Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 3 Định luật nhiệt động thứ 2

nh luật nhiệt động thứ 2 4.1 Giới thiệu: 4.2 Hai phát biểu cơ bản của Định luật nhiệt động thứ 2 4.3 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch 4.4 Chu trình Carnot 4.5 Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ 2 p.2 4 . Đ ị 4.1 Giới thiệu - Ví dụ: Để 1 quá trình có thể diễn ra, cần phải thỏa mãn không những ĐLNĐ 1 mà còn phải thỏa mãn cả ĐLNĐ 2 Dòng nhiệt không thể tự động di chuyển từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao Quá trình gia nhiệt cho nước để làm quay trục quay không xảy ra trong thực tế ¾ Định luật nhiệt động 1 không cho biết được chiều hướng diễn biến của một quá trình p.3 a. Phát biểu Kelvin-Planck 4.2 Hai phát biểu cơ bản của Định luật nhiệt động thứ 2 Động cơ nhiệt Nguồn nóng Q W = Q IMPOSSIBLE !! ¾ Không thể có bất kỳ động cơ nhiệt nào có thể biến toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công ¾ Không thể tồn tại bất kỳ động cơ nhiệt nào có hiệu suất nhiệt 100% Ví dụ: Động cơ nhiệt chỉ có thể hoạt động khi có sự vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng đến nguồn lạnh 1/2009 p.4 Sơ đồ chu trình nhiệt của tuabin hơi (Chu trình thuận chiều) 1 2 3 4 Hiệu suất nhiệt của chu trình: in inout Q WW −=η Do: in out in out in out outin q q Q Q Q WWW −=−==⇒<< 11η Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.5 b Phát biểu Clausius ¾ Không thể có bất kỳ 1 máy lạnh hay bơm nhiệt nào có thể vận chuyển nhiệt lượng từ một nơi có nhiệt độ nhỏ hơn đến một nơi có nhiệt độ cao hơn mà không tiêu tốn năng lượng ¾ Hệ số làm lạnh của máy lạnh (hay hệ số làm nóng của bơm nhiệt) không thể nào tiến đến vô cùng Máy lạnh Nguồn nóng QN = QL Nguồn lạnh QL IMPOSSIBLE !! p.6 Sơ đồ chu trình nhiệt của máy lạnh (Chu trình ngược chiều) 1 2 3 4 p 23 4 1 v q1 q2 W Hệ số làm lạnh : 21 2 21 22 qq q QQ Q W Q −=−==ε p.7 Sự tương đồng giữa 2 phát biểu Động cơ nhiệt Nguồn nóng Q1 W = Q1 Máy lạnh Q2 Q1 +Q2 Nguồn lạnh Kelvin-Planck Clausius Máy lạnh Nguồn nóng Q2 Nguồn lạnh Q2 p.8 4.3 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch ™ Quá trình thuận nghịch: là quá trình có thể tiến hành theo chiều ngược lại mà không làm biến đổi trạng thái hệ thống và môi trường. - Ví dụ: nếu bỏ qua ma sát Æ chuyển động của con lắc có thể xem là quá trình thuận nghịch p.11 ™ Nhận xét về quá trình thuận nghịch: ¾ Quá trình thuận nghịch là quá trình lý tưởng, không thể xảy ra trong thực tế ¾ Hệ thống sử dụng quá trình thuận nghịch sẽ sinh công lớn nhất và tiêu hao ít năng lượng nhất ¾ Quá trình thuận nghịch được sử dụng trong lý thuyết để tính toán khả năng tối đa của hệ thống Æ sau đó so sánh với khả năng thực của hệ thống trong thực tế p.12 ™ Quá trình không thuận nghịch: là quá trình chỉ có thể tiến hành theo chiều ngược khi biến đổi trạng thái hệ thống và môi trường. - Ví dụ 1: quá trình trao đổi nhiệt giữa vật nóng và vật lạnh - Ví dụ 2: quá trình giãn nở của chất khí ở nhiệt độ T = const p p.13 4.4 Chu trình Carnot: - là chu trình lý tưởng bao gồm 4 quá trình thuận nghịch 1-2: Giãn nở đẳng nhiệt, nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng (có cùng nhiệt độ T1) T1 Q1 T1 2-3: Giãn nở đoạn nhiệt (Nhiệt độ giảm từ T1 xuống T2) T1 T2 3-4: Nén đẳng nhiệt, thải nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh (có cùng nhiệt độ T2) T2 Q2 T2 4-1: Nén đoạn nhiệt (Nhiệt độ tăng từ T2 lên T1)T2 T1 Q1 Q2 T1= const T2= const T 1 2 34 s T1 T2 Wout Q1 Q2 p.14 ¾ Hiệu suất nhiệt/Hệ số lạnh của chu trình Carnot T 1 2 3 4 s T1 T2 Wout Q1 Q2 A B a/ Chu trình Carnot thuận chiều (Động cơ nhiệt) b/ Chu trình Carnot ngược chiều (Máy lạnh) T 1 4 3 2 s T1 T2 Win Q1 Q2 A B Hiệu suất nhiệt: 1 2 1 2 1 1 )12( )43(11 T T BAdt BAdt Q Q Q W Carnot out Carnot −= −=−== η η Hệ số lạnh: 1 1 )1234( )23( 2 121 2 21 22 − =−= =−== T TTT T dt BAdt QQ Q W Q Carnot in Carnot ε ε p.16 Ý nghĩa của chu trình Carnot ¾ Trong tất cả các chu trình nhiệt động tiến hành ở cùng điều kiện nhiệt độ cực đại Tmax và cùng nhiệt độ cực tiểu Tmin , chu trình CARNOT luôn có hiệu suất nhiệt cao nhất T A B C D s Tmax Tmin J I 1 2 3 4 - Chu trình bất kỳ 1234: ( ) ( )IJJdt IJJdt Q Q 412 43211 1 2 −=−=η - Chu trình Carnot ABCD: ( ) ( )BIJJAdt CIJJDdt Q Q C C Carnot 1 311 1 2 −=−=η ηη 〉Carnot Ng p.17 4.5 Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ 2 ¾ Khi hoạt động giữa các giới hạn nhiệt độ như nhau, không thể có bất kỳ 1 chu trình nhiệt động thuận chiều thực tế nào có hiệu suất nhiệt lớn hơn hoặc bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot ¾ Tất cả các chu trình Carnot thuận chiều đều có hiệu suất nhiệt bằng nhau nếu cùng hoạt động giữa các nguồn nóng và nguồn lạnh như nhau ¾ Khi tiến hành 1 chu trình thuận nghịch bất kỳ (bao gồm các quá trình thuận nghịch), ta luôn luôn có: 0=∫ TQδ ¾ Khi tiến hành 1 chu trình KHÔNG thuận nghịch bất kỳ (bao gồm 1 hay vài quá trình không thuận nghịch), ta luôn luôn có: 0〈∫ TQδ p p.22