ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

CHƢƠNG 3
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI
1. Các chu trình nhiệt động
2. Chu trình carnot

3. Định luật nhiệt động thứ hai
4. Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ hai

5. Entropy – đồ thị T - s
1


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

1. Các chu trình nhiệt động:
Trong các quá trình nhiệt động, muốn chuyển hóa liên
tục giữa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác, người ta

phải thực hiện những chu trình.
Môi chất sẽ thay đổi một cách liên tục từ trạng thái

đầu qua nhiều trạng thái trung gian rồi trở về trạng thái ban
đầu.

2


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Ví dụ:
Trong các máy nhiệt,
Để biến nhiệt thành công, phải tiến hành cho môi chất giãn nở.
Muốn nhận được công liên tục, môi chất phải giãn nở liên tục,
 không thể thực hiện vì kích thước máy có hạn.

Quá trình khép kín hay chu trình.

3


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Chu trình thuận nghịch
Chu trình chỉ tiến hành qua các trạng thái cân bằng

Tiến hành ngược trở lại qua tất cả các trạng thái đã
đi qua mà môi chất và môi trường không có gì thay
đổi.

4


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Chu trình thuận chiều: _ động cơ nhiệt
QH
W
QL

5


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

W  QH  QL

QH

W

Hiệu suất nhiệt của chu trình
QL

W QH  QL
t 

QH
QH

QL
t  1
QH

Nhận xét :
Hiệu suất t của chu trình thuận chiều (động cơ nhiệt) luôn luôn nhỏ hơn 1, t chỉ bằng 1
khi không có nhiệt lượng thải cho nguồn nhiệt ở nhiệt độ thấp.
Chu trình nào có hiệu suất nhiệt lớn hơn thì hoàn thiện hơn.
VD : Động cơ phản lực có hiệu suất nhiệt thuộc loại thấp nhất  4%, động cơ hơi nước 
10%, turbin khí và động cơ đốt trong  50%.

6


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Chu trình ngƣợc chiều _ máy lạnh

QH
W
QL

7


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

QH  W  QL
QH

W

Hệ số làm lạnh (máy lạnh)

Q
QL
 L 
W QH  QL

QL

Hệ số làm nóng (bơm nhiệt)

QH
QH


W
QH  QL
8


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

2. Định luật nhiệt động thứ hai (1)
Phát biểu của Clausius

Không thể có bất kỳ một máy lạnh
hay bơm nhiệt nào có thể vận
chuyển nhiệt lượng từ một nơi có
nhiệt độ nhỏ hơn đến nơi có nhiệt
độ cao hơn mà không tốn gì hết

9


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Phát biểu của Kelvin Planck

Không có bất kỳ một động cơ

nào có thể biến toàn bộ nhiệt
lượng nhận được thành ra
công

10


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

3. Chu trình carnot

Đồ thị p-v

Các quá trình trên chu trình
 AB : nhận nhiệt lượng q1 (ở nhiệt độ không đổi T1)  dãn nở đẳng nhiệt
 BC : cô lập và dãn nở, sinh công, nhiệt độ hạ từ T1  T2  dãn nở đoạn nhiệt.
 CD : thải nhiệt lượng q2 cho nguồn lạnh (ở nhiệt độ T2)  nén đẳng nhiệt.
 DA : cô lập và chịu nén, nhận công để trở về trạng thái ban đầu  nén đoạn nhiệt.
11


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hiệu suất nhiệt của chu trình
q2
t  1
q1
Xét 2 quá trình AB và CD
Quá trình đẳng nhiệt AB

q1  RT1 ln

vB
vA

Quá trình đẳng nhiệt CD
q 2  RT2 ln

vD
vC

Đồ thị p-v

Lấy tỷ số q1/q2:

 v 
T1  ln B 
q1
vA 


q2
 v 
T2  ln C 
 vD 

12


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Xét 2 quá trình BC và DA :
Quá trình đoạn nhiệt BC
T2  v B 
  
T1  v C 

k 1

Quá trình đoạn nhiệt DA

T2  v A 
 
T1  v D 
 vB 
 
 vC 

k 1

k 1

v 
  A 
 vD 

k 1

Đồ thị p-v

vB vC

vA vD
 v 
T1  ln B 
q1
vA 
 
q2
 v 
T2  ln C 
 vD 

q1 T1

q 2 T2

T2
t  1
T1
13


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều:

T2
t  1
T1

Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều:

T2

T1  T2
Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nhiệt
14


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Q1

Q1
W

W

Q2

Q2

W  Q1  Q2

Q1  W  Q2

Q2
W Q1  Q2
t  
1

Q1
Q1
Q1

Q
Q2
 2 
;
W
Q1  Q2



Q1
W



Q1
Q1  Q2

Chu trình CARNOT

Q1
T1
T2
c  1 
T1



Q2
T2



T2
T1
; 
T1  T2
T1  T2

   1


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

4. Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ hai
1. Giữa 2 nguồn nhiệt  C là lớn nhất
2. Giữa Ta, Tb  C của các chu trình Carnot bằng nhau
3. ĐLNĐ 2 là cơ sở để xây dựng thang nhiệt độ động học
Q
0
4. 
T
5.

: chu trình thuận nghịch  đẳng thức logic

Q

 T  0 : chu

trình không thuận nghịch  BĐT logic (pt logic thứ 2)

16


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

5. Entropy – đồ thị T-s
Từ đẳng thức chu trình Carnot:
q1
q
 2
T1
T2

q1 T1

q 2 T2



q1 q 2

0
T1 T2

q
 T 0

(q1 và q2 có dấu ngược nhau)

dq
 T 0

or

dq
:vi phân toàn phần, thể hiện sự biến thiên của một biến số trạng thái nào đó của hệ.
T

Ký hiệu là s; entropy, đơn vị là (J/K). Đây là một hàm trạng thái mới nên ta có:
dq
ds 
T

2

và

 ds  s

2

 s1

1

17

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Đồ thị trạng thái T-s
Trục hoành biểu diễn entropy s,
Trục tung biểu diễn nhiệt độ tuyệt đối K.

Nhận xét: Mỗi điểm trên đồ thị T-s biểu diễn
một trạng thái cân bằng, một đường cong thể
hiện một quá trình. Nếu đường cong này kín,
ta có một chu trình.
Có thể viết :

Đồ thị trạng thái T-s

dq = Tds
2

 q   Tds = dt (122’1’)
1

diện tích nằm dưới đường cong sẽ thể hiện lượng nhiệt trao đổi trong một quá trình.
18


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Ví dụ 1:
Khảo sát một động cơ nhiệt làm việc với nguồn

nóng có nhiệt độ là 800oC và nguồn lạnh có nhiệt độ là
230oC.
Giả sử động cơ này có thể làm việc ở điều kiện lý
tƣởng của chu trình Carnot thì công suất phát của nó là
1000kW.
Hãy xác định năng suất nhiệt mà động cơ nhận
vào từ nguồn nóng và nhả ra cho nguồn lạnh.

19


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Ví dụ 2:
Xét một bơm nhiệt lý tƣởng làm việc với các thông số
thiết bò như sau:

Công suất máy nén: 14kW
Hệ số làm nóng của bơm nhiệt φ = 4,5
Tính nhiệt nhận vào và nhả ra cho nguồn lạnh và nguồn

nóng

20


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Ví dụ 3:
Một chu trình máy lạnh hoạt động giữa nhiệt độ

nguồn lạnh là – 10 0C và nhiệt độ nguồn nóng là 37 0C,
năng suất lạnh là 100 kW.
Xác đònh:

a) Hệ số làm lạnh lớn nhất của chu trình.
b) Công nén cần cung cấp (HP) và năng suất nhả
nhiệt của chu trình.

21