Định luật nhiệt động 2

PGS.TS Trương Vĩnh
ThS. Diệp Thanh Tùng
KS. Đào Ngọc Duy


Định luật nhiệt động 2
Chu trình nhiệt động
Chu trình Carnot
Biểu thức giải tích định luật 2
Entropy


» Định luật I chính là định luật bảo toàn và
chuyển hóa năng lượng viết cho các quá trình
nhiệt động.
» Định luật 1 cho phép tính toán cân bằng năng
lượng trong các quá trình, xác định lượng
nhiệt chuyển hóa thành công hoặc ngược lại.

» Tuy nhiên ĐL1 không cho ta biết trong điều
kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành công
và liệu toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn
thành công không.

ĐỊNH LUẬT 2


5.1.1 Phát biểu
» Nhiệt lượng không thể tự truyền từ vật lạnh sang
vật nóng hơn. Muốn truyền phải tiêu tốn năng
lượng.

» Không thể có động cơ vĩnh cửu loại 2, là động cơ
khi làm việc chỉ tiếp xúc với 1 nguồn nhiệt. Tức là
không thể chế tạo được máy có khả năng biến
toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công.
5.1.2 Ý nghĩa
» Chiều, hướng, điều kiện chuyển hóa năng lượng.
» Hiệu quả chuyển hóa năng lượng.


5.2.1 Khái niệm
» Là một hay tập hợp một số quá trình xảy
ra liên tiếp mà chất môi giới trở lại trạng
thái ban đầu.
» Chu trình thuận chiều: theo kim đồng hồ,
biến nhiệt thành công (l>0). Ví dụ: động
cơ nhiệt.
» Chu trình ngược chiều: ngược kim đồng
hồ (l<0). Ví dụ: máy nén, máy lạnh...


Động cơ nhiệt

Máy nén

Máy lạnh



5.2.2 Chu trình thuận chiều
» Định nghĩa: là chu trình mà môi chất

nhận nhiệt từ nguồn nóng nhả cho
nguồn lạnh và biến một phần nhiệt
thành công
1
q1
Chu trình sinh công
l >0
» Qui ước: l > 0
2
» Đồ thị:
q
o

2

V1

V2


5.2.2 Chu trình thuận chiều
» Kết quả: q1  lo  q 2

q1  q 2
q2
lo

 1
» Hiệu suất nhiệt: t 
q1

q1
q1

q1> 0 - tổng nhiệt lượng cấp cho môi chất
q2< 0 - tổng nhiệt lượng thải ra
lo > 0 - tổng công sinh ra của chu trình
Đánh giá mức độ hoàn thiện của sự
biến đổi nhiệt thành công.


5.2.5 Chu trình ngược chiều
» Định nghĩa: là chu trình mà môi chất
nhận công từ bên ngoài để lấy nhiệt từ
nguồn lạnh nhả cho nguồn nóng
» Qui ước: l < 0
1
q1
l <0
» Đồ thị:
o

2
q2

V1

V2


5.2.5 Chu trình ngược chiều

»Kết quả: q 2  lo  q1
q2
q2
» Hệ số làm lạnh:   
lo q1  q 2
q2> 0 - tổng lượng nhiệt nhận vào
q1< 0 - tổng nhiệt lượng thải ra
lo< 0 - tổng công nhận vào của chu trình

Hiệu quả làm việc của chu trình
ngược chiều


» Không khí được đốt nóng trong động cơ đốt trong có
nhiệt độ đầu vào t1 = 366C, thể tích V1 = 0,007 m3, áp
suất p1 = 1 bar. Quá trình đốt nóng làm tăng nhiệt độ khí
lên t2 = 775C. Sau một thời gian, lượng khí trên được
làm nguội đến t3 = 208C và thải ra ngoài với nhiệt độ t4
= 20C. Tính lượng nhiệt cấp, lượng nhiệt thải, công và
hiệu suất nhiệt của chu trình?
» Giải:
 Tính G
 Tính Q1 = G.Cv(T2 – T1)
 Tính Q2 = G.Cv(T4 – T3)
 Tính Lo
 Tính t


5.3.1 Đặc tính
» Chu trình carnot là chu trình lý tưởng, có khả

năng biến đổi nhiệt lượng với hiệu quả cao nhất.
» Tuy nhiên, nếu áp dụng vào thực tế thì có nhược
điểm về giá thành và hiệu suất thiết bị.
» Vì vậy, CT Carnot làm mục tiêu để hoàn thiện
các chu trình khác về mặt hiệu quả nhiệt.
» Gồm 2 QT đẳng nhiệt và 2 QT đoạn nhiệt
» Chu trình thuận nghịch thực hiện nhờ 2 nguồn
nhiệt (T1 & T2) để trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt.


5.3.2 Chu trình Carnot thuận chiều
» Chất môi giới là khí lý tưởng
» Không tổn thất năng lượng khi tiến hành chu trình
» Có hiệu suất nhiệt cao nhất
» Tiến hành chu trình:
1-2: Giãn nở đẳng nhiệt
2-3: Giãn nở đoạn nhiệt
3-4: Nén đẳng nhiệt
4-1: Nén đoạn nhiệt



5.3.2 Chu trình Carnot thuận chiều
» Hiệu suất nhiệt:
q2
C  1 
q1
» Nhiệt lượng:
v2
q1 = q12 = T1.(s2 – s1) = RT1ln

v1
v4
q2 = q34 = T2.(s4 – s3) = RT2ln
v3

𝐪𝟐
𝐓𝐋
𝐓𝟐
𝛈𝐂 = 𝟏 −
=𝟏−
=𝟏−
𝐪𝟏
𝐓𝐍
𝐓𝟏


5.3.2 Chu trình Carnot thuận chiều
»  chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và
nguồn lạnh mà không phụ thuộc bản chất
của chất môi giới
»  càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng
cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp
»  luôn < 1,  =1 khi T1  hoặc T2 = 0 là
không thể xảy ra.
Nhiệt không thể biến hoàn toàn
thành công (định luật 2)


5.3.2 Chu trình Carnot thuận chiều
» Khi T1=T2 thì  = 0

không thể sinh
công khi chỉ có một nguồn nhiệt (định
luật 2).
»  của chu trình Carnot lớn hơn  của chu
trình khác khi có cùng T1 và T2.


5.3.3 Chu trình Carnot ngược chiều
» Tiến hành chu trình:
1-2: Giãn nở đoạn nhiệt
2-3: Giãn nở đẳng nhiệt
3-4: Nén đoạn nhiệt
4-1: Nén đẳng nhiệt


5.3.3 Chu trình Carnot ngược chiều
» Hệ số làm lạnh:

q2
q2
C  
lo q1  q 2
» Nhiệt lượng:
q1 = q41 = T1.(s1 – s4) =
q2 = q23 = T2.(s3 – s2) =

v1
RT1ln
v4
v3

RT2ln
v2

𝐪𝟐
𝐪𝟐
𝐓𝐋
𝐓𝟐
𝛆𝐂 =
=
=
=
|𝐥𝟎 | |𝐪𝟏 | − 𝐪𝟐 𝐓𝐍 − 𝐓𝐋 𝐓𝟏 − 𝐓𝟐


5.3.2 Chu trình Carnot ngược chiều
»  chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và
nguồn lạnh mà không phụ thuộc bản chất
của chất môi giới.
»  càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng
thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao.
»  có thể lớn hơn 1


5.4.1 Chu trình thuận nghịch
» Xét chu trình Carnot:
T = 1 −


q2
q1

=

T2
T1

q2
q1



» Vì q2<0 nên:
q1
T1

q2
+
T2

=0

T2
=1−
T1
q2
T2
−
=
q1
T1

𝐪
𝐓

0

=𝟎


5.4.1 Chu trình thuận nghịch
» Với chu trình bất kỳ, Clausing chia nó thành nhiều
chu trình Carnot vi cấp:

n 

𝐪 > 𝟎 : nhận nhiệt
𝐪 < 𝟎 : tỏa nhiệt


5.4.1 Chu trình không thuận nghịch
» Thực tế các quá trình là không thuận nghịch nên
chu trình cũng không thuận nghịch, công sinh ra
thấp hơn, nhiệt thải ra q2 lớn hơn.
𝐪𝟐
𝐓𝟐
𝐓 = 𝟏 −
<𝟏−
𝐪𝟏
𝐓𝟏
• Nhiệt lượng nhận vào < công lý tưởng

• Nhiệt lượng tỏa ra > công lý tưởng
𝐪
𝑞2
𝑙2
𝑇2
𝑞1
𝑞2
→
> =  + < 0
<
𝟎
𝑞1
𝑙1
𝑇1
𝑇1
𝑇2
𝐓


TỔNG QUÁT

q
=: TN
≤0
<: không TN
T