Bài giảng vật lý đại cương A1- chuyên đề nguyên lý II nhiệt động học

• Trình bày được nguyên lí làm việc của động cơ nhiệt, máy làm lạnh.. II – NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II:Phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt động không thể tạo công nếu chỉ tiếp xúc với một nguồ

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A1

Chủ đề:

NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG HỌC

MỤC TIÊU

Sau khi học xong bài này, SV phải:

• Nêu được các hạn chế của nguyên lí I.

• Nêu được nội dung của nguyên lí II

• Nêu được chu trình và định lí Carnot.

• Trình bày được nguyên lí làm việc của

động cơ nhiệt, máy làm lạnh.

• Tính được hiệu suất các chu trình.

• Viết được các biểu thức định lượng

của nguyên lí II.

• Nêu được nguyên lí tăng entropy, ý

nghĩa của entropy.

II – NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II:

Phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt động không thể tạo công nếu chỉ tiếp xúc với một nguồn nhiệt duy nhất.

(3) (4)

Chu trình Carnot thuận

(1) – (2); (3) – (4): đẳng nhiệt

(2) – (3); (4) – (1): đoạn nhiệt

Qúa trình dãn đẳng nhiệt 12: Tác nhân

nhận Q1 từ nguồn nóng T1 và sinh công.

Qúa trình dãn đoạn nhiệt 23: Tác nhân sinh công và giảm nhiệt độ xuống tới nhiệt

độ T2 của nguồn lạnh.

Qúa trình nén đẳng nhiệt 34: Tác nhân nhận công và tỏa nhiệt Q2’ cho nguồn lạnh nhiệt độ T2.

Qúa trình nén đoạn nhiệt 41: Tác nhân nhận công và trở lại trạng thái ban đầu.

 Toàn bộ chu trình: Tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 của nguồn nóng, nhả nhiệt

lượng Q ’

2 cho nguồn lạnh và sinh công A ’ (A ’ > 0 và có giá trị bằng diện tích của chu trình).

(3) (4)

Chu trình Carnot thuận

Định lí Carnot:

(1) – (2); (3) – (4): đẳng nhiệt

(2) – (3); (4) – (1): đoạn nhiệt

3 2

III – ĐỊNH LÍ CARNOT:

3 – Nguyên lí làm việc của máy làm lạnh:

2 CN

(2)

(1) (4)

 

III – ĐỊNH LÍ CARNOT:

Ví dụ:

Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Carnot,

có công suất 100 mã lực Nhiệt độ của nguồn nóng là 100 0 C, nguồn lạnh là 0 0 C Tính:

a)Hiệu suất của động cơ.

b)Nhiệt lượng mà tác nhân nhận trong 1 phút.

c)Nhiệt lượng mà tác nhân nhả cho nguồn lạnh trong 1 phút.

ĐS: a) 27%; b) 16500kJ; c) 12000kJ

III – ĐỊNH LÍ CARNOT:

Ví dụ:

% 27

Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Carnot, có công suất 100 mã

lực Nhiệt độ của nguồn nóng là 100 0 C, nguồn lạnh là 0 0 C Tính:

a) Hiệu suất của động cơ:

b) Nhiệt lượng mà tác nhân nhận trong 1 phút:

Trong 1s, động cơ sinh công bằng công suất đã cho  nhiệt lượng mà tác nhân nhận được từ nguồn nóng Q 1  Nhiệt lượng nhận được trong 1 phút là Qn

kJ Q

t

Q H

A

27 0

7457

0

100

60 1

'

1       

III – ĐỊNH LÍ CARNOT:

Ví dụ:

Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Carnot, có công suất 100 mã

lực Nhiệt độ của nguồn nóng là 100 0 C, nguồn lạnh là 0 0 C Tính:

c) Nhiệt lượng mà tác nhân nhả trong 1 phút:

Trong 1s, tác nhân nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q ’

 Nhiệt lượng nhả trong 1 phút là Q 2

kJ

A H

A Q

t Q

A Q

Q

12000 7457

0

100 27

0

7457

0

100 60

60

' '

2

' 1

IV – BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NL II:

Q

0



IV – BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NL II:

Q

0



Clausius , hay biểu thức định lượng của nguyên lí

II Trong đó dấu “=“ ứng với chu trình thuận nghịch

V – ENTROPY:

1 – Khái niệm về Entropy:

(3) chứng tỏ: tổng nhiệt lượng rút gọn của hệ trong quá trình biến đổi thuận nghịch từ trạng thái này sang trạng thái kia không phụ thuộc vào quá trình biến đổi, mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ Đó là tính chất THẾ

của các quá trình nhiệt động Từ đó ta có thể tìm được một hàm thế S , gọi là hàm trạng thái hay entropy , sao cho:

V – ENTROPY:

2 – Các tính chất của Entropy:

- Là hàm đặc trưng cho trạng thái, không phụ

Với S 0 là entropy tại trạng thái gốc.

Qui ước S 0 = 0 tại 0 0 K.

V – ENTROPY:

3 – Biểu thức định lượng của NL II với entropy:

- Xét một chu trình bất thuận nghịch gồm hai quá

V – ENTROPY:

4 – Nguyên lý tăng entropy:

Trong một hệ cô lập, ta có:

Với các quá trình thuận nghịch:

Nguyên lý tăng entropy : Trên thực tế, mọi quá trình nhiệt động xảy ra trong một hệ cô lập luôn theo chiều hướng sao cho entropy của hệ tăng lên.

Hệ quả:

Hệ cô lập không thể 2 lần cùng đi qua một trạng thái.

Hệ cô lập ở trạng thái cân bằng sẽ kết thúc mọi quá trình biến đổi Khi đó entropy của hệ đạt cực đại.

V – ENTROPY:

5 – Ý nghĩa thống kê của entropy và nguyên lý II:

X ét một hệ cô lập gồm 2 vật có T1 và T2 trao đổi nhiệt với nhau Giả thiết vật 2 nhận nhiệt lượng Q2  vật 1 nhả nhiệt lượng Q2 (hay vật 1 nhận nhiệt lượng Q1 = - Q2)

2 1

2

1 2

2 2

2 1

2 2

2 1

1 2

1

0 ,

0

1 1

T T

Q dS

T T

Q T

Q T

Q T

Q T

Q dS

dS dS

Một hệ cô lập: vật nhận nhiệt (vật 2) phải có nhiệt độ thấp hơn vật nhả nhiệt (vật 1)

 chiều truyền nhiệt: nóng  lạnh

Qúa trình trao đổi nhiệt kết thúc khi nhiệt độ 2 vật bằng nhau: Entropi của hệ cực đại thì dS = 0: hệ ở trạng thái cân bằng.

V – ENTROPY:

5 – Ý nghĩa thống kê của entropy và nguyên lý II:

Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ Khi entropy giảm (ví dụ được làm lạnh) thì tính hỗn loạn của các phân tử cũng giảm, tính trật tự tăng lên và ngược lại.

Nguyên lý II cho thấy: nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng và entropy của hệ cô lập không thể giảm Nói cách khác, hệ luôn có xu hướng biến đổi từ trạng thái không cân bằng về trạng thái cân bằng và khi về đến trạng thái cân bằng rồi, nó không thể tự động trở lại trạng thái không cân bằng

Nguyên lý II chỉ áp dụng cho hệ vĩ mô gồm một số rất lớn các phân tử (vì khi đó ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của những thăng giáng).