nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và entrôpi

Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 1 MỤC LỤC PHẦN A: PHẦN MỞ ĐẦU 2 I. Lý do chọn đề tài 2 II. Mục đích nghiên cứu 2 III. Đối tượng nghiên cứu 3 IV. Nhiệm vụ nghiên cứu 3 V. Phương pháp nghiên cứu 3 VI. Bố cục của bài tập lớn 3 PHẦN B: PHẦN NỘI DUNG 4 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 4 1.1. Hai cách phát biểu tương đương của nguyên lí II 4 1.2. Nguyên lí thứ 2 đối với chu trình Carnot - Định lí Carnot 6 1.3. Nhiệt giai nhiệt động lực học tuyệt đối 8 1.4. Phương trình Claypeyron – Clausius 10 1.5. Sự phụ thuộc của suất căng mặt ngoài vào nhiệt độ 12 1.6. Entropi 14 CHƯƠNG II: BÀI TẬP MINH HỌA 18 PHẦN C: PHẦN KẾT LUẬN 24 PHẦN D: TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 2 PHẦN A: PHẦN MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Khi mà tri thức của loài người ngày càng rộng lớn, với nhiều vấn đề đòi hỏi chúng ta phải tìm hiểu và giải quyết thì môn Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê đã ra đời. Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê là những phần quan trọng của Vật lí học, đối tượng của hai môn này gần như giống nhau, nhưng phương pháp nghiên cứu thì lại khác hẳn. Dựa vào nguyên lí I của Nhiệt động lực học nó xem xét đặc điểm của một số quá trình Nhiệt động lực học. Nguyên lí I không xem xét vấn đề chiều diễn biến của quá trình. Có nhiều quá trình có thể xảy ra theo một chiều và cả chiều ngược lại mà vẫn tuân theo nguyên lí I. Như vậy nguyên lí thứ II Nhiệt động lực học là kết quả khái quát hóa các dữ kiện thực nghiệm, đó là định luật về chiều diễn biến của quá trình trong đó có sự trao đổi nhiệt và công. Xuất phát từ nhận thức và suy nghĩ đó, và mong muốn góp phần làm phong phú hơn nữa các tài liệu môn học này để các sinh viên chuyên nghành Vật lí và mọi người quan tâm xem đây như một tài liệu tham đó là lí do để tôi chọn đề tài “Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entrôpi”. Trong khuôn khổ giới hạn của một bài tập lớn, đề tài chỉ dừng lại ở việc nêu ra khái quát cơ sở lí thuyết và các dạng bài tập liên quan đến đề tài nghiên cứu. II. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng một hệ thống lý thuyết và bài tập minh họa về Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entrôpi đồng thời làm phong phú thêm tư liệu học tập. Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 3 III. Đối tượng nghiên cứu Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entrôpi. IV. Nhiệm vụ nghiên cứu Sưu tầm và chọn tài liệu tham khảo thích hợp. Nghiên cứu và nêu bật được các vấn đề của Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entrôpi. V. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu và phân tích các tài liệu giáo khoa, các lý thuyết có liên quan. Phương pháp nghiên cứu lý luận. Phương pháp tổng hợp thu thập tài liệu. VI. Bố cục của bài tập lớn Ngoài phần mở đầu, kết luận, các tài liệu tham khảo bài tập lớn gồm 2 phần: Phần 1: Cơ sở lí thuyết Phần 2: Bài tập minh họa Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 4 PHẦN B: PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. Hai cách phát biểu tương đương của nguyên lí II Phát biểu của Clausius một cách đầy đủ hơn như sau: “Không thể thực hiện được quá trình truyền toàn bộ một nhiệt lượng dương từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn mà đồng thời không có biến đổi nào đó trong các vật ấy hoặc trong môi trường xung quanh” Phát biểu của Thomson: “Không thể chế tạo được động cơ hoạt động tuần hoàn, biến đổi liên tục nhiệt thành công, chỉ bằng cách làm lạnh một vật mà đồng thời không xảy ra một biến đổi nào đó trong hệ đó hoặc trong môi trường xung quanh” nói tóm tắt là “Không thể có động cơ vĩnh cửu loại II” Hai cách phát biểu của Clausius (C) và của Thomson (T) là tương đương với nhau. Nghĩa là nếu một phát biểu đúng thì cả hai đều đúng và một phát biểu sai thì cả hai đều sai. Ta chỉ cần chứng minh mệnh đề sau: Mệnh đề sau gồm hai ý: nếu (C) sai thì (T) sai, nếu (t) sai thì (C) sai. Lần lượt chứng minh hai ý trên ta có: Nếu (C) sai thì (T) có thể thực hiện được quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật lớn hơn mà không gây nên biến đổi nào đó trong các vật và môi trường xung quanh, ta gọi thiết bị để thực hiện quá trình đó là máy lạnh lí tưởng, kí hiệu là  . Nếu (T) sai thì có thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại II, kí hiệu  . Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 5 Hình 1 Hình 2 Xét hai nguồn nhiệt, có nhiệt độ lần lượt là 1 T và 2 T ( 1 T > 2 T ), dùng hai nguồn đó làm nguồn nóng và nguồn lạnh. Nếu (C) sai thì có máy lạnh lí tưởng, ta cho máy này truyền một nhiệt lượng 1 Q từ 2 T sang 1 T đồng thời cho động cơ nhiệt (kí hiệu là  ) nhận một nhiệt lượng đúng bằng 1 Q của nguồn nóng . Động cơ sẽ nhả nhiệt 2 1 Q Q   cho nguồn lạnh và sinh công dương. 1 2 A Q Q    . Xem hình 1. Xét hệ gồm    : Hệ này nhận nhiệt lượng 1 2 Q Q   của nguồn lạnh sinh công 1 2 A Q Q    và không tạo nên biến đổi gì ở nguồn nóng, đó là một động cơ vĩnh cửu loại II là sự vi phạm (T).      , rõ ràng là nếu (C) sai thì (T) sai. Bây giờ chúng ta xét giả thiết (T) sai tức là tồn tại  . Cho một máy lạnh, tức là cho một động cơ nhiệt  hoạt động theo chiều ngược, máy nhận nhiệt lượng 2 Q  của nguồn lạnh và công A rồi nhả nhiệt lượng 1 2 Q Q A    cho nguồn nóng. Công A được cung cấp bởi một động cơ vĩnh cửa loại II  , 1 2 Q Q   động cơ này nhận nhiệt lượng 1 2 Q Q   chỉ của một nguồn lạnh. Xem hình 2. Xét hệ gồm    : hệ này nhận nhiệt lượng   2 1 2 1 Q Q Q Q      từ nguồn lạnh và truyền Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 6 Hình 3 cho nguồn nóng nhiệt lượng 1 Q mà không làm biến đổi gì đến hệ và môi trường xung quanh, đó là máy lạnh lí tưởng:     . Máy lạnh lí tưởng vi phạm (C). Như vậy (C) sai kéo theo (T) sai. 1.2. Nguyên lí thứ 2 đối với chu trình Carnot - Định lí Carnot Chu trình Carnot (Carno) là một chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt xen kẽ nhau. Chu trình là thuận nghịch và được biểu diễn trên giản đồ P. V. Bây giờ ta đi tìm hiệu suất  của chu trình Carnot thuận nghịch với tác nhân là khí lí tưởng. 2 1 1 T T T    . (1) Ta có thể dựa vào nguyên lí II để chứng minh định lí Carnot sau đây: a) Hiệu suất của chu trình Carnot không phụ thuộc vào tác nhân. b) Hiệu suất của chu trình thuận nghịch sẽ lớn hơn hiệu suất chu trình không thuận nghịch hoạt động với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh. Xét động cơ nhiệt loại I hoạt động theo chu trình Carnot với tác nhân là khí lí tưởng có hiệu suất: 1 2 1 Q Q Q    , trong đó 1 Q là nhiệt lượng nhận của nguồn nóng, 2 Q là nhiệt nhả ra cho nguồn lạnh. Ta lại xét một động cơ nhiệt loại II khác có tác nhân là một vật bất kì từ nguồn nóng cùng một nhiệt lượng 1 Q và có hiệu suất 1 2 Q Q   . Ghép hai động cơ Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 7 lại cho hoạt động cùng nguồn nóng và nguồn lạnh, động cơ I theo chiều thuận, động cơ II theo chiều ngược. Kết quả là 2 động cơ này nhận của nguồn lạnh nhiệt lượng 2 2 Q Q   , không trao đổi nhiệt với nguồn nóng. Theo nguyên lí thứ II thì động cơ ghép không thể sinh công, tức là không nhận nhiệt, ta có: 2 2 Q Q 0    . (2) Cho động cơ I chạy theo chiều ngược và động cơ II chạy theo chiều thuận, lí luận như trên cho ta kết quả 2 2 Q Q 0    hay là: 2 2 Q Q 0    . (3) Đổi chiều (2) và (3) ta thấy rằng 2 2 Q Q 0    . Từ đó suy ra:     , (4) đó là nội dung phần đầu của định lí Carnot. Xét hai động cơ hoạt động cùng nguồn nóng và nguồn lạnh: Động cơ I thuận nghịch có hiệu suất: 1 2t 1 1 Q Q Q    . (5) Động cơ II không thuận nghịch có hiệu suất: 1 2kt 2 1 Q Q Q    . (6) Như vậy, bây giờ ta không có bất đẳng thức (2) mà chỉ có bất đẳng thức (3). 2t 2kt Q Q  , từ đó suy ra: 1 2    . (7) Nếu ta chọn động cơ I hoạt động theo chu trình Carnot thì theo (1) ta có: Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 8 2 1 1 T T T    . Thay vào (5), ta có: 1 2 2 1 1 1 Q Q T T Q T    . (8) Công thức (8) chính là cách phát biểu định lượng nguyên lí thứ II đối với một chu trình bất kì hoạt động giữa hai nguồn nhiệt có nhiệt độ 1 T , và 2 T . Áp dụng (8) để xét hiện tượng truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ 1 T sang vật có nhiệt độ 2 T . Nếu chỉ đơn thuần có hiện tượng truyền nhiệt thì quá trình này là không thuận nghịch và 1 2 Q Q  . Thay vào (8) ta có: 2 1 1 T T 0 T   , hay là 1 2 T T  , tức là vật cho nhiệt có nhiệt độ lớn hơn vật nhận nhiệt. 1.3. Nhiệt giai nhiệt động lực học tuyệt đối Trên cơ sở nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học ta có thể xác định được một nhiệt giai không phụ thuộc vào chất của vật nhiệt biểu. Từ (8) ta có thể suy ra: 2 2 1 1 Q T 1 1 Q T    , hay là 2 2 1 1 Q T Q T  . Và đối với quá trình thuận nghịch thì: 2 2 1 1 Q T Q T  . Giả sử rằng ta thực hiện những chu trình Carnot với một tác nhân bất kì trong các khoảng nhiệt độ khác nhau giữa các nhiệt độ 1 2 3 n T , T , T , T . Gọi nhiệt lượng Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 9 Hình 4 mà tác nhân trao đổi với các nguồn ở các nhiệt độ 1 2 3 n T , T , T , T lần lượt là 1 2 3 n Q , Q , Q , Q . Áp dụng nguyên lí thứ hai cho từng chu trình. Đối với chu trình thứ nhất, hoạt động giữa hai nguồn nhiệt 1 T và 2 T ta có: 1 1 2 2 Q T Q T  . (9) Đối với nguồn nhiệt thứ hai, hoạt động giữa hai nguồn nhiệt 2 T và 3 T ta có: 2 2 3 3 Q T Q T  . (10) Cũng tương tự như vậy đối với chu trình tiếp theo ta có: 3 3 4 4 Q T Q T  . (11) Kết hợp các đẳng thức (9), (10), (11) và các đẳng thức tương tự ta có: 1 2 3 n 1 2 3 n Q : Q : Q : : Q T : T : T : : T  (12) Từ đó ta có thể suy ra kết luận quan trọng sau đây: nhiệt độ của các vật có thể đo được bằng các phương pháp nhiệt lượng tương ứng; bởi vì nhiệt lượng không phụ thuộc rõ vào bản chất của tác nhân, cho nên những nhiệt độ đo được bằng cách này không phụ thuộc vào bản chất chất làm tác nhân. Nhiệt độ T xác định được theo (12) gọi là nhiệt độ nhiệt động lực học. Nhiệt giai nhiệt động lực học trùng với nhiệt giai xác định bằng nhệt biểu khí lí tưởng. Thực vậy khi chứng minh (9) ta đã dựa trên cơ sở tính công và nhiệt của khí lí tưởng thực hiện theo chu trình Carnot. Các nhiệt độ T trong (9) , và do đó trong (12), thì cũng trùng với nhiệt độ T Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 10 Hình 5 của nhiệt giai xác định bằng nhiệt biểu của khí lí tưởng chính là nhiệt giai tuyệt đối. Vì vậy ta còn gọi nhiệt độ xác định bởi (12) là nhiệt độ nhiệt động lực học tuyệt đối. Nếu ta thực hiện chu trình Carnot thuận nghịch giữa hai nguồn nhiệt có nhiệt độ 1 T và 2 T thì theo nguyên lí thứ hai hiệu suất của chu trình có giá trị: 1 2 2 T T T    . Hiệu suất này không thể lớn hơn 1, cho nên: 1 2 2 T T 1 T   hay là 2 1 T 0 T  . (13) Nghĩa là nếu 1 T dương thì 2 T cũng dương hoặc là bằn không. Không có giá trị nào của nhiệt độ nhiệt động lực học là âm. 1.4. Phương trình Claypeyron – Clausius Xét một chất, có khối lượng bằng đơn vị, ở nhiệt độ T. Gọi p là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, áp suất này có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ p(V). Nếu áp suất tác dụng vào mặt thoáng của chất lỏng đúng bằng áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T thì chất lỏng sôi: T là nhiệt độ chất lỏng dưới áp suất p. Bây giờ ta vẽ đường đẳng nhiệt đối với một đơn vị khối lượng chất đang xét, xem hình 5 ứng với nhiệt độ T. Đó là [...]... liệu khác nhau của môn Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê Đặc biệt là phần Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entropi, từ đó tìm hiêu sâu hơn về phần này và các giải các bài toán liên quan Nó giúp em hiểu được và định hình về việc giải những bài tập và lí thuyết có liên quan, mặt khác qua đó nắm một các tổng quát các dạng toán của Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entropi Do thời... đoạn nhiệt, 2  3 : nén đẳng nhiệt, 3  4 : giãn đoạn nhiệt, 4  1 : giãn đẳng nhiệt Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 22 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương Hình 10 (b) Như hình biểu diễn 1  2 : nén đoạn nhiệt Entrôpi được bảo toàn 2  3 : nén đẳng nhiệt Nếu tác nhân là khí lí tưởng thì Entanpi được bảo toàn 3  4 : giãn đoạn nhiệt Entrôpi. ..  Nhiệt lượng Q1 nhận được của nguồn nóng ở nhiệt độ T, trên đường thẳng đoạn nhiệt A1A 2 của chu trình thì bằng ẩn nhiệt hóa hơi  của chất lỏng: Q1   Hiệu suất của chu trình theo định nghĩa:  A V  V1  dp h Q1  (14) Theo định lí Carnot hiệu suất bằng:  T   T  dT  dT  T T (15) Từ (14) và (15) suy ra: Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 11 Học phần: Nhiệt động lực. .. trình đó entrôpi luôn tăng lên trong các hệ cô lập Như vậy, nguyên lí hai chỉ rõ phương hướng của các quá trình tự nhiên: quá trình tự nhiên trong các hệ cô lập (kín) xảy ra theo chiều tăng entrôpi Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 17 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương CHƯƠNG II: BÀI TẬP MINH HỌA Câu 1: Một động cơ Carnot hoạt động theo... nhiệt, nhiệt độ của màng giảm dT còn suất căng mặt ngoài tăng d Quá trình đoạn nhiệt biểu diễn đoạn đường BC rất ngắn Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 12 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương Sau đó cho màng giảm diện tích đẳng nhiệt, ở nhiệt độ T  dT , đến trạng thái biểu diễn bởi điểm D, sao cho D cùng nằm trên một đường thẳng đoạn nhiệt. .. mol khí lí tưởng, ta có: dS  δQ dU  pdV 1    C vdT  pdV  T T T Lấy tích phân hai vế ta có: S C vdT  pdV T Thay các biểu thức của T và dT rút ra từ phương trình pV  RT T pV 1 , dT   pdV  Vdp  , R R Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 21 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê vào S   GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương C v dT  pdV ta được: T S C v  pdV  Vdp... cách phát biểu nguyên lí hai nhiệt động lực học Định luật tăng entrôpi Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 16 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương cho ta khả năng đặc trưng entrôpi như là thước đo tính bất thuận nghịch của các quá trình trong hệ cô lập, đó chính là ý nghĩa Vật lí của entrôpi Bởi vì tất cả các quá trình tự nhiên, tự phát đều xảy... V2  V1 Từ hai phương trình trên ta suy ra:  V2 W V1  W ln V2 V1 ln Sau đó ta dùng phương trình đoạn nhiệt: 4To V2γ-1 =To V3γ-1 , và: Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 18 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương  4To V2 γ-1 =To V3γ-1 Ta thu được: 1 W 3  1      W 3  1   1 Đối với khí đơn nguyên tử   5 / 3 ; và đối với... này theo p1 , p2 b) Đâu là nhiệt độ cao nhất, thấp nhất trong các nhiệt độ Ta , Tb , Tc , Td ? Hình 9 Lời giải: a) Trong một chu trình, năng lượng mà tác nhân nhận từ nguồn nhiệt độ cao là: Q ht  c p  Tb  Ta  Năng lượng nhả cho nguồn có nhiệt độ thấp là: Q nh  cp  Tc  Td  Do đó: Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 20 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê  1 GVHD:... chứng minh Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 14 Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th s Lê Thị Thu Phương Q không phụ thuộc vào dạng của đường lấy tích phân, vì T vậy biểu thức dưới dấu tích phân, là một vi phân toàn phần, mà ta gọi là dS: Tích phân đường  Q  T  dS, như vậy thì: B Q B  T  A dS  SB  SA  A (24) Đại lượng S mới được đưa vào gọi là etrôpi, . Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 3 III. Đối tượng nghiên cứu Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và Entrôpi. IV. Nhiệm vụ nghiên cứu Sưu tầm và chọn tài liệu. nguyên lí hai nhiệt động lực học. Định luật tăng entrôpi Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi. Ghép hai động cơ Học phần: Nhiệt động lực học và Vật lí thống kê GVHD: Th. s Lê Thị Thu Phương Đề tài: Nguyên lí thứ hai Nhiệt động lực học và Entropi 7 lại cho hoạt động cùng nguồn nóng và