Bài 11 vật lý đại học các hạn chế của định luật i

Các hạn chế của định luật IHạn chế1: Trong thực thế thì chỉ có vật nóng tự động truyền nhiệt cho vật lạnh mà không có chiều ngược lại một cách tự nhiên..  QT dãn nở tự do của chất khí

Bài 11 Bài giảng lý thuyết VẬT LÝ ĐẠI HỌC

Giảng viên: Đặng Thị Minh Huệ

Các hạn chế của định luật I

Hạn chế1: Trong thực thế thì chỉ có vật nóng tự động truyền nhiệt cho vật lạnh mà không có chiều ngược lại một cách

tự nhiên Nhưng ĐL I k/đ hai chiều là tương đương nhau

Hạn chế 2: Trong thực tế thì nhiệt nhận không thể chuyển

hoàn toàn thành công Trong khi đó ĐL I k/đ là có thể xảy

ra điều đó.

Hạn chế 3: Đ/l I chưa đề cập đến vấn đề chất lượng nhiệt.

Thực tế thì nhiệt Q lấy ở các nguồn có nhiệt độ khác nhau

có khả năng sinh công khác nhau.

đ/L I còn hạn chế nên phải x/h đ/L II

NỘI DUNG CHÍNH (Chương 20: 20.1, 20.2, 20,5, 20.6)

11.1 Chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động

11.2 Động cơ nhiệt

11.3 Định luật thứ hai của Nhiệt động học.

11.4 Chu trình Các nô.

11.1 Chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động (Mục 20.1)

1 Quá trình cân bằng

 Trạng thái cân bằng

+ ĐN: là TT ko biến đổi theo t

và tính bất biến đó ko phụ

thuộc vào các QT bên ngoài.

+ Đặc điểm : mỗi TTCB được

xác định bằng một số thông số nhiệt động.

Ví dụ : hệ là khối khí thì mỗi TTCB của nó được xác định

bằng 2 trong 3 thông số p, V, T.

Chú ý: Một hệ cô lập luôn tự chuyển tới TTCB.

 Quá trình cân bằng: là quá trình biến đổi trải qua một

chuỗi các trạng thái cân bằng.

+QTCB Là QT lý tưởng Trong thực thế chỉ có các các QT

gần cân bằng VD: đ/v khí lý tưởng thì QT đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt là các QT coi như cân bằng

2 Quá trình thuận nghịch

 ĐN: Một QTBĐTT của hệ từ TT 1

sang TT 2 được gọi là thuận

nghịch nếu hệ có thể tiến hành

QTBĐ theo chiều ngược lại và

đường dẫn QT ngược hoàn

toàn trùng khít lên đường dẫn

của QT thuận.

 Vậy :

+ QT thuận nghịch là QT cân bằng Khi đó hệ luôn trong

trạng thái cân bằng nhiệt động giữa nó với mtxq.

+ QT TN là QT lý tưởng

+ QT không thuận nghịch (h.vẽ) : là quá trình không CB VD: Các QT có ma sát đều là QT không cân bằng.

(Khi một cuốn sách trượt trên bàn, cơ năng sẽ chuyển

thành nhiệt thông qua ma sát QT này không thể đảo

ngược, không thể tồn tại QT cuốn sách lúc đầu nằm yên trên bàn, sau đó tự động chuyển động , đồng thời cả bàn

và sách lạnh đi).

3 Chiều của các quá trình nhiệt động trong tự nhiên

 Các QTNĐ xảy ra trong tự nhiên đều là các QT không thuận nghịch.

 Trong m ọi QTKTN, hệ luôn trao đổi NL với môi trường

xung quanh

 QT dãn nở tự do của chất khí và QT chuyển Công thành

Nhiệt thông qua ma sát là QT không thuận nghịch.

Câu hỏi: QT dùng hai bàn tay chà sát lên nhau khi chúng có cùng nhiệt độ là QTTN hay không thuận nghịch?

11.2 Động cơ nhiệt ( Mục 20.2)

 ĐN: là thiết bị chuyển một phần Q  W

VD : Máy hơi nước, các loại động cơ đốt trong…

 Cấu tạo: ĐCN đơn giản gồm: chất công tác + 2 nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau và bộ phận phát động (pitông, tua bin).

 Chất công tác : là một lượng vật chất vận chuyển bên trong

ĐC, làm nhiệm vụ Q  W Nó phải trải qua sự nhận và toả nhiệt, sự dãn và nén, và đôi khi là sự chuyển pha.

VD: Chất công tác ở động cơ đốt trong là chất hơi hoặc nhiên liệu lỏng ; ở máy hơi nước là hơi nước

 Khi ĐC hoạt động: chất công tác trao đổi nhiệt với hai vật

có nhiệt độ khác nhau gọi là nguồn nóng và nguồn lạnh.

 Nguyên tắc hoạt động của ĐCN : Chất công tác hoạt động theo một chu trình thuận nghịch, theo chiều kim đồng hồ

và luân chuyển giữa hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau, gọi là nguồn nóng T H và nguồn lạnh T C

+ Khi t/xúc với nguồn nóng T H , chất công tác nhận nhiệt Q H + Khi t/xúc với nguồn lạnh T C , chất công tác truyền cho

nguồn lạnh nhiệt Q C

 Hiệu suất của động cơ nhiệt:

Q

W

H













H

C H

C

Q

Q Q

Q

C H

C Q Q

Q  



 QH

W

(do Q H > 0 ; Q C < 0 v à Thi Nghiem

cho thấy Q C khác không )

(20.2)

VD về tính hiệu suất của ĐC nhiệt: BT (20.2 ; 20.39 ; 20.42)

Một đ.cơ nhiệt có chất công tác là

0,35 mol khí lý tưởng lưỡng nguyên

tử Thực hiện CTBĐ abca (h.vẽ).

Nhiệt độ T a = 300 K ; T b = 600K ;

T c = 492K.

a) Tính các thông số trạng thái

Còn lại ở các trạng thái a; b; c

b) Tính Q và W ở từng QT

c) Tính hiệu suất của chu trình

Lưu ý:

+ thiết bị nhận công để chuyển nhiệt lấy ở nguồn lạnh đến nguồn nóng hơn gọi là máy lạnh.

+ Hệ số hiệu suất của máy lạnh :

(Đọc mục 20.4)

C H

C

Q Q

Q K







W

QC

(20.9)

11.3 Định luật thứ hai của Nhiệt động học - Mục 20.5

 Nội dung ĐL II : Có hai cách PB tương đương như sau:

+ Cách 1 (Claudiut): Nhiệt không thể tự động truyền từ một vật lạnh sang vật nóng hơn

+ Cách 2 (Tomson): Không thể chế tạo được một máy nhiệt nào mà khi hoạt động chỉ cần tiếp xúc với một nguồn và không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

 YN của ĐL II:

+ Khắc phục được các hạn chế của ĐL I.

+ K/đ hiệu suất của động cơ e < 1:

+ K/đ rằng một đ/cơ nhiệt ko thể chỉ làm việc với một nguồn nhiệt và không bị hao phí năng lượng cũng như không ảnh hưởng đến mtxq.

1 1

1 Q

W H













H

C H

C

Q

Q Q

Q e

11.4 Chu trình Các – nô (Mục 20.6)

ĐVĐ: Hiệu suất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 1 Vậy, hiệu

suất của ĐC đạt được giá trị e max= ?

 Bao gồm 2 QT đẳng nhiệt thuận nghịch xen kẽ hai QT

đoạn nhiệt thuận nghịch

1 QT 1 – 2 là QT chất công tác dãn nở đẳng nhiệt ở nhiệt

độ T H , nhận nhiệt Q H

2 QT 2 – 3 là QT dãn nở đoạn nhiệt đến khi nhiệt độ của

chất công tác giảm xuống đến T C

3 QT 3 – 4 là QT chất công tác nén đẳng nhiệt ở nhiệt độ T C

và nhả nhiệt Q C cho nguồn lạnh.

4 QT 4 – 1 là QT chất công tác bị nén đoạn nhiệt để quay

trở về trạng thái ban đầu, hoàn thành một chu trình biến đổi.

( biểu diễn chu trình trên hệ 0PV - hình vẽ )

2 Hiệu suất của động cơ các nô (là ĐC mà chất công tác hoạt động theo chu trình các nô).

 Trước hết ta cần k/đ rằng : ĐC Các nô cũng là đ/cơ nhiệt

nên hiệu suất e tuân theo CT (20.4):

 Nhưng đối với đ/cơ các nô: Q H và Q C đều là nhiệt trong QT

đẳng nhiệt Với chất tác nhân là khí lý tưởng thì:

 KL : Hiệu suất của đ/c Các – nô chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ hai nguồn nhiệt, ko phụ thuộc cách chế tạo đ/cơ và tính

chất của chất công tác.

 Chú ý: Khi tính e, đơn vị nhiệt độ phải là Kenvin.

1 1

1 Q

W H













H

C H

C

Q

Q Q

Q e

(20.14)

H

C H

H

C H

C Carnot 1 1

T

T

T T

T Q

Q

e      

3 Ý nghĩa của Chu trình Carnot

 Động cơ Các - nô có hiệu suất lớn nhất trong tất cả các động cơ hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ xác định.

e < eCarnot

 Máy lạnh Các – nô có hệ số hiệu suất lớn nhất trong tất cả các loại máy lạnh hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ

xác định.

K <

 KL: Có thể phát biểu định luật hai của nhiệt động học như

sau:

“ Tất cả các động cơ Carnot hoạt động giữa hai nguồn

nhiệt độ xác định sẽ có cùng hiệu suất, e không phụ thuộc

tính chất của chất công tác.”

H

C H

H

C H

C Carnot 1 1

T

T

T T

T Q

Q

e      

C H

C Carnot

T -T

T

4 Các nhận xét rút ra định luật thứ hai

H

C H

C Carnot

H

1

1

T

T Q

Q e

Q

W

Từ biểu thức:

 Muốn tăng hiệu suất của động cơ:

 Nhiệt nhận không thể biến hoàn toàn thành công:

Tăng TH ; giảm T C

H

C Carnot

H

1

T

T e

Q

W

Vì TC không thể  0 K, TH không thể  ∞, ∞, 1

H



Q

W

nên W < QH

Vậy: + Nhiệt lượng nhận vào không thể biến hoàn

toàn thành công.

+ Không thể đạt được điểm không tuyệt đối.

e < 1

Nếu TH1 > TH2 thì TC/TH1 < TC/TH2 và eCarnot1 > eCarnot2

1 H

C 1

Carnot 1

T

T

e  

2 H

C 2

Carnot 1

T

T

e  

Giả sử có 2 động cơ cùng nhận nhiệt QH từ 2 nguồn khác

nhau (TH1 và TH2) và cùng toả nhiệt QC cho nguồn lạnh TC :

Vậy: Nhiệt lượng nhận được từ nguồn nóng có nhiệt

độ càng cao thì hiệu suất càng lớn Tức là ĐL II đã giải quyết được vấn đề chất lượng nhiệt.