Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 6: The 2nd Law of Thermodynamics (Định luật nhiệt động học 2). Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Giới thiệu định luật 2, máy nhiệt và nguồn nhiệt, nội dung định luật 2, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, thang nhiệt độ, hiệu suất chu trình Các Nô.
4/17/2018 Chap06: The 2nd Law of Thermodynamics Định luật nhiệt động học By Assoc Prof Le Van Diem Contents › Giới thiệu định luật › Máy nhiệt nguồn nhiệt › Nội dung định luật › Quá trình thuận nghịch khơng thuận nghịc › Chu trình Các nô › Thang nhiệt độ › Hiệu suất chu trình Các nơ › Introduction to the 2nd Law of Thermo › Heat Engines & Thermal Reservoirs › The 2nd Law of Thermodynamics › Reversible and Irreversible Processes › The Carnot Cycle › The Thermo & IG T-Scales › Carnot Efficiency 4/17/2018 Mục tiêu chương › Giới thiệu ĐL 2: Chiều diến trình › Tìm hiểu trình thỏa mãn định luật (bảo toàn lượng chiều diễn ra) › Làm quen với khái niệm nguồn nhiệt, trình thuận nghịch/không thuận nghịch, dạng máy nhiệt: Động nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt › Mô tả cách phát biểu ĐL2 › Thảo luận khái niệm động vĩnh cửu › Ứng dụng ĐL2 để nghiên cứu trình, chu trình › Ứng dụng ĐL2 để phân tích thang nhiệt độ động học › Nghiên cứu chu trình Các nơ › Áp dụng chu trình Các nô cho động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt › Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số làm nóng chu trình động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt 6.1: Giới thiệu định luật › Hiện tượng: – Cốc coffee tự nguội – Cấp điện cho may so sinh nhiệt – Vật nặng làm cánh khuấy quay làm nóng chất lỏng két › Nhận xét 1: – Cốc coffee phịng khơng tự nóng lên – Cấp nhiệt cho may xo điện không phát điện – Cấp nhiệt cho két-cánh khuấy không làm cho trục quay để nâng vật nặng lên › Nhận xét 2: – Các tượng tuân theo ĐL – Bảo tồn lượng – Các q trình ngược lại khơng xảy 4/17/2018 Giới thiệu định luật nhiệt động › Kết luận: – ĐL 1: › Chỉ bảo tồn lượng › Khơng điều kiện thực trình › Chỉ đánh giá lượng số lượng (quantity) – ĐL 2: › Chỉ chiều hướng diễn trình › Đánh giá lượng không số lượng mà cịn chất lượng (quality) – (nhiều có dùng không?) › Đánh giá khả năng, giới hạn sử dụng lượng thiết bị động nhiệt, máy lạnh, hay bơm nhiệt – Một trình diễn cần tuân theo định luật 6.2: Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoirs) › Nguồn nhiệt: – mơi trường đủ lớn xung quanh hệ thống nhiệt mà trao hay nhận lượng nhiệt định với hệ thống khơng làm thay đổi nhiệt độ – Thường tận dụng môi trường tự nhiên xung quanh làm Nguồn nhiệt – Ví dụ: › Nước: Sơng, hồ, biển › Khơng khí xung quanh › loại nguồn nhiệt: – Nguồn nóng (heat source): có nhiệt độ cao truyền nhiệt cho hệ – Nguồn lạnh (heat sink): có nhiệt độ thấp nhận nhiệt từ hệ › Nhiệt vấn đề môi trường: – Nhiệt thải làm tăng nhiệt độ mơi trường, gây ô nhiếm (heat pollution) – Nhiệm vụ: Cần phải kiểm soát tốt nhiệt thải để giảm tác động đến môi trường 4/17/2018 6.3: Động nhiệt (Heat Engines) › Quan sát 1: – Vật nặng rơi theo trọng lực làm quay cánh khuấy, sinh nhiệt, tăng nhiệt độ chất lỏng két – Cấp nhiệt vào cánh khuấy không làm quay cánh (không nâng vật nặng › Quan sát 2: – Quay máy khuấy (bằng công ngoài) làm tăng nhiệt độ chất lỏng – Cấp nhiệt vào chất lỏng không làm quay máy khuấy › Nhận xét: – Quá trình diễn theo chiều – Cả q trình cơng biến thành nhiệt; Nhiệt khơng biến thành cơng Hãy tìm ví dụ nhiệt biến thành cơng? Động nhiệt (Heat Engines) › Kết luận: – Cơng biến trực tiếp hồn tồn thành nhiệt (khơng cần điều kiện gì) – Nhiệt biến thành cơng sử dụng thiết bị đặc biệt, gọi HEAT ENGINES › Heat engines: Là thiết bị biến nhiệt thành công – Nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ cao (Heat source) – Biến phần nhiệt nhận thành công – Thải phần nhiệt cịn lại cho nguồn có nhiệt độ thấp (Heat sink) – Hoạt động theo chu kỳ › Heat engines cần sử dụng môi chất để thực việc biến hóa lượng (working fluid) Hãy nhận dạng thành phần sau với hệ thống Heat Engine động xe máy bạn: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(net, out), Q(out) 4/17/2018 Nhận dạng Heat Engines – Nhà máy nhiệt điện › Cấu tạo: – Nồi (boiler) để sinh – Tuabin (Turbine) để lai máy phát điện – Bình ngưng (condenser) để ngưng tụ nước sau turbine – Bơm (pump) để bơm nước trở lại boiler Hãy nhận dạng thành phần sau với hệ thống: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(in), W(out), Q(out) Hệ thống kín hay hệ thống hở? Hãy viết phương trình cân lượng (ĐL1)? ∆ → , Cơng có ích Heat Engines › Công Heat Engines: – Công nhận, W(in); – Cơng sinh ra, W(out); – Cơng có ích, W(net, out): › Vì sao , ? Hãy nhận dạng thành phần sau với động diesel: - Heat source, Heat sink, Working fluid - Q(in), W(in), W(out), Q(out) 4/17/2018 Hiệu suất nhiệt Heat Engines › Cơng có ích: , › Nhận xét: – Q(out) > (động nhiệt không thải nhiệt cho heat sink) – Cơng có ích W(net, out) nhỏ nhiệt cấp cho động – Hiệu suất nhiệt động nhiệt < Hiệu suất nhiệt Heat Engines › Quy ước: – QH nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TH); – QL nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TL) Bạn có biết hiệu suất nhiệt loại động nhiệt: 25% - Động xăng? - Động Diesel? 40% - Nhà máy nhiệt điện (chu trình hỗn hợp gas-steam)? 60% 4/17/2018 Có thể tận dụng QL? › Quan sát: – Cấp nhiệt (QH = 100kJ cho pistoncylinder điều kiện lý tưởng (bỏ qua ma sát, khối lượng piston, truyền nhiệt) – Hệ sinh công nâng vật nặng (W net,out= 15kJ) – Hỏi: Có thể truyền 85kJ cịn lại ngược cho nguồn nóng để tiếp tục chu trình? – Trả lời: Y/N, Why? Có thể tận dụng QL? › Kết luận: – Không thể biến 100% nhiệt thành công – Không thể sinh công mà không thải phần nhiệt cho nguồn lạnh Ví dụ: Tính hiệu suất nhiệt động nhiệt theo thông số sơ đồ 4/17/2018 The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu Kelvin–Planck › Khơng thể có thiết bị hoạt động theo chu kỳ mà nhận nhiệt từ nguồn nhiệt sinh công › Cách khác: – Khơng có động nhiệt có hiệu suất nhiệt 100% – Để động nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt với nguồn nóng (furnace) nguồn lạnh (environment) 6.4: Máy lạnh Bơm nhiệt (Refrigerator & Heat Pump) › Nhiệt truyền tự nhiên từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp › Q trình ngược lại cần thiết bị Refrigerator › Refrigerator thiết bị hoạt động theo chu trình › Mơi chất lạnh (Refrigerant) thực chu trình nén-ngưng tụ-tiết lưu-bay › Các thiết bị gồm: Máy nén, Bầu ngưng, Van tiết lưu, Dàn bay › Nguyên lý: – Máy nén (tiêu thụ công W net, in hút môi chất nén đến áp suất cao (superheated vapor) – Hơi môi chất trao nhiệt QH cho nguồn có nhiệt độ (nước, khơng khí), cao ngưng tụ thành lỏng Bầu ngưng – Môi chất qua van tiết lưu, hạ nhiệt độ, áp suất – Môi chất sôi, nhận nhiệt QL từ nguồn có nhiệt độ thấp (khơng khí vùng cần làm lạnh) 4/17/2018 Refrigerator VERSUS Heat Pump › Máy lạnh Bơm nhiệt có chung nguyên lý: – Nếu QL có ích → Máy lạnh – Nếu QH co ích → Bơm nhiệt Liên hệ thực tiễn: - Hãy tìm ví dụ máy lạnh? - Hãy tìm ví dụ bơm nhiệt? Hệ số làm lạnh – Làm nóng (Coefficient of Performance) › Máy lạnh: – Required Input = W net,in – Desired Ouput = QL ! › Bơm nhiệt: – Required Input = W net,in – Desired Ouput = QH Nhận xét: Khác với Hiệu suất nhiệt, Hệ số làm lạnh, làm nóng > 4/17/2018 Air-conditioning: Cooling and Heating Modes The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu Clausius › Không thể chế tạo thiết bị hoạt động theo chu kỳ truyền nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao mà không tiêu tốn công › Cách hiểu khác: – Muốn truyền nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao cần tiêu tốn công 10 4/17/2018 So sánh cách phát biểu › cách phát biểu tương đương: – Kelvin-Planck: cho động nhiệt – Clausius: cho máy lạnh/bơm nhiệt › Nếu có thiết bị mà ngược với phát biểu Kelvin-Planck trái với nguyên lý Clausius 6.5: Động vĩnh cửu (Perpetual-Motion Machines) › We’ve already known: Một trình xảy tuân theo ĐL1 ĐL2: – ĐL1: ? – ĐL2: ? › Perpetual-Motion Machine loại 1: – Nếu có thiết bị hoạt động ngược với nguyên lý ĐL1 › Perpetual-Motion Machine loại 1: – Nếu có thiết bị hoạt động ngược với nguyên lý ĐL2 11 4/17/2018 Perpetual-Motion Machines Loại › Nhà máy nhiệt điện nước: – Điện sản xuất sử dụng phần để sinh nồi lai bơm cấp nước – Hệ thống sinh công máy phát W(net,out) thải nhiệt Q(out) bình ngưng – Hệ thống khơng nhận nhiệt cơng từ nguồn ngồi › Hệ thống khơng tn theo ĐL1 Perpetual-Motion Machines Loại › Nhà máy nhiệt điện: – Bỏ qua bình ngưng để khơng thải nhiệt môi trường: Q(out) = – Hơi nước sau turbine bơm trực tiếp vào nồi – Hệ thống nhận nhiệt Q(in) nồi – Hệ thống sinh công W(net,out) turbine 12 4/17/2018 6.6: Thuận nghịch khơng thuận nghịch (Reversible and Irreversible) › Q trình thuận nghịch: Là trình mà sau tiến hành, hệ thống trở trạng thái ban đầu mà khơng làm thay đổi › Ví dụ: – Quả lắc khơng có ma sát – Q trình nén khí pistoncylinder bỏ qua rị lọt ma sát › Q trình khơng thuận nghịch: q trình khơng trở lại trạng thái ban đầu › Thực tế khơng có q trình thuận nghịch ma sát, rị lọt 6.7: Chu trình Carnot (Carnot Cycle) › Already known: Động nhiệt: – Là thiết bị làm việc theo chu kỳ – Sinh công phần chu kỳ – Tiêu thụ cơng phần cịn lại – Cơng có ích: W(net,out) = W(out) – W(in) › Tăng cơng có ích cách thực q trình thuận nghịch (khơng có rị lọt, ma sát) – Chu trình thuận nghich tạo trình thuận nghịch – Hiệu suất biến đổi lượng tốt với chu trình thuận nghịch – Là đích để nghiên cứu phát triển thiết bị – Carnot Cycle chu trình tiêu biểu 13 4/17/2018 Chu trình Carnot: Heat Engines › Thiết bị: – – – – Piston-Cylinder Loại thiết bị: Heat Engine Loại hệ thống: Closed Mơi chất: Khí lý tưởng › Ngun lý: q trình: – Giãn nở đẳng nhiệt (Isothermal Expansion): Piston từ Điểm Chết Trên (ĐCT) cấp nhiệt QH, môi chất giãn nở sinh công, TH = const – Giãn nở đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Dừng cấp nhiệt, môi chất tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt (Q=0), sinh công, nhiệt độ giảm TH → TL – Nén đẳng nhiệt (Isothermal Compression): Piston đến Điểm Chết Dưới (ĐCD) bắt đầu nén đẳng nhiệt, tiêu thụ công, TL = const – Nén đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Tiếp tục nén, tiêu thụ công, nhiệt độ tăng TL → TH , piston đến ĐCT – Quá trình tiếp tục lặp lại Chu trình Carnot: P-V diagram › Cơng chu trình trình (boundary work): – 1-2 nhận nhiệt, giãn nở sinh công – 2-3 tiếp tục sinh công – 3-4 nén, tiêu thụ công – 4-1 nén, tiêu thụ cơng – Wnet,out = diện tích bao chu trình Đồ thị P-V gọi đồ thị gì? Tại sao? 14 4/17/2018 Chu trình Carnot: Refrigerator/Heat Pump › Carnot cycle tạo trình thuận nghịch › Có thể đảo ngược q trình thuận nghịch thành chu trình Carnot ngược chiều Nhận xét: - Chu trình động nhiệt (Heat engine) biểu diễn đồ thị có chiều diễn chiều kim đồng hồ - Chu trình máy lạnh/bơm nhiệt, ngược lại, có chiều diễn biến ngược chiều kim đồng hồ 6.8: Nguyên lý Carnot › Hiệu suất máy nhiệt không thuận nghịch nhỏ hiệu suất máy nhiệt thuận nghịch làm việc với (2) nguồn nhiệt › Hiệu suất máy nhiệt thuận nghịch hoạt động với nguồn nhiệt (2) Chứng minh nguyên lý Carnot: Đọc thêm sách 15 4/17/2018 6.9: Thang nhiệt độ động học › Nguyên lý Carnot: Hiệu suất nhiệt phụ thuộc nhiệt độ nguồn nhiệt: " # $%&' , &( ) › Hiệu suất động nhiệt: " # +, +- ( ' $%&' , &( ) Thang nhiệt độ động học › Hiệu suất động nhiệt thuận nghịch phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt: " # $%&' , &( ) Tỷ số nhiệt độ nguồn lạnh phụ thuộc vào tỷ số lượng nhiệt truyền nguồn nhiệt máy nhiệt thuận nghịch không phụ thuộc tính chất mơi chất, thiết bị sử dụng Năm 1954, Hội nghị đo lường thống lấy điểm thể nước 273,16K: - Temperature Kelvin gọi thang nhiệt độ động học - Nhiệt độ Kelvin gọi Nhiệt độ tuyệt đối (absolute temperature) 16 4/17/2018 6.10: Động nhiệt Carnot › Động nhiệt Carnot có hiệu suất cao so với loại động khác có nguồn nhiệt › Hiệu suất nhiệt động nhiệt bất kỳ: ( " # ' › Hiệu suất nhiệt động nhiệt thuận nghịch: &( " # &' › Động Carnot có hiệu suất cao nhất: Hiệu suất Carnot (Carnot efficiency) Hiệu suất bao nhiêu? › nguồn nhiệt: – TH = 1000K; – TL = 300K › Hiệu suất: – Động nhiệt thuận nghịch: ηth = 0,7 – Động nhiệt không thuận nghịch: ηth < 0,7 – Khơng thể có động nhiệt có ηth > 0,7 17 4/17/2018 Hiệu suất bao nhiêu? › Ví dụ: – Given: Động Carnot với nguồn nhiệt: › TH = 6520C; › TL = 300C – Findings: › Hiệu suất nhiệt › Lượng nhiệt động thải cho nguồn lạnh › Cơng có ích “Chất lượng” lượng Energy quality › Khảo sát động Carnot: – Giữ nguyên nguồn lạnh (TL = 303K) – Tăng dần nhiệt độ nguồn nóng TH – Hiệu suất nhiệt tăng dần Kết luận: Ở nhiệt độ cao, lượng “chất lượng” Nghĩa nhiều lượng biến đổi thành công 18 4/17/2018 Chất lượng VERSUS Số lượng › Nhận xét: – Không số lượng, mà chất lượng lượng quan trọng – Có lượng sử dụng được, có loại khơng khó sử dụng Ví dụ: - Năng lượng mặt trời lớn trái đất (số lượng), khó sử dụng nhiệt độ thấp (chất lượng kém) - Năng lượng từ q trình đốt nhiên liệu hóa thạch có chất lượng tốt (nhiệt độ cao 2000K) › Nhận xét: – Công (work) q nhiệt (heat) cơng biến hoàn toàn thành nhiệt, nhiệt biến phần thành công – Khi biến nhiệt thành công (trong động nhiệt), phần nhiệt thải cho nguồn lạnh Phần nhiệt bị phẩm chất không sử dụng 6.11: Máy lạnh/Bơm nhiệt Carnot › Là thiết bị làm việc theo chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều – Hệ số làm lạnh Máy lạnh Carnot: – Hệ số làm nóng Bơm nhiệt Carnot: Máy lạnh thuận nghịch Carnot có COP lớn Máy khơng thuận nghịch có COP nhỏ Khơng thể có máy có COP lớn COP máy lạnh thuận nghịch 19 4/17/2018 Ví dụ › Givens: – – – – – Máy lạnh Carnot R143a; m = 0,8kg; TL= -80C, TH = 200C; Công tiêu thụ W in = 15kJ; R134a bão hịa cuối q trình thải nhiệt (điểm 4) › Findings: – Độ khô R134a cuối trình bay (nhận nhiệt tự nguồn lạnh) – Áp suất cuối trình thải nhiệt Cách làm: Xem trang 305-306 Summary › ĐL2: Chiều hướng diễn trình › Một trình diễn phải thỏa mãn ĐL › Các thiết bị trao nhiệt với môi trường Heat Source (high temp.) Heat Sink (low temp.) › Muốn truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao cần thiết bị Refrigerator/Heat Pump: – Hệ số làm lạnh: – Hệ số làm nóng: › Cơng biến hồn tồn thành nhiệt Nhiệt biến thành cơng cần có Heat Engine › Phát biểu ĐL2: › Hiệu suất Heat Engines: › Tính thuận nghịch khơng thuận nghịch – Của Kelvin-Planck với Heat Engine – Của Clausius với Refgigerator › Chu trình Carnot thuận nghịch: – Carnot Heat Engine: – Carnot heat pump/refrigerator: 20 ... TH); – QL nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TL) Bạn có biết hiệu suất nhiệt loại động nhiệt: 25% - Động xăng? - Động Diesel? 40% - Nhà máy nhiệt điện (chu trình hỗn hợp gas-steam)?... hoạt động theo chu kỳ mà nhận nhiệt từ nguồn nhiệt sinh công › Cách khác: – Khơng có động nhiệt có hiệu suất nhiệt 100% – Để động nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt. .. Thang nhiệt độ động học › Nguyên lý Carnot: Hiệu suất nhiệt phụ thuộc nhiệt độ nguồn nhiệt: " # $%&'' , &( ) › Hiệu suất động nhiệt: " # +, +- ( '' $%&'' , &( ) Thang nhiệt độ động học ›