4.4.1. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học
Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động học để sinh công A trong chu trình, tác nhân phải dùng một nhiệt lượng Q = A Nhưng nguyên lý không giải quyết vấn đề đặt ra trong thực tế là có phải toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà tác nhân của ngoại vật trong chu trình đã được dùng để sinh công A hay không? Vấn đề này có liên quan chặt chẽ với việc chế tạo động cơ vĩnh cửu loại II tức là loại động cơ có A = Q1. Sau thời gian dài mọi cố gắng nhằm thực hiện động cơ vĩnh cửu loại II đều vô ích. Động cơ chế tạo trong thực tế, không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà nó nhận của một ngùôn nhiệt nào đó để biến thành công A được mà bao giờ cũng phải truyền cho một nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng Q2 mà nó đã nhận của ngùôn thứ nhất nghĩa là Q = Q1 - Q2 = A. Tổng quát hóa tất cả những kinh nghiệm và những quan sát thu được trong thực nghiệm,.người ta đã xây dựng nên một nguyên lý mới độc lập với nguyên lý thứ nhất nhiệt động học. Đó là nguyên lý thứ hai nhiệt động học. Nguyên lý này được phát biểu theo hai dạng khác nhau gắn liền với quá trình nghiên cứu hoàn thiện động cơ nhiệt và máy lạnh.
a. Cách phát biểu thứ nhất của nguyên lý thứ hai của nhiệt động học
“Không thể thực hiện được một chu trình sao cho kết quả duy nhất của nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ một nguồn.”
- Nói một cách khác: “Không thể chế tạo được một động cơ vĩnh cửu loại hai.” Cách phát biểu do J. Thomson nêu ra đầu tiên, nên thường gọi là cách phát biểu Thomson.
b. Cách phát biểu thứ hai của nguyên lý thứ 2
Không thể thực hiện được một quá trình mà kết quả duy nhất là truyền năng lượng dưới dạng nhiệt từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.
Nói một cách ngắn gọn hơn: nhiệt không thể truyền từ lạnh sang nóng.
Cách phát biểu này do Clausius đề xuất nên được gọi là cách phát biểu Clausius. Hai cách phát biểu trên là hoàn toàn tương đương.
4.4.2. Hệ quả của nguyên lý II
a. Động cơ nhiệt
Theo nguyên lý thứ hai nhiệt động học thì trong một chu trình tác nhân không thể dùng tất cả nhiệt lượng Q1 mà nó nhận được của ngoại vật để sinh công A mà chỉ dùng được một nhiệt lượng (Q1 - Q2) để sinh công A. Như vậy, tác nhân thực hiện chu trình trong động cơ nhiệt phải làm việc giữa hai nguồn nhiệt: nguồn nóng có nhiệt độ T1 cao hơn nhiệt độ tác nhân truyền nhiệt lượng Q1 cho tác nhân và nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp hơn nhiệt độ tác nhân, nhận nhiệt lượng Q2 của tác nhân. Như vậy là T1 > T2.
Sơ đồ hoạt động của động cơ nhiệt được biểu thị bởi hình vẽ.
Vậy từ nguyên lý thứ hai, vấn đề đặt ra trong kỹ thuật là chế tạo và cải tiến động cơ nhiệt sao cho giá trị công A càng gần giá trị nhiệt lượng Q1 được bao nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu. Để đặc trưng cho tính chất này của động cơ nhiệt người ta đưa ra khái niệm hiệu suất được biểu thị bằng công thức sau: 1 2 2 1 1 1 Q Q Q A 1 Q Q Q - h = = = - (24)
Động cơ nhiệt nào có càng lớn (càng gần tới l) thì động cơ đó càng tốt. Lý thuyết mà ta sẽ xét đến trong những phần sau cũng như thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hiệu suất của mọi chu trình có thể xảy ra đều nhỏ hơn hiệu suất của chu trình Carnot.
b. Máy lạnh
Sơ đồ hoạt động của máy làm lạnh cũng tương tự như sơ đồ của động cơ nhiệt đã nêu ở phần trên nhưng quá trình xảy ra theo chiều ngược lại. Nghĩa là khi thực hiện chu trình tác nhân của máy làm lạnh nhận công A của ngoại vật và nhận nhiệt lượng Q2 của nguồn lạnh T2 và sau đó tác nhân truyền cho nguồn nóng T1 nhiệt lượng Q1.
Tóm lại, đối với máy làm lạnh việc lấy nhiệt lượng Q2 từ một vật định làm lạnh (nguồn lạnh) và truyền nhiệt lượng này cho vật nóng hơn (nguồn nóng) nhất thiết phải kèm theo việc tác dụng công của ngoại vật lên tác nhân.
Nhận xét xem máy làm lạnh nào làm việc tốt hơn ta cần chú ý đến tỷ số Q2/A nghĩa là máy làm lạnh nào chuyển được nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh lên nguồn nóng càng
lớn trong khi đó có nhận công A của ngoại vật càng ít tức là tỷ số Q2/A càng lớn thì máy làm lạnh đó càng tốt: Tỷ số Q2/A được gọi là hiệu suất của máy làm lạnh. Ta có:
2
Q A
h = (25)
4.4.3. Quá trình thuận nghịch
Quá trình thuận nghịch là quá trình có thể biểu diễn theo chiều ngược lại qua mọi trạng thái trung gian khi ta thay đổi rất ít điều kiện bên ngoài.
Muốn cho quá trình thuận nghịch, thì nó không được phép chứa trong đó những phần của quá trình dù rất nhỏ chỉ diễn biến được theo một chiều (quá trình bất thuận nghịch) cụ thể là trong khi hệ thực hiện quá trình không được phép có ma sát biến công thành nhiệt, truyền nhiệt từ nóng sang lạnh hoặc giản nở khí bằng chân không.
- Để không có nhiệt truyền từ nóng sang lạnh, khi hệ nhận nhiệt nó phải diễn biến theo một quá trình đoạn nhiệt, còn khi muốn nhiệt độ không đổi thì nó phải thực hiện quá trình đẳng nhiệt.
- Để không có công biến thành nhiệt hệ phải không có ma sát
- Để không có khí giãn nở vào chân không, các quá trình phải diễn biến vô cùng chậm.
Một quá trình thuận nghịch bất kỳ có thể xem như một dãy những quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp vô cùng chậm. Quá trình thuận nghịch đơn giản nhất nối giữa hai trạng thái bất kỳ bao gồm một quá trình đoạn nhiệt và một quá trình đẳng nhiệt, cả hai cùng diễn biến vô cùng chậm.
Mỗi trạng thái trung gian của quá trình thuận nghịch hệ coi như ở trạng thái cân bằng, cho nên loại trừ một vài trường hợp cá biệt, ta có thể xem quá trình thuận nghịch như một quá trình cân bằng và có thể biểu diễn nó trên giản đồ P V bằng một đường nào đấy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một quá trình mà đại bộ phận các khoảng trung gian là thuận nghịch nhưng có một khoảng dù rất nhỏ bất thuận nghịch cũng phải coi là quá trình bất thuận nghịch.
4.4.4. Chu trình thuận nghịch và chu trình Carnot
Một chu trình mà mọi quá trình cấu tạo nên nó là thuận nghịch tùy ý có thể xem như cấu tạo bởi nhiều đoạn đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt vô cùng bé kế tiếp nhau. Vì các đường đẳng nhiệt tự chúng không cắt nhau, các đường đoạn nhiệt cũng không cắt nhau, nên chu trình thuận nghịch đơn giản nhất là chu trình chỉ có 2 đường đẳng nhiệt là 2 đường đoạn nhiệt mà ta gọi là chu trình Carnot (do Carnot đề xuất).
Chu trình Carnot chạy thuận là một động cơ nhiệt, còn nếu chạy ngược nó là một máy lạnh lý tưởng.
a. Chu trình thuận nghịch tùy ý xem như một dãy các đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp nhau.
b. Chu trình Carnot gồm 2 đường đẳng nhiệt và 2 đường đoạn nhiệt.
4.4.5. Hiệu suất của chu trình Carnot với khí lý tưởng
Chu trình Carnot là chu trình 2 nguồn nhiệt. Giá sử hệ (trong trường hợp đang xét) là một môle khí lý tưởng trao đổi (nhận) nhiệt Q1 với nguồn T1 và nhả nhiệt Q2 cho nguồn T2. Hiệu suất của chu trình là: 1 2 1 Q Q Q - h = (26)
Trong đó Q1 là nhiệt nhận trong quá trình AB
B 1 1 A V Q R.T .Ln V = (a)
Q2 là nhiệt nhả trong quá trình CD
C 2 2 D V Q R.T .Ln V = (b) C B 1 2 A D B 1 A V V R.T .Ln R.T .Ln V V V R.T .Ln V - h = (27)
Hai trạng thái A và D ở trên một đường đoạn nhiệt cho nên
( 1) ( 1) A A D D T .V g- = T .V g- ( 1 ) ( 1 ) 1 A 2 D T .Vg- = T .Vg- (c) Tương tự 2 trạng thái B và C cũng trên một đường đoạn nhiệt cho nên:
( 1) ( 1) B B C C T .V g- = T .Vg - ( 1 ) ( 1 ) 1 B 2 C T .Vg- = T .Vg- (d) Chia 2 vế với vế 2 phương trình (c) và (d) ta được:
A D ( 1) ( 1) C B ( 1) ( 1) C V V V g- g- g- = g- Hay: B C A D V V Ln Ln V V × = × (e)
Thay (e) vào (3.36) ta được:
1 2 1 T T T - h = (28)
Vậy hiệu suất của chu trình carnot thuận nghịch đối với khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nguồn nóng và nguồn lạnh.
B
Bààii55.. CCHHẤTẤT LLỎNỎNGG
5.1. Tính chất và cấu tạo của chất lỏng 5.1.1. Tính chất của chất lỏng
Ta biết trong đời sống hàng ngày, chất lỏng là trạng thái trung gian giữa chất khí và chất rắn, tùy theo nhiệt độ và áp suất mà chất lỏng có thể bay hơi thành chất khí hoặc cũng có thể đông đặc thành chất rắn.
Trong chất lỏng các phân tửở khá gần nhau, lực tương tác giữa chúng khá lớn do đó chúng không thể chuyển động tự do như trong chất khí mà dao động quanh vị trí cân bằng. Tuy nhiên chúng cũng khác chất rắn là các phân tử có thể từ vị trí cân bằng này chuyển sang vị trí cân bằng khác và khoảng dịch chuyển này chỉ vào cỡ kích thước của phân tử. Do đó chất lỏng có thể tích nhất định nhưng dễ dàng trượt lớp nọ lên lớp kia.
Tóm lại, theo quan điểm thuyết động học phân tử sự khác nhau giữa tính chất của các trạng thái lỏng, khí, rắn là do sự sắp xếp các phần tử (thứ tự hay hỗn loạn) và khoảng cách tương đối giữa chúng giữa chúng (ở gần hay xa nhau).
5.1.2. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng
Để hiểu rõ tính chất của chất lỏng, ta cần biết cấu tạo của chất lỏng.
Các phân tử trong chất lỏng sắp xếp tương đối có thứ tự ở gần trạng thái cân bằng nhưng các phần tử có thể từ trạng thái cân bằng này chuyển sang trạng thái cân bằng cạnh đó.
Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ thời gian đó giảm. Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc thời gian đó lại rất lớn. Nghiên cứu chuyển động phân tử trong chất lỏng Frenken đã tìm ra công thức:
kT E e 0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó: là thời gian dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng
k: hằng số Boltzman
0 là chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng E là năng lượng hoạt động của phân tử
T là nhiệt độ tuyệt đối
Ví dụ: Đối với nước nhiệt độ thông thường t = 10-11 giây trong khi đó 0 = 10-13 giây. Như vậy, cứ dao động khoảng 100 chu kỳ phân tử nước lại dịch đi chỗ khác.
5.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng 5.2.1. Áp suất phân tử
Trong chất lỏng, khoảng cách phân tử nhỏ so với trong chất khí. Vì vậy lực hút phân tử đóng một vai trò đáng kể. Tuy nhiên lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách, do đó những phân tử cách nhau một khoảng nhỏ hơn so với cỡ r = 10-9m mới tác dụng lên nhau, ngoài phạm vi đó các phân tử không tương tác với nhau.
- Nếu lấy một phân tử làm tâm vẽ một mặt cầu bán kính r = 10-9m thì phân tử trên chỉ tương tác với các phân tử nằm trong mặt cầu đó. Mặt cầu đó gọi là mặt cầu bảo vệ.
- Đối với các phân tử nằm sâu trong chất lỏng, mặt cầu bảo vệ hoàn toàn trong chất lỏng ta thấy lực phân tử do các phân tử xung quanh gây ra sẽ triệt tiêu nhau. Kết quả phân tử đó hầu như không chịu lực tác dụng.
- Đối với các phân tử nằm ở mặt ngoài (có bề dày nhỏ hơn 10-9m) thì mặt cầu bảo vệ của chúng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng, lực tác dụng lên mỗi phân tử không bù trừ lẫn nhau và phân tử chịu một lực tác dụng tổng hợp hướng vào trong chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tửở chất lỏng.
- Đối với nước, áp suất phân tử đến hàng vạn átmốtphe, mặc dù áp suất phân tử rất lớn nhưng nó không nén được các phân tử sát lại nhau. Lý do vì lúc các phân tử sát nhau thì giữa các phân tử xuất hiện lực đẩy, lực đẩy này tăng rất nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử giảm và chống lại áp suất phân tử.Do lực đẩy phân tử tăng khi khoảng cách giảm nên chất lỏng rất khó chịu nén.
Chú ý: Không thể đo áp suất phân tử vì nó hướng vào trong chất lỏng, nó không tác dụng lên thành bình và lên các vật nhúng vào trong chất lỏng.
5.2.2. Lực căng mặt ngoài
Ta hãy xét các phân tử nằm ở mặt ngoài của chất lỏng. Với các phân tử này mặt cầu bảo vệ của chúng chỉ có một phần trong lòng chất lỏng, khi đó lực tác dụng lên phân tử này có thể phân tích thành:
- Hai thành phần tiếp tuyến với mặt ngoài chất lỏng
- Một thành phần thẳng góc với mặt thoáng chất lỏng, thành phần pháp tuyến này gây nên áp suất phân tử như đã nói ở trên.
Bây giờ ta xét hai thành phần tiếp tuyến với mặt ngoài. Bình thường hai thành phần này bù trừ với nhau. Ta giả sử vì một lý do nào đấy mặt ngoài chất lỏng ở phía bên phải bị phá vỡ lúc đó các thành phần tiếp tuyến không còn bù trừ nhau nữa. Mặt ngoài chất lỏng bị co về phía trái.
Để giữ mặt ngoài của chất lỏng ở trạng thái cũ ta phải tác dụng lên chiều dài đường ranh giới 1 của mặt ngoài
chất lỏng một lực F hướng về bên phải. F phải thỏa mãn hai điều kiện:
+ F tiếp tuyến với mặt ngoài của chất lỏng + F vuông góc với ranh giới mặt ngoài
F được gọi là sức căng mặt ngoài hay lực căng mặt ngoài. Ta thấy, nếu đường ranh giới mặt ngoài càng lớn thì sức căng mặt ngoài F càng lớn. Vậy F tỉ lệ thuận với đường ranh giới mặt ngoài.
F = . (2) : hệ số sức căng mặt ngoài
Hệ số sức căng mặt ngoài là sức căng mặt ngoài tác dụng lên một đơn vị dài của đường ranh giới mặt ngoài.
Trong hệ có: S.I: [] = N/m
Ứng dụng: Nhiều hiện tượng của trạng thái lỏng ví dụ sự tạo thành lớp bọt trên mặt chất lỏng, sự tạo thành giọt chất lỏng chạy qua một lỗ nhỏ đều là do tác dụng của sức căng mặt ngoài.
- Giả sử có một bọt không khí ở trong chất lỏng. Bọt khí nào nổi lên mặt, tới mặt chất lỏng, bọt khí đội một lớp chất lỏng có dạng hình vòm. Nếu bọt không khí đó nhỏ thì nó không thể xé rách lớp mặt ngoài và chịu nằm dưới mặt chất lỏng. Các bọt này tạo thành lớp bọt.
- Khi chất lỏng chảy ra khỏi một ống thẳng đứng có đường kính bé thì do sức căng mặt ngoài chất lỏng không thể một lúc chảy ra khỏi ống. Chất lỏng chảy ra từ từ và phía trên giọt chất lỏng thắng sức căng mặt ngoài thì chỗ thắt bị đứt và tạo thành giọt nước rơi xuống. Nếu lỗ rất nhỏ và áp suất không đủ lớn thì không chảy ra ngoài được.
5.2.3. Năng lượng mặt ngoài
Ta biết rằng các phân tử lớp mặt ngoài bị các phân tử ở phía trong hút. Vì vậy, năng lượng của chúng, ngoài động năng chuyển động nhiệt, còn có thể năng quy định bởi các lực hút đó.
- Khi đem phân tử từ trong lòng chất lỏng ra lớp mặt ngoài ta cần thực hiện công chống lại lực hút phân tử. Như vậy, các phân tử lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn các (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});