BÀI I: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
BÀI 2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ 2
II. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1. Định nghĩa chu trình nhiệt động
Để biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng chất môi giới và cho chất môi giới giãn nở.
Muốn nhận đƣợc công liên tục chất môi giới phải giãn nở liên tục. Nhƣng chất môi giới không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn.
Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở người ta nén chất môi giới để cho nó trở về trạng thái ban đầu và tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai…
Chu trình nhiệt động là chu trình trong đó chất môi giới thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu.
p a’
v b’
2’
1’
a
b
l0>0 2
1
Chu trình thuận chiều:
+ Chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ.
+ Chu trình này biến nhiệt thành công, đường cong giãn nở (1a2) nằm trên đường cong nén (2b1)
Máy nhiệt làm việc theo chu trình này gọi là động cơ nhiệt.
Chu trình ngƣợc chiều:
+ Chu trình làm việc theo chiều ngƣợc kim đồng hồ.
+ Là chu trình tiêu hao công
+ Đường cong nén (2b1) nằm trên đường cong giãn nở (1a2)
Máy nhiệt làm việc theo chu trình này gọi là máy lạnh và bơm nhiệt.
Chu trình thuận nghịch: Là chu trình gồm những quá trình thuận nghịch.
Chu trình không thuận nghịch: Nếu trong chu trình chỉ cần có một quá trình không thuận nghịch.
p b’
v a’
2’
1’
b
a
l0<0 2
1
2. Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh (hoặc bơm nhiệt) Động cơ nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều trong đó thực hiện việc biến đổi nhiệt thành công.
Ví dụ:
Máy hơi nước, tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong và động cơ phản lực là các động cơ nhiệt.
Q1
T1 Q2 T2
L0
Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt:
Chất môi giới nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng có nhiệt độ T1 giãn nở để biến một phần nhiệt này thành công Lo.
Sau đó chất môi giới nhả phần nhiệt còn lại Q2 cho nguồn lạnh ở nhiệt độ T2 (nước làm mát, khí quyển).
Ta có:
Q1 – |Q2| = Lo ; Lo < Q1
Máy lạnh và bơm nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình ngƣợc chiều trong đó tiêu hao công Lo để chất môi giới nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh có nhiệt độ T2 rồi truyền lƣợng nhiệt Q2 cùng với công Lo cho nguồn nóng có nhiệt độ T1 .
Ta có:
|Q1| = Q2 + |Lo|
Q1
T1 Q2 T2
L0
+ Máy lạnh sử dụng nhiệt Q2 để làm lạnh các vật.
+ Bơm nhiệt sử dụng nhiệt Q1 để sưởi, sấy các vật.
Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:
3. Công của chu trình
Công của chu trình là công của chất môi giới tác dụng tới môi trường khi chất môi giới thực hiện một chu trình.
Ký hiệu: Lo (J) hoặc lo (J/kg).
Vì d(pv) = pdv + vdp, chu trình là quá trình khép kín nên ta có:
Vì tích số pv là một hàm trạng thái nên:
và ;
Vậy ta có thể viết: suy ra (1)
Mặt khác, ta nhận thấy nhìn về toàn bộ thì chu trình là một hệ kín mà công ngoài của hệ kín là công thay đổi thể tích công của chu trình là công thay đổi thể tích và ta có:
(2)
d pv pdv vdp
d pv 0
pdv li vdp vdp lkti
i kti
0 l l li lkti
n
0 i
i 1
l l
Khi kết hợp với biểu thức (1) và (2), công của chu trình đƣợc tính bằng biểu thức:
(3)
- Công của chu trình tính theo nhiệt + Từ PT định luật I: dq = du + dl + Đối với chu trình ta có thể viết:
Trong đó: vì u là hàm trạng thái Là công của chu trình
Là tổng đại số nhiệt lƣợng của các quá trình trong chu trình Vậy ta có:
(4)
- Đối với chu trình động cơ nhiệt vì q1 > 0 ; q2 < 0 nên biểu thức (4) có dạng:
lo = q1|q2| vì q1>|q2| nên lo >0
- Đối với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt vì q1 < 0 (nhả nhiệt) ; q2 > 0 (nhận nhiệt) nên biểu thức (4) có dạng:
lo = q2|q1| hay |lo| = |q1| q2 vì |q1| > q2 nên lo < 0
i
n n
0 i kt
i 1 i 1
l l l
dq du dl
0
i
du 0 dl l
dq q
n
0 i
i 1
l q
4. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt
- Hiệu suất nhiệt η : Là đại lƣợng để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình biến nhiệt thành công trong các chu trình động cơ nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều.
(8)
- Hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt : Là đại lƣợng để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình biến chuyển năng lƣợng trong chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngƣợc chiều.
(9)
(10)
1 2
t 0
1 1
q q
l
q q
2 2
0 1 2
1 1
0 1 2
q q
l q q
q q
l q q