Những hạn chế của nguyên lý 1 nhiệt động lực học quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC - Q TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHƠNG THUẬN NGHỊCH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG - NHÓM - VLY1013.001 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN HUẾ, THÁNG 12 NĂM 2021 Trang MỞ ĐẦU NỘI DUNG I Nguyên lý thứ nhiệt động học II Những hạn chế nguyên lý thứ nhiệt động học III Quá trình thuận nghịch q trình khơng thuận nghịch Định nghĩa Ví dụ 4 KẾT LUẬN BÀI TẬP MỞ ĐẦU Sự phát triển nhiệt động lực học vấn đề hấp dẫn lịch sử khoa học Nhiệt động lực học nghiên cứu nhiệt lĩnh vực Vật lý học Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Nhiệt độ không biểu diễn đại lượng học khối lượng, độ dài thời gian, biểu thị quan điểm riêng Khi nghiên cứu tính chất vật chất gây chuyển động hỗn loạn tập hợp lớn phân tử mà phải lực tương tác chúng người ta vận dụng định luật tổng quát, luôn nghiệm với thực tiễn, khơng phụ thuộc vào tính chất chuyển động phân tử, tương tác chúng vào cấu trúc vật chất Các định luật biểu thị liên hệ dạng lượng, biển đối qua lại chúng mối liên hệ lương đại lương liên quan đến lượng công (cơ học) nhiệt, Được thành lập tổng quát hoá kinh nghiệm, định luật nói cịn gọi nguyên lí nhiệt động lực học Các ngun lí khơng sâu giải thích chất vật lý tượng cần thiết cho kỹ thuật Trong ngun lí thứ có vai trị quan trọng Ngun lí thứ nhiệt động lực học ngun lí bảo tồn biến hố lượng áp dụng q trình có liên quan đến biến đổi nội sang nhiệt sang dạng lượng khác ngược lại NỘI DUNG I Nguyên lý thứ nhiệt động học Nhiệt động bọc nghiên cứu điều kiện quan hệ biến đổi định lượng lượng từ dạng qua dạng khác Cơ sở ni nhiệt động học hai nguyễn lí rút từ thực nghiệm Độ biến thiên lượng tồn phần ∆W hệ q trình biến đổi vỉ mơ có giá trị cơng A nhiệt Q mà hệ nhận qua ∆W = A + Q Trong biểu thức này, đại lượng đo đơn vị giống Ở ta giả thiết hệ khơng đổi (Wđ + Wt = const), theo cơng thức ∆W = ∆U ta có ∆U = A + Q Nghĩ là: trình biến đổi, độ biến thiên nội hệ có giá trị tổng công nhiệt mà hệ nhận q trình Trong số trường hợp, để tính tốn thuận tiện, người ta dùng kí hiệu phát biểu sau a Nếu A Q cơng nhiệt mà hệ nhận A’ = -A Q’ = -Q công nhiệt hệ sinh b Từ công thức ∆U = A + Q, viết Q = ∆U + A’ Và nguyên lý thứ phát biểu sau: nhiệt tuyền cho hệ trình có giá trị độ biến thiên nội hệ cơng hệ sinh q trình Các đại lượng AU, ∆, Q thể dương hay âm Nếu A > Q > ∆U > 0, nghĩa hệ thực sinh cơng toả nhiệt bên ngồi nội nàng hệ tăng Nếu A < Q < ∆U < 0, nghĩa hệ thực sinh cơng toả nhiệt bên ngồi nội nàng hệ giảm [1] II Những hạn chế nguyên lý thứ nhiệt động học Hệ 1: Giả sử hệ thực trình kín (sau gọi chu trình), tức sau trình biến đổi hệ trở trạng thái ban đầu AU = U2 - U1 = = A + Q→ A = -Q Như hệ nhận cơng A > Q < 0, tức hệ tỏa nhiệt Nếu hệ nhận nhiệt Q > A < 0, tức sinh cơng Một động muốn sinh cơng phải nhận nhiệt từ bên ngồi Khơng có động sinh công mà không cần tiêu thụ lượng → Không tồn động vĩnh cửu loại Hệ 2: Giả sử ta có hệ lập, gồm vật chi trao đổi nhiệt với Q1 Q2 nhiệt mà vật nhận Q1 + Q2 = → Q1 = -Q2 = Q2’ Tức hệ cô lập gồm vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng vật tỏa nhiệt lượng vật thu vào [2] Tất q trình vỉ mơ tự nhiên đểu phải tuân theo nguyên lí thứ Nhưng ngược lại, q trình vỉ mơ phù hợp với ngun lí thứ khơng xảy thực tế Ta hāy xét vài thí dụ : a Xét hệ cô lập gổm hai vật có nhiệt độ khác nhau: đặt hai vật tiếp xúc chúng sē trao dổi nhiệt với Theo nguyên lí thứ nhiệt luợng toả từ vật nhiệt lượng mà vật thu vào, cịn bệ xảy q trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng ngun lý thứ khơng bị vi phạm Tuy nhiên, thực tế cho biết hệ lập, q trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng khơng xảy mà xảy q trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh b Một hịn đá có khối lượng m nâng lân độ cao Z chân không, mgZ Nếu rơi xuống đất, giảm dần, cịn động tăng dần Lúc va chạm với đất động đạt giá trị mgZ Sau va chạm động biến làm đất nóng lên Hiện tượng xảy theo nguyên lý thứ Nếu ta hình dung tượng ngược lại: đá nằm mặt đất lấy lượng nhiệt lượng nhiệt nói trên, đưa lên độ cao Z Trong q trình này, ngun lý thứ khơng bị vi phạm Tuy nhiên, thực tế không xảy q trình Trong vấn đề này, ngun lý thứ nêu lên khác trình chuyển hố cơng nhiệt Theo ngun lý thứ nhất, cơng nhiệt tương đương chuyễn hoá lẫn nhau, thực tế rõ cơng biến hồn tồn thành nhiệt ngược lại nhiệt biến phần mà khơng thể biến hồn tồn thành cơng Ngun lý thứ không đề cập tới vấn đề chất lượng nhiệt Trong thực tế nhiệt lượng Q lấy mơi trường có nhiệt độ cao, chất lượng cao nhiệt lượng lấy mơi trường có nhiệt độ thấp [1] Quá trình thuận nghịch trình khơng thuận nghịch Định nghĩa • Q trình thuận nghịch III Quá trình thuận nghịch trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái ngược lại từ trạng thái sang trạng thái qua tất trạng thái trung gian mà trình thuận qua Trên giản đồ trạng thái, đồ thị trình thuận đồ thị q trình nghịch trùng Cơng nhiệt hệ nhận trình nghịch cơng nhiệt hệ cấp cho bên ngồi q trình thuận Quá trình thuận nghịch trình cân → Đối với trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh không xảy biến đổi [2] • Q trình khơng thuận nghịch Đối với q trình khơng thuận nghịch, cơng nhiệt mà hệ nhận vào từ bên ngồi q trình ngược khơng công nhiệt mà hệ cung cấp cho bên ngồi q trình thuận Q trình khơng thuận nghịch trình tiến hành theo chiều nghịch, hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian q trình thuận Cơng nhiệt hệ nhận từ bên ngồi q trình nghịch khơng cơng nhiệt hệ cấp cho bên ngồi q trình thuận → Đối với q trình khơng thuận nghịch, sau hệ thực trình thuận nghịch đưa hệ trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh bị biến đổi Ví dụ • Quá trình thuận nghịch Ta xét lắc dao động khơng ma sát nhiệt độ nhiệt độ môi trường (h 9-2) Do điều kiện nên khơng có trao đổi nhiệt với bên ngồi Trong nửa chu kì đầu, lắc quãng đường từ vị trí đến vị trí Sau trình thuận trình nghịch, công trọng lực sinh không Kết môi trường xung quanh không bị biến đổi Q trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vơ chậm trình thuận nghịch Xét khối khí đựng xilanh đặt vỏ cách nhiệt với bên ngồi (h 9-3) Giả sử khối khí giản vơ chậm từ thể tích V1 đến thể tích V2 đến q trình coi q trình cân Nếu tiến hành ngược lại : nén khí vơ chậm từ thể tích V2 đến thể tích V1 , khối khí qua trạng thái cân trung gian trình thuận Cơng mà khối khí nhận q trính nén cơng khí sinh q trình thuận Do sau trở trạng thái ban đầu, khối khí khơng trao đổi cơng bên ngồi Vỉ có vỏ cách nhiệt nên khối khí khơng trao đổi nhiệt với bên Kết sau trở trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không thay đổi • Q trình khơng thuận nghịch Q trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh q trình khơng thuận nghịch Q trình xảy cách tự phát, khơng cần có tác động bên ngồi Q trình chấm dứt nhiệt độ vật cân Muốn có q trình ngược lại: Nhiệt từ vật lạnh truyền sang cho vật nóng phải có tác động bên ngồi Kết sau vật nóng truyền nhiệt cho vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh bị biến đổi KẾT LUẬN Ngành nhiệt động lực học ngành quan trọng Nhiệt học nói riêng Vật lý nói chung Ngành nhiệt động lực học phát triển khơng ngừng Chính ngun lí thứ nhiệt động lực tảng vô quan trọng cho phát triển Ngun lí thứ nhiệt động lực học tổng quát hoá nhận xét thực tiễn kết đạt thí nghiệm Nó vận dụng định luật bảo toàn lượng vào tượng nhiệt Nguyên lí thứ nhiệt động lực học có ứng dụng quan trọng khơng việc giải tốn mà cịn giải thích nhiều tượng sống ngày 10 ... Nguyên lý thứ nhiệt động học II Những hạn chế nguyên lý thứ nhiệt động học III Q trình thuận nghịch q trình khơng thuận nghịch Định nghĩa Ví dụ 4 KẾT LUẬN BÀI TẬP MỞ ĐẦU Sự phát triển nhiệt động. .. nhiệt động lực học vấn đề hấp dẫn lịch sử khoa học Nhiệt động lực học nghiên cứu nhiệt lĩnh vực Vật lý học Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Nhiệt độ không biểu diễn đại lượng học khối... mà trình thuận qua Trên giản đồ trạng thái, đồ thị trình thuận đồ thị trình nghịch trùng Công nhiệt hệ nhận trình nghịch cơng nhiệt hệ cấp cho bên ngồi q trình thuận Q trình thuận nghịch trình