Bài giảng Nhiệt động lực học

Bài giảng Nhiệt động lực học Chương 3 trình bày về Nguyên lý II nhiệt động lực học nội dung cụ thể của chương này gồm có: Hạn chế của nguyên lý thứ nhất, qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch, máy nhiệt và hiệu suất của động cơ nhiệt, nguyên lý 2 nhiệt động lực học, chu trình và định lý Carnot, entropy và nguyên lý tăng entropy.

NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hạn chế nguyên lý thứ Qúa trình thuận nghịch không thuận nghịch Máy nhiệt hiệu suất động nhiệt Nguyên lý nhiệt động lực học Chu trình định lý Carnot Entropy nguyên lý tăng entropy HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT  Hệ nguyên lý 1: A=-Q  Không nêu lên khác q trình chuyển hóa cơng nhiệt  Hệ nguyên lý 1: Q1 = - Q2  Không rõ chiều trình thực tế xảy  Khơng đề cập đến chất lượng nhiệt Quả nặng di chuyển Nước ấm lên Hộp KL (70 0C) Hộp KL (40 0C) Cục nước đá (0 0C) Nước (40 0C) HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT  Vấn đề: Nguyên lý dẫn đến hệ trái qui luật tự nhiên  Vấn đề: có giới hạn trình biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác: diễn theo chiều định  Lý do: Nguyên lý chưa rõ chiều diễn biến trình nhiệt động  Cần bổ sung sở lý luận (nguyên lý, định luật) QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHƠNG THUẬN NGHỊCH Q trình thuận nghịch  Quá trình biến đổi từ trạng thái A  B khơng có tổn hao hay mát lượng (có trạng thái trung gian) P PA  Cơng hệ nhận q trình thuận nghịch = cơng hệ cung cấp bên ngồi PB  Nhiệt hệ nhận = nhiệt hệ cung cấp cho bên O A B VA VB V  Hệ trở lại trạng thái cân ban đầu (chu trình kín) sau trình xảy theo chiều thuận nghịch  xung quanh không xảy biến đổi  Q trình xảy vơ chậm  quan sát (lưu giữ)  lý tưởng Q TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHƠNG THUẬN NGHỊCH Q trình khơng thuận nghịch  Q trình biến đổi trạng thái A B, tiến hành theo chiều ngược, hệ khơng có trạng thái trung gian chiều thuận (do có tổn hao hay mát lượng)  Cơng hệ nhận q trình nghịch  cơng hệ cung cấp bên ngồi tron g trình thuận  Nhiệt hệ nhận trình nghịch  nhiệt hệ cung cấp cho bên ngồi q trình thuận  Sau tiến hành theo chiều thuận nghịch hệ trở lại trạng thái ban đầu (chu trình kín)  mơi trường xung quanh bị biến đổi MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy nhiệt  Thiết bị biến nhiệt thành công khai thác chênh lệch nhiệt độ sử dụng tác động tác nhân bên + Nguồn nóng: nguồn nhiệt độ cao (T1)  Cấu trúc: + Nguồn lạnh: nguồn nhiệt độ thấp (T2) + Tác nhân nhiệt: chất vận chuyển nhiệt Nguồn nóng (T1) Nguồn nóng (T1) Q1 Q1’ Động nhiệt Q2’ Nguồn lạnh (T2) A’ Động nhiệt Q2 Nguồn lạnh (T2) A MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Hiệu suất máy nhiệt  Động nhiệt: tỉ số cơng sinh nhiệt từ nguồn nóng máy nhận vào A'  Q1  Nguyên lý 1: U = U2 – U1 = A + Q  Hệ thực chu trình kín: U = A + (Q1 – Q2’ ) =  A’ = Q1 – Q2’ Q1  Q2 ' Q2 '    1 Q1 Q1  Máy làm lạnh: tỉ số nhiệt nhận từ nguồn lạnh với công máy nhận vào  Q2 Q2   A Q1 'Q2 Q1 '  Q2 MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Động nhiệt  Nguồn nóng (T1): Lò đốt, bình ngưng,  Tác nhân: nước, khí cháy Hơi nước giãn nở đẩy piston CĐ Hơi nước (khí) Nước (lỏng) Cơng sinh làm quay bánh xe MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy làm lạnh  Nguồn nóng (T1): bình ngưng, Dàn lạnh  Nguồn lạnh (T2): Dàn lạnh  Tác nhân: khí hóa lỏng  Sulfur dioxide (SO2)  Chlorofluorocarbon (CFC) halomethane  ô nhiễm môi trường (phá hỏng tầng ô-zôn, gây hiệu ứng nhà kính )  Carbon dioxide (CO2) Động nén Dàn nóng MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT Máy làm lạnh  Tủ lạnh (refrerator) T1 Q1’ Dàn lạnh A Buồng làm đá Q2 T2 Động nén Dàn nóng  Một tủ lạnh có hiệu suất = 45 %, với tốc độ tản nhiệt 200 kJ/min Nếu tủ trì nhiệt độ 2oC nhiệt độ môi trường 27 oC (275 K)  công suất động xác định 0.67 kW CHU TRÌNH CARNOT Phương pháp để tăng hiệu suất động nhiệt  Tăng nhiệt độ nguồn nóng cao đến mức hạ nhiệt nguồn lạnh đến mức Lưu ý:  Nhiệt lượng lấy nguồn nhiệt độ cao tốt nhiệt lượng lấy nguồn nhiệt thấp  Nhiệt độ nguồn lạnh thấp nhiệt độ làm lạnh có sẵn  Phải thiết kế sử dụng vật liệu có sức bền cao cho phận có nguồn nóng Hơi nước Hơi nước Lò Turbin Máy phát Nước Bình ngưng Nước lạnh Nước nóng  Động phải có chu trình làm việc giống động thuận nghịch cho tránh mát nhiệt nhận từ nguồn nóng truyền nhiệt ma sát CHU TRÌNH CARNOT Biểu thức định lượng nguyên lý  Từ định lý Carnot tn-Carnot lớn nhất, tức là:  Q2 ' T Q' T  1   Q1 T1 Q1 T1  Nếu Q2 nhiệt, tác nhân nhận từ nguồn lạnh, đó, Q2 = - Q2’  có: Q T Q Q Q Q      hay   Q1 T1 T2 T1 T1 T2  Dấu “=”: chu trình Carnot thuận nghịch  Dấu “  Theo nguyên lý 1, vật (1) nhận nhiệt lượng: Q1 = - Q2 < 1 1 Q1 Q2 Q Q      Q2    T1 T2 T1 T2  T2 T1  1  0  Theo nguyên lý tăng entropy: dS > 0, Q2 >  T2 T1 dS  dS1  dS   Hay: T1 > T2  Vật nhận nhiệt phải có nhiệt độ thấp vật nhả nhiệt  nguyên lý tăng entropy rõ chiều biến thiên trình 1  Khi entropy đạt giá trị cực đại: dS =    hay: T1 = T2 T2 T1  Quá trình trao đổi nhiệt két thúc nhiệt độ vật ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Ý nghĩa nguyên lý tăng Entropy  Xét Chu trình Carnot: nguồn lạnh nhận nhiệt lượng Q2, nguồn nóng nhả nhiệt lượng Q1 thơng qua tác nhân  Do q trình thuận nghịch  entropy tồn phần (tổng entropy S1 nguồn nóng tổng entropy S2 nguồn lạnh) hệ = const, tức là: S  S1  S  T2  Q2  Q1 T1 Q2 Q1  0 T2 T1  Công thực chu trình A'  Q1  Q2  Hiệu suất chu trình: A' T2 C   1 Q1 T1 ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Thuyết chết nhiệt  Vũ trụ hệ cô lập  Khi S  Smax  cân nhiệt  Các trính biến đổi dừng lại  sống chấm dứt  Sai lầm thuyết  Mâu thuẫn với định luật bảo toàn biến đổi NL trình biến đổi NL khơng dừng lại  Thực nghiệm quan sát vật lý thiên văn: có vùng có trạng thái cân nhiệt động  tương ứng suy thối chết ngơi già; có vùng có nhiệt độ cao  có trình biến đổi ứng với giảm entropy (thăng giáng lớn)  tương ứng xuất  Không xét đến ảnh hưởng trường hấp dẫn vũ trụ  vật chất vũ trụ tản (dãn nở)  tiếp tục bị phân rã, tạo thành thiên hà,  entropy tăng  không dẫn tới trạng thái đẳng nhiệt đồng ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Mối quan hệ hàm nội U với Entropy  Nguyên lý NĐLH: dU = Q +A  Do: A = - pdV  Nguyên lý NĐLH: Q = TdS  Nội năng: dU = TdS – pdV  U hàm S V: U = U(S,V)  U   U  dU   dS     dV  S V  V  S  U = const S = const V = const   U  T    S  V  U  p   V  S ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng  Xét q trình biến đổi thuận nghịch từ trạng thái 1(p1,V1, T1) sang trạng thái (p2,V2, T2) : Q S   T  Quá trình đoạn nhiệt (Q = 0) Q S     S1 = S2 T  Quá trình đẳng nhiệt (T= const) Q Q S     Q  T T1 T 2 ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng  Quá trình thuận nghịch  Từ nguyên lý NĐLH: Q = dU - A dU  m iR m m RT m dV dT  CV dT A   pdV   dV   RT    V  V  Q  m m dV CV dT  RT   V Q m dT m dV m T2 m V2  CV   R   CV ln  R ln  S   T  T  V  T1  V1 2 Do R = Cp – CV từ phương trình trạng thái khí lý tưởng, có: T   S  m P m V CV ln  C p ln  P1  V1 pV mR ENTROPY -NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Tính độ biến thiên entropy khí lý tưởng m V C p ln  V1 m P2  Quá trình đẳng tích (V= const): S  CV ln  P1  Quá trình đẳng áp (P= const): S  Tính nhiệt lượng đồ thị entropy 2    Q  Q  TdS  T ( S  S1 )  TS T T1 T 2 T O S1 S2 S O S1 dS S2 S Những nội dung cần lưu ý Hạn chế nguyên lý NĐLH Nguyên lý NĐLH (2 cách phát biểu Clausius Thompson) hệ Chu trình Carnot thuận nghịch (khái niệm, đồ thị mơ tả q trình biểu thức tính hiệu suất động hoạt động theo chu trình này) Nội dung định lý Carnot phương pháp tăng hiệu suất động nhiệt Tích phân Clausius, biểu thức định lượng nguyên lý NĐLH, tính chất tích phân Clausius Entropy: Định nghĩa, tính chất ý nghĩa Nguyên lý tăng entropy: Nội dung ý nghĩa 37