BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 3: NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 3: NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC NỘI DUNG 3.1 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I 3.2 QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH 3.3 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.4 CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 3.5 ENTROPI Những hạn chế nguyên lý I  Chiều diễn biến trình tự nhiên  Viên đá (lạnh) cốc nước: Nước tự ấm lên, hình thành viên đá bên cốc  Rơi tự do: Mặt đất tự nguội đi, truyền nhiệt cho viên bi dạng động năng; viên bi có động nhảy bật lên cao…  Sự khác q trình chuyển hóa công - nhiệt ngược lại  Chất lượng nhiệt Q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch Định nghĩa  Quá trình thuận nghịch trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái ngược lại từ trạng thái sang trạng thái qua tất trạng thái trung gian mà trình thuận qua  Trên giản đồ trạng thái, đồ thị trình thuận đồ thị trình nghịch trùng  Cơng nhiệt hệ nhận q trình nghịch cơng nhiệt hệ cấp cho bên ngồi trình thuận  Quá trình thuận nghịch q trình cân Q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch  Đối với trình thuận nghịch, sau tiến hành trình thuận trình nghịch để đưa hệ trở trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không xảy biến đổi Q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch Định nghĩa  Thực tế khơng có q trình cân bằng, khơng có q trình thuận nghịch  Q trình khơng thuận nghịch trình tiến hành theo chiều nghịch, hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian q trình thuận  Cơng nhiệt hệ nhận từ bên ngồi q trình nghịch khơng cơng nhiệt hệ cấp cho bên ngồi trình thuận Quá trình thuận nghịch khơng thuận nghịch  Đối với q trình khơng thuận nghịch, sau hệ thực trình thuận nghịch đưa hệ trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh bị biến đổi Q trình thuận nghịch không thuận nghịch Ý nghĩa  Chiều diễn biến tự nhiên nào? Chiều biến đổi trình tự nhiên tiến tới trạng thái cân Khi hệ trạng thái cân khơng thể tự phát xảy q trình đưa hệ tới trạng thái không cân  Các trình thuận nghịch quan trọng kỹ thuật chế tạo máy để hoạt động theo trình gần với q trình thuận nghịch có hiệu suất cao Nguyên lý II nhiệt động học Máy nhiệt  Thiết bị hoạt động tuần hồn có chức biến nhiệt thành cơng ngược lại gọi máy nhiệt  Cấu tạo máy nhiệt gồm phận chính: Tác nhân: Chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến đổi nhiệt thành công ngược lại Nguồn nhiệt: Việc trao đổi nhiệt xảy với vật có nhiệt độ khác gọi nguồn nhiệt (nguồn nóng TH nguồn lạnh TL)  Có hai loại máy nhiệt động nhiệt máy lạnh Nguyên lý II nhiệt động học Máy nhiệt Động nhiệt Máy lạnh Chu trình Carnot định lý Carnot Chu trình Carnot:  Giãn nở đẳng nhiệt (1-2) TH: Hệ nhận nhiệt QH từ nguồn nóng  Giãn nở đoạn nhiệt (2-3), giảm nhiệt độ từ TH đến TL  Nén đẳng nhiệt (3-4) TL: Hệ tỏa nhiệt QL cho nguồn lạnh  Nén đoạn nhiệt (4-1) để khép kín chu trình, hệ tăng nhiệt độ từ TL đến TH Chu trình động Carnot khí lý tưởng Chu trình Carnot định lý Carnot Hiệu suất chu trình Carnot: Xét động hoạt động theo chu trình Carnot (thuận) với nhiệt độ nguồn nóng TH nhiệt độ nguồn lạnh TL  Hiệu suất động cơ: Q'L A ' QH  Q'L    1 QH QH QH V2 m  Nhiệt nhận từ nguồn nóng: QH   A12  RTH ln μ V1 V3 m ' RTL ln  Nhiệt tỏa nguồn lạnh: QL  QL  A 34  μ V4 Chu trình Carnot định lý Carnot Hiệu suất chu trình Carnot:  Hiệu suất động theo chu trình thuận:  V3  nRTL ln   ' V4  QL T    1  1  1 L QH TH  V2  nRTH ln    V1   Hệ số làm lạnh chu trình ngược: Q QL TL K L   A | QH | QL TH  TL  Hiệu suất chu trình Carnot phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt Chu trình Carnot định lý Carnot Định lý Carnot:  Hiệu suất tất động thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot với nguồn nóng nguồn lạnh không phụ thuộc vào tác nhân cách chế tạo máy  Hiệu suất động không thuận nghịch nhỏ hiệu suất động thuận nghịch Chu trình Carnot định lý Carnot Nhận xét:  Nhiệt khơng thể biến đổi hồn tồn thành cơng (cơng mà hệ sinh ln nhỏ nhiệt lượng mà nhận vào)  Nhiệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ cao có “chất lượng” cao nhiệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ thấp  Muốn tăng hiệu suất động nhiệt phải chế tạo cho gần thuận nghịch tốt Muốn phải giảm mát truyền nhiệt ma sát hệ Entropy Biểu thức định lượng nguyên lý II:  Hiệu suất động bất kỳ: Q'L TL Q'L TL   1  1   QH TH QH TH Q'L TL QL QH    0 hay: QH TH TL TH  Tổng quát, chu trình bất kỳ: Dấu “=” ứng với chu trình thuận nghịch  Q 0 T Entropy Hàm Entropy:  Xét chu trình thuận nghịch : Q Q Q     0  1a 2b1 T 1a T 2b1 T Do đó: Q Q Q     1a T 2b1 T 1b2 T Q  Tích phân  khơng phụ thuộc q trình T Entropy Hàm Entropy: Hàm S gọi Entropy hệ, định nghĩa cho: S  S2  S1   Hay: Q dS  T Q T Entropy Hàm Entropy:  Hàm Entropy thông số trạng thái hệ Mỗi trạng thái hệ ứng với giá trị xác định entropy  Entropy đại lượng có tính cộng được: Entropy hệ cân bằng tổng entropy phần riêng biệt  Entropy sai khác số cộng, thường chọn: S0 = 0K  Đơn vị entropy: J/K Entropy Hàm Entropy:  Xét chu trình khơng thuận nghịch : Q Q Q     0  1a 2b1 T 1a T 2b1 T Do đó: Q Q Q      1a T 2a1 T 2b1 T Q S21   2b1 T Entropy Hàm Entropy:  Đối với trình thuận nghịch: Q S   T  Đối với trình không thuận nghịch:  Tổng quát: Q S   T Q S   T Q dS  T Entropy Nguyên lý tăng entropy (nguyên lý tiến hóa):  Đối với hệ lập (khơng có trao đổi nhiệt): S   Dấu “=” ứng với trình thuận nghịch  Dấu “>” ứng với q trình khơng thuận nghịch Với trình nhiệt động thực tế xảy hệ cô lập, entropy hệ luôn tăng Hệ cô lập hai lần qua trạng thái Hệ trạng thái cân entropy đạt giá trị cực đại Một số tập cần làm Bài tập chương (Sách BT tập 1): 1, 3, 4, 6, 7, 10, 12, 14, 16, 18 , 19, 20, 21, 22, 23, 25, 27 Một số tập ví dụ Ví dụ 1: Một động nhiệt làm việc theo chu trình Carnot, có cơng suất P = 73600W Nhiệt độ nguồn nóng 1000C, nhiệt độ nguồn lạnh 00C a) Tính hiệu suất động b) Nhiệt mà tác nhân nhận nguồn nóng phút c) Nhiệt mà tác nhân xả nguồn lạnh phút Một số tập ví dụ Ví dụ 2: Một máy lạnh 9000 Btu/h tiêu thụ điện với công suất 1kW Tính hệ số làm lạnh máy Cho 1Btu = 1055J ...  Có hai loại máy nhiệt động nhiệt máy lạnh Nguyên lý II nhiệt động học Máy nhiệt Động nhiệt Máy lạnh Nguyên lý II nhiệt động học Động nhiệt cách phát biểu nguyên lý II Thomson  Động nhiệt. . .Chương NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC NỘI DUNG 3.1 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I 3.2 QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH 3.3 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.4 CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT... nhiệt từ nhiệt độ thấp sang nhiệt độ cao Nguyên lý II nhiệt động học Sự tương đương hai cách phát biểu Nguyên lý II nhiệt động học Sự tương đương hai cách phát biểu Chu trình Carnot định lý Carnot