3. 1 NĂNG LƯỢNG
9.3.NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1. Máy nhiệt
Máy nhiệt là một hệ biến nhiệt thành công hay biến công thành nhiệt.
Các chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến đổi đó trong máy nhiệt gọi là các tác nhân. Khi máy nhiệt hoạt động, tác nhân trao đổi nhiệt với hai nguồn nhiệt: nguồn nhiệt có nhiệt độ cao gọi là nguồn nóng và nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh. Các máy nhiệt hoạt động một cách tuấn hoàn nên tác nhân trong máy biến đổi theo các chu trình.
a) Động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là một loại máy nhiệt biến nhiệt thành công. Thí dụ: máy hơi nước, tác nhân tà hơi
nước, nguồn nóng là nồi supde, nguồn lạnh là bình ngưng hơi (hình 9.4 mô tả một động cơ nhiệt). Trong các động cơđốt trong, tác nhân có thế là hơi đốt, ét xăng.. ., nguồn nóng là buồng đốt nguồn lạnh là mòi trường.
Tác nhân trong động cơ nhiệt biến đổi theo chu trình thuận (đường cong biểu diễn chu trình theo chiều kim đồng hồ) (H. 9.4).
là hiệu suất của động cơ (ký hiệu là η)
Nếu trong một chu trình, tác nhân nhận một nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng có nhiệt độ T1 nhả một nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2 và sinh công A, thì theo định nghĩa hiệu suất của động cơ là:
Vì tác nhân biến đổi theo chu trình nên ΔU = 0. Do đó theo nguyên lý thứ nhất thì:
ΔU = A + Q = 0, ta có: A’ = -A = Q.
Ờ đây Q là nhiệt lượng mà tác nhân thực sự nhận vào qua trao đổi giữa nó với nguồn nóng và nguồn lạnh trong chu trình:
Q = Q1 - Q2’ → A’ = Q1 - Q2’ Vì vậy hiệu suất (9.l) có thể viết:
Từ công thức (9.2) ta có η = 1 (hay 100%) khi Q2 = 0, nghĩa là không có nhiệt lượng thừa truyền cho nguồn lạnh. Động cơ như vậy gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2. Động cơ này biến hoàn toàn nhiệt lượng thành công mà chỉ cần trao đổi nhiệt với một nguồn nhiệt. Cho đến nay, thực nghiệm cho biết dù cố gắng đến đâu cũng không bao giờ chế tạo được động cơ như vậy.
b) Máy làm lạnh
Máylàm lạnh là máy nhận công từ bên ngoài để chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng. Thí dụ: tủ lạnh, máy điều hòa với tủ lạnh thì công nhận từ bên ngoài là do công mô tơ nén khí cung cấp, nguồn lạnh T2 là buồng lạnh, nguồn nóng là căn phòng đặt tủ lạnh.
trình nghịch (ngược chiều kim đống hồ). Trong một chu trình, tác nhân nhận công A từ bên ngoài và nhận một nhiệt lượm Q từ nguồn lạnh. Công A và nhiệt lượng Q2 được tổng hợp thành dạng năng lượng nhiệt Q1 truyền cho nguồn nóng T1.
Để đánh giá hiệu suất làm việc của máy làm lạnh, người ta đưa ra đại lượng gọi là hệ số làm lạnh k:
Hệ số làm lạnh càng cao máy làm lạnh càng tốt. Ta thấy: hệ số làm lạnh k vô cùng lớn (k = ∞) khi A = 0, nghĩa là không cần tốn công mà vẫn đó nhiệt lượng truyền từ nguồn lạnh sang nguồn nóng. Trong thực tế không thể chế tạo được máy làm lạnh vĩnh cửu như thế.
2. Phát biểu nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học
Từ thực nghiệm nguyên lý thứ hai được phát biểu theo nhiều cách khác nhau, sau đây là hai trong các cách phát biểu đó.
a) Cách phát biểu thứ nhất của nghiên lý thứ hai (phát biểu của Tômxơn)
Không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến nhiệt hoàn toàn thành công nhờ lấy nhiệt từ một vai mà môi trường xung quanh không ồê thay đồi gì.
Nghĩa là không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai:
b)Cách phát biểu thứ hai của nghiên lý thứ hai (phát biểu Cluodiut)
Không thể thực hiện được một quá trình mà kết quả duy nhất là truyền nhiệt từ nguồn lạnh hơn sang nguồn nóng hơn thà môi trường xung quanh không hề thay đổi gì.
Nghĩa là không tồn tại máy làm lành vĩnh cửu.
Hai cách phát biểu tương đương nhau ; nghĩa là một quá trình nào đó vi phạm nguyên lý thứ hai theo cách phát biểu này thì cũng vi phạm nguyên lý thứ hai theo cách phát biểu kia. Thật vậy:
Giả sử có một hệ may ghép gồm hai máy: một động cơ vĩnh cửu loại II và một máy làm lạnh thực. Động cơ vĩnh cửu loại II lấy nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng T1 và biến hoàn toàn thành công Ả (điều này vi phạm cách biểu diễn của Tômmxơn). Lấy công Ả này của động cơ vĩnh cửu chạy cho máy làm lạnh. Máy làm lạnh lấy nhiệt lượng Q2từ nguồn lạnh T2 và nhả cho nguồn nóng T1 một nhiệt lượng Q1’ = A’ + Q2 = Q1 + Q2. Như vậy cả hệ thực chất nhả cho nguồn nóng nội nhiệt lượng Q2. Kết quả hệ lấy của nguồn lạnh một nhiệt lượng Q mà không cần công. Điêu này vi phạm cách phát biểu của Claodiut.