NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1. Hạn chế của nguyên lý thứ nhất
2. Qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch
3. Máy nhiệt và hiệu suất của động cơ nhiệt
4. Nguyên lý 2 nhiệt động lực học
5. Chu trình và định lý Carnot
6. Entropy và nguyên lý tăng entropy


1. HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT
) Hệ quả 1 của nguyên lý 1:
A=-Q
 Không nêu lên sự khác nhau
trong quá trình chuyển hóa giữa
công và nhiệt.
) Hệ quả 2 của nguyên lý 1:
Q1 = - Q2
 Không
g chỉ rõ chiều của q
quá
trình thực tế xảy ra.
 Không đề cập đến chất lượng
nhiệt
nhiệt.

Quả nặng
di chuyển
Nước ấm lên
Hộp KL (70 0C)

Hộp KL (40 0C)

Cục nước
đá (0 0C)
Nước (40 0C)


1. HẠN
Ạ CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ THƯ NHẤT
) Vấn đề: Nguyên lý 1 có thể dẫn đến những hệ quả trái qui luật tự nhiên

) Vấn đề: có giới hạn trong quá trình biến đổi từ trạng thái này sang trạng
thái khác: chỉ diễn theo một chiều nhất định
) Lý do: Nguyên lý 1 chưa chỉ rõ chiều diễn biến quá trình nhiệt động
) Cần bổ sung cơ sở lý luận (nguyên lý, định luật)


2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ
KHÔNG THUẬN NGHỊCH
Quá trình thuận nghịch
) Quá trình biến đổi từ trạng thái A ↔ B và
không có tổn hao hay mất mát năng lượng (có
cùng trạng thái trung gian) .

P
PA

 Công hệ nhận được trong quá trình thuận
nghịch = công hệ cung cấp ra bên ngoài.

PB

 Nhiệt hệ nhận được = nhiệt hệ cung cấp
cho bên ngoài.

O

A

B

VA

VB

V

) Hệ ttrở
ở llạii trạng
t
thái cân
â bằ
bằng bban đầ
đầu ((chu
h trình
t ì h kín)
kí ) sau quáá trình
t ì h xảy
ả ra
theo chiều thuận và nghịch ⇒ xung quanh không xảy ra biến đổi nào.

) Quá trình xảy ra vô cùng chậm ⇒ có thể quan sát (lưu giữ) được ⇒ lý tưởng.


2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ
KHÔNG THUẬN NGHỊCH
Quá trình không thuận nghịch
) Quá trình biến đổi giữa 2 trạng thái A và B, khi tiến hành theo chiều
ngược, hệ không có cùng trạng thái trung gian như ở chiều thuận (do có
tổn hao hay mất mát năng lượng)
 Công hệ nhận được trong quá trình nghịch ≠ công hệ cung cấp ra bên
g tron g q
quá trình thuận
ngoài
 Nhiệt hệ nhận được trong quá trình nghịch ≠ nhiệt hệ cung cấp cho bên
ngoài trong quá trình thuận
) Sau khi tiến hành theo chiều thuận và nghịch hệ trở lại trạng thái ban
đầu (chu trình kín) ⇒ môi trường xung quanh bị biến đổi.


3. MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Máy nhiệt
) Thiết bị biến nhiệt thành công khai thác sự chênh lệch nhiệt độ sử dụng các
tác động và tác nhân bên ngoài
+ Nguồn nóng: nguồn nhiệt độ cao (T1)
) Cấu trúc: + Nguồn
N ồ lạnh:
l h nguồn
ồ nhiệt
hiệt độ thấp
thấ (T2)

+ Tác nhân nhiệt: chất vận chuyển nhiệt
Nguồn nóng (T1)

Nguồn nóng (T1)

Q1

Q1’

Động cơ
nhiệt
Q2’
Nguồn lạnh (T2)

A’

Động cơ
nhiệt
Q2
Nguồn lạnh (T2)

A


3. MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Hiệu suất máy nhiệt
) Động cơ nhiệt: tỉ số giữa công sinh ra và nhiệt từ nguồn nóng máy
nhận vào
A'
η=

Q1
 Nguyên lý 1: ΔU = U2 – U1 = A + Q
 Hệ thực hiện chu trình kín: ΔU = A + (Q1 – Q2’ ) = 0

⇒ A’ = Q1 – Q2’

Q1 − Q2 '
Q2 '
⇒ η=
= 1−
Q1
Q1
) Máy
Má làm
là lạnh:
l h tỉ số
ố giữa
iữ nhiệt
hiệt nhận
hậ được
đượ từ nguồn
ồ lạnh
l h với
ới công
ô
máy nhận vào

Q2
Q2
1

η=
=
=
A Q1 '−Q2 Q1 ' − 1
Q2


3. MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Động cơ nhiệt
 Nguồn
N ồ nóng
ó (T1):
) Lò đốt,
đố
bình ngưng,
 Tác nhân: hơi nước, khí
cháy

Hơi nước giãn nở
đẩy piston CĐ
Hơi nước
(khí)
Nước
(lỏng)

Công sinh ra làm
quay bánh xe


3. MÁY NHIỆT

Ệ - HIỆU
Ệ SUẤT ĐỘNG
Ộ
CƠ NHIỆT
Ệ
Máy làm lạnh
) Nguồn nóng (T1): bình ngưng,

Dàn lạnh

) Nguồn lạnh (T2): Dàn lạnh
) Tác nhân: khí hóa lỏng
 Sulfur dioxide (SO2)
 Chlorofluorocarbon (CFC)
halomethane ⇒ ô nhiễm môi
trường (phá hỏng tầng
ầ ô-zôn,
gây hiệu ứng nhà kính ).
 Carbon dioxide ((CO2)

Độ cơ nén
Động
é

Dàn nóng


3. MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Máy làm lạnh
) Tủ lạnh (refrerator)

T1
Q1’

Dàn lạnh

A
Buồng làm đá

Q2
T2

Động cơ nén
Dàn nóng

 Một tủ lạnh có hiệu suất = 45
% với
%,
ới tốc
tố độ tản
tả nhiệt
hiệt là 200
kJ/min. Nếu tủ được duy trì ở
nhiệt độ 2oC khi nhiệt độ môi
trường là 27 oC (275 K) ⇒ công
suất động cơ được xác định bằng
0.67 kW.


3. MÁY NHIỆT - HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ NHIỆT

Máy làm lạnh
) Điều hòa KK (air- conditioner)

T1
Q1’
A

Q2

T2

 Một máy
má điều
điề hòa KK duy
d
trì
nhiệt độ trong nhà ở 25 oC (298 K)
khi nhiệt độ môi trường là 37 oC
(310 K) ⇒ công suất động cơ được
xác định bằng 1.75 kW.


4. NGUYÊN LÝ 2 NĐLH
Phát biểu của Clausius
) Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang
vật nóng hơn.
Lạnh
Rudolf Clausius
1822 1888
1822-1888

Nóng

 Cần tác dụng bên ngoài (nhận nhiệt hoặc công) ⇒ môi trường bên ngoài
thayy đổi
 Không thể thực hiện được quá trình mà kết quả duy nhất là truyền năng
lượng dưới dạng nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng hơn.


4. NGUYÊN LÝ 2 NĐLH
Phá biểu
Phát
biể của
ủ Thompson-Planck
Th
Pl k
) Không thể thực hiện một quá trình
biến đổi hoàn toàn nhiệt thành công nếu
nhiệt đó chỉ được nhận từ một nguồn duy
nhất.
Nguồn nhiệt

WilliamThompson
Lord Kevin

Q1

(1858-1947)

(1824-1907)

A’
Máy nhiệt

Max Planck

 Một động cơ không thể sinh công nếu
nó chỉ trao đổi nhiệt với một nguồn nhiệt
duy nhất ⇒ Không thể chế tạo động cơ
vĩnh cửu loại 2.

 Máy nhiệt không thể đạt hiệu suất 100% ⇔ η < 100%


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Chu trình Carnot thuận nghịch
) Tác nhân là khí lý tưởng
) Bao gồm 4 quá trình
 Quá trình (1) → (2) - dãn đẳng nhiệt thuận
nghịch: Tác nhân nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng
có nhiệt độ T1 và sinh công.
P

Nicolas Léonard Sadi Carnot
1769-1832

T1 = const

T1 = consst

Q1

Q1
O

V


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Chu trình Carnot thuận nghịch
 Quá trình (2) → (3) - dãn đoạn nhiệt thuận
nghịch: Tác nhân sinh công và giảm nhiệt độ
xuống tới nhiệt độ T2 của nguồn lạnh.
Nicolas Léonard Sadi Carnot

P

T1 = const

1769-1832

Q1
T1
T2

O

V

5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Chu trình Carnot thuận nghịch
 Quá trình (3) → (4) - nén đẳng nhiệt thuận
nghịch: Tác nhân nhận công và tỏa nhiệt Q2’
cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2.

P

Nicolas Léonard Sadi Carnot

T1 = const

1769-1832

T2 = coonst

Q1

Q2’

Q2’

T2 = const

O

V


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT

Chu trình Carnot thuận nghịch
 Quá trình (4) → (1) - nén đoạn nhiệt
thuận nghịch: Tác nhận công và trở lại trạng
thái ban đầu.

P

T1 = const

Nicolas Léonard Sadi Carnot
1769-1832

Q1
T1

Q2’

T2

T2 = const

O

V


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Chu trình Carnot thuận nghịch
) Chu trình thể hiện máy nhiệt thuận nghịch
) Công sinh ra (hoặc nhận được) là được xác

định bằng diện tích giới hạn bởi các đường
cong mô tả quá trình cân bằng
P

P
Q1

Nicolas Léonard Sadi Carnot
1769-1832

Q1’

T1 = const

Q2’
Q2

T2 = const

O

V

O

V


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Hiệu suất chu trình

Q2 '
) Hiệu suất đc nhiệt: η = 1 −
Q1
 Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng

Q1 =

m
V
RT1 ln 2
V1
μ

 Nhiệt lượng tác nhân nhả cho nguồn lạnh Q2 ' = −Q2 = −

V3
V4
⇒ η = 1−
V
T1 ln 2
V1
T2 ln

 Với các quá trình đoạn nhiệt 2-3 và 4-1

T2
) ηC = 1 −
T1

T1V2γ −1 = T2V3γ −1

T1V1γ −1 = T2V4γ −1

m
V4
RT2 ln
μ
V3

V2 V3
⇒
=
V1 V 4

 Hiệu suất chu trình Carnot thuận nghịch với tác nhân là khí lý tưởng chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Định lý Carnot
Hiệu suất của mọi động cơ nhiệt thuận nghịch chạy theo chu
trình Carnot với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh đều như
T1
nhau
h và
à không
khô phụ
h thuộc
h ộ vào
à tác

á nhân
hâ cũng
ũ như
h cách
á h chế
hế tạo.
Q1
Q1
) Chứng minh
II
I
 2 động cơ nhiệt (I và II) thuận nghịch chạy theo
Q21’
Q22’
chu trình Carnot có cùng nguồn
ồ nóng và nguồn
ồ lạnh
⇒ η1c1 và ηc2

ηC1 = 1 −

Q21 ' A1 '
Q22 ' A2 '
=
η
=
1
−
=
và C 2

Q1
Q1
Q1
Q1

T2

 Nếu ηC1 > ηC2 ⇒ Q21’ < Q22’ và A1’ > A2’
 Ghép 2 động cơ với nhau: I theo chiều thuận và II theo chiều nghịch ⇒ II
nhận một phần công A2’ của I, nhận nhiệt Q22’ từ nguồn lạnh T2 và nhả nhiệt
ợ g cho nguồn
g
nóng
g T1 ⇒ động
ộ g cơ g
ghép
p chỉ nhận
ậ nhiệt
ệ Q21’ - Q22’ < 0 của
lượng
nguồn lạnh T2 duy nhất và sinh công A1’ - A2’ > 0 ⇔ ĐCVC loại 2 ⇒ vô lý
 Kết quả tương tự nếu η1C1 < ηC2 ⇒ η C1= ηC2


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Định lý Carnot
Hiệu suất động cơ nhiệt không thuận nghịch nhỏ hơn hiệu suất động cơ nhiệt
thuận nghịch .
) Chứng minh
 2 động cơ nhiệt: (I) thuận nghịch và II không thuận nghịch cùng nhận

nhiệt Q1 từ nguồn nóng,
nóng có hiệu suất ηtn và ηktn
 Động cơ II không thuận nghịch ⇒ tác nhân nhả nhiệt cho nguồn lạnh +
truyền nhiệt do ma sát ⇒ để có hiệu suất tối thiểu như nhau ⇒ Q22’ > Q21’
 Nhưng, theo biểu
ể thức xác định hiệu suất
ấ

ηtn = 1 −

Q21 '
Q1

và ηktn

Q22 '
= 1−
Q1

⇒ ηktn < ηtn
 Hiệu suất động cơ nhiệt chạy theo chu trình Carnot thuận nghịch là hiệu
suất cực đại .
ηktn < ηtn < ηtn-Carnot


5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT
Hệ quảả định
đị h lý Carnot
C
) Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt chạy theo chu trình Carnot luôn nhỏ

hơn 1.

ηC = 1 −

T2
T1

 η = 1 khi T2 /T1 → 0 ⇔ T1 → ∞
 Không thể tạo ra nguồn nóng có nhiệt độ lớn vô tận
) Nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công.

ηC max

Q2 ' A' ⇒ A’ =η
= 1−
=
max
Cmax .Q1
Q1 Q1
Do: ηCmax < 1

Luôn có:

T2
≠0
T1

Hay: ηCmax
<1
C

A’max < Q1
A

) Hiệu suất động cơ nhiệt càng lớn nếu nhiệt độ nguồn nóng (T1) càng cao
và nhiệt độ nguồn lạnh (T2) càng thấp ⇒ nhiệt lượng nhận vào (Q1) có khả
năng biến thành công có ích (A’) lớn hơn ⇒ nguồn nhiệt lấy từ vật có T cao
sẽ chất lượng hơn từ vật có T thấp.


5. CHU TRÌNH CARNOT
Ph
Phương
pháp
há để tăng
ă hiệ
hiệu suất
ấ động
độ cơ nhiệt
hiệ
) Tăng nhiệt độ nguồn nóng cao
đến mức có thể và hạ nhiệt nguồn
lạnh đến mức có thể.
Lưu ý:
 Nhiệt lượng lấy
ấ ở nguồn
ồ nhiệt
độ cao tốt hơn nhiệt lượng lấy ở
nguồn nhiệt thấp.

Hơi nước

Hơi nước

Lò hơi

Turbin

Máy phát

Nước
Bình ngưng

Nước lạnh
Nước nóng

 Nhiệt độ nguồn
ồ lạnh không thểể
thấp hơn nhiệt độ làm lạnh có sẵn.
 Phải thiết kế và sử dụng vật liệu
có sức bền cao cho bộ phận có
nguồn nóng.
) Động cơ phải có chu trình làm việc giống động cơ thuận nghịch sao cho có
thể tránh mất mát nhiệt nhận từ nguồn nóng do truyền nhiệt và ma sát.


5. CHU TRÌNH CARNOT
Biểu thức định lượng của nguyên lý 2
) Từ định lý Carnot ⇒ηtn-Carnot lớn nhất, tức là: 1 −

Q2 '
T

Q' T
≤ 1− 2 ⇒ 2 ≥ 2
Q1
T1
Q1 T1

) Nếu
Nế Q2 là nhiệt,
hiệt tác
tá nhân
hâ nhận
hậ từ nguồn
ồ lạnh,
l h khi đó,
đó Q2 = - Q2’ ⇒ có:
ó
Q T
Q
Q
Q Q
− 2 ≥ 2 ⇔ − 2 ≥ 1 hay 1 + 2 ≤ 0
Q1 T1
T2 T1
T1 T2
 Dấu
ấ “=”: chu trình Carnot thuận nghịch
 Dấu “<”: chu trình Carnot không thuận nghịch
) Mở rộng ra,
ra khi tác nhân nhận nhiệt lượng Q1, Q2, … Qn từ nhiều nguồn,
nguồn có

nhiệt độ, T1 ,T2 ,… Tn, ⇒ có thể viết được:
Qi
∑i T ≤ 0
i
 Nếu trong chu trình, nhiệt độ của hệ biến thiên liên tục ⇔ coi hệ tiếp xúc
với vô số nguồn nhiệt có nhiệt độ T vô cùng gần nhau và mỗi lần tiếp xúc hệ
nhận một nhiệt lượng δQ, khi đó có:
δδQ
Q
≤ 0 (bất đẳng thức Clausius)

∫

T

(biểu thức định lượng của nguyên lý 2 NĐLH)


5. CHU TRÌNH CARNOT
Tính chất tích phân Clausius
) Xét hệ biến đổi từ trạng thái (1) → (2)
theo
h quáá trình
ì h thuận
h ậ nghịch
hị h (1a2),
(1 2) sau đó lại
l i
từ trạng thái (2) → (1) theo quá trình thuận
nghịch (2b1).

b
a

δQ
δQ
δQ
=
0
+
=0
Có: ∫
⇔ ∫
∫
T
T 2b1 T
1a 2 b1
1a 2
δQ
δQ
δQ
δQ
=
+∫ −
=0 ⇒ ∫
Hay: ∫
∫
T
T
T

T
1a 2
1b 2
1a 2

1b 2

 chỉ
hỉ phụ
h thuộc
th ộ vào
à các
á trạng
t
thái đầu
đầ và
à cuối
ối của
ủ quá
á trình.
tì h