- Hoạt động: Nối Cv ới bình khíc ần đ op vă
CH ƯƠNG IV: HIỆN TƯỢNG ĐỘNG HỌC TRONG CHẤT KHÍ.
Băi 4.1: Trong khơng gian giữa câc ngơi sao, trung bình trong 15cm3 chỉ chứa 1 phđn tử khơng khí. Tính quêng đường tự do trung bình của câc phđn tử khí đĩ, biết rằng đường kính hiệu dụng của mỗi phđn tử khí lă 2,3.10-10m
ĐS: λ =6,4.1010km
Băi 4.2: Trong một bình thể tích 1dm3 chứa 2g khí Híli. Xâc định quêng đường tự do trung bình của câc phđn tử khí?
ĐS: λ =2,07.10−7m
Băi 4.3: Hêy tìm khoảng thời gian trung bình giữa hai va chạm liín tiếp của câc phđn tử khí Hydrơ ở âp suất 13,3N/m2 vă nhiệt độ 1000C?
ĐS: τ =8,3.10−7s
Băi 4.4: Nĩn đoạn nhiệt một khối khí lưỡng nguyín tử, ở cuối quâ trình nĩn nhiệt độ của nĩ tăng gấp đơi. Xâc định quêng đường tự do trung bình của câc phđn tử ở cuối quâ trình nĩn, nếu quêng đường tự do trung bình của chúng lúc ban đầu 10-7m.
ĐS: 8m
2 =1,77.10−
λ
Băi 4.5: Trong một bình hình cầu đường kính l = 0,4m chứa khí Nitơở nhiệt độ
200C. Hỏi âp suất khí bằng bao nhiíu để câc phđn tử khí khơng va chạm nhau. Đường kính hiệu dụng của câc phđn tử khí Nitơ lă 3,1.10-10m
ĐS: p≤2,38.10−2N/m2
Băi 4.6: Vận tốc căn quđn phương của câc phđn tử khí bằng 900m/s. Quêng
đường tự do trung bình của chúng trong điều kiện đĩ lă 4.10-6m. Xâc định số va chạm trung bình của phđn tử khí đĩ trong 1 giđy?
ĐS: Z =2,07.108s−1
Băi 4.7: Quêng đường tự do trung bình của câc phđn tử khí Hydrơ ở một âp suất năo đĩ vă ở nhiệt độ 210C bằng 9.10-8m. Do nĩn đẳng nhiệt nín âp suất của khí tăng lín gấp 3 lần. Tìm số va chạm trung bình của phđn tử Hydrơ trong một giđy ở
cuối quâ trình nĩn?.
ĐS: Z =2,07.108s−1
Băi 4.8: Hệ số khuyếch tân của ơxy ở điều kiện bình thưịng lă 141.10-5m2/s. Xâc định hệ số khuyếch tân của nĩ ở nhiệt độ 500C nếu qúa trình hơ nĩng khí lă đẳng tích .
ĐS: D = 1,41.10-5m2/s
Băi 4.9: Hệ số khuyếch tân của khí cacbonic ở điều kiện bình thường lă 10-
5m2/s. Xâc định hệ số nội ma sât của nĩ trong điều kiện trín?..
Băi 4.10: Hế số dẫn nhiệt của một chất khí 3 nguyín tử lă 1,45.10-2J/ms độ, vă hệ số khuyếch tân của nĩ ở cùng điều kiện10-5m2/s. Xâc định mật độ phđn tử khí trong
điều kiện đĩ.
ĐS: 25 3 0 =3,5.10 m−
n
Băi 4.11: Tìm vận tốc cực đại cĩ thể đạt được của một viín bi chì cĩ đường kính 1mm nếu nĩ rơi trong:
a. Khí Nitơ ở nhiệt độ 00C (đường kính hiệu dụng của phđn tử khí Nitơ bằng 3.10-10m).
b. Khí Hydrơ ở 00C (đường kính hiệu dụng của phđn tử khí Hydrơ bằng 2,3.10-10m).
Biết khối lượng riíng của chì lă 3
0 =11300kg/m
ρ .
ĐS: v = 350m/s ; v = 770m/s
Băi 4.12: Khoảng câch giữa hai thănh của bình Đuyoa lă 6mm. Bình chứa khơng khí. Hỏi từ âp suất năo thì sự truyền nhiệt của khơng khí bắt đầu phụ thuộc văo âp suất ? Nhiệt độ của khơng khí lă 170C vă đường kính hiệu dụng của câc phđn tử
khơng khí bằng 3.10-10m.
ĐS: p ≤1,67N/m2
CHƯƠNG V :
NGUYÍN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
5.1 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÍN LÝ I NĐLH
Theo nguyín lý I, trong một qúa trình biến đổi để hệ sinh cơng hệ cần nhận nhiệt, nhiệt hệ nhận đúng bằng tổng cơng hệ sinh ra vă độ biến thiín nội năng của hệ: Q = ΔU +A.
Vậy, nguyín lý I lă dạng của định luật BTBĐNL, một định luật cơ bản cho mọi ngănh khoa học; tất cả câc quâ trình biến đổi trong tự nhiín đều phải phù hợp với
định luật BTBĐNL. Từđĩ:
- Tất cả câc quâ trình diển ra trong tự nhiín phải phù hợp với nguyín lý I. Thực tế lại cho thấy: cĩ những quâ trình biến đổi phù hợp với nguyín lý I mă vẫn khơng xảy ra trong tự nhiín. Ví dụ:
- Quâ trình truyền nhiệt từ vật nĩng sang vật lạnh hoặc từ vật lạnh sang vật nĩng, cả hai quâ trình nầy đều khơng vi phạm nguyín lý I. Thực tế cho thấy chỉ cĩ quâ trình truyền nhiệt tự phât từ vật nĩng sang vật lạnh, quâ trình ngược lại khơng xảy ra tự phât. Điều nầy cho thấy nguyín lý I cĩ những mặt hạn chế sau:
Hạn chế của nguyín lý I:
- Nguyín lý khơng cho biết chiều diễn biến của quâ trình thực tế xảy ra.
- Theo nguyín lý I: cơng vă nhiệt lă hai đại lượng tương đương, cơng cĩ thể
biến hoăn toăn thănh nhiệt vă nhiệt cĩ thể biến hoăn toăn thănh cơng. Thực tế cho thấy: cơng cĩ thể biến hoăn toăn thănh nhiệt, nhưng nhiệt khơng thể biến hoăn toăn thănh cơng.
- Nguyín lý I khơng đề cập đến chất lượng nhiệt, thực tế cho thấy nhiệt lấy từ
nguồn nhiệt độ cao chất lượng tốt hơn lấy từ nguồn nhiệt độ thấp.
Như vậy nguyín lý I cĩ nhiều mặt hạn chế, nguyín lý II bổ sung văo nguyín lý I hợp thănh một hệ lý luận chặt chẻ nhằm giải quyết câc vấn đề kỹ thuật nhiệt.
Trước khi đi văo nội dung của nguyín lý II ta xĩt thế năo lă qúa trình biến đổi thuận nghịch vă khơng thuận nghịch.
5.2 QUÂ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VĂ QUÂ TRÌNH KHƠNG THUẬN NGHỊCH THUẬN NGHỊCH
5.2.1 Quâ trình thuận nghịch
Định nghĩa: Một quâ trình biến đổi của hệ được gọi lă thuận nghịch khi cĩ thể tiến hănh theo chiều ngược lại, trong quâ trình ngược hệ đi qua câc trạng thâi trung gian như quâ trình thuận.
Trín giản đồ (p ,V ) đường biểu đồ của quâ trình thuận vă quâ trình nghịch
trùng nhau. p
(1)
(2) A0 A0
- Quâ trình (1) → (2 ) lă quâ trình giản khí, cơng sinh ra A trong quâ trình lă diện tích giới hạn bởi biểu đồ vă trục V.
- Quâ trình (2 ) → (1) lă quâ trình nĩn khí, cơng nhận văo A’ trong quâ trình cũng lă phần diện tích giới hạn bởi biểu đồ vă trục V.
Khi tiến hănh quâ trình thuận vă quâ trình nghịch để đưa hệ về trạng thâi ban
đầu, độ biến thiín nội năng hệ ΔU = 0. Từđĩ:
Cơng sinh ra trong quâ trình thuận A = Cơng nhận văo trong quâ trình nghịch A’. Nhiệt nhận văo trong quâ trình thuận Q = nhiệt tỏa ra trong quâ trình nghịch Q’. - Kết quả : Đối với một quâ trình thuận nghịch, sau khi tiến hănh quâ trình thuận vă quâ trình nghịch đểđưa hệ về trạng thâi ban đầu thì mơi trường chung quanh hoăn toăn khơng bị biến đổi.
- Quâ trình thuận nghịch lă quâ trình biến đổi được theo hai chiều: chiều thuận vă chiều nghịch. Quâ trình cđn bằng (đê xĩt) cũng lă một quâ trình thuận nghịch, nhưng quâ trình thuận nghịch khơng nhất thiết phải lă quâ trình cđn bằng vì trong định nghĩa của quâ trình thuận nghịch khơng bắt buộc trạng thâi trung gian phải lă trạng thâi cđn bằng.
- Quâ trình thuận nghịch lă qúa trình lý tưởng khĩ cĩ thể xảy ra trín thực tế, tuy vậy cĩ thể coi quâ trình nĩn hoặc giên khí đoạn nhiệt (hoặc đẳng nhiệt) khối khí trong xi lanh diễn ra vơ cùng chậm lă một quâ trình thuận nghịch.
5.2.2 Quâ trình khơng thuận nghịch
Định nghĩa: Quâ trình khơng thuận nghịch lă quâ trình mă khi tiến hănh theo chiều ngược lại hệ
khơng qua đầy đủ câc quâ trình trung gian như quâ trình thuận.
Trín giản đồ (p, V ) biểu đồ của quâ trình thuận vă quâ trình nghịch khơng trùng nhau.
Như vậy: cơng vă nhiệt hệ nhận từ bín ngoăi khâc cơng vă nhiệt hệ cung cấp cho bín ngoăi; từđĩ sau khi tiến hănh quâ trình thuận vă quâ trình nghịch đểđưa hệ về
trạng thâi ban đầu bằng câc quâ trình khơng thuận nghịch mơi trường chung quanh chịu một sự thay đổi.
Quâ trình khơng thuận nghịch lă quâ trình thực tế xảy ra.
+ Ví dụ : Câc quâ trình sau lă câc quâ trình khơng thuận nghịch :
V V1 V2 V1 V2 (1) (2) O p A Hình 5 2
- Quâ trình truyền nhiệt: nhiệt chỉ cĩ thể truyền tự phât từ chỗ nĩng sang chỗ
lạnh hơn, mă khơng cĩ quâ trình tự phât ngược lại.
- Quâ trình khuyết tân: nếu mật độ khối lượng khơng đồng đều thì do khuyết tân sẽ đưa hệ đến trạng thâi đồng đều một câch tự phât mă khơng cĩ quâ trình ngược tự phât.
- Quâ trình ma sât: cĩ thể biến cơng thănh nhiệt bằng một quâ trình ma sât nhưng khơng cĩ quâ trình ngược lại để biến đổi nhiệt thănh cơng.
Ba quâ trình trín lă ba quâ trình khơng thuận nghịch tiíu biểu; từđĩ để cĩ quâ trình thuận nghịch thì cần loại trừ ma sât, khơng cho nhiệt truyền tự phât, trânh khuyết tân daưn đều âp suất; để thỏa yíu cầu đĩ thì quâ trình phải diễn ra rất chậm vă nếu cĩ trao đổi nhiệt thì nhiệt độ của câc phần tiếp xúc phải bằng nhau; về nguyín tắc chỉ cĩ hai quâ trình cĩ thể lă thuận nghịch lă:
- Quâ trình đẳng nhiệt. - Quâ trình đoạn nhiệt.
Một chu trình thuận nghịch đơn giản lă gồm hai quâ trình đẳng nhiệt vă hai quâ trình đoạn nhiệt: chu trình Cacnơ mă ta xĩt ở phần sau.
+ Sự quan trọng của quâ trình thuận nghịch:
Quâ trình thuận nghịch lă quâ trình lý tưởng khĩ xảy ra. Tuy vậy nĩ lă một quâ trình tối ưu về cơng vă nhiệt, chu trình của một động cơ gồm câc quâ trình thuận nghịch lă một chu trình tối ưu, cĩ hiệu suất biến đổi lớn nhất.
5.3 NGUYÍN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Để hiểu nguyín lý II, trước hết ta tìm hiểu thế năo lă mây nhiệt.
5.3.1 Mây nhiệt
Mây nhiệt lă một hệ nhiệt động biến cơng thănh nhiệt hoặc nhiệt thănh cơng. - Hệ biến cơng thănh nhiệt ⇔ mây lăm lạnh: tủ lạnh, điều hịa nhiệt độ... - Hệ biến nhiệt thănh cơng ⇔ động cơ nhiệt: mây hơi nước...
+ Đặc điểm: Mây nhiệt cĩ câc đặc điểm sau.
- Tâc nhđn: chất vận chuyển trung gian để biến nhiệt thănh cơng hoặc cơng thaịnh nhiệt. Ví dụ : với mây hơi nước: hơi nước lă tâc nhđn.
- Nguồn nhiệt: khi mây hoạt động, tâc nhđn trao đổi nhiệt với câc vật cĩ nhiít
độ khâc nhau:
.Vật nhiệt độ cao (T1 ) : nguồn nĩng. .Vật nhiệt độ thấp (T2) : nguồn lạnh.
- Chu trình: tâc nhđn biến đổi theo chu trình; sau một chu trình nĩ trở lại trạng thâi ban đầu.
Cĩ hai loại mây nhiệt:
5.3.1.1 Động cơ nhiệt:lă loại mây nhận nhiệt để sản sinh cơng.
Ví dụ: mây hơi nước.