Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 3 - GV. Nguyễn Như Xuân

Chia sẻ: Trần Văn Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

393
lượt xem 72
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 3: Nguyên lý II - Nhiệt động lực học trình bày hạn chế của nguyên lý, quá trình thuận nghịch, máy nhiệt, phát biểu Nguyên lý II, chu trình và định lý Carnot. Entrôpi, các hàm nhiệt động, bài tập Nguyên lý II.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 3 - GV. Nguyễn Như Xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2
Chương 3: NGUYÊN LÝ II – NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hạn chế của nguyên lý I. Quá trình thuận nghịch. Máy nhiệt. Phát biểu Nguyên lý II Chu trình và ịnh lý Carnot. Entrôpi. Các hàm nhiệt động (tự ôn sgk) Bài tập Nguyên lý II
I. Những hạn chế của Nguyên lý I- Nhiệt động lực học • Nguyên lý I không cho biết quá trình biến đổi giữa công và nhiệt trong tự nhiên diễn ra theo chiều nào cũng như sự khác biệt giữa công và nhiệt. Hay: Nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến của các quá trình xảy ra trong tự nhiên. •Nguyên lý I cũng không cho thấy sự khác nhau trong quá trình chuyển hoá giữa công và nhiệt. Theo nguyên lý I công và nhiệt là tương đương nhau, có thể chuyển hoá lẫn nhau. ực tế cho thấy công có thể chuyển hoá hoàn toàn thành nhiệt, nhưng nhiệt chỉ có thể biến đổi 1 phần thành công mà không thể biến đổi hoàn toàn thành công. •Nguyên lý I cũng không cho thấy chất lượng của nhiệt. Thực tế cho thấy cùng một nhiệt lượng, nhưng nếu lấy ở nguồn có nhiệt độ cao sẽ có chất lượng cao hơn nếu lấy ở nguồn có nhiệt độ thấp hơn.
Như vậy, nguyên lý I không giải quyết được nhiều hiện tượng trong tự nhiên. Nguyên lý II sẽ khắc phục những hạn chế trên của nguyên lý I, cũng với nguyên lý I tạo thành một hệ thống lý luận chặt chẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu nhiệt học.
II. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch 1. ịnh nghĩa: • Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái 1 2 và ợc lại từ trạng thái 2 1 qua tất cả các trạng thái trung gian mà quá trình thuận đã đi qua. Quá trình thuận nghịch cũng là quá trình cân bằng. Kết quả là: Quá trình thuận và quá trình nghịch sẽ có Đồ thị trùng nhau. + Công và nhiệt hệ nhận được ở quá trình nghịch = công và nhiệt hệ cấp cho bên ngoài trong quá trình thuận. Do đó khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì ờng xung quanh không thể xảy ra một biến đổi nào. • Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều nghịch 2 1, hệ ầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận. Kết quả là trong quá trình không thuận nghịch khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi.
2. Ví dụ a. Quá trình thuận nghịch • ộng của con lắc không ma sát và nhiệt độ con lắc bằng nhiệt độ ờng – ộng điều hoà. • Quá trình nén giãn khí ạn nhiệt vô cùng chậm của pitton trong xylanh cách nhiệt với môi trường. Nói chung mọi quá trình cơ học không ma sát đều là quá trình thuận nghịch. b. Quá trình không thuận nghịch Thực nghiệm cho thấy các quá trình vĩ mô trên thực tế xảy ra bao giờ cũng có ổi nhiệt với bên ngoài. Do đó các quá trình vĩ mô thực tế ều là các quá trình không thuận nghịch. + Các quá trình cơ học có ma sát, luôn có sự biến đổi công thành nhiệt => môi trường bị biến đổi. + Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hơn : để thực hiện quá trình ngược lại nhiệt truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn phải có tác động bên ngoài (công cơ học chẳng hạn) ó là nguyên lý của máy lạnh.
3. Ý nghĩa của quá trình thuận nghịch: • Quá trình thuận nghịch là ởng không có trong thực tế. Trong thực tế chỉ xảy ra quá trình không thuận nghịch. Chiều biến đổi của các quá trình tự nhiên là tiến tới trạng thái cân bằng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng thì không thể tự phát xảy ra quá trình đưa hệ tới trạng thái không cân bằng. • Quá trình thuận nghịch lợi nhất về ện công và nhiệt. chế tạo động cơ nhiệt, chế tạo máy để nó hoạt động theo các quá trình càng gần với quá trình thuận nghịch sẽ có hiệu suất càng cao.
III. Nguyên lý II nhiệt động lực học 1. Máy nhiệt • Máy nhiệt là một hệ hoạt động tuần hoàn biến đổi công thành nhiệt hoặc ngược lại. + Tác nhân là chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến đổi nhiệt thanh công hoặc ngược lại. Khi máy nhiệt hoạt động, tác nhân sẽ thực hiệc việc trao đổi nhiệt với các vật có nhiệt độ khác nhau gọi là các nguồn nhiệt. + Các nguồn nhiệt ợc coi là có nhiệt độ ổi và sự trao đổi nhiệt không ảnh hưởng đến nhiệt độ của nó. Thường máy nhiệt trao đổi nhiệt với hai nguồn nhiệt. Nguồn có nhiệt độ gọi là nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh. • Các máy nhiệt hoạt động tuần hoàn do các tác nhân biến đổi theo chu trình.
a. ộng cơ nhiệt: Là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công máy hơi nước, ộng cơ đốt trong. Tác nhân trong động cơ nhiệt biến đổi theo chu trình thuận nghịch, ờng cong biểu diễn chu trình có chiều theo chiều kim đồng hồ (sinh công). A' Q1 Q '2 Q '2 Hiệu suất của động cơ nhiệt được định nghĩa: 1 Q1 Q1 Q1
Động cơ nhiệt bốn kì
Động cơ nhiệt hai kì
Động cơ Stirling
b. Máy lạnh: Là loại máy nhiệt tiêu thụ ể vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng. Tác nhân trong máy lạnh biến đổi theo chu trình ngược kim đồng hồ. Tác nhân (khí) được nén và nhận công A, khi đó nhiệt độ của tác nhân tăng lên, nó ợc đưa qua bộ phận trao đổi nhiệt nhả ợng nhiệt Q2 và ợc làm lạnh đến nhiệt độ T1 và do áp suất cao nó bị hóa lỏng, sau đó nó ột van và bốc hơi nên nhiệt độ của nó giảm nhanh đến nhiệt độ T2, hơi có nhiệt độ T2 này đi qua hệ thống làm lạnh và nhận nhiệt lượng Q1 rồi đi về bộ phận nén tiếp tục thực hiện chu trình tiếp theo. Hệ số làm lạnh K của máy lạnh: Q '1 K A
2. Phát biểu nguyên lý II – Nhiệt động lực học. Nguyên lý II được rút ra từ thực nghiệm nghiên cứu các quá trình xảy ra trong tự nhiên. Có nhiều cách phát biểu nguyên lý II ở đây ta nêu hai cách phát biểu điển hình : a. Phát biểu của Clausius: Nhiệt không thể tự ộng truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn. Quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng hơn đòi hỏi phải có tác dụng bên ngoài, tức là ờng xung quanh bị biến đổi. Ta có cách phát biểu khác của Clausius : Không thể thực hiện được một quá trình mà kết quả duy nhất là truyền năng lượng dưới dạng nhiệt từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn mà ể lại dấu vết gì ở ờng xung quanh. b. Phát biểu của Thomson : Không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công mà ể lại dấu vết gì ở ờng xung quanh. Những máy này gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2. Như vậy phát biểu của Thomson có thể nêu cách khác : Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2.
IV. Chu trình Carnot và ịnh lý Carnot 1. Chu trình Carnot Chu trình thuận nghịch đơn giản nhất có khả ồm hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch và hai quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch do Carnot tìm ra gọi là chu trình Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832)
Hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch với tác nhân là khí tưởng. Q '2 T2 1 1 Q1 T1 Hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch đối với khí ởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh Xét chu trình Carnot chạy theo chiều nghịch. Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot nghịch Q2 Q2 T2 K A' Q '1 Q2 T1 T2 Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược cũng chỉ phụ thuộc nhiệt độ của nguồn lạnh và nguồn nóng.
2. ịnh lý Carnot Phát biểu: Hiệu suất của tất cả các động cơ thuận nghịch chạy theo chu trình Carnot với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh đều bằng nhau và không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy. Hiệu suất của động cơ không thuận nghịch nhỏ ệu suất của động cơ thuận nghịch. Từ ịnh lý Carnot, ta rút ra một số nhận xét quan trọng sau : + Nhiệt không thể biến đổi hoàn toàn thành công: ta biết hiệu suất của động cơ Carnot thuận nghịch η không thể bằng 1 hay η < 1 A< Q tức là công mà hệ sinh ra luôn nhỏ ệt lượng mà nó nhận vào. + Hiệu suất động cơ nhiệt càng cao nếu nhiệt độ nguồn nóng T1 càng cao nhiệt độ nguồn lạnh T2 càng thấp. Trong thực tế, thường thì T2 là nhiệt độ ờng tự do. Vì vậy để η ta phải tăng T1. η càng lớn nếu T1 càng lớn nhiệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ cao có “chất lượng” ệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ thấp hơn. + Muốn tăng hiệu suất động cơ nhiệt phải chế tạo sao cho nó càng gần thuận nghịch càng tốt. Muốn vậy phải giảm mất mát do truyền nhiệt và ma sát trong hệ.
V. Entropi 1. Biểu thức định lượng của nguyên lý II Với chu trình Carnot thuận nghịch ta có: Q1 Q '2 T1 T2 Q '2 T2 Q2 T2 Q1 Q2 0 Q1 T1 Q1 T1 Q1 T1 T1 T2 Qui ước nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng Q1 > 0, nhiệt lượng tỏa ra cho nguồn lạnh Q’2 < 0, nhiệt nhận từ nguồn lạnh Q2 = - Q’2 . Với chu trình bất kỳ làm việc với 2 nguồn nhiệt độ T1 và T2: Q1 Q '2 T1 T2 Q '2 Q2 T2 Q1 Q2 0 Q1 T1 Q1 Q1 T1 T1 T2 Tổng quát: hệ biến đổi theo một chu trình thuận nghịch với nhiều nhiệt độ khác nhau (gồm các quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp nhau) Qi 0 i Ti
Nếu chu trình hệ biến thiên liên tục (số chu trình Carnot nhỏ n → ∞) Q Q 0 Tích phân Clausius T T Đây là biểu thức định lượng của nguyên lý hai NĐLH được gọi là Bất đẳng thức Clausius. “Tích phân Clausius đối với một chu trình không thể lớn hơn không” 2. Hàm Entropi. p Xét hệ biến đổi từ trạng thái 1 ến trạng 1 a thái 2 theo 2 quá trình thuận nghịch 1a2 và b2. Khi đó: b 2 Q Q Q 0 V 1a 2 b1 T (1a 2) T (1b 2) T O Tích phân Claudius theo các quá trình thuận nghịch không phụ thuộc quá trình mà chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối. Nó đặc trưng cho tính chất nội tại của hệ gọi là Entropi S của hệ.
(2) (2) Q Q Đặt dS S dS S2 S1 T (1) (1) T S1, S2 là các giá trị tích phân Clausius tại các trạng thái 1, 2. S gọi là hàm Entropi của hệ. Q S T - Tính chất của hàm S (có tính chất tương tự nội năng U): + S là hàm trạng thái, tức nó chỉ phụ thuộc trạng thái của hệ mà không phụ thuộc quá trình biến đổi của hệ. + S là ại lượng có tính cộng tức S của hệ cân bằng bằng tổng các Si của từng phần riêng biệt của hệ. Q + S ợc xác định sai kém một hằng số: S S0 T S0 là giá trị Entropi tại gốc tính toán, qui ước S0 = 0 ở T = 0K đó S sẽ ị. Trong hệ SI : [S] = J/K.