Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 6: The 2nd Law of Thermodynamics (Định luật nhiệt động học 2)

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 6: The 2nd Law of Thermodynamics (Định luật nhiệt động học 2). Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Giới thiệu định luật 2, máy nhiệt và nguồn nhiệt, nội dung định luật 2, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, thang nhiệt độ, hiệu suất chu trình Các Nô.

Chap06: The 2 nd Law of

› 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

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

– 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

› 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)

› 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

– 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):

› Vì sao    ?

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

› Công có ích:   



› 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

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

– 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

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.

› Nếu có thiết bị nào đó mà

ngược với phát biểu của

Kelvin-Planck thì cũng trái

với nguyên lý của Clausius.

6.5: Động cơ vĩnh cửu

(Perpetual-Motion Machines)

› We’ve already known: Một quá trình

bất kỳ nếu xảy ra đều tuân theo ĐL1

và ĐL2:

– ĐL1: ?

– ĐL2: ?

› Perpetual-Motion Machine loại 1:

– Nếu có thiết bị nào có thể hoạt động

ngược với nguyên lý của ĐL1.

› Perpetual-Motion Machine loại 1:

– Nếu có thiết bị nào có thể hoạt động

ngược với nguyên lý của ĐL2.

Perpetual-Motion Machines Loại 1

› Nhà máy nhiệt điện hơi nước:

– Điện sản xuất ra được sử dụng một phần để sinh hơi trong nồi hơi và lai bơm cấp nước.

– Hệ thống sinh công ở máy phát W(net,out) và thải nhiệt Q(out) ở bình ngưng.

– Hệ thống không nhận nhiệt

và công từ nguồn ngoài.

› Hệ thống không tuân theo ĐL1.

Perpetual-Motion Machines Loại 1

› Nhà máy nhiệt điện:

– Bỏ qua bình ngưng để không

thải nhiệt ra môi trường:

Q(out) = 0.

– Hơi nước sau turbine được

bơm trực tiếp vào nồi hơi.

– Hệ thống nhận nhiệt Q(in) ở

nồi hơi.

– Hệ thống sinh công

W(net,out) ở turbine.

6.6: Thuận nghịch và không thuận nghịch

(Reversible and Irreversible)

› Quá trình thuận nghịch: Là quá

trình mà sau khi tiến hành, hệ

thống có thể trở về trạng thái

ban đầu mà không làm thay đổi

gì.

› Ví dụ:

– Quả lắc nếu không có ma sát

– Quá trình nén khí trong

piston-cylinder nếu bỏ qua rò lọt và ma

sát

› Quá trình không thuận nghịch:

là quá trình không trở lại trạng

thái ban đầu.

› Thực tế không có quá trình

thuận nghịch do ma sát, rò lọt.

6.7: Chu trình Carnot (Carnot Cycle)

› Already known: Động cơ

nhiệt:

– Là thiết bị làm việc theo chu kỳ.

– Sinh công trong một phần chu

– Chu trình thuận nghich được tạo bởi các quá trình thuận nghịch.

– Hiệu suất biến đổi năng lượng tốt nhất với các chu trình thuận nghịch.

– Là đích để nghiên cứu phát triển các thiết bị.

– Carnot Cycle là một chu trình tiêu biểu.

Chu trình Carnot: Heat Engines

– Giãn nở đẳng nhiệt (Isothermal Expansion): Piston

từ Điểm Chết Trên (ĐCT) được cấp nhiệt QH, môi

chất giãn nở sinh công, TH= const

– Giãn nở đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Dừng

cấp nhiệt, môi chất tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt

(Q=0), sinh công, nhiệt độ giảm TH→ TL

– Nén đẳng nhiệt (Isothermal Compression): Piston

đến Điểm Chết Dưới (ĐCD) bắt đầu nén đẳng nhiệt,

tiêu thụ công, TL= const

– Nén đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Tiếp tục

nén, tiêu thụ công, nhiệt độ tăng TL→ TH , piston

đến ĐCT

– Quá trình tiếp tục lặp lại

Chu trình Carnot: P-V diagram

bao bởi chu trình.

Đồ thị P-V gọi là đồ thị gì? Tại sao?

Chu trình Carnot: Refrigerator/Heat Pump

› Carnot cycle tạo bởi các

- Chu trình động cơ nhiệt (Heat engine) được biểu diễn

trên các đồ thị có chiều diễn ra cùng chiều kim đồng hồ

- Chu trình máy lạnh/bơm nhiệt, ngược lại, có chiều diễn

biến ngược chiều kim đồng hồ

6.8: Nguyên lý Carnot

› 1 Hiệu suất của các máy nhiệt

không thuận nghịch luôn nhỏ

hơn hiệu suất của các máy

nhiệt thuận nghịch làm việc với

cùng các (2) nguồn nhiệt.

› 2 Hiệu suất của các máy nhiệt

thuận nghịch hoạt động với các

nguồn nhiệt (2) như nhau thì

bằng nhau.

6.9: Thang nhiệt độ động học

› Nguyên lý Carnot: Hiệu

suất nhiệt chỉ phụ thuộc

nhiệt độ 2 nguồn nhiệt:

› Hiệu suất động cơ nhiệt:

› Hiệu suất động cơ nhiệt thuận nghịch chỉ

phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nhiệt:

"  $%&', &()

Tỷ số giữa nhiệt độ 2 nguồn lạnh phụ thuộc vào tỷ

số lượng nhiệt truyền giữa 2 nguồn nhiệt của 1 máy

nhiệt thuận nghịch và không phụ thuộc tính chất

môi chất, thiết bị sử dụng

Năm 1954, Hội nghị về đo lường thống nhất lấy

điểm 3 thể của nước là 273,16K:

- Temperature Kelvin gọi là thang nhiệt độ động

học

- Nhiệt độ Kelvin gọi là Nhiệt độ tuyệt đối (absolute

temperature)

6.10: Động cơ nhiệt Carnot

› Động cơ nhiệt Carnot có hiệu suất cao

nhất so với các loại động cơ khác có

› Động cơ Carnot có hiệu suất cao nhất:

Hiệu suất Carnot (Carnot efficiency).

Hiệu suất bao nhiêu?

› Hiệu suất nhiệt

› Lượng nhiệt động cơ thải cho

nguồn lạnh

› Công có ích

“Chất lượng” năng lượng

Energy quality

› Khảo sát động cơ Carnot:

– Giữ nguyên nguồn lạnh (TL=

303K)

– Tăng dần nhiệt độ nguồn nóng TH

– Hiệu suất nhiệt tăng dần

Kết luận: Ở nhiệt độ càng cao,

năng lượng càng “chất lượng”

Nghĩa là càng nhiều năng lượng

được biến đổi thành công

Chất lượng VERSUS Số lượng

- Năng lượng từ quá trình đốt nhiên liệu

hóa thạch có chất lượng tốt (nhiệt độ

cao 2000K)

› Nhận xét:

– Công (work) quý hơn nhiệt (heat) vì công có thể biến

hoàn toàn thành nhiệt, nhiệt chỉ biến một phần thành

công.

– Khi biến nhiệt thành công (trong các động cơ nhiệt),

một phần nhiệt thải cho nguồn lạnh Phần nhiệt này bị

mất phẩm chất và không sử dụng được.

6.11: Máy lạnh/Bơm nhiệt Carnot

› Là thiết bị làm việc theo chu

– R134a là hơi bão hòa ở cuối

quá trình thải nhiệt (điểm 4).

› Findings:

– Độ khô của R134a ở cuối quá

trình bay hơi (nhận nhiệt tự

nguồn lạnh).

– Áp suất cuối quá trình thải nhiệt.

Cách làm: Xem trang 305-306

Summary

› ĐL2: Chiều hướng diễn ra quá trình

› Một quá trình diễn ra phải thỏa mãn cả

2 ĐL

› Các thiết bị trao nhiệt với 2 môi trường

là Heat Source (high temp.) và Heat

Sink (low temp.)

› Công có thể biến hoàn toàn thành

nhiệt Nhiệt biến thành công cần có

Heat Engine

› Hiệu suất của Heat Engines:

› Muốn truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao cần thiết

bị Refrigerator/Heat Pump:

– Hệ số làm lạnh:

– Hệ số làm nóng:

› Phát biểu ĐL2:

– Của Kelvin-Planck với Heat Engine.

– Của Clausius với Refgigerator.

› Tính thuận nghịch và không thuận nghịch

› Chu trình Carnot thuận nghịch:

– Carnot Heat Engine:

– Carnot heat pump/refrigerator: