Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai - Nguyễn Thị Minh Trinh

1MÔN HỌC: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 2CHƢƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 3Chƣơng 3 Tổng quát 1. HẠN CHẾ CỦA ĐỊNH LUẬT 1 VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỊNH LUẬT 2  Định luật nhiệt động thứ nhất đã chỉ ra rằng: 2 dạng năng lượng cơ bản là nhiệt lượng và công có thể biến đổi qua lại lẫn nhau.  Nhưng định luật này không chỉ rõ được:  Chiều hướng diễn biến của quá trình  Điều kiện cần và đủ để quá trình xảy ra Mức độ biến hóa năng lượng của quá trình  Và trong thực tế: công có thể biến đổi hoàn toàn thành nhiệt lượng nhưng nhiệt lượng không thể biến đổi hoàn toàn thành công. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 4Chƣơng 3 Tổng quát 1. HẠN CHẾ CỦA ĐỊNH LUẬT 1 VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỊNH LUẬT 2 (tt)  Từ nghiên cứu thực tiễn các nhà khoa học đã tìm ra một số quy luật và gọi nó là định luật nhiệt động thứ 2  Định luật nhiệt động thứ 2 chỉ ra được:  Chiều hướng diễn biến của quá trình  Thiết lập giới hạn tối đa của sự biến hóa năng lượng của quá trình  Điều kiện để thực hiện các quá trình xảy ra ngược với chiều tự nhiên. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 5Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động 2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Thuận chiều Ngược chiều Tất cả các loại động cơ nhiệt: động cơ đốt trong, tuabin hơi, tuabin khí, Tất cả các loại máy lạnh và bơm nhiệt CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 6Chu trình thuận chiều Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động p v 1 4 3 2 q 2 q 1 sinh coâng T s 3 42 1 q 1 q 2 sinh coâng Hiệu suất nhiệt: 1q w  1 2 1 21 q q 1 q qq    CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 7Phát biểu Kelvin-Planck Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động  Không thể có bất kỳ một động cơ nhiệt nào có thể biến toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công.  Không thể có bất kỳ một động cơ nhiệt nào có hiệu suất là 100% Vậy với chu trình thuận chiều: 2121 qwqqqw  Khi G ≠ 1 kg: 21 QWQ  hay nhalnóng QWQ  CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 8Chu trình ngƣợc chiều Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Chu trình bôm nhieätChu trình maùy laïnh v q 2 nhaän coâng 23 p q1 4 1 nhaän coâng 4 1 3 2 q 1 q 2 v p Hệ số làm lạnh: Hệ số làm nóng: w q qq q 1 12 1    w q qq q 2 12 2    CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 9Phát biểu Clausius  Không thể có bất kỳ một máy lạnh hay bơm nhiệt nào có thể vận chuyển nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao mà không tiêu tốn năng lượng.  Hệ số làm lạnh của máy lạnh (hay hệ số làm nóng của bơm nhiệt) là một giá trị xác định, không thể nào tiến tới vô cùng. Chƣơng 3 Chu trình nhiệt động Vậy với chu trình ngược chiều: 1212 qwqqqw  Khi G ≠ 1 kg: 12 QWQ  hay nhalnóng QWQ  CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 10 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Chu trình Carnot thuận chiều 1 2 p V 2 5 6 s 1 T N T T N = const T L = const q = 0 q = 0 q 1 q 2 3 4 q 2 q 1 3 4 Chu trình Carnot thuaän chieàu T L N LN C T TT  Hiệu suất của chu trình: CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 11 Chƣơng 3 Chu trình Carnot Chu trình Carnot ngƣợc chiều 1 2 V 2 5 6 s 1 T N T T N = const T L = const q = 0 q = 0 q 1 q 2 3 4 q 2 q 1 3 4 Chu trình Carnot ngöôïc chieàu T L Hệ số làm lạnh của chu trình: LN L C TT T   CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 12 Ý nghĩa của chu trình Carnot Chƣơng 3 Chu trình Carnot So saùnh chu trình Carnot vaø chu trình tuabin khí T min Tmax T D q 2 65 4 q 2c s 3 21 q 1 A q 1c B C - Chu trình Carnot: - Chu trình tuabin khí:    A65ABdt D65DCdt 1 q q 1 1 2     12651dt 43654dt 1 q q 1 c1 c2 c  c CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 13 Ý nghĩa của chu trình Carnot Chƣơng 3 Chu trình Carnot  Trong tất cả các chu trình nhiệt động tiến hành ở cùng điều kiện nhiệt độ cực đại Tmax và nhiệt độ cực tiểu Tmin, chu trình CARNOT luôn có hiệu suất cao nhất  Hiệu suất chu trình CARNOT là mốc để đánh giá mức độ hoàn thiện của các chu trình trong thực tế. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 14 VD 3.1 Một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot với nhiệt độ nguồn lạnh là 350C, nhiệt độ nguồn nóng là 6000C. Năng suất nhiệt cần cung cấp là 1000 kW. Xác định: 1. Công suất sinh ra của chu trình (HP). Trong thực tế công suất này lớn hơn hay nhỏ hơn. 2. Năng suất nhả nhiệt của chu trình. Chƣơng 3 Bài tập CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM ĐS: 1. W = 647,19 kW = 867,9 HP 2. Q2 = 352,81 kW 15 VD 3.2 Một chu trình máy lạnh hoạt động giữa nhiệt độ nguồn lạnh là – 100C và nhiệt độ nguồn nóng là 370C, năng suất lạnh là 100 kW. Xác định: 1. Hệ số làm lạnh lớn nhất của chu trình. 2. Công nén cần cung cấp (HP) 3. Năng suất nhả nhiệt của chu trình. Chƣơng 3 Bài tập CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM ĐS: 1. W = 17,87 kW = 23,96 HP 2. Q2 = 117,87 kW 16 VD 3.3 Một máy lạnh làm việc theo chu trình Carnot tiêu thụ công suất 10 kW. Nhiệt độ nguồn lạnh là 70C và nhiệt độ nguồn nóng là 270C. Xác định nhiệt lượng lấy được của nguồn lạnh trong một giây? Chƣơng 3 Bài tập CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM ĐS: Q1 = 140 kJ 17 Hết chƣơng 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM