3. 1 NĂNG LƯỢNG
9.2.QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH
1. Định nghĩa
Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, khi hệ có thể tiến hành theo chiều ngược lại đi qua các trạng thái trung gian như
trong quá trình thuận.
Để lặp lại được trạng thái đã qua thì trạng thái đã qua này phải có các thông số trạng thái xác định, nghĩa là nó phải là trạng thái cân bằng. Còn nếu mà trạng thái không cân bằng thì các thông số trạng thái của hệ không có giá trị xác định do đó hệ không thể lặp lại trạng thái này khi nó đã qua. Như vậy quá trình thuận nghịch phải là quá trình cân bằng. Quá trình thuận nghịch trên đồ thị (P, V) được biểu diễn bằng hai quá trình trùng nhau: Quá trình thuận và quá trình nghịch, vì quá trình nghịch qua các trạng thái trung gian như quá trình thuận (H. 9.l).
Công A mà hệ nhận được trong quá trình nghịch (2-1) (A > O) có trị số bằng công A’do hệ sinh ra cho bên ngoài trong quá trình thuận (l-2) (A' = A ) (bằng độ lớn của diện tích 12v2v1)
Khi trở lại trạng thái đầu (trạng thái 1) nội năng của hệ không đổi, nên độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình thuận nghịch (1-2-1) là ΔU = 0. Khi đó nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình thuận có trị số bằng nhiệt Q' mà hệ đã tỏa ra bên ngoài trong quá trình nghịch (Q' = Q) (vì ΔU = ΔU1-2 + ΔU2-1 = 0) →ΔU2-1 = -ΔU1-2;
ΔU1-2 = A + Q → Q = ΔU1-2 + A;
Vì quá trình (l-2) là quá trình giãn nên ởđây A < 0 và Q > 0 ; A’ > 0 ; còn ΔU2-l
= Q + A → A = ΔU2-l+ Q' ;
Vì 2-1 là quá trình nén nên Q < 0 và A > 0 ; Q' > 0 ; từđây ta có: Q + A = ΔU1-2 + ΔU2-1 +A’ + Q’ →độ lớn Q’ = Q
Vậy: đối với quá trình thuận nghịch sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch đểđưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không hề biến đổi.
Quá trình không thuận nghịch
Trong thực tế quá trình thuận nghịch rất khó thực hiện, vì hệ biến đổi qua một số trạng thái không cân bằng. Khi trạng thái không cân bằng thay đổi thì khó tạo lại được trạng thái đó Những quá trình như thế gọi là quá trình không thuận nghịch.
Định nghĩa: Quá trình không thuận nghịch là quá trình mà khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như quá trình thuận.
trình nghịch đểđưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi. Vì công và nhiệt mà hệ nhận được từ bên ngoài trong quá trình nghịch không bằng công và nhiệt mà hệ sinh ra cho bên ngoài trong quá trình thuận.
2. Thí dụ
a) Về quá trình thuận nghịch
- Xét một con lắc đơn dao động không ma sát và có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường. Khi đó hệ (con lắc đơn) không trao đổi nhiệt với bên ngoài.
Sau quá trình thuận (quá trình 1-2 ứng với nửa chu kỳ đầu) và quá trình nghịch (quá trình 2-1 ứng với nửa chu kỳ sau) (H. 9.2) công tổng cộng của trọng lực sinh ra bằng không. Kết quả là môi trường xung quanh không bị biến đổi.
- Quá trình nén, giãn một khối khí đoạn nhiệt vô cùng chậm trong một xi lanh có vỏ cách nhiệt với bên ngoài là một quá trình thuận nghịch. Vì quá trình đoạn nhiệt (có vỏ cách nhiệt) nên khối khí không trao đổi nhiệt với bên ngoài và vì quá trình nén, giãn khí vô cùng chăm nên khối khí trong quá trình nghịch sẽđi qua các trạng trái cân bằng trung gian như trong quá trình thuận (giãn). Do đó công mà khối khí nhận được trong quá trình nén bằng công khối khí sinh ra trong quá trình giãn. Kết quả là sau khi trở về trạng thái ban đầu khối khí không trao đổi nhiệt và cóng với bên ngoài và vì vậy môi trường xung quanh không bị biến đổi.
Tóm lại: mọi quá trình cơ học không có ma sát đều có thể coi là quá trinh thuận nghịch.
b) Về quá trình không thuận nghịch:
Trong thực tế mà mọi quá trình vĩ mô bao giờ cũng có trao đổi nhiệt với bên ngoài, vì vậy chúng đều là những quá trình không thuận nghịch. Thí dụ: các quá trình xảy ra có ma sát. Do có ma sát, nên khi tiến hành theo chiều thuận và chiều nghịch một phần công đã biến thành nhiệt làm vật khác nóng lên, chứ nhiệt lấy không biến thành công được. Vì vậy sau một quá trình biến đổi không thuận nghịch môi trường xung quanh bị biến đổi. Các quá trình có ma sát đều là quá trình không thuận nghịch.
- Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh và ngược lại cũng là quá trình không thuận nghịch. Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh là quá trình tự xảy ra và tiến tới nhiệt độ hai vật bằng nhau ;còn quá trình lấy nhiệt từ vật lạnh trả lại
cho vật nóng để chúng trở lại trạng thái ban đầu thì phải có tác dụng của môi trường, nghĩa là môi trường bị biến đổi.
3. Ý nghĩa
- Vì trong thực tế các quá trình xảy ra đều là quá trình không thuận nghịch, nên việc nghiên cứu nó đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
- Trong hai chiều diễn biến của quá trình vĩ mô không thuận nghịch thì chỉ có một chiều tự khắc xảy ra dẫn hệ tới trạng thái cân bằng. Khi hệ đã ở trạng thái cân bằng rồi thì trong hệ không thể tự phát dẫn tới những trạng thái vĩ mô không cân bằng.
- Quá trình thuận nghịch tuy là quá trình lý tưởng, song việc nghiên cứu nó đã đóng góp cho việc thiết lập biểu thức định lượng của nguyên lý thứ hai. Mặt khác quá trình thuận nghịch là quá trình lợi nhất về công không bị mất mát vì ma sát) và nhiệt (không bị tỏa nhiệt cho môi trường xung quanh) nên được ứng dụng để tạo ra động cơ nhiệt sao cho hoạt động theo những quá trình càng gần quá trình thuận nghịch càng có lợi.