Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 4: Định luật nhiệt động thứ hai

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 4 ĐỊNH LUẬÄT NHIỆÄT ĐỘÄNG THỨÙ HAI 1. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT Xét một số ví dụ: a) Nước Công Nước Nhiệt KHÔNG SINH Công NHƯNG b) Nhiệt I NHƯNG Nhiệt I = 0 Năng lượng có thể phân thành năng lượng của chuyển động có hướng như điện năng, cơ năng, và năng lượng của chuyển động vô hướng như nhiệt năng. Năng lượng chuyển động có hướng biến đổi thành năng lượng chuyển động vô hướng thì không đòi hỏi có điều kiện, quá trình ngược lại cần có một số điều kiện khác. Định luật nhiệt động I chỉ ra trong quá trình nhiệt động, hai dạng năng lượng cơ bản là nhiệt và công có thể biến đổi qua lại lẫn nhau, tuy nhiên không đề cập đến: Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- - Chiều hướng của quá trình đang xảy ra, - Điều kiện cần và đủ để quá trình xảy ra - Mức độ giới hạn của sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Từ những điều đã phân tích trên, khá nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và rút ra được một số tính quy luật mà sau này gọi là định luật nhiệt động thứ hai. Như vậy để một quá trình có thể diển ra cần phải thoả mãn không chỉ định luật nhiệt động thứ nhất mà còn phải thoả mãn cả định luật nhiệt độ thứ hai. 2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG  Trạng thái: là một thuật ngữ dùng để chỉ chất môi giới tại một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động (được xem là 1 điểm). Trạng thái được xác định bởi các thông số trạng thái p, v, T, u, i, s.  Quá trình: được đặc trưng bởi 1 trạng thái đầu và 1 trạng thái cuối. Vậy có ít nhất 2 trạng thái trở lên diễn biến theo 1 quy luật nào đó mới tạo thành 1 quá trình. VD: quá trình đẳng áp, đẳng tích, đoạn nhiệt  Chu trình: là tập hợp một số quá trình khép kín với nhau. Vậy có ít nhất 2 quá trình trở lên để tạo thành 1 chu trình. Như chu trình động cơ đốt trong, chu trình máy lạnh 2.1 CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU: v p S T 1 1 2 2 3 3 4 q1 q2 4 q1 q2q = 0 q = 0 q = 0 q = 0 w w Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- Trong chu trình thuận chiều nhiệt lượng chuyển động theo chiều tự nhiên. Nghĩa là chất môi giới sẽ nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng, giãn nở sinh công w và nhả 1 phần nhiệt lượng còn lại q2 (=q1 – w) cho nguồn lạnh. Chu trình thuận chiều được biểu diễn bằng những quá trình khép kín theo chiều cùng chiều quay của kim đồng hồ. Tất cả các loại động cơ nhiệt: động cơ đốt trong, động cơ phản lực, thiết bị động lực hơi nước, tuabin hơi, tuabin khí, đều hoạt động theo chu trình thuận chiều. Để đánh giá hiệu quả của chu trình thuận chiều người ta đưa ra khái niệm Hiệu suất nhiệt. 1 2 1 21 1 t q q 1 q qq q w    Trong đó: q1 nhiệt lượng chất môi giới nhận được từ nguồn nóng, q2 nhiệt lượng chất môi giới nhả ra nguồn lạnh, w = q1 – 2q công sinh ra của chu trình 2.2 CHU TRÌNH NGƯỢC CHIỀU q 1 q 2 nhận công w p v s T 1 23 2 1 4 3 nhận công w q 1 q 2 4 Trong chu trình ngược chiều thì chất môi giới nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- Chu trình ngược chiều được biểu diễn bằng những quá trình khép kín theo chiều ngược chiều quay của kim đồng hồ. Để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình ngược chiều người ta dùng các khái niệm Hệ số làm lạnh và Hệ số làm nóng. Hệ số làm lạnh  dùng cho máy lạnh được xác định: 12 11 qq q w q   Hệ số làm nóng  dùng cho bơm nhiệt được xác định: 12 22 qq q w q   Trong đó: q1 – nhiệt lượng chất môi giới nhận được từ nguồn lạnh, q2 – nhiệt lượng chất môi giới nhả ra nguồn nóng, w = 2q – q1– công cung cấp cho chu trình. Dể thấy 1 3. CHU TRÌNH CARNOT Năm 1824 Sadi Carnot, kỹ sư người Pháp, đề xuất một loại máy nhiệt lý tưởng được gọi là chu trình Carnot, chu trình này gồm có 4 quá trình, trong đó có 2 quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch và 2 quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch xếp xen kẻ nhau. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- 3.1 CHU TRÌNH CARNOT THUẬN CHIỀU v p s T 1 2 3 4 q 1 q 2 q = 0 q = 0 1 2 34 T N T L q 1 q 2 Là chu trình gồm 4 quá trình như sau:  Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 1-2 (TN = const), chất môi giới tiếp xúc với nguồn nóng và nhận nhiệt lượng q1.  Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 2-3 (không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, q = 0).  Quá trình nén đẳng nhiệt 3-4 (TL = const), chất môi giới tiếp xúc với nguồn lạnh và nhả nhiệt q2.  Quá trình nén đoạn nhiệt 4-1 (q = 0). Tính hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều: 1 2 11 21 ct q q 1 q l q qq    Theo định nghĩa entropy: ds.Tq T q ds    Xét 1 quá trình từ trạng thái đầu 1 đến trạng thái cuối 2, thì nhiệt lượng được tính bằng công thức:   2 1 2 1 12 dsTTdsq Ta có:  12N 2 1 N1 ssTdsTq   Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6-      12L43L34L 4 3 L2 ssTssTssTdsTq   Vậy:     N LN N L 12N 12L ct T TT T T 1 ssT ssT 1      Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot không phụ thuộc chất môi giới, nó chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh. Ý nghĩa của chu trình carnot thuận chiều: - Đánh giá khả năng khai thác tối đa của các nguồn nhiệt, tức là đánh giá chất lượng nguồn nhiệt. VD: [II] - Nếu TN = TL thì ct =0, tức là muốn biến nhiệt thành công phải có hai nguồn nhiệt, chênh lệch nhiệt độ càng cao thì ct  càng lớn. - TN không thể bằng  hay TL không thể bằng 0K do đó ct <1 nghĩa là không thể biến 100% nhiệt năng thành cơ năng. 3.2 CHU TRÌNH CARNOT NGƯỢC CHIỀU q 2 q 1 T L T N 4 3 21 q = 0 q = 0 q 2 q 1 4 3 2 1 T s p v Tương tự như chu trình Carnot thuận chiều, ta tính được:  43L 3 4 L1 ssTdsTq        43N12N21N 1 2 N2 ssTssTssTdsTq   Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7- Vậy:      1 T T 1 TT T ssTT ssT l q qq q L NLN L 43LN 43L1 12 1          Nhận xét: Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot không phụ thuộc chất môi giới, nó chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh. Ý nghĩa của chu trình carnot ngược chiều: Lấy máy lạnh làm ví dụ - Nếu TN và TL gần bằng nhau thì  tiến đến  tức là hiệu quả làm lạnh càng cao nhưng mất ý nghĩa làm lạnh. - Nếu TN  hoặc TL 0 thì  0 tức là hiệu quả làm lạnh càng giảm khi nhiệt độ nguồn nóng tăng hoặc nhiệt độ nguồn lạnh giảm quá mức. Như vậy chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và lạnh phải trong khoảng phù hợp, không quá cao cũng không quá thấp. 3.3 Ý NGHĨA CỦA CHU TRÌNH CARNOT Để thấy rõ ý nghĩa quan trọng của chu trình Carnot, ta so sánh chu trình Carnot với một chu trình bất kỳ có cùng nhiệt độ nguồn nóng Tmax và nhiệt độ nguồn lạnh Tmin. s T 1 2 34 T N T L q 1c q 2c q 1 q 2 D A B C Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8- Giả sử khảo sát chu trình tuabin khí ABCD có nhiệt độ nguồn nóng cực đại Tmax và nhiệt độ nguồn lạnh cực tiểu Tmin. Ta bao bọc chu trình này bằng một chu trình Carnot 1234.  Đối với chu trình tuabin khí:  A65ABdtq1   D65DCdtq2     A65ABdt D65DCdt 1 q q 1 1 2 t   Đối với chu trình Carnot:  12651dtq c1   43654dtq c2     12651dt 43654dt 1 q q 1 c1 c2 c   So sánh diện tích các hình trên ta thấy: )12651(dt )43654(dt )A65AB(dt )D65DC(dt )12651(dt )43654(dt )A65AB(dt )D65DC(dt    Suy ra tc  Kết luận: Trong cùng điều kiện nhiệt độ Tmax và nhiệt độ cực tiểu Tmin, không thể có bất kỳ một chu trình nhiệt động thuận chiều nào có hiệu suất lớn hơn hoặc bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot. Nên hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là cái mốc để đánh giá mức độ hoàn thiện của các chu trình khác. Kết luận trên là ý nghĩa của chu trình Carnot. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9- 4. MỘT SỐ CÁCH PHÁT BIỂU CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ 2 1. Nhiệt lượng chỉ truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp mà không thể tự tiến hành ngược lại. Muốn truyền nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ thấp sang nơi có nhiệt độ cao thì phải tốn công. 2. Không thể có bất kỳ động cơ nhiệt nào có thể biến toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công. Việc biến nhiệt thành công bao giờ cũng kèm theo tổn hao một phần nhiệt lượng do chất môi giới truyền cho nguồn lạnh. Đồng nghĩa rằng hiệu suất nhiệt của tất cả các động cơ nhiệt phải nhỏ hơn 100%. 3. Trong cùng điều kiện nhiệt độ nguồn nóng Tmax và nguồn lạnh Tmin, tiến hành các chu trình khác nhau thì chu trình Carnot có hiệu suất cao nhất.