7.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2
Định luật nhiệt động 1 thực chất là định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt động học, nó đặc trưng về mặt số lượng của quá trình biến đổi năng lượng. Định luật nhiệt động 2 xác định điều kiện và mức độ biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, xác định chiều hướng tiến hành các quá trình xảy ra trong tự nhiên, nó đặc trưng về mặt chất lượng của những quá trình biến đổi năng lượng.
Phát biểu định luật nhiệt động 2 :
Kevin-Planck statement applies to heat engines : It is impossible to construct a cyclic engine that will take heat from a single reservoir and produce an equal amount of work.
Clausius statement applies to heat pumps and refrigerators : It is impossible to construct a cyclic device that will cause heat to be transferred from a low-temperature reservoir to a high-temperature reservoir without the input of work.
Just as the first law, the second law of thermodynamics is a naturally observed law and is not proven, so too these statements of the second law are not proven. Rather, their validity rests on the fact that there has never been an experiment with results that have contradicted them.
Fig. 7.1. Heat Engine Fig. 7.2. Heat pump or Refrigerator
High-temperature reservoir
Low-temperature reservoir Heat engine
q in
q out
w out
High-temperature reservoir
Low-temperature reservoir Heat pump Refrigerator
q out
q in
w in
7.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NHIỆT
Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác.
Động cơ nhiệt và máy lạnh là hai nhóm thiết bị nhiệt thông dụng nhất hiện nay. Động cơ nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Máy lạnh có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển).
T
Qin
N H
B
Qout
Wout
a)
T
S K
2 5
2 ' 4
b)
1
3 5 2
2 ' 4
1
3
Q
H. 7.3. Sơ đồ cấu tạo (a) và chu trình nhiệt động (b) của động cơ hơi nước H- Nồi hơi, Q – Bộ quá nhiệt, T- Turbine, N – Thiết bị ngưng tụ, B – Bơm nước
N L
V M
Qout Qin
Win
p = 6,52 at t = + 65 0C
p = 6,52 at
t = + 25 0C p = 1,52 at
t = - 20 0C p = 1,52 at t = + 10 0C T
S K
1 2 3
5 4
a) b)
H. 7.4. Sơ đồ cấu tạo (a) và chu trình nhiệt động (b) của máy lạnh A- Máy nén, B- Thiết bị ngưng tụ (giàn nóng),
C – Van tiết lưu, D - Thiết bị bay hơi (giàn lạnh)
Muốn biến đổi nhiệt năng (Q) thành công cơ học (W) trong các động cơ nhiệt ta phải sử dụng MCCT và cho MCCT dãn nở. Để nhận được công liên tục, MCCT phải dãn nở liên tục. Nhưng MCCT không thể dãn nở liên tục vì kích thước của động cơ có hạn. Trong thực tế, người ta đã giải quyết vấn đề này bằng cách nén MCCT đã dãn nở trở lại trạng thái ban đầu rồi lại cho MCCT dãn nở.
Chu trình nhiệt động bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động nối tiếp nhau, trong đó MCCT thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi trở lại trạng thái ban đầu.
Trên các đồ thị trạng thái, chu trình được tiến hành theo chiều kim đồng hồ được gọi là chu trình thuận chiều. Chu trình này được sử dụng để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều gọi là động cơ nhiệt (H. 7.3). Chu trình được tiến hành theo chiều ngược kim đồng hồ gọi là chu trình ngược chiều. Để thực hiện chu trình ngược chiều phải tiêu hao năng lượng từ bên ngoài (thông thường là cơ năng). Thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều được gọi là máy lạnh (H. 7.4).
Để đánh giá hiệu quả kinh tế của chu trình nhiệt động của thiết bị nhiệt, người ta sử dụng đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt (), hệ số làm lạnh () và hệ số bơm nhiệt () :
Hiệu suất nhiệt (thermal efficiency) của động cơ nhiệt :
in out in
out in
q q q
q
q
1
Hệ số làm lạnh (coefficient of performance) của máy lạnh :
in in
w
q
Hệ số bơm nhiệt (coefficient of performance) của bơm nhiệt :
in out
w
q
trong các công thức trên : qin - nhiệt lượng cấp cho MCCT trong 1 chu trình; qout - nhiệt lượng được nhả ra từ MCCT; win - công từ bên ngoài tác dụng lên MCCT; wout - công do MCCT sinh ra.
7.3. CHU TRÌNH CARNOT
H. 7.5. Chu trình Carnot
Chu trình Carnot thuận chiều được cấu thành từ các quá trình nhiệt động sau đây :
1) Quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt (1-2);
2) Quá trình dãn nở đoạn nhiệt (2-3);
3) Quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt (3-4);
4) Quá trình nén đoạn nhiệt (4-1).
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều :
1 2 1
2
1 1
T T T
T T q
q q
in out in
Carnot
Nhận xét :
1) Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh mà không phụ thuộc vào tính chất của MCCT.
2) Carnot tăng khi nhiệt độ của nguồn nóng tăng hoặc nhiệt độ của nguồn lạnh giảm.
3) Carnot lớn hơn hiệu suất nhiệt của bất kỳ chu trình nhiệt động nào khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh.
1 q in (+) p
v
T1 T2 2
3 4
1
T
s
2
4 3
T1 - High temperature reservoir T2 - Low temperature reservoir
1-2 : Isothermal heat addition process 2-3 : Adiabatic expansion
3-4 : Isothermal heat rejection 4-1 : Adiabatic compression q in q out
w out
T1
T2
s1 s1
T1 High temperature reservoir T2 Low temperature reservoir q out
7.4. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL Các giới hạn kỹ thuật đối với chu trình nhiệt động của động cơ đốt trong : 1) Nhiệt độ nguồn lạnh : Tmin = T0.
2) Áp suất nguồn lạnh : pmin = p0.
3) Độ bền nhiệt của vật liệu : Tmax ≤ 1 500 0C.
4) Độ bền cơ học của các chi tiết : pmax ≤ 150 bar.
T Tmax
Tmin
a cx
c' z
b
b'' s p > pmax
pmin
p < pmin
p
a cx b
z
b'' p0
VC VS
b'
V
H. 7.6. Chu trình nhiệt động của động cơ xăng
T Tmax
Tmin
a c
c' z
b
b'' s p > pmax
pmin
p < pmin
p
a b c
z
b'' p0
VC VS
b'
V
H. 7.7. Chu trình nhiệt động của động cơ diesel
NỘI DUNG ÔN TẬP 1) Phát biểu định luật nhiệt động 2.
2) Sơ đồ cấu tạo, chu trình nhiệt động và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh thông dụng.
3) Chu trình Carnot.
4) Thiết lập chu trình nhiệt động của động của động cơ xăng trên cơ sở chu trình Carnot và các giới hạn kỹ thuật.
5) Thiết lập chu trình nhiệt động của động của động cơ diesel trên cơ sở chu trình Carnot và các giới hạn kỹ thuật.
Chủ đề 8