Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 8 NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 8.1 Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học Trong chương trước chúng ta đã nghiên cứu nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học. nội dung của nguyên lí đó chính là định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng. Tất cả các quá trình vĩ mô trong tự nhiên đều phải tuân theo nguyên lí thứ nhất. Nhưng ngược lại một số quá trình vĩ mô phù hợp với nguyên lí thứ nhất có thể vẫn không xảy ra trong thực tế. Ta hãy xét vài ví dụ: Xét một hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau. Khi cho hai vật tiếp xúc nhau thì chúng sẽ trao đổi nhiệt với nhau. Theo nguyên lí thứ nhất, nhiệt lượng tỏa ra từ vật này bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào; còn trong hệ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hay truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng thì nguyên lí thứ nhất đều không bị vi phạm. Tuy nhiên, trong thực tế ở một hệ cô lập, chỉ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh.
Chương NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 8.1 Những hạn chế nguyên lý thứ nhiệt động học Trong chương trước nghiên cứu nguyên lí thứ nhiệt động học nội dung ngun lí định luật bảo tồn biến đổi lượng Tất trình vĩ mô tự nhiên phải tuân theo nguyên lí thứ Nhưng ngược lại số q trình vĩ mơ phù hợp với ngun lí thứ không xảy thực tế Ta xét vài ví dụ: Xét hệ lập gồm hai vật có nhiệt độ khác Khi cho hai vật tiếp xúc chúng trao đổi nhiệt với Theo nguyên lí thứ nhất, nhiệt lượng tỏa từ vật nhiệt lượng mà vật thu vào; cịn hệ xảy q trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hay truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng ngun lí thứ không bị vi phạm Tuy nhiên, thực tế hệ cô lập, xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Một hịn đá có khối lượng m nâng lên độ cao z chân khơng, hịn đá mgz Nếu rơi xng đất, giảm dần, động tăng dần Lúc va chạm với mặt đất, động đạt giá trị mgz Sau va chạm động biến làm đất nóng lên: tượng xảy theo nguyên lí thứ Ta hình dung q trình ngược lại: đá nằm mặt đất, cung cấp cho nhiệt lượng nhiệt lượng nói hịn đá bay lên độ cao z khơng?: thực tế khơng xảy q trình Qua hai ví dụ ta thấy: Nguyên lý thứ không cho ta biết chiều diễn biến thực tế xảy Trong q trình này, ngun lí thứ nêu lên khác q trình chuyển hóa cơng nhiệt Theo ngun lí thứ nhất, cơng nhiệt tương đương chuyển hóa lẫn thực tế cơng biến hồn tồn thành nhiệt nhiệt biến phần mà khơng hồn tồn thành cơng Ngun lý thứ không đề cập tới chất lượng nhiệt Trong thực tế nhiệt lấy từ mơi trường có nhiệt độ cao chất lượng nhiệt lấy từ môi trường có nhiệt độ thấp Như dựa vào ngun lí thứ có nhiều vấn đề thực tế khơng giải Ngun lí thứ hai nhiệt động học khắc phục hạn chế nguyên lí thứ với nguyên lí thứ tạo thành hệ thống lí luận chặt chẽ làm sở cho việc nghiên cứu tượng nhiệt Về mặt kỹ thuật, nguyên lí thứ hai đóng vai trị quan trọng việc chế tạo động nhiệt 80 8.2 Quá trình thuận nghịch q trình khơng thuận nghịch Để hiểu chất nguyên lí thứ hai, trước hết ta phải xét khái niệm trình thuận nghịch q trình khơng thuận nghịch 8.2.1 Định nghĩa Một trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái gọi thuận nghịch tiến hành theo chiều ngược lại q trình ngược đó, hệ qua trạng thái trung gian trình thuận Quá trình thuận nghịch trình cân Đối với trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trạng thái ban đầu khơng làm cho mơi trường xung quanh bị biến đổi Q trình khơng thuận nghịch, trình mà tiến hành theo chiều ngược lại hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian trình thuận Đối với q trình khơng thuận nghịch mơi trường xung quanh bị biến đổi 8.2.2 Ví dụ a Về q trình thuận nghịch: -Con lắc dao động khơng có ma sát nhiệt độ nhiệt độ mơi trường Do điều kiện nên khơng có trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi -Q trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vơ chậm q trình thuận nghịch Có thể nói q trình học khơng có ma sát q trình thuận nghịch b Về q trình khơng thuận nghịch: Ta thấy trình học nhiều trình khác; thuận nghịch tồn khơng có trao đổi nhiệt với mơi trường bên Nhưng thực nghiệm chứng tỏ q trình vĩ mơ thực có trao đổi nhiệt với mơi trường ngồi Vì q trình vĩ mơ thực tế q trình khơng thuận nghịch -Các q trình học có ma sát Do có ma sát, q trình thuận, phần công biến thành nhiệt tiến hành theo trình ngược lại phần lại biến thành nhiệt Kết cuối có phần công biến thành nhiệt thực nghiệm xác nhận, nhiệt làm nóng vật khác khơng tự biến thành cơng Do đó, sau tiến hành q trình thuận q trình ngược lại, mơi trường xung quanh bị biến đổi -Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh trình khơng thuận nghịch Q trình xảy cách tự phát, khơng cần có tác dụng bên ngồi Q trình chấm dứt nhiệt độ hai vật cân 81 Muốn có q trình ngược lại: nhiệt từ vật lạnh truyền lại cho vật nóng phải có tác dụng bên ngồi Kết sau vật nóng truyền nhiệt cho vật lạnh lấy nhiệt từ vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh bị biến đổi 8.2.3 Ý nghĩa Qua việc nghiên cứu q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch kể trên, ta thấy trình thuận nghịch q trình lí tưởng thực tế xảy q trình khơng thuận nghịch.Việc nghiên cứu q trình thuận nghịch đóng vài trị rấtquan trọng cơng trình xây dựng ngun lý thứ hai nhiệt động học Những ví dụ trình khơng thuận nghịch rõ hai chiều diễn biến q trình vĩ mơ, có chiều trình xảy cách tự phát, khơng cần có tác dụng bên ngồi Chiều diễn biến tự phát nảy đảm bảo cho hệ tiến tới trạng thái cân Khi hệ trạng thái cân hệ khơng thể tự phát xảy trình đưa hệ tới trạng thái (vĩ mơ) khơng cân Q trình thuận nghịch q trình có lợi cơng nhiệt Điều ứng dụng chế tạo động nhiệt 8.3 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 8.3.1 Máy nhiệt Máy nhiệt hệ họat động tuần hoàn biến công thành nhiệt biến nhiệt thành công Trong máy nhiệt có chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến nhiệt thành công ngược lại Chúng gọi tác nhân Khi máy hoạt động, tác nhân trao với vật có nhiệt độ khác Các vật gọi nguồn nhiệt Người ta coi nguồn nhiệt có nhiệt độ khơng đổi trao đổi nhiệt không ảnh hưởng tới nhiệt độ Thơng thường máy nhiệt trao đổi với hai nguồn nhiệt Nguồn có nhiệt độ cao gọi nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp gọi nguồn lạnh.Tất máy hoạt động tuần hoàn, tác nhân máy biến đổi theo chu trình a/ Động nhiệt: Động nhiệt hệ họat động tuần hồn biến nhiệt thành cơng Ví dụ máy nước, loại động đốt trong.Trong máy nước: tác nhân nước, nguồn nóng nồi súpde, nguồn lạnh bình ngưng Trong động đốt trong, tác nhân chất đốt, mêtan; nhiên liệu lỏng ét xăng, dầu madút… Tác nhân động nhiệt biến đổi theo chu trình thuận nghịch nghĩa đường cong biểu diễn chu trình có chiều theo chiều kim đồng hồ (sinh cơng) 82 Hiệu suất động nhiệt tính theo cơng thức: η= A' Q1 - Q' = Q1 Q1 (8-1) đó: Q1 nhiệt lượng tác nhân nhận từ nguồn nóng chu trình Q’2 nhiệt lượng tác nhân nhả cho nguồn lạnh chu trình A’ cơng mà động sinh chu trình b/ Máy làm lạnh: Máy làm lạnh loại máy tiêu thụ công để vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng 8.3.2 Phát biểu nguyên lý thứ hai Nguyên lý thứ hai rút từ thực nghiệm, xuất phát từ nghiên cứu trình xảy tự nhiên Có nhiều cách phát biểu khác nguyên lý thứ hai Ở ta ta nêu hai cách phát biểu: a Phát biểu Clausius: Nhiệt tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng Như q trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng khơng tự phát xảy ra, bắt buộc phải có tác dụng bên ngồi, nghĩa mơi trường xung quanh bị biến đổi Vì ta hiểu cách phát biểu Clausius sau: thực trình mà kết truyền lượng dạng nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng b Phát biểu Thomson: Khơng thể chế tạo loại máy hoạt động tuần hồn biến đổi liên tục nhiệt thành cơng nhờ làm lạnh vật xung quanh không chịu thay đổi đồng thời Những máy gọi động vĩnh cửu loại phát biểu hiểu sau: khơng thể chế tạo động vĩnh cửu loại Thực vậy, chế tạo động việc cho tiếp xúc lấy nhiệt nguồn nhiệt vô lớn nước đại dương khí trái đất chẳng hạn, sinh công mãi! Về phương diện lượng, động vĩnh cửu loại khơng mâu thuẫn với ngun lí thứ nhiệt động học ích lợi thật to lớn Vì vậy, nhiều người cố gắng chế tạo động họ thất bại hồn tồn Điều chứng tỏ đắn nguyên lí thứ hai Hai cách phát biểu tương đương Chính Thomson viết: ”phát biểu so với phát biểu khác hình thức kết nhau” 83 Qua phần ta thấy vấn đề chế tạo máy nhiệt liên quan chặt chẽ với ngun lí thứ hai Do đó, ta phải khảo sát vấn đề mặt định lượng 8.4 Chu trình Carnot định lý Carnot Các máy nhiệt hoạt động theo chu trình Chu trình có lợi chu trình Carnot Chu trình Carnot đóng vai trò to lớn phát triển nhiệt động học kĩ thuật nhiệt cho phép ta thiết lập biểu thức định lượng nguyên lí thứ hai, phân tích hiệu suất máy nhiệt 8.4.1 Chu trình Carnot thuận nghịch Là chu trình gồm trình đẳng nhiệt thuận nghịch trình đoạn nhiệt thuận nghịch Để tính hiệu suất Chu trình Carnot thuận nghịch, ta xét trường hợp tác nhân khí lý tưởng (hình 8-1) η = 1− Ta có: Q' Q1 P Q1 T1 T2 Q'2 O V1 V4 V2 V3 V Hình 8-1 Từ trình đẳng nhiệt (1→2; 3→ 4) ta được: Q1 = V m RT1ln V1 μ Q2 ' = − Q2 = V m RT2 ln V4 μ Từ trình đoạn nhiệt (2→3; 4→ 1) ta được: T1V2ν-1 = T2V3ν-1 T1V1ν-1 = T2V4ν-1 Suy ra: η = 1− T2 T1 (8-2) 84 Kết luận: Hiệu suất chu trình Carnot thuận nghịch khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh 8.4.2 Định lý Carnot Hiệu suất tất động thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot với nguồn nóng nguồn lạnh không phụ thuộc vào tác nhân cách chế tạo máy Hiệu suất động khơng thuận nghịch nhỏ hiệu suất động thuận nghịch (8-2) với chu trình Carnot thuận nghịch với tác nhân Tổng quát: η ≤ 1− T2 T1 (8-3) Dấu xảy với chu trình Carnot thuận nghịch, dấu < xảy với chu trình Carnot khơng thuận nghịch Nhận xét: a Nhiệt khơng thể hồn tồn biến thành cơng Thật vậy, với động lí tưởng chạy theo chu trình Carnot thuận nghịch, hiệu suất bằng: 1− T2 , T1 nghĩa luôn nhỏ hơn1 (vì T1 khơng thể vơ cùng, T2 không) Từ η