bai giang nhiet hoc 3 nguyen ly 2 nhiet dong hoc

NỘI DUNG  CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I  NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II  BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II  ENTROPY CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I  Thực tế tạo động nhiệt làm việc với nguồn nhiệt: nhận nguồn nóng nhiệt lượng Q1 trả bớt cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q2 đồng thời tạo công A  Vậy, hệ muốn sinh cơng phải tiếp xúc với nguồn nhiệt; nhiệt lượng Q cung cấp cho động biến hồn tồn thành cơng A CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II ĐỘNG CƠ NHIỆT  Động nhiệt: thiết bị biến NHIỆT thành CƠNG Nguồn nóng T1 truyền cho chất mơi nhiệt lượng Q1 Chất môi (tác nhân) giãn nở sinh công A’ trả cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q’2 ĐỘNG CƠ NHIỆT  Hiệu suất động nhiệt:  Trong A’ cơng sinh Q1 nhiệt lượng mà tác nhân nhận nguồn nóng  Vì A’ ln nhỏ Q1 nên hiệu suất động nhỏ 100%  Các động nhiệt thường có hiệu suất từ 10% đến 40%  Theo định luật bảo toàn lượng, ta có A’ = Q1 – Q2 = Q1 – |Q2| = Q1 + Q2 ĐỘNG CƠ NHIỆT  Chu trình Carnot  Động nhiệt hoạt động tuần hồn theo chu trình thiết kế sẵn  Một chu trình lý tưởng chu trình Carnot (Sadi Carnot) kỹ sư người Pháp đưa năm 1824  Đây chu trình thuận nghịch, gồm q trình liên tiếp: • Q trình giãn khí đẳng nhiệt 1-2 • Q trình giãn khí đoạn nhiệt 2-3 • Q trình giãn khí đẳng nhiệt 3-4 • Q trình giãn khí đoạn nhiệt 4-1 • Q trình giãn khí đẳng nhiệt 1-2: Hệ nhận nguồn nóng T1 nhiệt lượng Q1 để giãn khí từ trạng thái (1) đến trạng thái (2), đồng thời cung cấp cho mơi trường ngồi cơng A1 • Q trình giãn khí đoạn nhiệt 2-3: Hệ tiếp tục giãn khí đoạn nhiệt từ nhiệt độ T1 sang T2 để giãn khí từ trạng thái (2) đến trạng thái (3) cung cấp cho mơi trường ngồi cơng A2 • Q trình nén khí đẳng nhiệt 3-4: Hệ nhận cơng A3 , nén khí từ trạng thái (3) (4) trả cho nguồn lạnh T2 nhiệt lượng Q2 • Q trình nén khí đoạn nhiệt 4-1: Hệ tiếp tục nhận cơng A4 , nén khí từ trạng thái (4) trạng thái đầu (1) ĐỘNG CƠ NHIỆT Chu trình Carnot thuận MÁY LÀM LẠNH Một tủ lạnh hoạt động theo chu trình Carnot nghịch, lấy nhiệt nguồn lạnh có nhiệt độ 00C nhả cho nguồn nóng nhiệt độ 300C Tính hệ số làm lạnh tủ lạnh điện cần thiết để làm đông 4kg nước từ 200C Biết nhiệt dung riêng nước c = 4200J/kgK, nhiệt nóng chảy nước đá L = 3,35.105 J/kg, bỏ qua mát lượng khác Giải Hệ số làm lạnh tủ lạnh:   T2  273   9,1 T1  T2 (40  273)  (0  273) Nhiệt lượng tỏa 4kg nước giảm nhiệt độ từ 200C xuống 00C: Q1 = c.m.t = 4200.4.20 = 340000 J = 340 kJ Nhiệt lượng tỏa 4kg nước đá đơng đặc hồn tồn 00C: Q2 = L.m = 3,35.105.4 = 13.105 J = 1300 kJ Nhiệt lượng tổng cộng mà tủ lạnh cần lấy từ nguồn lạnh là: Q = Q1 + Q2 = 340 + 1300 = 1640 kJ Công cần thiết cung cấp cho tác nhân hoạt động là: A  Q 1640   180kJ  9,1 Vậy điện cần thiết cho tủ lạnh làm việc W = A = 180kJ BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II  Xét động nhiệt họat động theo chu trình Carnot Hiệu suất động tính theo Q2 T2 1  H=1+ Q1 T1 Q2 T2 Q1 Q2 Suy ra:  hay  0 Q1 T1 T1 T2 Qi Q Gọi nhiệt lượng rút gọn, ta có: 0  Ti T động nhiệt chạy theo chu trình Carnot thuận nghịch tổng nhiệt lượng rút gọn chu trình khơng BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II  Đối với động bất thuận nghịch hiệu suất nhỏ động thuận nghịch Q2 T2 Q2 T2 Q1 Q2 ta có: H = +   Suy  hay  0 Q1 T1 Q1 T1 T1 T2 Hay Qi T 0 i BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II Đối với chu trình bất kì, ta coi hệ tiếp xúc với vơ số nguồn nhiệt có nhiệt độ T biến thiên liên tục; trình tiếp xúc với nguồn nhiệt trình vi phân, hệ nhận nhiệt Q Tổng nhiệt lượng rút gọn chu trình biến đổi hệ nhiệt động lớn không Biểu thức bên gọi bất đẳng thức Clausius – biểu thức định lượng nguyên lý II Trong đó, dấu “=” ứng với chu trình thuận nghịch ENTROPY  Xét trình biến đổi thuận nghịch hệ nhiệt động từ trạng thái đầu A sang trạng cuối B theo hai đường khác nhau, giả sử đường A-a-B đường A-b-B  Để áp dụng bất đẳng thức Clausius, ta tưởng tưởng có đường thứ ba (c) đưa hệ từ trạng thái cuối B trạng thái đầu A ENTROPY ENTROPY  Entropy hàm đặc trưng cho trạng thái hệ Giá trị entropy phụ thuộc vào trạng thái hệ, khơng phụ thuộc vào q trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái khác  Entropy có tính cộng  Entropy khơng xác định đơn sai số cộng:  Trong So giá trị entropy trạng thái gốc; qui ước So = trạng thái T = (K) Khi S đơn trị  Trong hệ SI, entropy có đơn vị jun kenvin (J/K) ENTROPY ENTROPY  Độ biến thiên entropy hệ trình biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) tính cơng thức: (2) Nếu q trình đoạn nhiệt thì: S  Q =0 T (1)  ( 2) Q S    T T (1) Nếu trình đẳng nhiệt thì: ( 2) Q Nếu q trình đẳng tích thì: S    T (1) ( 2) Q Nếu trình đẳng áp thì: S    T (1) Q  Q  T (1) (2) nC V dT T2  nC ln( ) V (1) T T1 ( 2)  (2) (1) nC p dT T  nC p ln( T2 ) T1 ENTROPY Nhiệt dung riêng nước C = 4200J/kg.K Tính độ biến thiên entropy 10kg nước đun nóng từ 100C đến 1000C Giải (2) (2) T2 Q CmdT dT T2 Độ biến thiên entropy: S     Cm  Cm.ln( ) T (1) T T T1 (1) T1 100  273 Thay số: S  4200.10.ln( ) 12000 J / K 12 kJ / K 10  273 ENTROPY Cho 100g nước đá 00C vào 400g nước 300C bình có cách nhiệt lý tưởng Tính độ biến thiên entropy hệ q trình trao đổi nhiệt Biết nhiệt nóng chảy nước đá 00C  = 80kcal/kg, nhiệt dung riêng nước 1kcal/kg.độ Giải Gọi: m1 = 100g = 0,1kg khối lượng nước đá m2 = 400g = 0,4kg khối lượng nước T nhiệt độ lúc sau hệ, cân nhiệt Vì phần nước đá m1 nhận nhiệt Q1 để tan thành nước, sau nhận nhiệt Q2 để nóng lên; cịn phần nước m2 tỏa nhiệt Q3 lạnh Hệ cách nhiệt với bên nên tổng nhiệt lượng trao đổi phần phải khơng Ta có phương trình cân nhiệt: Q  Q  Q  hay m 1  Cm (TC  0)  Cm (TC  30)  ENTROPY Suy ra, nhiệt độ hệ lúc sau là: 30Cm  m1 30.1.0,  80.0,1   C  281K C(m1  m ) 1.(0,1  0, 4) TC  Độ biến thiên entropy hệ trình trao đổi nhiệt: T T Q1 C Q C Q S  S1  S2  S3    T1 T1 T T2 T Trong T1 = 00C = 273K; T2 = 300C = 303K; TC = 28K Lấy tích phân: 281 281 m1 Cm1dT Cm dT m1 281 281 S       Cm1 ln( )  Cm ln( ) 273 273 T T 273 273 303 303 Thay số: C = 1kcal/kg.độ = 4200 J/kg.độ;  = 80kcal/kg = 80.4200 J/kg S  80.4200.0,1 281 281  4200.0,1.ln( )  4200.0, 4.ln( ) = 8,6 J/K 273 273 303 ... S2  S3    T1 T1 T T? ?2 T Trong T1 = 00C = 27 3K; T2 = 30 0C = 30 3K; TC = 28 K Lấy tích phân: 28 1 28 1 m1 Cm1dT Cm dT m1 28 1 28 1 S       Cm1 ln( )  Cm ln( ) 2 73 2 73 T T 2 73 2 73 3 03. .. 2 73 T T 2 73 2 73 3 03 3 03 Thay số: C = 1kcal/kg.độ = 420 0 J/kg.độ;  = 80kcal/kg = 80. 420 0 J/kg S  80. 420 0.0,1 28 1 28 1  420 0.0,1.ln( )  420 0.0, 4.ln( ) = 8,6 J/K 2 73 2 73 3 03 ... số làm lạnh tủ lạnh:   T2  2 73   9,1 T1  T2 (40  2 73)  (0  2 73) Nhiệt lượng tỏa 4kg nước giảm nhiệt độ từ 20 0C xuống 00C: Q1 = c.m.t = 420 0.4 .20 = 34 0000 J = 34 0 kJ Nhiệt lượng tỏa 4kg