các nguyên lý nhiệt động học, nguyên lý 2 có liên quan gì tới tài nguyên và môi trường

ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ
KHOA MÔI TRƯỜNG


TIỂU LUẬN:

CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG HỌC,
NGUYÊN LÝ 2 CÓ LIÊN QUAN GÌ TỚI TÀI NGUYÊN
VÀ MÔI TRƯỜNG
MÔN: CÁC NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HỌC VIÊN: ĐINH THỊ HOÀI MƠ
LỚP : CAO HỌC KHMT K2014
GVHD: TS. TRẦN ANH TUẤN

HUẾ, 2015


NỘI DUNG
MỤC ĐÍCH CỦA BÀI TIỂU LUẬN
B. CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC
I . NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH)
A.

II. NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
C.
D.

NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG?
KẾT LUẬN.

Đinh Thị Hoài Mơ
2


A.

MỤC ĐÍCH CỦA BÀI TIỂU LUẬN
- Tìm hiểu các nguyên lý nhiệt động lực học, nắm vững bản chất của các
-

B.

nguyên lý.
Ứng dụng các nguyên lý II trong thực tế từ đó giải thích được các hiện

tượng và đưa ra các giải pháp cụ thể.
CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

I - NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH)
1. Phát biểu nguyên lý
Nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bản toàn và chuyển hoá năng
lượng vào các hiện tượng nhiệt. Sau đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí
này.
Độ biên thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.
ΔU = A + Q
Với quy ước về dấu thích hợp, biểu thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình
truyền và chuyển hoá năng lượng khác như vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu
nhiệt và thực hiện công...
Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau.
Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng;

Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng;
A > 0: Hệ nhận công;
A < 0: Hệ thực hiện công.
Ví dụ: Khi cung cấp cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra đẩy
pittông lên và thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng là bao
nhiêu?
Đinh Thị Hoài Mơ
3


ΔU = Q – A = 120-90 = 30J.

2. Vận dụng
Trong hệ toạ độ (p, V), quả trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông gốc với
trục thể tích .
Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biểu thức của nguyên lí thứ nhất
của NĐLH có dạng:
ΔU = Q
Ý nghĩa vật lí của biểu thức trên:
- Vì trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1, nên để chuyển từ trạng thái 1 sang
trạng thái 2, chất khí phải nhận nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của chất khí tăng (ΔU > 0).
- Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội
năng
II - NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội
năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh
nóng lên. Trong quá trình này, năng lượng được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể
tự lấy lại nội năng của mình và của không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu
mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, nghĩa là
không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Tại sao?

1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
a) Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bảng rồi thả ra, con lắc sẽ dao động. Nếu không có
ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A...

Đinh Thị Hoài Mơ
4


Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật tự quay về trạng
thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác. Quá trình này xảy ra theo 2
chiều thuận và nghịch.
b) Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội
dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên ấm nước
không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban
đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.
Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể tự truyền
theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện quá trình
ngược" phải dùng một "máy làm lạnh", nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác.
Trong thí dụ nêu ở phần vào bài, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng, nhưng
nội năng lại không thể tự chuyển hoá thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này
cũng là quá trình không thuận nghịch.
Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không
thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất
của NĐLH.
Như vậy, trong NĐLH nguyền lí thứ nhất chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra.
2. Nguyên lí II nhiệt động lực học
Nguyên lí thứ hai của NĐLH cho biết chiều mà quá trình có thể tự xảy ra hoặc không
thể tự xảy ra. Sau đây là hai cách phát biểu đơn giản nhất.
a) Cách phát biểu của Clau-đi-út

Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
Đinh Thị Hoài Mơ
5


Mệnh đề trên được Clau-đi-út (Clausius), nhà vật lí người Đức, phát biểu vào năm 1850,
sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của NĐLH. Mệnh đề này
không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, chỉ khẳng định là điều
này không thể tự xáy ra được.
b) Cách phát biểu của Cac-nô
Chúng ta đã biết, trong động cơ nhiệt chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt
cháy cung cấp được chuyển thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi
trường bên ngoài. Cac-nô (Carnot), nhà vật lí người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng
trên trong mệnh đề:
Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ
học.
Chú ý: Người ta có thể chứng minh được hai cách phái biểu trên của nguyên lí thứ hai của
NĐLH là tương đương
3. Vận dụng
Nguyên lí thứ hai của NĐLH giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật
như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ,...
Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành
cơ năng.
Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là:
+ Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1).
+ Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A) gọi là tác nhân và
các thiết bị phát động.
+ Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra (Q2).
Đinh Thị Hoài Mơ
6

® Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là:

trong đó, với Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh.
Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng
do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học.
C.

NGUYÊN LÝ II CÓ LIÊN QUAN GÌ VỚI TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG?

Từ những lý thuyết nêu ở trên, dựa vào nguyên lý 2 giải thích được vì sao động cơ nhiệt
luôn đạt hiệu xuất dưới 100%, chúng sẽ thải ra một số chất ô nhiễm sơ cấp hay thứ cấp.
Các động cơ nhiệt cơ nhiệt gây ô nhiễm môi trường: ô nhiễm không khí, ô nhiễm tiếng ồn;
“ô nhiễm nhiệt”,…
- Chất làm lạnh thoát ra từ các máy làm lạnh phá huỷ tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.
o

Nguyên nhân sản sinh ra các chất ô nhiễm môi trường trong động cơ đốt trong

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO 2, H2O và
N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính
chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả
động cơ đốt trong luôn có một hàm lượng đáng
kể những chất độc hại như

Đinh Thị Hoài Mơ
7

oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbure chưa
cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ
thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ
không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng
độ NOx của hai động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm
quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí
xả động cơ xăng.

Những tạp chất, đặt biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh
hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường xăng
thương mại có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến
0,5% đối với dầu diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO 2, sau đó một
bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Mặt
khác, để tăng tính chống kích nổ cuả nhiên liệu, người ta pha thêm Thetraetyle chì
Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra khí xả, lơ
lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực
thành phố có mật độ giao thông cao.Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh
hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm cuả động cơ là hệ số dư lượng không khí . Động cơ
đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí >1, động cơ làm việc
với hổn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hổn hợp quá
nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân
làm gia tăng nồng độ hydrocarbure HC.
Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành
phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặt biệt là các phản
ứng tạo NOx và bồ hóng.
Đinh Thị Hoài Mơ
8


Nói chung tất cả thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành

phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình
thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
Ô nhiễm môi trường gây tổn hại lớn đến sức khỏe con người và ảnh hưởng đến môi
trường sinh thái.

Đinh Thị Hoài Mơ
9


D.

KẾT LUẬN.
Ứng dụng nguyên lý II trong thực tế rất phổ biến, từ các mặt hạn chế ta biết tác nhân gây
ô nhiễm môi trường, và có ý thức bảo vệ môi trường, từ đó biết chọn động cơ và nhiên
liệu phù hợp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
/>%20nguyen%20ly%20cua%20NDL%20hoc.htm

Đinh Thị Hoài Mơ
10