bai giang nhiet hoc 3 nguyen ly 2 nhiet dong hoc

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 đồn

NỘI DUNG

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

 Hiệu suất của động cơ nhiệt:

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

 Chu trình Carnot

ĐỘNG CƠ NHIỆT

 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

 Định lý Carnot

ĐỘNG CƠ NHIỆT

 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

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

• 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

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.

Q = Q1 + Q2 = 340 + 1300 = 1640 kJ Công cần thiết cung cấp cho tác nhân hoạt động là: Q 1640

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

H = 1 +

1

2 1

2

T

T 1 Q

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

BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II

ta có: H = 1 +

1

2 1

2

T

T 1

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.

BIỂU THỨC ĐỊNH LƯỢNG CỦA NGUYÊN LÝ II

 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 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

 Độ biến thiên entropy của một hệ trong quá trình biến đổi bất kì từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) được tính bởi công thức:

Nếu quá trình là đoạn nhiệt thì:

( 2)

(1)

Q S

Nhiệt dung riêng của nước là C = 4200J/kg.K Tính độ biến thiên entropy của 10kg

Cho 100g nước đá ở 00C vào 400g nước ở 300C trong một bình có vở cách nhiệt lý tưởng Tính độ biến thiên entropy của hệ trong quá trình trao đổi nhiệt Biết nhiệt nóng chảy của nước đá ở 00C là  = 80kcal/kg, nhiệt dung riêng của nước là 1kcal/kg.độ

Giải

Gọi: m1 = 100g = 0,1kg là khối lượng nước đá

m2 = 400g = 0,4kg là khối lượng nước

T là nhiệt độ lúc sau của hệ, khi đã cân bằng nhiệt

Vì phần nước đá m1 sẽ nhận nhiệt Q1 để tan thành nước, sau đó nhận nhiệt Q2 để nóng lên; còn phần nước m2 sẽ tỏa nhiệt Q3 và lạnh đi Hệ cách nhiệt với bên ngoài nên tổng nhiệt lượng trao đổi giữa 2 phần phải bằng không Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1  Q2  Q2  0 hay m1  Cm (T1 C  0)  Cm (T2 C  30)  0

ENTROPY

Suy ra, nhiệt độ của hệ lúc sau là:

0

2 1 C