4/17/2018 Chap06: The 2nd Law of Thermodynamics Định luật nhiệt động học By Assoc Prof Le Van Diem Contents › Giới thiệu định luật › Máy nhiệt nguồn nhiệt › Nội dung định luật › Quá trình thuận nghịch khơng thuận nghịc › Chu trình Các nô › Thang nhiệt độ › Hiệu suất chu trình Các nơ › Introduction to the 2nd Law of Thermo › Heat Engines & Thermal Reservoirs › The 2nd Law of Thermodynamics › Reversible and Irreversible Processes › The Carnot Cycle › The Thermo & IG T-Scales › Carnot Efficiency 4/17/2018 Mục tiêu chương › Giới thiệu ĐL 2: Chiều diến trình › Tìm hiểu trình thỏa mãn định luật (bảo toàn lượng chiều diễn ra) › Làm quen với khái niệm nguồn nhiệt, trình thuận nghịch/không thuận nghịch, dạng máy nhiệt: Động nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt › Mô tả cách phát biểu ĐL2 › Thảo luận khái niệm động vĩnh cửu › Ứng dụng ĐL2 để nghiên cứu trình, chu trình › Ứng dụng ĐL2 để phân tích thang nhiệt độ động học › Nghiên cứu chu trình Các nơ › Áp dụng chu trình Các nô cho động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt › Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số làm nóng chu trình động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt 6.1: Giới thiệu định luật › Hiện tượng: – Cốc coffee tự nguội – Cấp điện cho may so sinh nhiệt – Vật nặng làm cánh khuấy quay làm nóng chất lỏng két › Nhận xét 1: – Cốc coffee phịng khơng tự nóng lên – Cấp nhiệt cho may xo điện không phát điện – Cấp nhiệt cho két-cánh khuấy không làm cho trục quay để nâng vật nặng lên › Nhận xét 2: – Các tượng tuân theo ĐL – Bảo tồn lượng – Các q trình ngược lại khơng xảy 4/17/2018 Giới thiệu định luật nhiệt động › Kết luận: – ĐL 1: › Chỉ bảo tồn lượng › Khơng điều kiện thực trình › Chỉ đánh giá lượng số lượng (quantity) – ĐL 2: › Chỉ chiều hướng diễn trình › Đánh giá lượng không số lượng mà cịn chất lượng (quality) – (nhiều có dùng không?) › Đánh giá khả năng, giới hạn sử dụng lượng thiết bị động nhiệt, máy lạnh, hay bơm nhiệt – Một trình diễn cần tuân theo định luật 6.2: Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoirs) › Nguồn nhiệt: – mơi trường đủ lớn xung quanh hệ thống nhiệt mà trao hay nhận lượng nhiệt định với hệ thống khơng làm thay đổi nhiệt độ – Thường tận dụng môi trường tự nhiên xung quanh làm Nguồn nhiệt – Ví dụ: › Nước: Sơng, hồ, biển › Khơng khí xung quanh › loại nguồn nhiệt: – Nguồn nóng (heat source): có nhiệt độ cao truyền nhiệt cho hệ – Nguồn lạnh (heat sink): có nhiệt độ thấp nhận nhiệt từ hệ › Nhiệt vấn đề môi trường: – Nhiệt thải làm tăng nhiệt độ mơi trường, gây ô nhiếm (heat pollution) – Nhiệm vụ: Cần phải kiểm soát tốt nhiệt thải để giảm tác động đến môi trường 4/17/2018 6.3: Động nhiệt (Heat Engines) › Quan sát 1: – Vật nặng rơi theo trọng lực làm quay cánh khuấy, sinh nhiệt, tăng nhiệt độ chất lỏng két – Cấp nhiệt vào cánh khuấy không làm quay cánh (không nâng vật nặng › Quan sát 2: – Quay máy khuấy (bằng công ngoài) làm tăng nhiệt độ chất lỏng – Cấp nhiệt vào chất lỏng không làm quay máy khuấy › Nhận xét: – Quá trình diễn theo chiều – Cả q trình cơng biến thành nhiệt; Nhiệt khơng biến thành cơng Hãy tìm ví dụ nhiệt biến thành cơng? Động nhiệt (Heat Engines) › Kết luận: – Cơng biến trực tiếp hồn tồn thành nhiệt (khơng cần điều kiện gì) – Nhiệt biến thành cơng sử dụng thiết bị đặc biệt, gọi HEAT ENGINES › Heat engines: Là thiết bị biến nhiệt thành công – Nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ cao (Heat source) – Biến phần nhiệt nhận thành công – Thải phần nhiệt cịn lại cho nguồn có nhiệt độ thấp (Heat sink) – Hoạt động theo chu kỳ › Heat engines cần sử dụng môi chất để thực việc biến hóa lượng (working fluid) Hãy nhận dạng thành phần sau với hệ thống Heat Engine động xe máy bạn: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(net, out), Q(out) 4/17/2018 Nhận dạng Heat Engines – Nhà máy nhiệt điện › Cấu tạo: – Nồi (boiler) để sinh – Tuabin (Turbine) để lai máy phát điện – Bình ngưng (condenser) để ngưng tụ nước sau turbine – Bơm (pump) để bơm nước trở lại boiler Hãy nhận dạng thành phần sau với hệ thống: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(in), W(out), Q(out) Hệ thống kín hay hệ thống hở? Hãy viết phương trình cân lượng (ĐL1)? ∆ →
, Cơng có ích Heat Engines › Công Heat Engines: – Công nhận, W(in); – Cơng sinh ra, W(out); – Cơng có ích, W(net, out): › Vì sao
, ? Hãy nhận dạng thành phần sau với động diesel: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(in), W(out), Q(out) 4/17/2018 Hiệu suất nhiệt Heat Engines › Cơng có ích:
, › Nhận xét: – Q(out) > (động nhiệt không thải nhiệt cho heat sink) – Cơng có ích W(net, out) nhỏ nhiệt cấp cho động – Hiệu suất nhiệt động nhiệt < Hiệu suất nhiệt Heat Engines › Quy ước: – QH nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TH); – QL nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TL) Bạn có biết hiệu suất nhiệt loại động nhiệt: 25% - Động xăng? - Động Diesel? 40% - Nhà máy nhiệt điện (chu trình hỗn hợp gas-steam)? 60% 4/17/2018 Có thể tận dụng QL? › Quan sát: – Cấp nhiệt (QH = 100kJ cho pistoncylinder điều kiện lý tưởng (bỏ qua ma sát, khối lượng piston, truyền nhiệt) – Hệ sinh công nâng vật nặng (W net,out= 15kJ) – Hỏi: Có thể truyền 85kJ cịn lại ngược cho nguồn nóng để tiếp tục chu trình? – Trả lời: Y/N, Why? Có thể tận dụng QL? › Kết luận: – Không thể biến 100% nhiệt thành công – Không thể sinh công mà không thải phần nhiệt cho nguồn lạnh Ví dụ: Tính hiệu suất nhiệt động nhiệt theo thông số sơ đồ 4/17/2018 The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu Kelvin–Planck › Khơng thể có thiết bị hoạt động theo chu kỳ mà nhận nhiệt từ nguồn nhiệt sinh công › Cách khác: – Khơng có động nhiệt có hiệu suất nhiệt 100% – Để động nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt với nguồn nóng (furnace) nguồn lạnh (environment) 6.4: Máy lạnh Bơm nhiệt (Refrigerator & Heat Pump) › Nhiệt truyền tự nhiên từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp › Q trình ngược lại cần thiết bị Refrigerator › Refrigerator thiết bị hoạt động theo chu trình › Mơi chất lạnh (Refrigerant) thực chu trình nén-ngưng tụ-tiết lưu-bay › Các thiết bị gồm: Máy nén, Bầu ngưng, Van tiết lưu, Dàn bay › Nguyên lý: – Máy nén (tiêu thụ công W net, in hút môi chất nén đến áp suất cao (superheated vapor) – Hơi môi chất trao nhiệt QH cho nguồn có nhiệt độ (nước, khơng khí), cao ngưng tụ thành lỏng Bầu ngưng – Môi chất qua van tiết lưu, hạ nhiệt độ, áp suất – Môi chất sôi, nhận nhiệt QL từ nguồn có nhiệt độ thấp (khơng khí vùng cần làm lạnh) 4/17/2018 Refrigerator VERSUS Heat Pump › Máy lạnh Bơm nhiệt có chung nguyên lý: – Nếu QL có ích → Máy lạnh – Nếu QH co ích → Bơm nhiệt Liên hệ thực tiễn: - Hãy tìm ví dụ máy lạnh? - Hãy tìm ví dụ bơm nhiệt? Hệ số làm lạnh – Làm nóng (Coefficient of Performance) › Máy lạnh: – Required Input = W net,in – Desired Ouput = QL ! › Bơm nhiệt: – Required Input = W net,in – Desired Ouput = QH Nhận xét: Khác với Hiệu suất nhiệt, Hệ số làm lạnh, làm nóng > 4/17/2018 Air-conditioning: Cooling and Heating Modes The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu Clausius › Không thể chế tạo thiết bị hoạt động theo chu kỳ truyền nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao mà không tiêu tốn công › Cách hiểu khác: – Muốn truyền nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao cần tiêu tốn công 10 ... hoạt động theo chu kỳ mà nhận nhiệt từ nguồn nhiệt sinh công › Cách khác: – Khơng có động nhiệt có hiệu suất nhiệt 100% – Để động nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt. .. thể biến 100% nhiệt thành công – Không thể sinh công mà không thải phần nhiệt cho nguồn lạnh Ví dụ: Tính hiệu suất nhiệt động nhiệt theo thông số sơ đồ 4/17/2018 The Second Law of Thermodynamics: ... thiết bị động nhiệt, máy lạnh, hay bơm nhiệt – Một trình diễn cần tuân theo định luật 6. 2: Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoirs) › Nguồn nhiệt: – môi trường đủ lớn xung quanh hệ thống nhiệt mà