Tài liệu Chuong 3 nguyen ly thu hai nhiet dong luc hoc

Chương 3 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL HÀ NỘI 2016 CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NỘI DUNG CHÍNH  Những hạn chế của nguyên lý thứ Nhất nhiệt động lực học  Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch  Nguyên lý thứ Hai của nhiệt động lực học 2  Chu trình Carnot và định lý Carnot  Biểu thức định lượng của nguyên lý Hai 1. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC • Nguyên lý thứ nhất không cho ta biết chiều diễn biến của quá trình thực tế xảy ra. Đó là: Nhiệt chỉ truyền từ vật nóng sang vật lạnh 3 • Nguyên lý thứ nhất không đề cập đến sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa công và nhiệt Đó là: Công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt nhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thành công được. • Nguyên lý thứ nhất không đề cập tới vấn đề chất lượng của nhiệt Đó là: Nhiệt lượng lấy ở môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng cao hơn nhiệt lượng đó lấy ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn. 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.1. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH  Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái A sang trạng thái B và ngược lại từ trạng thái B sang trạng thái A qua tất cả các trạng thái trung gian mà quá trình thuận đã đi qua. 4 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.1. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH  Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng  Trên giản đồ trạng thái, đồ thị của quá trình thuận và đồ thị của quá trình nghịch sẽ trùng nhau.  Công và nhiệt hệ nhận được trong quá trình nghịch bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận. 5  Đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch để đưa hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không xảy ra một biến đổi nào 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.2. QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 6  Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều nghịch, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận.  Công và nhiệt hệ nhận được từ bên ngoài trong quá trình nghịch không bằng công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận. 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.2. QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH  Đối với quá trình không thuận nghịch, sau khi hệ thực hiện quá trình thuận và nghịch đưa hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi. 7 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.3. VÍ DỤ QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH Con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường 8 Quá trình nén và giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.3. VÍ DỤ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH - Các quá trình xảy ra có ma sát đều là quá trình không thuận nghịch. - Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh cũng là một quá trình không thuận nghịch. 9 - Quá trình giãn khí trong chân không. 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH 2.4. Ý NGHĨA CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH 10  Chiều diễn biến tự nhiên như thế nào? Chiều biến đổi của các quá trình tự nhiên là tiến tới trạng thái cân bằng. Khi hệ đã ở trạng thái cân bằng thì không thể tự phát xảy ra quá trình đưa hệ tới trạng thái không cân bằng.  Các quá trình thuận nghịch rất quan trọng trong kỹ thuật chế tạo máy để nó hoạt động theo các quá trình càng gần với quá trình thuận nghịch sẽ có hiệu suất càng cao. 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT 11  Thiết bị hoạt động tuần hoàn có chức năng biến nhiệt thành công hoặc ngược lại gọi là máy nhiệt.  Cấu tạo của máy nhiệt gồm 2 bộ phận chính: Tác nhân: Chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến đổi nhiệt thành công và ngược lại. Nguồn nhiệt: Việc trao đổi nhiệt xảy ra với các vật có nhiệt độ khác nhau gọi là các nguồn nhiệt (nguồn nóng TH và nguồn lạnh TL)  Có hai loại máy nhiệt là động cơ nhiệt và máy lạnh. 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT 12 Động cơ nhiệt Máy lạnh 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT a) Động cơ nhiệt và cách phát biểu nguyên lý II của Thomson 13  Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công như máy hơi nước, động cơ đốt trong.  QH là nhiệt lượng tác nhân nhận của nguồn nóng (QH > 0).  QL là nhiệt lượng tác nhân nhận của nguồn lạnh (QL < 0).  A’ là công mà tác nhân sinh ra: A’ = QH - |QL| Động cơ nhiệt 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT a) Động cơ nhiệt và cách phát biểu nguyên lý II của Thomson  Hiệu suất của động cơ: Q A  Q H  Q L    1 L QH QH QH 14  Phát biểu của Thomson: Không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công mà không để lại dấu vết gì ở môi trường xung quanh. Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT a) Máy lạnh và cách phát biểu nguyên lý II của Clausius 15  Máy lạnh là loại máy nhiệt tiêu thụ công để rút nhiệt bên trong nó nhằm đạt được hoặc giữ được nhiệt độ thấp hơn ở bên trong.  QL là nhiệt lượng tác nhân lấy đi từ nguồn lạnh (QL > 0).  QH là nhiệt lượng tác nhân nhận của nguồn nóng (QH < 0).  A = |QH| - QL Máy lạnh 3. NGUYÊN LÝ 2 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1. MÁY NHIỆT a) Máy lạnh và cách phát biểu nguyên lý II của Clausius  Hệ số làm lạnh: QL  A 16  Hệ số làm lạnh có thể lớn hơn 1  Phát biểu của Clausius: Không thể có quá trình mà kết quả cuối cùng duy nhất là truyền nhiệt từ nhiệt độ thấp hơn sang nhiệt độ cao hơn. 4. CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT Nhận xét: 17  Hiệu suất của động cơ nhiệt luôn luôn nhỏ hơn 1.  Hệ số làm lạnh của máy lạnh không thể vô hạn.  Ma sát và hiệu ứng truyền nhiệt do chênh lệch nhiệt độ làm giảm hiệu suất.  Máy nhiệt hoạt động theo các quá trình thuận nghịch sẽ có hiệu quả nhất do không gây biến đổi môi trường xung quanh. 4. CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 4.1. Chu trình Carnot thuận: 18  Giãn nở đẳng nhiệt (1-2) ở TH: Hệ nhận nhiệt QH từ nguồn nóng.  Giãn nở đoạn nhiệt (2-3), giảm nhiệt độ từ TH đến TL.  Nén đẳng nhiệt (3-4) ở TL: Hệ tỏa nhiệt QL cho nguồn lạnh.  Nén đoạn nhiệt (4-1) để khép kín chu trình, hệ tăng nhiệt độ từ TL đến TH. Chu trình động cơ Carnot đối với khí lý tưởng 4. CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 4.1. Chu trình Carnot thuận: Hiệu suất của chu trình Carnot: Xét động cơ hoạt động theo chu trình Carnot (thuận) với nhiệt độ nguồn nóng TH và nhiệt độ nguồn lạnh TL .  Hiệu suất của động cơ: 19 Q A  Q H  Q L    1 L QH QH QH V2 m RTH ln  Nhiệt nhận từ nguồn nóng: Q H   A 12  μ V1 V3 m  Nhiệt tỏa ra nguồn lạnh: Q   Q L  A 34  RTL ln L μ V4 4. CHU TRÌNH CARNOT VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT 4.1. Chu trình Carnot thuận: Hiệu suất của động cơ theo chu trình thuận: Q   1 L QH 20  V3   V3  nRTL ln   TL ln    V4   1   V4   1  V2  V  nRTH ln   TH ln  2   V1   V1  Mặt khác trong 2 quá trình đoạn nhiệt ta có: TH V21  TL V31 &TH V11  TLV41  V2     V1  1  V3     V4  1  V2 V3  V1 V4   1 TL TH  Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt.