bai giang nhiet hoc 3 nguyen ly 2 nhiet dong hoc

NỘI DUNG


CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I



NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II



BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II



ENTROPY


CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I

 Thực tế chỉ có thể tạo được động cơ nhiệt làm việc với 2 nguồn nhiệt: nhận của
nguồn nóng một nhiệt lượng Q1 và trả bớt cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2 đồng
thời mới tạo công A.
 Vậy, hệ muốn sinh công thì phải tiếp xúc với 2 nguồn nhiệt; nhiệt lượng Q cung cấp

cho động cơ không thể biến hoàn toàn thành công A được.


CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I

NỘI DUNG NGUYÊN LÝ II


ĐỘNG CƠ NHIỆT


Động cơ nhiệt: thiết bị biến NHIỆT thành CÔNG

Nguồn nóng T1 truyền cho chất môi một nhiệt lượng
Q1. Chất môi (tác nhân) sẽ giãn nở và sinh công A’ rồi
trả cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q’2


ĐỘNG CƠ NHIỆT


Hiệu suất của động cơ nhiệt:

 Trong đó A’ là công sinh ra và Q1 là nhiệt lượng mà tác nhân nhận của nguồn nóng.
 Vì A’ luôn nhỏ hơn Q1 nên hiệu suất của động cơ nhỏ hơn 100%.
 Các động cơ nhiệt thường có hiệu suất từ 10% đến 40%.
 Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có A’ = Q1 – Q2 = Q1 – |Q2| = Q1 + Q2.


ĐỘNG CƠ NHIỆT


Chu trình Carnot

 Động cơ nhiệt hoạt động tuần hoàn theo những chu trình được thiết
kế sẵn.
 Một trong những chu trình lý tưởng là chu trình Carnot (Sadi Carnot)
kỹ sư người Pháp đưa ra năm 1824.
 Đây là một chu trình thuận nghịch, gồm 4 quá trình liên tiếp:
• Quá trình giãn khí đẳng nhiệt 1-2
• Quá trình giãn khí đoạn nhiệt 2-3
• Quá trình giãn khí đẳng nhiệt 3-4
• Quá trình giãn khí đoạn nhiệt 4-1


• Quá trình giãn khí đẳng nhiệt 1-2: Hệ nhận của nguồn nóng T1 một nhiệt lượng Q1 để giãn khí từ
trạng thái (1) đến trạng thái (2), đồng thời cung cấp cho môi trường ngoài một công A1.
• Quá trình giãn khí đoạn nhiệt 2-3: Hệ tiếp tục giãn khí đoạn nhiệt từ nhiệt độ T1 sang T2 để giãn khí
từ trạng thái (2) đến trạng thái (3) và cung cấp cho môi trường ngoài công A2.
• Quá trình nén khí đẳng nhiệt 3-4: Hệ nhận công A3 , nén khí từ trạng thái (3) về (4) và trả cho nguồn
lạnh T2 một nhiệt lượng Q2.
• Quá trình nén khí đoạn nhiệt 4-1: Hệ tiếp tục nhận công A4 , nén khí từ trạng thái (4) về trạng thái
đầu (1).


ĐỘNG CƠ NHIỆT

Chu trình Carnot thuận


ĐỘNG CƠ NHIỆT


Định lý Carnot

 Hiệu suất của động cơ nhiệt chạy theo chu trình Carnot không phụ thuộc vào tác nhân, chỉ

phụ thuộc vào nhiệt độ của các nguồn nhiệt

 Hiệu suất của các động cơ nhiệt chạy theo chu trình không thuận nghịch thì luôn nhỏ

hơn hiệu suất của động cơ nhiệt chạy theo chu trình thuận nghịch.

 Hiệu suất của các động cơ nhiệt chạy theo chu trình không thuận nghịch thì luôn nhỏ

hơn hiệu suất của động cơ nhiệt chạy theo chu trình thuận nghịch.


ĐỘNG CƠ NHIỆT


ĐỘNG CƠ NHIỆT
Một máy hơi nước có công suất 20 mã lực, dùng than. Hiệu suất của máy là 20%, nhiệt độ
của nguồn nóng là 2000C, nhiệt độ của nguồn lạnh là 670C.
a) Tìm lượng than tiêu thụ trong một giờ, biết năng suất tỏa nhiệt của than là 7800 kcal/kg.
b) Tính hiệu suất của động cơ nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình Carnot ứng với hai
nguồn nhiệt trên.
Cho biết 1 mã lực gần bằng 750W; 1J = 0,24cal.
Giải
a) Công mà máy sinh ra trong một giờ: A’ = P.t = 20.750.3600 = 54.106J.
Nhiệt lượng cần thiết để máy hoạt động trong một giờ:
Mà cứ một kilôgam than bị đốt cháy hoàn toàn thì tỏa ra 7800kcal.
Vậy, lượng than mà máy tiêu thụ trong một giờ là: m =
= 8,3kg.

b) Hiệu suất của động cơ nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình Carnot với hai nguồn nhiệt
trên: = 0,28 = 28%.


MÁY LÀM LẠNH


Máy làm lạnh là thiết bị vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng.
Máy làm lạnh và động cơ nhiệt được gọi chung là các máy nhiệt.
Đầu tiên tác nhân nhận của môi trường ngoài một công A
để lấy đi từ nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2; sau đó trả
cho nguồn nóng một nhiệt lượng Q’1.

Hệ số làm lạnh của máy


MÁY LÀM LẠNH


Máy làm lạnh cũng làm việc tuần hoàn, tuân theo một chu trình nhất định. Một
trong những chu trình lý tưởng là chu trình Carnot nghịch, gồm 4 giai đoạn

• Hệ nhận công A1 để nén khí đoạn nhiệt từ trạng thái
(1) sang trạng thái (2).
• Hệ tiếp tục nhận công A2 để nén khí đẳng nhiệt từ
trạng thái (2) sang trạng thái (3), đồng thời trả cho
nguồn nóng nhiệt lượng Q1.
• Giãn khí đoạn nhiệt từ trạng thái (3) sang trạng thái
(4).
• Giãn khí đẳng nhiệt từ trạng thái (4) sang trạng thái

(1), đồng thời nhận của nguồn lạnh nhiệt lượng Q2 kết
thúc một chu trình.


MÁY LÀM LẠNH



Máy nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot là một máy thuận nghịch.
Hiệu suất của các máy thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng
và nguồn lạnh.


MÁY LÀM LẠNH


MÁY LÀM LẠNH


Một tủ lạnh hoạt động theo chu trình Carnot nghịch, lấy nhiệt ở nguồn lạnh có nhiệt độ 00C nhả
cho nguồn nóng ở nhiệt độ 300C. Tính hệ số làm lạnh của tủ lạnh này và điện năng cần thiết để
làm đông 4kg nước từ 200C. Biết nhiệt dung riêng của nước là c = 4200J/kgK, nhiệt nóng chảy
của nước đá là L = 3,35.105 J/kg, bỏ qua các mất mát năng lượng khác.

Giải
Hệ số làm lạnh của tủ lạnh:  

T2
0  273


 9,1
T1  T2 (40  273)  (0  273)

Nhiệt lượng tỏa ra khi 4kg nước giảm nhiệt độ từ 200C xuống 00C:
Q1 = c.m.t = 4200.4.20 = 340000 J = 340 kJ.
Nhiệt lượng tỏa ra khi 4kg nước đá đông đặc hoàn toàn ở 00C:
Q2 = L.m = 3,35.105.4 = 13.105 J = 1300 kJ
Nhiệt lượng tổng cộng mà tủ lạnh cần lấy đi từ nguồn lạnh là:
Q = Q1 + Q2 = 340 + 1300 = 1640 kJ
Công cần thiết cung cấp cho tác nhân hoạt động là: A 

Q 1640

 180kJ

9,1

Vậy điện năng cần thiết cho tủ lạnh làm việc là W = A = 180kJ.


BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II


Xét một động cơ nhiệt họat động theo chu trình Carnot. Hiệu suất của động cơ được
tính theo

Q2
T2
1 
H=1+

Q1
T1

Q2
T2
Q1 Q2
Suy ra:

hay
 0
Q1
T1
T1 T2
Qi
Q
Gọi
là nhiệt lượng rút gọn, ta có:
0

Ti
T
động cơ nhiệt chạy theo chu trình Carnot thuận nghịch thì tổng nhiệt lượng rút gọn
trong một chu trình sẽ bằng không.


BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II


Đối với động cơ bất thuận nghịch thì hiệu suất luôn nhỏ hơn động cơ thuận nghịch

Q2
T2
Q2
T2
Q1 Q2
ta có: H = 1 +
 1  Suy ra

hay
 0
Q1
T1
Q1
T1
T1 T2

Hay

Qi
T 0
i


BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II
Đối với một chu trình bất kì, ta có thể coi hệ tiếp xúc với vô số nguồn nhiệt có
nhiệt độ T biến thiên liên tục; mỗi quá trình tiếp xúc với một nguồn nhiệt là một
quá trình vi phân, hệ nhận nhiệt Q
Tổng nhiệt lượng rút gọn trong một chu trình biến đổi bất
kì của một hệ nhiệt động không thể lớn hơn không.
Biểu thức bên được gọi là bất đẳng thức Clausius – đó

chính là biểu thức định lượng của nguyên lý II. Trong đó,
dấu “=” ứng với chu trình thuận nghịch.


ENTROPY


Xét quá trình biến đổi thuận nghịch của một hệ nhiệt động từ trạng thái đầu A sang trạng
cuối B theo hai đường khác nhau, giả sử đường A-a-B và đường A-b-B.



Để áp dụng được bất đẳng thức Clausius, ta tưởng tưởng có một đường thứ ba (c) đưa hệ
từ trạng thái cuối B về trạng thái đầu A.


ENTROPY


ENTROPY


Entropy là hàm đặc trưng cho trạng thái của hệ. Giá trị của entropy chỉ phụ thuộc vào
từng trạng thái của hệ, không phụ thuộc vào quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái này
sang trạng thái khác.



Entropy có tính cộng được.



Entropy không xác định đơn giá mà sai kém một hằng số cộng:



Trong đó So là giá trị entropy tại trạng thái gốc; qui ước So = 0 tại trạng thái T = 0 (K).
Khi đó S sẽ đơn trị.



Trong hệ SI, entropy có đơn vị là jun trên kenvin (J/K).