngg hiệu ệ suất động nhiệt Tích phân Clausius, biểu thức định lượng nguyên lý NĐLH tính NĐLH, tí h chất hất tích tí h phân hâ Clausius Cl i Entropy: Định nghĩa, tính chất ý nghĩa Nguyên N ê lý tăng tă entropy: t Nội dung d vàà ý nghĩa hĩ 37 ... bị biến đổi 3 MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy nhiệt ) Thiết bị biến nhiệt thành công khai thác chênh lệch nhiệt độ sử dụng tác động tác nhân bên + Nguồn nóng: nguồn nhiệt độ cao (T1)... ⇒ vô lý Kết tương tự η1C1 < ηC2 ⇒ η C1= ηC2 CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT Định lý Carnot Hiệu suất động nhiệt không thuận nghịch nhỏ hiệu suất động nhiệt thuận nghịch ) Chứng minh động nhiệt: ... ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Ý nghĩa nguyên lý tăng Entropy ) Xét hệ cô lập gồm vật (1) (2) trao đổi nhiệt T1 T2 với nhau.: vật (2) nhận nhiệt lượng δQ1 > 0 ) Theo nguyên lý 1, vật (1) nhận nhiệt