ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA MÔI TRƯỜNG  TIỂU LUẬN: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC, NGUYÊN LÝ 2 CÓ LIÊN QUAN GÌ TỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG MÔN: CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG HỌC VIÊN: ĐINH THỊ HOÀI MƠ LỚP : CAO HỌC KHMT K2014 GVHD: TS. TRẦN ANH TUẤN HUẾ, 2015 NỘI DUNG MỤC ĐÍCH CỦA BÀI TIỂU LUẬN B. CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I . NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH) A. II. NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC C. D. NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG? KẾT LUẬN. Đinh Thị Hoài Mơ 2 A. MỤC ĐÍCH CỦA BÀI TIỂU LUẬN - Tìm hiểu các nguyên lý nhiệt động lực học, nắm vững bản chất của các - B. nguyên lý. Ứng dụng các nguyên lý II trong thực tế từ đó giải thích được các hiện tượng và đưa ra các giải pháp cụ thể. CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I - NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH) 1. Phát biểu nguyên lý Nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bản toàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Sau đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí này. Độ biên thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được. ΔU = A + Q Với quy ước về dấu thích hợp, biểu thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng khác như vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu nhiệt và thực hiện công... Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau. Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng; Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng; A > 0: Hệ nhận công; A < 0: Hệ thực hiện công. Ví dụ: Khi cung cấp cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra đẩy pittông lên và thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng là bao nhiêu? Đinh Thị Hoài Mơ 3 ΔU = Q – A = 120-90 = 30J. 2. Vận dụng Trong hệ toạ độ (p, V), quả trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông gốc với trục thể tích . Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biểu thức của nguyên lí thứ nhất của NĐLH có dạng: ΔU = Q Ý nghĩa vật lí của biểu thức trên: - Vì trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1, nên để chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, chất khí phải nhận nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của chất khí tăng (ΔU > 0). - Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng II - NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh nóng lên. Trong quá trình này, năng lượng được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của mình và của không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, nghĩa là không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Tại sao? 1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch a) Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bảng rồi thả ra, con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A... Đinh Thị Hoài Mơ 4 Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác. Quá trình này xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch. b) Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên ấm nước không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch. Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể tự truyền theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện quá trình ngược" phải dùng một "máy làm lạnh", nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác. Trong thí dụ nêu ở phần vào bài, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng, nhưng nội năng lại không thể tự chuyển hoá thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này cũng là quá trình không thuận nghịch. Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Như vậy, trong NĐLH nguyền lí thứ nhất chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra. 2. Nguyên lí II nhiệt động lực học Nguyên lí thứ hai của NĐLH cho biết chiều mà quá trình có thể tự xảy ra hoặc không thể tự xảy ra. Sau đây là hai cách phát biểu đơn giản nhất. a) Cách phát biểu của Clau-đi-út Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn. Đinh Thị Hoài Mơ 5 Mệnh đề trên được Clau-đi-út (Clausius), nhà vật lí người Đức, phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của NĐLH. Mệnh đề này không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, chỉ khẳng định là điều này không thể tự xáy ra được. b) Cách phát biểu của Cac-nô Chúng ta đã biết, trong động cơ nhiệt chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp được chuyển thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi trường bên ngoài. Cac-nô (Carnot), nhà vật lí người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng trên trong mệnh đề: Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. Chú ý: Người ta có thể chứng minh được hai cách phái biểu trên của nguyên lí thứ hai của NĐLH là tương đương 3. Vận dụng Nguyên lí thứ hai của NĐLH giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ,... Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng. Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là: + Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1). + Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A) gọi là tác nhân và các thiết bị phát động. + Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra (Q2). Đinh Thị Hoài Mơ 6 ® Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là: trong đó, với Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh. Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học. C. NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG? Từ những lý thuyết nêu ở trên, dựa vào nguyên lý 2 giải thích được vì sao động cơ nhiệt luôn đạt hiệu xuất dưới 100%, chúng sẽ thải ra một số chất ô nhiễm sơ cấp hay thứ cấp. Các động cơ nhiệt cơ nhiệt gây ô nhiễm môi trường: ô nhiễm không khí, ô nhiễm tiếng ồn; “ô nhiễm nhiệt”,… - Chất làm lạnh thoát ra từ các máy làm lạnh phá huỷ tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính. o Nguyên nhân sản sinh ra các chất ô nhiễm môi trường trong động cơ đốt trong Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO 2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như Đinh Thị Hoài Mơ 7 oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng. Những tạp chất, đặt biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO 2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ cuả nhiên liệu, người ta pha thêm Thetraetyle chì Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra khí xả, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực thành phố có mật độ giao thông cao.Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm cuả động cơ là hệ số dư lượng không khí . Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí >1, động cơ làm việc với hổn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hổn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm gia tăng nồng độ hydrocarbure HC. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặt biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng. Đinh Thị Hoài Mơ 8 Nói chung tất cả thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả. Ô nhiễm môi trường gây tổn hại lớn đến sức khỏe con người và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Đinh Thị Hoài Mơ 9 D. KẾT LUẬN. Ứng dụng nguyên lý II trong thực tế rất phổ biến, từ các mặt hạn chế ta biết tác nhân gây ô nhiễm môi trường, và có ý thức bảo vệ môi trường, từ đó biết chọn động cơ và nhiên liệu phù hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO http://thuvienvatly.com/tai-lieu/neohacker/sgk-vat-ly-10/GTDT/Bai%20hoc/Bai33.Cac %20nguyen%20ly%20cua%20NDL%20hoc.htm Đinh Thị Hoài Mơ 10  ... TIỂU LUẬN B CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH) A II NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC C D NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG? KẾT... C NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG? Từ lý thuyết nêu trên, dựa vào nguyên lý giải thích động nhiệt đạt hiệu xuất 100%, chúng thải số chất ô nhiễm sơ cấp hay thứ cấp Các. .. LUẬN - Tìm hiểu nguyên lý nhiệt động lực học, nắm vững chất - B nguyên lý Ứng dụng nguyên lý II thực tế từ giải thích tượng đưa giải pháp cụ thể CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I - NGUYÊN LÝ I