Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 3: Định luật nhiệt động thứ 2 - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 3: Định luật nhiệt động thứ 2 - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Tóm tắt tuần4 TUẦN 4 2.5 Một số quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng TUẦN 5 Chương 3: Định luật nhiệt động thứ 2 p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM TUTUẦẦNN 55 Chương 3: Định luật nhiệt động thứ 2 3.1 Giới thiệu: 3.2 Hai phát biểu cơ bản của Định luật nhiệt động thứ 2 3.3 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch 3.4 Chu trình Carnot 3.5 Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ 2 p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.1 Giới thiệu ¾ Định luật nhiệt động 1 không cho biết được chiều hướng diễn biến của một quá trình -Ví dụ: Quá trình gia Dòng nhiệt nhiệt cho không thể tự nước để làm động di chuyển quay trục từ nơi có nhiệt quay không độ thấp đến nơi xảy ra trong có nhiệt độ cao thực tế Để 1 quá trình có thể diễn ra, cần phải thỏa mãn không những ĐLNĐ 1 mà còn phải thỏa mãn cả ĐLNĐ 2 p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.2 Hai phát biểu cơ bản của Định luật nhiệt động thứ 2 3.2.1 Phát biểu Kelvin-Planck ¾ Không thể có bấtkỳ động cơ nhiệt ¾ Không thể tồn tại bấtkỳ nào có thể biến toàn bộ nhiệt lượng động cơ nhiệt nào có hiệu nhận được thành ra công suất nhiệt 100% Nguồn nóng Q IMPOSSIBLE !! Động cơ nhiệt W = Q Động cơ nhiệt chỉ có thể hoạt Ví dụ: động khi có sự vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng đến nguồnlạnh p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Sơđồ chu trình nhiệtcủa tuabin hơi (Chu trình thuận chiều) 2 3 1 4 W −W Hiệu suất nhiệtcủa chu trình: η = out in Qin Wout Qout qout Do: Win << Wout ⇒ η = = 1− = 1− Qin Qin qin p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.2.2 Phát biểu Clausius ¾ Không thể có bấtkỳ 1 máy lạnh ¾ Hệ số làm lạnh của máy hay bơm nhiệt nào có thể vận chuyển lạnh (hay hệ số làm nóng của nhiệt lượng từ mộtnơi có nhiệt độ bơm nhiệt) không thể nào nhỏ hơn đến một nơi có nhiệt độ cao tiến đến vô cùng hơn mà không tiêu tốnnăng lượng Nguồn nóng QN = QL Máy lạnh IMPOSSIBLE !! Nguồn lạnh QL p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Sơđồ chu trình nhiệtcủa máy lạnh (Chu trình ngược chiều) p 3 2 3 q1 2 W 1 4 4 q 1 2 v Q Q q Hệ số làm lạnh : ε = 2 = 2 = 2 W Q1 − Q2 q1 − q2 p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Sự tương đồng giữa 2 phát biểu Nguồn nóng Nguồn nóng Q2 Q1 Q1 +Q2 W = Q1 Động cơ nhiệt Máy lạnh Máy lạnh Q Nguồn lạnh Q2 Nguồn lạnh 2 Kelvin-Planck Clausius p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Nói thêm: Động cơ vĩnh cửu ¾ History of Perpetual Motion Machine ™ Động cơ vĩnh cửuloại1: vi phạm Định luật Nhiệt động 1 -Ví dụ: nhà máy nhiệt điện “vĩnh cửu” Wout Qout p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ™ Động cơ vĩnh cửuloại2: vi phạm Định luật Nhiệt động 2 -Ví dụ: p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.3 Quá trình thuậnnghịch 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
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ™ Nhậnxétvề 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
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ™ 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.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.4 Chu trình Carnot: - là chu trình lý tưởng bao gồm 4 quá trình thuận nghịch 1-2: Giãn nở đẳng nhiệt, T1 nhận nhiệt lượng Q1 từ T1 nguồn nóng (có cùng nhiệt Q1 Q1 độ T1) T1= const 2-3: Giãn nở đoạn nhiệt T1 (Nhiệt độ giảm từ T T 1 T2= const 2 Q xuống T2) 2 T 3-4: Nén đẳng nhiệt, thải Q1 T 1 2 T2 nhiệt lượng Q2 cho nguồn 1 T2 Q2 lạnh (có cùng nhiệt độ T2) Wout T2 T1 3 4-1: Nén đoạn nhiệt (Nhiệt 4 Q2 s T2 độ tăng từ T2 lên T1) p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Mô phỏng chu trình Carnot p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Hiệu suất nhiệt/Hệ số lạnh của chu trình Carnot a/ Chu trình Carnot thuận chiều b/ Chu trình Carnot ngược chiều (Động cơ nhiệt) (Máy lạnh) T T Q Q1 1 1 2 1 4 T1 T1 W Wout in T2 3 T 4 2 3 Q 2 2 Q2 s s A B A B Hiệu suất nhiệt: Hệ số lạnh: Q2 Q2 dt(A23B) Wout Q2 dt(A43B) ε Carnot = = = ηCarnot = = 1− = 1− Win Q1 − Q2 dt(1234) Q1 Q1 dt(A12B) T 1 T ε = 2 = η = 1− 2 Carnot Carnot T1 − T2 T1 T1 −1 p.16 T2
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 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 - Chu trình bất kỳ 1234: Q2 dt (J 432IJ ) η = 1− = 1− A 1 B Tmax Q1 dt ()J 412IJ 4 2 - Chu trình Carnot ABCD: Q2C dt (JD3CIJ ) Tmin C η = 1− = 1− D 3 Carnot Q1C dt ()JA1BIJ s ηCarnot 〉 η J I p.17
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 3.2 (Sách “NĐLHKT”) Nguồn nóng Một kỹ sư công bố đã nghiên T = 1370 oC 1 cứu được 1 loại động cơ: Q 1 - Công suất động cơ P = 60 HP W Động cơ -Tiêu thụ 4.5 kg/h khí đốt với giả thiết 1 kg khí đốt Æ 10,000 kcal nhiệt Q 2 lượng. Môi trường Phát minh trên có khả thi hay không ? W 60*0.7457 *3600 ¾ Hiệu suất nhiệt của động cơ: η = = = 0.86 Q1 4.5*10000* 4.186 o η = 0.822 T2 T2 T2 = 20 C: max η Max = 1− = 1− o η = 0.828 T2 = 10 C: max Vô lý ! T1 (273 +1370) o η = 0.834 T2 = 0 C: max p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 3.3: tủ lạnh Hệ số lạnh của tủ lạnh là: • Q 8000 ε = c = = 2.5 • 3200 W cycle Hệ số lạnh maximum theo chu trình carnot của Bơm nhiệt là: T2 273 − 5 ε max = = = 9.93 T1 − T2 22 − (−5) Hệ thống còn có thể cải thiện nhiều ! p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 3.4: Bơm nhiệt 2600000 Nhiệt lượng cần bổ sung cho nhà kJ/ngày mỗi giây là: • 2600000 T =24oC Q = = 30.093 ()kW 1 1 24x3600 • Hệ số lạnh maximum theo chu trình Q1 carnot của tủ lạnh là: T 273 +12 ε = 2 = = 23.75 max T − T 24 −12 • 1 2 Q2 Công suấttối thiểucủabơm nhiệtlà: • T =12oC 2 • Q1 30.093 W min = = = 1.267 ()kW ε 23.75 p.20 max
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Chất lượng nguồn nhiệt p.21
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3.5 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: δQ = 0 ∫ T 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: δQ 〈 0 ∫ T p.22