intTypePromotion=1

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật: Chương 4 - TS. Nguyễn Minh Phú

Chia sẻ: Năm Tháng Tĩnh Lặng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

0
78
lượt xem
16
download

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật: Chương 4 - TS. Nguyễn Minh Phú

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Định luật nhiệt động thứ hai là vấn đề chính được đề cập trong chương 4 của bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật. Trong chương này gồm có các nội dung sau: Những hạn chế của định luật nhiệt động thứ nhất, chu trình nhiệt động, chu trình Carnot, một số cách phát biểu của định luật nhiệt động thứ 2.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật: Chương 4 - TS. Nguyễn Minh Phú

  1. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II CHÖÔNG 4 ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ HAI 1. NHÖÕNG HAÏN CHEÁ CUÛA ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ NHAÁT Xeùt moät soá ví duï: a) Coâng KHOÂNG SINH Coâng NHÖNG Nöôùc Nöôùc Nhieät b) Nhieät Nhieät I I=0 NHÖNG Naêng löôïng coù theå phaân thaønh naêng löôïng cuûa chuyeån ñoäng coù höôùng nhö ñieän naêng, cô naêng, … vaø naêng löôïng cuûa chuyeån ñoäng voâ höôùng nhö nhieät naêng. Naêng löôïng chuyeån ñoäng coù höôùng bieán ñoåi thaønh naêng löôïng chuyeån ñoäng voâ höôùng thì khoâng ñoøi hoûi coù ñieàu kieän, quaù trình ngöôïc laïi caàn coù moät soá ñieàu kieän khaùc. Ñònh luaät nhieät ñoäng I chæ ra trong quaù trình nhieät ñoäng, hai daïng naêng löôïng cô baûn laø nhieät vaø coâng coù theå bieán ñoåi qua laïi laãn nhau, tuy nhieân khoâng ñeà caäp ñeán: CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -1-
  2. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II - Chieàu höôùng cuûa quaù trình ñang xaûy ra, - Ñieàu kieän caàn vaø ñuû ñeå quaù trình xaûy ra - Möùc ñoä giôùi haïn cuûa söï bieán ñoåi naêng löôïng töø daïng naøy sang daïng khaùc. Töø nhöõng ñieàu ñaõ phaân tích treân, khaù nhieàu nhaø khoa hoïc ñaõ nghieân cöùu vaø ruùt ra ñöôïc moät soá tính quy luaät maø sau naøy goïi laø ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. Nhö vaäy ñeå moät quaù trình coù theå dieån ra caàn phaûi thoaû maõn khoâng chæ ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát maø coøn phaûi thoaû maõn caû ñònh luaät nhieät ñoä thöù hai. 2. CHU TRÌNH NHIEÄT ÑOÄNG  Traïng thaùi: laø moät thuaät ngöõ duøng ñeå chæ chaát moâi giôùi taïi moät vò trí naøo ñoù trong heä thoáng nhieät ñoäng (ñöôïc xem laø 1 ñieåm). Traïng thaùi ñöôïc xaùc ñònh bôûi caùc thoâng soá traïng thaùi p, v, T, u, i, s.  Quaù trình: ñöôïc ñaëc tröng bôûi 1 traïng thaùi ñaàu vaø 1 traïng thaùi cuoái. Vaäy coù ít nhaát 2 traïng thaùi trôû leân dieãn bieán theo 1 quy luaät naøo ñoù môùi taïo thaønh 1 quaù trình. VD: quaù trình ñaúng aùp, ñaúng tích, ñoaïn nhieät …  Chu trình: laø taäp hôïp moät soá quaù trình kheùp kín vôùi nhau. Vaäy coù ít nhaát 2 quaù trình trôû leân ñeå taïo thaønh 1 chu trình. Nhö chu trình ñoäng cô ñoát trong, chu trình maùy laïnh … 2.1 CHU TRÌNH THUAÄN CHIEÀU: p T 3 q1 3 q1 q=0 2 q=0 4 w 2 w q=0 q=0 q2 4 q2 1 1 v S CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -2-
  3. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II Trong chu trình thuaän chieàu nhieät löôïng chuyeån ñoäng theo chieàu töï nhieân. Nghóa laø chaát moâi giôùi seõ nhaän nhieät q1 töø nguoàn noùng, giaõn nôû sinh coâng w vaø nhaû 1 phaàn nhieät löôïng coøn laïi q2 (=q1 – w) cho nguoàn laïnh. Chu trình thuaän chieàu ñöôïc bieåu dieãn baèng nhöõng quaù trình kheùp kín theo chieàu cuøng chieàu quay cuûa kim ñoàng hoà. Taát caû caùc loaïi ñoäng cô nhieät: ñoäng cô ñoát trong, ñoäng cô phaûn löïc, thieát bò ñoäng löïc hôi nöôùc, tuabin hôi, tuabin khí, … ñeàu hoaït ñoäng theo chu trình thuaän chieàu. Ñeå ñaùnh giaù hieäu quaû cuûa chu trình thuaän chieàu ngöôøi ta ñöa ra khaùi nieäm Hieäu suaát nhieät. w q1  q 2 q t    1 2 q1 q1 q1 Trong ñoù: q1 nhieät löôïng chaát moâi giôùi nhaän ñöôïc töø nguoàn noùng, q2 nhieät löôïng chaát moâi giôùi nhaû ra nguoàn laïnh, w = q1 – q 2 coâng sinh ra cuûa chu trình 2.2 CHU TRÌNH NGÖÔÏC CHIEÀU p T 2 q1 q1 nhaän coâng w 3 2 nhaän coâng w 3 1 q2 4 4 1 q2 v s Trong chu trình ngöôïc chieàu thì chaát moâi giôùi nhaän coâng töø beân ngoaøi ñeå vaän chuyeån nhieät löôïng theo chieàu ngöôïc töø nguoàn laïnh ñeán nguoàn noùng. CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -3-
  4. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II Chu trình ngöôïc chieàu ñöôïc bieåu dieãn baèng nhöõng quaù trình kheùp kín theo chieàu ngöôïc chieàu quay cuûa kim ñoàng hoà. Ñeå ñaùnh giaù möùc ñoä hoaøn thieän cuûa chu trình ngöôïc chieàu ngöôøi ta duøng caùc khaùi nieäm Heä soá laøm laïnh vaø Heä soá laøm noùng. Heä soá laøm laïnh  duøng cho maùy laïnh ñöôïc xaùc ñònh: q1 q1   w q 2  q1 Heä soá laøm noùng  duøng cho bôm nhieät ñöôïc xaùc ñònh: q2 q2   w q 2  q1 Trong ñoù: q1 – nhieät löôïng chaát moâi giôùi nhaän ñöôïc töø nguoàn laïnh, q2 – nhieät löôïng chaát moâi giôùi nhaû ra nguoàn noùng, w = q 2 – q1– coâng cung caáp cho chu trình. Deå thaáy     1 3. CHU TRÌNH CARNOT Naêm 1824 Sadi Carnot, kyõ sö ngöôøi Phaùp, ñeà xuaát moät loaïi maùy nhieät lyù töôûng ñöôïc goïi laø chu trình Carnot, chu trình naøy goàm coù 4 quaù trình, trong ñoù coù 2 quaù trình ñoaïn nhieät thuaän nghòch vaø 2 quaù trình ñaúng nhieät thuaän nghòch xeáp xen keû nhau. CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -4-
  5. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II 3.1 CHU TRÌNH CARNOT THUAÄN CHIEÀU p T q1 q1 1 1 2 TN 2 q=0 q=0 4 3 TL 4 3 q2 q2 v s Laø chu trình goàm 4 quaù trình nhö sau:  Quaù trình giaõn nôû ñaúng nhieät 1-2 (TN = const), chaát moâi giôùi tieáp xuùc vôùi nguoàn noùng vaø nhaän nhieät löôïng q1.  Quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät 2-3 (khoâng coù söï trao ñoåi nhieät vôùi moâi tröôøng xung quanh, q = 0).  Quaù trình neùn ñaúng nhieät 3-4 (TL = const), chaát moâi giôùi tieáp xuùc vôùi nguoàn laïnh vaø nhaû nhieät q2.  Quaù trình neùn ñoaïn nhieät 4-1 (q = 0). Tính hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Carnot thuaän chieàu: q1  q 2 l q ct   1 2 q1 q1 q1 q Theo ñònh nghóa entropy: ds   q  T.ds T Xeùt 1 quaù trình töø traïng thaùi ñaàu 1 ñeán traïng thaùi cuoái 2, thì nhieät löôïng 2 2 ñöôïc tính baèng coâng thöùc: q12   Tds  T  ds 1 1 2 Ta coù: q1  TN  ds  TN s 2  s1  1 CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -5-
  6. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II 4 q 2  TL  ds  TL s 4  s 3   TL s 3  s 4   TL s 2  s1  3  TL s 2  s1  TL TN  TL Vaäy: ct  1   1  TN s 2  s1  TN TN Nhaän xeùt: Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Carnot khoâng phuï thuoäc chaát moâi giôùi, noù chæ phuï thuoäc nhieät ñoä nguoàn noùng vaø nhieät ñoä nguoàn laïnh. YÙ nghóa cuûa chu trình carnot thuaän chieàu: - Ñaùnh giaù khaû naêng khai thaùc toái ña cuûa caùc nguoàn nhieät, töùc laø ñaùnh giaù chaát löôïng nguoàn nhieät. VD: [II] - Neáu TN = TL thì  ct =0, töùc laø muoán bieán nhieät thaønh coâng phaûi coù hai nguoàn nhieät, cheânh leäch nhieät ñoä caøng cao thì  ct caøng lôùn. - TN khoâng theå baèng  hay TL khoâng theå baèng 0K do ñoù  ct
  7. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II q1 q TL s3  s 4  TL 1 Vaäy:   1   q 2  q1 l TN  TL s3  s 4  TN  TL TN 1 TL Nhaän xeùt: Heä soá laøm laïnh cuûa chu trình Carnot khoâng phuï thuoäc chaát moâi giôùi, noù chæ phuï thuoäc nhieät ñoä nguoàn noùng vaø nhieät ñoä nguoàn laïnh. YÙ nghóa cuûa chu trình carnot ngöôïc chieàu: Laáy maùy laïnh laøm ví duï - Neáu TN vaø TL gaàn baèng nhau thì  tieán ñeán  töùc laø hieäu quaû laøm laïnh caøng cao nhöng maát yù nghóa laøm laïnh. - Neáu TN   hoaëc TL  0 thì   0 töùc laø hieäu quaû laøm laïnh caøng giaûm khi nhieät ñoä nguoàn noùng taêng hoaëc nhieät ñoä nguoàn laïnh giaûm quaù möùc. Nhö vaäy cheânh leäch nhieät ñoä giöõa nguoàn noùng vaø laïnh phaûi trong khoaûng phuø hôïp, khoâng quaù cao cuõng khoâng quaù thaáp. 3.3 YÙ NGHÓA CUÛA CHU TRÌNH CARNOT Ñeå thaáy roõ yù nghóa quan troïng cuûa chu trình Carnot, ta so saùnh chu trình Carnot vôùi moät chu trình baát kyø coù cuøng nhieät ñoä nguoàn noùng Tmax vaø nhieät ñoä nguoàn laïnh Tmin. T q1c 1 2 TN B q1 C A q2 D TL 4 3 q2c s CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -7-
  8. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II Giaû söû khaûo saùt chu trình tuabin khí ABCD coù nhieät ñoä nguoàn noùng cöïc ñaïi Tmax vaø nhieät ñoä nguoàn laïnh cöïc tieåu Tmin. Ta bao boïc chu trình naøy baèng moät chu trình Carnot 1234.  Ñoái vôùi chu trình tuabin khí: q1  dtAB65A q 2  dtDC65D q2 dtDC65 D  t  1   1 q1 dtAB65 A   Ñoái vôùi chu trình Carnot: q1c  dt12651  q 2c  dt43654  q 2c dt43654  c  1   1 q1c dt12651   So saùnh dieän tích caùc hình treân ta thaáy: dt(DC65D)  dt(43654) dt(DC65D) dt(43654)   dt(AB65A)  dt(12651) dt(AB65A) dt(12651) Suy ra c  t Keát luaän: Trong cuøng ñieàu kieän nhieät ñoä Tmax vaø nhieät ñoä cöïc tieåu Tmin, khoâng theå coù baát kyø moät chu trình nhieät ñoäng thuaän chieàu naøo coù hieäu suaát lôùn hôn hoaëc baèng hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Carnot. Neân hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Carnot laø caùi moác ñeå ñaùnh giaù möùc ñoä hoaøn thieän cuûa caùc chu trình khaùc. Keát luaän treân laø yù nghóa cuûa chu trình Carnot. CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -8-
  9. Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 4: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG II 4. MOÄT SOÁ CAÙCH PHAÙT BIEÅU CUÛA ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ 2 1. Nhieät löôïng chæ truyeàn töø nôi coù nhieät ñoä cao sang nôi coù nhieät ñoä thaáp maø khoâng theå töï tieán haønh ngöôïc laïi. Muoán truyeàn nhieät löôïng töø nôi coù nhieät ñoä thaáp sang nôi coù nhieät ñoä cao thì phaûi toán coâng. 2. Khoâng theå coù baát kyø ñoäng cô nhieät naøo coù theå bieán toaøn boä nhieät löôïng nhaän ñöôïc thaønh coâng. Vieäc bieán nhieät thaønh coâng bao giôø cuõng keøm theo toån hao moät phaàn nhieät löôïng do chaát moâi giôùi truyeàn cho nguoàn laïnh. Ñoàng nghóa raèng hieäu suaát nhieät cuûa taát caû caùc ñoäng cô nhieät phaûi nhoû hôn 100%. 3. Trong cuøng ñieàu kieän nhieät ñoä nguoàn noùng Tmax vaø nguoàn laïnh Tmin, tieán haønh caùc chu trình khaùc nhau thì chu trình Carnot coù hieäu suaát cao nhaát. CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -9-

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản