Bài giảng kỹ thuật nhiệt chương 6 the 2nd law of thermodynamics (định luật nhiệt động học 2)

› Làm quen với các khái niệm về nguồn nhiệt, quá trình thuận nghịch/không thuận nghịch, các dạng máy nhiệt: Động cơ nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt.. › Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạn

Chap06: The 2 nd Law of Thermodynamics

Định luật nhiệt động học 2

By Assoc Prof Le Van Diem

Contents

› Introduction to the 2nd Law of Thermo

› Heat Engines & Thermal Reservoirs

› The 2nd Law of Thermodynamics

› Reversible and Irreversible Processes

› The Carnot Cycle

› The Thermo & IG T-Scales

› Carnot Efficiency

› Giới thiệu định luật 2

› Máy nhiệt và nguồn nhiệt

› Nội dung định luật 2

› Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịc

› Chu trình Các nô

› Thang nhiệt độ

› Hiệu suất chu trình Các nô

Mục tiêu của chương

› Giới thiệu ĐL 2: Chiều diến ra các quá trình

› Tìm hiểu các quá trình thỏa mãn cả 2 định luật (bảo toàn năng lượng và chiều diễn ra)

› Làm quen với các khái niệm về nguồn nhiệt, quá trình thuận nghịch/không thuận nghịch, các dạng máy nhiệt: Động cơ nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt

› Mô tả các cách phát biểu ĐL2

› Thảo luận về khái niệm động cơ vĩnh cửu

› Ứng dụng ĐL2 để nghiên cứu các quá trình, chu trình

› Ứng dụng ĐL2 để phân tích về thang nhiệt

độ động học

› Nghiên cứu chu trình Các nô

› Áp dụng chu trình Các nô cho động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt

› Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ

số làm nóng của các chu trình động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt

6.1: Giới thiệu định luật 2

› Hiện tượng:

– Cốc coffee tự nguội đi.

– Cấp điện cho may so sinh ra nhiệt.

– Vật nặng làm cánh khuấy quay làm nóng chất lỏng trong két.

› Nhận xét 1:

– Cốc coffee trong phòng không tự nóng lên.

– Cấp nhiệt cho may xo điện không phát ra điện.

– Cấp nhiệt cho két-cánh khuấy không làm cho trục quay để nâng vật nặng lên.

› Nhận xét 2:

– Các hiện tượng trên đều tuân theo ĐL 1 – Bảo toàn năng lượng.

– Các quá trình ngược lại không xảy ra.

Giới thiệu định luật nhiệt động 2

› Kết luận:

– ĐL 1:

› Chỉ ra sự bảo toàn năng lượng

› Không chỉ ra được các điều kiện thực hiện các quá trình

› Chỉ đánh giá năng lượng về số lượng (quantity)

– ĐL 2:

› Chỉ ra chiều hướng diễn ra quá trình

› Đánh giá năng lượng không chỉ

về số lượng mà còn về chất lượng (quality) – (nhiều nhưng

có dùng được không?)

› Đánh giá khả năng, giới hạn sử dụng năng lượng trong các thiết

bị như động cơ nhiệt, máy lạnh, hay bơm nhiệt

– Một quá trình diễn ra cần tuân theo cả 2 định luật.

6.2: Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoirs)

› Nguồn nhiệt:

– là môi trường nào đó đủ lớn xung quanh các hệ thống nhiệt mà khi trao hay nhận một lượng nhiệt nhất định với hệ thống thì không làm thay đổi nhiệt độ

– Thường tận dụng môi trường tự nhiên xung quanh làm Nguồn nhiệt

– Ví dụ:

› Nước: Sông, hồ, biển.

› Không khí xung quanh.

› 2 loại nguồn nhiệt:

– Nguồn nóng (heat source): có nhiệt

độ cao và truyền nhiệt cho hệ

– Nguồn lạnh (heat sink): có nhiệt độ thấp và nhận nhiệt từ hệ

› Nhiệt và vấn đề môi trường:

– Nhiệt thải có thể làm tăng nhiệt độ môi trường, gây ra ô nhiếm (heat pollution)

– Nhiệm vụ: Cần phải kiểm soát tốt nhiệt thải để giảm tác động đến môi trường

› Quan sát 1:

– Vật nặng rơi theo trọng lực làm quay cánh khuấy, sinh nhiệt, tăng nhiệt độ chất lỏng trong két

– Cấp nhiệt vào cánh khuấy không làm quay cánh (không nâng được vật nặng

› Quan sát 2:

– Quay máy khuấy (bằng công ngoài) làm tăng nhiệt độ chất lỏng

– Cấp nhiệt vào chất lỏng không làm quay máy khuấy

› Nhận xét:

– Quá trình chỉ diễn ra theo 1 chiều

– Cả 2 quá trình công biến thành nhiệt; Nhiệt không biến thành công

Hãy tìm một ví dụ nhiệt có thể biến thành công?

6.3: Động cơ nhiệt (Heat Engines)

Động cơ nhiệt (Heat Engines)

› Kết luận:

– Công có thể biến trực tiếp và hoàn toàn thành nhiệt (không cần điều kiện gì)

– Nhiệt chỉ có thể biến thành công khi sử dụng thiết bị đặc biệt, gọi là HEAT ENGINES

› Heat engines: Là thiết bị biến nhiệt thành công.

– Nhận nhiệt từ các nguồn có nhiệt độ cao (Heat source)

– Biến một phần nhiệt nhận được thành công

– Thải phần nhiệt còn lại cho nguồn có nhiệt độ thấp (Heat sink)

– Hoạt động theo chu kỳ

› Heat engines cần sử dụng môi chất

để thực hiện việc biến hóa năng lượng (working fluid).

Hãy nhận dạng các thành phần sau với hệ thống Heat Engine là động cơ xe máy của bạn:

- Heat source, Heat sink, Working fluid

- Q(in), W(net, out), Q(out)

Nhận dạng Heat Engines – Nhà máy nhiệt điện

› Cấu tạo:

– Nồi hơi (boiler) để sinh hơi

– Tuabin (Turbine) để lai máy phát điện

– Bình ngưng (condenser) để ngưng tụ hơi nước sau turbine

– Bơm (pump) để bơm nước trở lại boiler

Hãy nhận dạng các thành phần sau với hệ thống:

- Heat source, Heat sink, Working fluid

- Q(in), W(in), W(out), Q(out)

Hãy viết phương trình cân bằng năng lượng (ĐL1)?

Hệ thống kín hay hệ thống hở?

∆  0 →   

   

  

Công có ích của Heat Engines

› Công trong Heat Engines:

– Công nhận, W(in);

– Công sinh ra, W(out);

– Công có ích, W(net, out):

Hãy nhận dạng các thành phần sau với động cơ diesel:

- Heat source, Heat sink, Working fluid

- Q(in), W(in), W(out), Q(out)

Hiệu suất nhiệt của Heat Engines



› Nhận xét:

– Q(out) luôn > 0 (động cơ nhiệt không thể không thải nhiệt cho heat sink).

– Công có ích W(net, out) luôn nhỏ hơn nhiệt cấp cho động cơ.

– Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt luôn < 1.

Hiệu suất nhiệt của Heat Engines

› Quy ước:

nhiệt độ cao TH);

nhiệt độ cao TL)

Bạn có biết hiệu suất nhiệt của các loại động cơ nhiệt:

- Động cơ xăng?

- Động cơ Diesel?

- Nhà máy nhiệt điện (chu trình hỗn hợp gas-steam)?

25%

40%

60%

Có thể tận dụng được Q L ?

› Quan sát:

– Cấp nhiệt (QH= 100kJ cho piston-cylinder ở điều kiện lý tưởng (bỏ qua ma sát, khối lượng piston, truyền nhiệt).

– Hệ sinh công nâng vật nặng (Wnet,out= 15kJ).

– Hỏi: Có thể truyền 85kJ còn lại ngược cho nguồn nóng để tiếp tục chu trình?

– Trả lời: Y/N, Why?

› Kết luận:

– Không thể biến 100% nhiệt thành công.

– Không thể sinh công mà không thải một phần nhiệt cho nguồn lạnh.

Ví dụ: Tính hiệu suất nhiệt của 2 động

cơ nhiệt theo thông số trên 2 sơ đồ

The Second Law of Thermodynamics:

Phát biểu của Kelvin–Planck

› Không thể có thiết bị hoạt động theo chu kỳ mà chỉ nhận nhiệt từ một nguồn nhiệt và sinh công.

› Cách khác:

– Không có động cơ nhiệt có hiệu suất nhiệt 100%.

– Để động cơ nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt với cả nguồn nóng (furnace) và nguồn lạnh (environment).

6.4: Máy lạnh và Bơm nhiệt (Refrigerator & Heat Pump)

› Nhiệt truyền tự nhiên từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp

› Quá trình ngược lại cần thiết bị Refrigerator

› Refrigerator là thiết bị hoạt động theo chu trình

› Môi chất lạnh (Refrigerant) thực hiện chu trình nén-ngưng tụ-tiết lưu-bay hơi

› Các thiết bị gồm: Máy nén, Bầu ngưng, Van tiết lưu, Dàn bay hơi

› Nguyên lý:

– Máy nén (tiêu thụ công Wnet, inhút hơi môi chất và nén đến áp suất cao (superheated vapor)

– Hơi môi chất trao nhiệt QHcho nguồn có nhiệt độ (nước, không khí), cao ngưng tụ thành lỏng ở Bầu ngưng.

– Môi chất qua van tiết lưu, hạ nhiệt độ, áp suất.

– Môi chất sôi, nhận nhiệt QLtừ nguồn có nhiệt độ thấp (không khí trong vùng cần làm lạnh)

Refrigerator VERSUS Heat Pump

› Máy lạnh và Bơm nhiệt

có chung nguyên lý:

– Nếu QLlà có ích → Máy lạnh

– Nếu QHlà co ích → Bơm nhiệt

Liên hệ thực tiễn:

- Hãy tìm một ví dụ về máy lạnh?

- Hãy tìm một ví dụ về bơm nhiệt?

Hệ số làm lạnh – Làm nóng (Coefficient of Performance)

› Bơm nhiệt:

– Required Input = Wnet,in – Desired Ouput = QH

› Máy lạnh:

– Required Input = Wnet,in – Desired Ouput = QL

  

 !

Nhận xét: Khác với Hiệu suất nhiệt, Hệ số làm lạnh, làm nóng có thể > 1

Air-conditioning: Cooling and Heating Modes

The Second Law of Thermodynamics:

Phát biểu của Clausius

› Không thể chế tạo thiết bị hoạt động theo chu kỳ truyền nhiệt từ một nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao mà không tiêu tốn công.

› Cách hiểu khác:

– Muốn truyền nhiệt từ nguồn

có nhiệt độ thấp đến nguồn

có nhiệt độ cao thì cần tiêu tốn công.