Bài giảng Vật lý đại cương 1 (Nhiệt học): Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học - PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Vật lý đại cương 1 (Nhiệt học): Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học cung cấp cho người học các kiến thức: Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học, nguyên lý thứ 2 nhiệt động lực học, chu trình Carnot và định lý Carnot,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Nguyên lý thứ nhiệt động lực học PGS TS Lê Công Hảo NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Các trình tự nhiên phải tuân theo nguyên lý thứ → bảo toàn lượng tự nhiên Một số trình phù hợp với nguyên lý thứ nhất, thực tế khơng xảy - Q trính truyền nhiệt Truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh - Hòn đá rơi từ cao xuống, không tự nhiên nằm mặt đất lấy động cao Z Q = Q1 + Q2 = → Q1 = −Q2 Nguyên lý thứ không cho ta biết chiều diễn biến trình thực tế xảy NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Trong nguyên lý thứ cơng nhiệt tương đương nhau, chuyển hóa lẫn Cơng chuyển hóa hồn toàn thành nhiệt U = A + Q = → A = −Q Nhiệt lượng nhiệt độ cao → công tốt Tuy nhiên nguyên lý thứ không quan tâm đến chất lượng nhiệt Nguyên lý thứ hai nhiệt động học khắc phục hạn chế nguyên lý thứ với tạo thành hệ thống lý luận chặt chẽ làm sở cho việc nghiên cứu tượng nhiệt Quá trình thuận nghịch Một trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái gọi thuận nghịch +Nó tiến hành theo chiều ngược lại + Và q trình ngược đó, hệ qua trạng thái trung gian trình thuận Mọi trình học khơng có ma sát q trình thuận nghịch Quá trình thuận nghịch trình lý tưởng, thực tế xảy trình khơng thuận nghịch 3 NGUN LÝ THỨ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1 Máy nhiệt Là hệ hoạt động tuần hoàn → 3.1.1 Động nhiệt Chuyển nhiệt thành công ngược lại Bao gồm: Tác nhân: chất vận chuyển biến nhiệt thành công ngược lại Nguồn nóng: có nhiệt độ cao Nguồn lạnh: có nhiệt độ thấp nguồn nóng Theo nguyên lý ta có: Q1 = A + Q2 → A = Q1 − Q2 Q2 A Q1 − Q2 = = = 1− Q1 Q1 Q1 Hiệu suất động nhiệt NGUYÊN LÝ THỨ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1.2 Máy làm lạnh A Là máy nhiệt biến công thành nhiệt với tác nhân biến đổi ngược với động nhiệt Tác nhân tiêu thụ (nhận) công A ngoại vật lấy lượng nhiệt Q2 nguồn lạnh nhả Q’1 cho nguồn nóng Hệ số làm lạnh: Q2 = A T1 Q’1 Q '1 = A + Q2 → A = Q '1 − Q2 Q2 T2 Q2 = ' Q − Q2 Q2 nhiệt lượng lấy từ vật cần làm lạnh, A công cần lấy nhiệt Q2 NGUYÊN LÝ THỨ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.2 Phát biểu nguyên lý Phát biểu Thompson: Một động sinh công, trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt Phát biểu Clausius: Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng Ý nghĩa: Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại hai, lấy nhiệt từ nguồn để sinh công Chất lượng nhiệt: T cao, chất lượng cao CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT (V1, T1) 4.1 Chu trình Carnot thuận nghịch Q1 Các máy nhiệt hoạt động theo chu trình, Chu trình có lợi chu trình Carnot Chu trình Carnot chu trình gồm hai trình đẳng nhiệt, thuật nghịch hai trình đoạn nhiệt thuận nghịch Q=0 (V4, T2) Q’2 (V2, T1) Q=0 Bốn bước thực chu trình Carnot thuận nghịch có tác nhân khí: a) Q trình 1→2: Giãn đẳng nhiệt T1; Tác nhân thu nhiệt Q1 b) Quá trình 2→3: Giãn đoạn nhiệt; nhiệt độ từ T1 giảm xuấng T2 c) Quá trình 3→4: Nén đẳng nhiệt T2; tác nhân tỏa nhiệt Q’2 d) Quá trình 4→1: Nén đoạn nhiệt; nhiệt độ tăng từ T2 đến T1 (V3, T2) CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 4.2 Hiệu suất chu trình Carnot thuận nghịch Hiệu suất chu trình Carnot: Q1 = Q12 = M  RT1 ln V2 ; V1 V Q '2 = −Q34 = − RT2 ln  V3 M V V RT2 ln T2 ln  V4 V4   = 1− = 1− V V M RT1 ln T1 ln  V1 V1 M Hiệu số làm lạnh: Q '2  = 1− Q1 Mặt khác q trình đoạn nhiệt 2-3 4-1 ta có:  −1  −1 TV = T V 2  −1  −1 TV = T V 1 T2  = 1− T1 T2  = 1− T1 C tn V2  −1 V3  −1 ( ) =( ) V1 V4 V2 V3 T2  =   = 1− V1 V4 T1 Hiệu suất chu trình Carnot thuận nghịch khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 4.3 Hệ Hiệu suất cực đại động nhiệt nhỏ Tăng hiệu suất cực đại động nhiệt cần T1&T2 Nguồn nhiệt có nhiệt độ cao chất lượng tốt Tăng hiệu suất động cơ→chế tạo gần động thuận nghịch 4.3 Định lý Carnot ĐL1: Hiệu suất động nhiệt thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot hoạt động với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ T1 T2 cho trước độc lập với hệ dung để sinh công ĐL2: Hiệu suất động không thuận nghịch nhỏ hiệu suất động thuận nghịch KTN < TN ĐL3: Trong điều kiện nhau: KTN < TN < TNCarnot CÔNG THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ HAI 5.1 Trường hợp có hai nguồn nhiệt  C ktn  C tn Q '2 T2 1−  1− Q1 T1 Q '2 = −Q2 Q1 Q2 + 0 T1 T2 Dấu = ứng với CT Carnot thuận nghịch Dấu < ứng với CT Carnot Không TN 5.2 Trường hợp động nhiệt có nhiều nguồn nhiệt n Q Qi Q Q Xét CT Carnot gồm nhiều trình n + + +     đẳng nhiệt đoạn nhiệt T T2 Tn i Ti 5.3 Trường hợp CT Carnot có dạng bất kỳ, nhiệt biến thiên liên tục  Q T 0 + Tích phân tồn chu trình + Cơng thức định lượng ngun lý thứ hai HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.1 Khái niệm entropy entropy Nguyên lý thứ hai →chiều xảy → Giúp xác định giới hạn cho phép q trình xảy thơng qua đại lượng vật lý entropy Entropy đại lượng vật lý đo mức độ vô trật tự hay mức độ ngẫu nhiên hệ Ví dụ Xét hệ gồm phân tử nước nhiệt độ phòng, ta đốt nóng hệ phân tử nước gia tăng chuyển động, trật tự, nhiệt lượng q cung cấp cho hệ tăng lên trật tự tăng tỉ lệ thuận Tuy nhiên, nhiệt lượng q cung cấp cho hệ nhiệt độ cao hơn→ biến thiên trật tự so với lúc hệ nhiệt độ thấp 6 HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.1 Khái niệm entropy S hàm entropy dU = Q + A = Xét trình dãn nở đẳng nhiệt khí LT Q = -A = pV dV     Q =  V MR   T Theo NL1→ dU=0 pV = 6.2 Hàm entropy 1→a→2→b→1: chu trình thuận nghịch M  c (ktn) RT a (tn) 1→c→2→b→1: chu trình khơng thuận nghịch  Q 0  1a T thuận nghịch  Q T  1a  + b1 Q T − Q T  1b =0  Q T  1a =0 Q T =  1b Q T b (tn) Entropy S (J/K) 2 1 S = S − S =  dS =  Q T HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.2 Hàm entropy Entropy hàm trạng thái hệ biến thiên entropy phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào dạng đường Entropy có cộng tính, nghĩa entropy hệ bằng, tổng entropy phần riêng biệt Biến thiên entropy S S =  Q T không tìm S dS = Q T  S = S0 +  Q T Q S  T Dấu = ứng với trình thuận nghịch Dấu > ứng với trình bất thuận nghịch S0 giá trị entropy gốc tính S0=0 → T= 00K Entropy S (J/K) HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.3 Ngun lý tăng entropy 1→c→2 2→b→1: chu trình khơng thuận nghịch  1c (ktn)  Q T  1c (ktn)   1c (ktn)  + Q T b1 (tn) Q T Q T  − Q 1b (tn)  0  1b (tn) T Q T 0  Q T   1c (ktn) b (tn) Q 1b (tn)  a (tn) 0 S = c (ktn) T Q T S    S Q T Dấu = ứng với trình thuận nghịch Dấu > ứng với trình nghịch bất thuận HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.3 Nguyên lý tăng entropy Entropy tiêu chuẩn xét chiều hệ cô lập Trong hệ cô lập, Q = → S  Các trình nhiệt động xảy hệ cô lập làm giảm entropy hệ Q trình bất thuận nghịch tự xảy có kèm theo tăng entropy S > 0, entropy đạt đến giá trị cực đại hệ trạng thái cân Trong hệ lập trình tự nhiên xảy theo chiều tăng entropy Giả sử trình xảy theo S > trình xảy S < trình khơng xảy chiều hướng HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.4 Tính độ biến thiên entropy 6.4.3 Quá trình thuận nghịch khí lý tưởng Q M 6.4.1 Q trình đoạn nhiệt Q = dU - A dU = CV dT S =  T dU = Q + A Q S =   T =0  A = − pdV = − p2 M V2 S = CV ln + C p ln  p1  V1 M 6.4.2 Quá trình đẳng nhiệt S =  Q = Q T T Q  S = T M RT dV  V Đẳng tích Đẳng áp Đẳng nhiệt V2 M V2 M p2 S = R ln S = C p ln S = CV ln Q nhiệt lượng  V1  V1  p1 hệ nhận vào M HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.5 Hệ thức thống hai nguyên lý thứ thứ hai nhiệt động học Nguyên lý thứ dU = Q + A Nguyên lý thứ hai S   Q  Qktn  TdS T Phương trình nhiệt động học cho hai nguyên lý dU  TdS +  A  Qtn = TdS dU  TdS +  Aktn dU = TdS +  Atn TdS +  Atn  TdS +  Aktn Công hệ nhận vào nhỏ trình tiến hành thuận nghịch  Atn   Aktn HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.6 Ý nghĩa vật lý entropy Biến thiên entropy là: ▪ Độ đo tính khơng thuận nghịch q trình hệ cô lập ▪ Đặc trưng cho chiều diễn biến trình tự nhiên Entropy liên hệ chặt chẽ với xác suất nhiệt động hệ w S = kB.lnw kB số Boltzmann Entropy hàm trạng thái đặc trưng cho mức độ hỗn loạn phân tử Khơng đo trực tiếp entropy •Nếu T S: (Rắn→lỏng→khí), •Nếu T S: (Khí→lỏng→rắn)  ... Theo nguyên lý ta có: Q1 = A + Q2 → A = Q1 − Q2 Q2 A Q1 − Q2 = = = 1? ?? Q1 Q1 Q1 Hiệu suất động nhiệt NGUYÊN LÝ THỨ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3 .1. 2 Máy làm lạnh A Là máy nhiệt biến công thành nhiệt với... M RT1 ln T1 ln  V1 V1 M Hiệu số làm lạnh: Q '2  = 1? ?? Q1 Mặt khác trình đoạn nhiệt 2-3 4 -1 ta có:  ? ?1  ? ?1 TV = T V 2  ? ?1  ? ?1 TV = T V 1 T2  = 1? ?? T1 T2  = 1? ?? T1 C tn V2  ? ?1 V3  ? ?1 ( )... Đẳng nhiệt V2 M V2 M p2 S = R ln S = C p ln S = CV ln Q nhiệt lượng  V1  V1  p1 hệ nhận vào M HÀM ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY 6.5 Hệ thức thống hai nguyên lý thứ thứ hai nhiệt động học