Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai - Nguyễn Thị Minh Trinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MÔN HỌC: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƢƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 2 Chƣơng 3 Tổng quát 1. HẠN CHẾ CỦA ĐỊNH LUẬT 1 VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỊNH LUẬT 2  Định luật nhiệt động thứ nhất đã chỉ ra rằng: 2 dạng năng lượng cơ bản là nhiệt lượng và công có thể biến đổi qua lại lẫn nhau.  Nhưng định luật này không chỉ rõ được: . Chiều hướng diễn biến của quá trình . Điều kiện cần và đủ để quá trình xảy ra . Mức độ biến hóa năng lượng của quá trình  Và trong thực tế: công có thể biến đổi hoàn toàn thành nhiệt lượng nhưng nhiệt lượng không thể biến đổi hoàn toàn thành công. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 3 Chƣơng 3 Tổng quát 1. HẠN CHẾ CỦA ĐỊNH LUẬT 1 VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỊNH LUẬT 2 (tt)  Từ nghiên cứu thực tiễn các nhà khoa học đã tìm ra một số quy luật và gọi nó là định luật nhiệt động thứ 2  Định luật nhiệt động thứ 2 chỉ ra được: . Chiều hướng diễn biến của quá trình . Thiết lập giới hạn tối đa của sự biến hóa năng lượng của quá trình . Điều kiện để thực hiện các quá trình xảy ra ngược với chiều tự nhiên. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 4 Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động 2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Thuận chiều Ngược chiều Tất cả các loại động Tất cả các loại cơ nhiệt: động cơ máy lạnh và đốt trong, tuabin bơm nhiệt hơi, tuabin khí, CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 5 Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Chu trình thuận chiều p T 3 3 q1 sinh coâng q1 sinh coâng 2 4 2 4 q q2 2 1 1 v s w q  q q Hiệu suất nhiệt:    1 2 1 2 q1 q1 q1 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 6 Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Phát biểu Kelvin-Planck  Không thể có bất kỳ  Không thể có một động cơ nhiệt nào bất kỳ một động có thể biến toàn bộ nhiệt cơ nhiệt nào có lượng nhận được thành hiệu suất là 100% ra công. Vậy với chu trình thuận chiều: w  q1  q2  q1  w  q2 Khi G ≠ 1 kg: Q1  W  Q2 hay Qnóng  W  Qlanh CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 7 Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Chu trình ngƣợc chiều p q p q 1 3 2 2 Hệ3 số làm2 lạnh: q q   1  1 q  q w nhaän 2 1 nhaän coâng coâng Hệ số làm nóng: 4 1 4 1 q q q q1   2 2 2 q2  q1 w Chu trình maùy laïnh v Chu trình bôm nhieät v CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 8 Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Phát biểu Clausius  Không thể có bất kỳ một  Hệ số làm lạnh của máy lạnh hay bơm nhiệt nào máy lạnh (hay hệ số có thể vận chuyển nhiệt làm nóng của bơm lượng từ nơi có nhiệt độ thấp nhiệt) là một giá trị đến nơi có nhiệt độ cao mà xác định, không thể không tiêu tốn năng lượng. nào tiến tới vô cùng. Vậy với chu trình ngược chiều: w  q2  q1  q2  w  q1 Khi G ≠ 1 kg: Q2  W  Q1 hay Qnóng  W  Qlanh CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 9 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Chu trình Carnot thuận chiều p 1 T q1 q1 1 2 TN T q = 0 N = const 2 q = 0 4 T L = const TL 3 4 q2 3 q2 V 5 6 s Chu trình Carnot thuaän chieàu TN  TL Hiệu suất của chu trình: C  TN CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 10 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Chu trình Carnot ngƣợc chiều 1 T q2 q2 1 2 TN T q = 0 N = const 2 q = 0 4 T L = const TL 3 4 q1 3 q1 V 5 6 s Chu trình Carnot ngöôïc chieàu TL Hệ số làm lạnh của chu trình: C  TN  TL CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 11 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Ý nghĩa của chu trình Carnot T - Chu trình tuabin khí: q1c 1 2 Tmax q dtDC65D B   1 2  1 q 1 q1 dtAB65A A C q2 - Chu trình Carnot: D Tmin 4 3 q2c dt43654  q2c  1 1 c q dt 12651 5 6 s 1c   So saùnh chu trình Carnot vaø chu trình tuabin khí c   CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 12 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Ý nghĩa của chu trình Carnot  Trong tất cả các chu trình nhiệt động tiến hành ở cùng điều kiện nhiệt độ cực đại Tmax và nhiệt độ cực tiểu Tmin, chu trình CARNOT luôn có hiệu suất cao nhất  Hiệu suất chu trình CARNOT là mốc để đánh giá mức độ hoàn thiện của các chu trình trong thực tế. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 13 Chƣơng 3 Bài tập VD 3.1 Một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot với nhiệt độ nguồn lạnh là 350C, nhiệt độ nguồn nóng là 6000C. Năng suất nhiệt cần cung cấp là 1000 kW. Xác định: 1. Công suất sinh ra của chu trình (HP). Trong thực tế công suất này lớn hơn hay nhỏ hơn. 2. Năng suất nhả nhiệt của chu trình. ĐS: 1. W = 647,19 kW = 867,9 HP 2. Q2 = 352,81 kW CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 14 Chƣơng 3 Bài tập VD 3.2 Một chu trình máy lạnh hoạt động giữa nhiệt độ nguồn lạnh là – 100C và nhiệt độ nguồn nóng là 370C, năng suất lạnh là 100 kW. Xác định: 1. Hệ số làm lạnh lớn nhất của chu trình. 2. Công nén cần cung cấp (HP) 3. Năng suất nhả nhiệt của chu trình. ĐS: 1. W = 17,87 kW = 23,96 HP 2. Q2 = 117,87 kW CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 15 Chƣơng 3 Bài tập VD 3.3 Một máy lạnh làm việc theo chu trình Carnot tiêu thụ công suất 10 kW. Nhiệt độ nguồn lạnh là 70C và nhiệt độ nguồn nóng là 270C. Xác định nhiệt lượng lấy được của nguồn lạnh trong một giây? ĐS: Q1 = 140 kJ CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ế ƣơ H t ch ng 3 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 17