Chơng Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Bi giảng Vật lý đại cơng Tác giả: PGS TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Trờng ĐH Bách khoa H nội Đ1.Những hạn chế nguyên lý thứ I NĐLH ãKhông xác định chiều truyền tự nhiên củanhiệt: Nhiệt truyền tự nhiên từ vật nóng sang vật lạnh Không có trình tự nhiên ngợc lại ãKhông xác định chiều chuyển hoá tự nhiên lợng: Thế tự nhiên biến thnh động thnh nhiệt toả ra, Không có trình tự nhiên ngợc lại: Nhiệt Động Thế Tuy nhiên trình ngợc lại thoả mÃn nguyên lý thứ nhiệt động lực học ã Không đánh giá đợc chất lợng nhiệt ã Không phân biệt khác công v nhiệt Đ2 Quá trình thuận nghịch v trình không thuận nghịch Định nghĩa p A a Quá trình A->B ->A l thuận B nghịch trình ngợc B ->A V hệ qua trạng thái trung gian nh trình thuận A ->B; Suy ra: Hệ trở trạng thái cân ->QT thuận nghịch l QT cân ->Athuận= Anghịch, Qthuận= Qnghịch Hệ trở trạng thái ban đầu, môi trờng xung quanh không biến đổi b QT không thuận nghÞch: Sau thùc hiƯn QT thn vμ QT nghÞch đa hệ trạng thái ban đầu môi trờng xung quanh bị biến đổi Thí dụ: Quá trình giÃn đoạn nhiệt vô chậm: QTTN ãDao động lắc không ma sát có nhiệt độ nhiệt độ bên ngoi: QTTN B A Các trình không thuận nghịch ãCác trình có ma sát: Không TN ã Truyền nhiệt từ vật nóng-> vật lạnh: Không TN ãQT giÃn khí chân không: Không TN B A Đ3.Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học nguồn lạnh ã Mô tả tợng ! ã Có nguồn nhiệt ? ã Có phải l động ? ã Khi no chấm dứt hoạt động ? nguồn nóng Động nhiệt: Máy biến nhiệt thnh công: ĐC nớc, ĐC đốt Xilanh V1 Q1 T1 Nguồn nóng Pitông V2 Q2 T2 Nguồn lạnh Tác nhân: chÊt vËn chun (h¬i B¬m n−íc, khÝ ) biÕn nhiƯt thnh A' công: Tuần hon = Q1 Hiệu suất động nhiệt: Sau chu trình: U=-A+Q1-Q2=0 -> A= Q1-Q’2 , , Q A' Q − Q η= Q1 = Q1 =1− Q1 Ph¸t biĨu nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học a Phát biểu Clausius: Nhiệt tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng b Phát biểu Thompson: Một động sinh công, nã chØ trao ®ỉi nhiƯt víi mét ngn nhiƯt c ý nghĩa: Không thể chế tạo đợc động vĩnh cửu loại hai: lấy nhiệt từ nguồn (T thấp nh nớc biển) để sinh công Chất lợng nhiệt: T cng cao, chất lợng cng cao Đ4 Chu tr×nh Carnot Chu Tr×nh Carnot thuËn p T1 Q1 nghịch gồm trình TN: p1 p2 x GiÃn đẳng nhiệt: T1 =const, p4 p3 T Q2 1→2, nhËn Q1 tõ nguån nãng V1V4 V2 V3 v y GiÃn đoạn nhiệt:23, Nhiệt độ giảm T1 T2 z Nén đẳng nhiệt: T2 = const, 4, thải Q2 (lm nguội) { Nén đoạn nhiệt: 41, nhiệt độ tăng: T2 T1 Đ7 Hm entrôpi v nguyên lý tăng entrôpi Tích phân Clausius theo trình thuận nghịch: a Q Q Q δQ Chu tr×nh = =0 hay + =0 T ∫ 1a b1 T ∫ 1a T ∫ b1 QT thuËn δQ + − δQ =0 ∫2 T 12 T nghịch: 1a b Q Tích phân T Clausius theo 1x T b δQ δQ ∫ T = T 1a 1b trình thuận nghịch từ trạng thái không phụ thuộc vo trình biến đổi m phụ thuộc vo trạng thái đầu v trạng thái cuối trình Hμm entr«pi: δQ ∫ T = S2 − S1 = S 1x S1, S2 - giá trị tích phân Clausius trạng thái 1, S -Hm entrôpi hệ S l hm trạng thái vi phân ton phần: S Q Q S = S0 + ∫ dS = T T S0 S0=0 0K ã T/c cộng entrôpi Shệ=Tổng Scácphầnhệ Q Q Đối với trình T < T = S không thuận nghịch: 1a2 1b2 Tích phân Clausius theo trình không thuận nghịch từ trạng thái 12 nhỏ độ biến thiên entrôpi hệ trình Nguyên lý tăng entrôpi: Quá trình không thuận nghịch Q Q Q 0 T2 T1 ã Vật nhận nhiệt (2) phải có nhiệt T2 độ thấp hơn: T1>T2 Nguyên lý tăng entrôpi tơng đơng với nguyên lý nhiệt động lực học *Hiệu suất cực đại: Chu trình TN S2 + S1 = Δ Q ΔQ ΔQ1 nh¶ tõ nguån nãng → S1 = − =0 T2 T1 ΔQ2 nguån l¹nh nhËn → S2 T A ' = Δ Q1 − Δ Q ⇒ ηmax ⇒ ΔQ = ΔQ T1 T2 A' = = 1− Δ Q1 T1 Thut chÕt nhiƯt vị trơ vμ sai lÇm cđa nã: * Clausius coi vị trơ lμ hƯ cô lập v áp dụng nguyên lý cho ton vũ trụ: Khi S tăng đến cực đại vũ trụ trạng thái cân bằng-> chết Sai lầm Clausius: a áp dụng hệ cô lập trái đất cho ton vũ trụ vô hạn b Mâu thuẫn với ĐL bảo ton biến hoá lợng c Vũ trụ biến đổi không ngừng: Sao chết, mới, vùng nhiệt độ cao biến đổi entrôpi giảm d Những thăng giáng lớn vũ trụ (Boltzmann) c Không tính đến trờng hÊp dÉn vị trơ Thut vơ nỉ Big Bang: entr«pi tăng theo nguyên lý Độ biến thiên entrôpi khí lý tởng Q 1(p1V1T1)->2(p2V2T2)-> S = T a Quá tr đoạn nhiệt: Q = ⇒ ΔS = ⇒ S1 = S b Quá trình đẳng nhiệt: T = const Δ S = ∫ Q δQ = T T c Quá trình thuận nghịch bất kỳ: m dU = C V dT Nguyªn lý I: δQ = dU − δA μ m dV δA = − pdV = − RT μ V (2) m dT m dV ΔS = ∫ ( C V + R ) μ μ T V (1) T2 m V2 m ΔS = C V ln + R ln T1 μ V1 μ pVμ T= vμ mR R = C P − CV p V2 V2 m m ΔS = C V ln( ) + (C P − C V ) ln μ μ p1 V1 V1 p2 m V2 m ΔS = C V ln + C P ln μ p1 μ V1 V2 m ΔS = C P ln §èi víi trình đẳng áp: V1 p2 m Đối với trình đẳng tích: S = C V ln p1 Đồ thị entrôpi, tính Q: Bất kì T Đẳng nhiệt T 2 S2 Q = ∫ δQ = ∫ TdS S1 Q=T.ΔS S1 dS S2 S S1 S2 S ý nghÜa cña Nguyên lý NĐH II v entrôpi: ã Nhiệt truyền từ vật lạnh sang vật nóng Khi T1=T2 hệ cân trở trạng thái không cân Hệ không qua trạng thái lần ã Trạng thái vĩ mô = tổng hợp trạng thái vi mô Nhiều khả w-xác suất nhiệt động trạng thái vĩ mô Theo Boltzmann S=k.lnw; k- số Boltzmann ã entrôpi l hm trạng thái đặc trng cho mức độ hỗn loạn phân tử ã không đo trực tiếp đợc entrôpi ã T S : (Rắnlỏngkhí), ã Nếu T S : (Khílỏng rắn) ãTrong hệ cô lập S Khi S =0 hệ trạng thái cân Định lý Nernst Khi nhiệt độ tuyệt đối tiến tới 0, entrôpi cđa bÊt cø vËt nμo cịng tiÕn tíi 0: lim S = T TÝnh S cđa hƯ t¹i T: S = ∫ δQ T T →0 T c P (T )dT S= T Trong QT đẳng áp: Hệ Định lý Nernst T S12=Q/T1 S=S +S +ΔS +ΔS =0 12 23 34 41 T1 ΔS23 =ΔS41=0 Kh«ng thĨ cã QT 34 S Không thể đạt đợc 0K S34=Q/0? Đ8 Các hm nhiệt động Định nghĩa: Hm nhiệt động l hm trạng thái, m trạng thái thay đổi vi ph©n cđa nã lμ vi ph©n toμn chØnh a Hm nội U(S,V) dU = Q + A = δQ − δA' Tõ Ng.lý I: dU = TdS - pdV ⇒ U = U(S, V) NÕu S=const, V=const th× U=const ∂U ∂U dU = ( ) V dS + ( ) S dV LÊy vi ph©n U cã ∂S V thể tính đại U U lợng khác: ⇒ T = ( ) V & p = ( )S ∂S ∂V ... minh ηI = ? ?II: ηI = − , Q2I Q1I , Q II A'' II A'' I = vμ ? ?II = − = QI Q 1II Q II T1nãng I II Lạnh T2 Ghép hai động với nhau, động II chạy theo chiều ngợc: nhận công AII từ động I, nhận nhiệt từ nguồn... nâng cao HS động nhiệt: Tăng T (T1&T2); Giảm ma sát d Chất lợng nguồn nhiệt: Nguồn nhiệt có nhiệt độ cao chất lợng tốt Đ6 Biểu thức định lợng (Toán học) nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Đối... biến thnh động thnh nhiệt toả ra, Không có trình tự nhiên ngợc lại: Nhiệt Động Thế Tuy nhiên trình ngợc lại thoả mÃn nguyên lý thứ nhiệt động lực học ã Không đánh giá đợc chất lợng nhiệt ã Không