Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 4: Nguyên lý II nhiệt động học

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNGCƠ HỌC - NHIỆT HỌCBÀI GIẢNG CHO SINH VIÊN CHÍNH QUYGiảng viênNGUYỄN THANH NGATRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ 2CHƯƠNG 4. NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG HỌC$1. QT THUẬN NGHỊCH- QT BẤT THUẬN NGHỊCH - Quá trình thuận nghịch: là q/t có thể diễn biến theo cả 2 chiều, nếu lúc đầu hệ thực hiện quá trình thuận, sau đó thực hiện quá trình ngược thì hệ phải đi qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận và môi trường ngoài không chịu bất cứ sự biến đổi nào.- Quá trình bất thuận nghịch: là q/t nếu quá trình ngược của nó có thể đưa hệ trở về trạng thái ban đầu nhưng môi trường ngoài bị biến đổi.1-Định nghĩa$1. QT THUẬN NGHỊCH- QT BẤT THUẬN NGHỊCH- Một quá trình thuận nghịch phải là quá trình cân bằng- Trong quá trình ngược của quá trình thuận nghịch, hệ phải đi qua tất cả các trạng thái trung gian của quá trình thuận.- Quá trình thuận nghịch là quá trình lý tưởng, không có trong thực tế. 2-Một số tính chất của quá trình thuận nghịch$2. ĐỘNG CƠ NHIỆT* Định nghĩaĐộng cơ nhiệt là 1 hệ vĩ mô làm nhiệm vụ chuyển nhiệt năng sang cơ năng.* Cấu tạo và hoạt động- Gồm: nguồn nóng, nguồn lạnh, tác nhân hệ (hệ vật chất, thường là hệ khí)- Tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng T1, sau đó dãn nở sinh công A’ và nhả cho nguồn lạnh T2 nhiệt lượng Q2’.- Các động cơ nhiệt làm việc theo chế độ tuần hoàn: quá trình xảy ra trong tác nhân là quá trình kín, tức chu trình. 1-Động cơ nhiệt$2. ĐỘNG CƠ NHIỆTQ1: là nhiệt nhận vào từ nguồn nóngQ2’: là nhiệt nhả ra cho nguồn lạnhA’: là công sinh raQ1=A’+Q2’2-Hiệu suất động cơ nhiệt$2. ĐỘNG CƠ NHIỆTCho tác nhân thực hiện chu trình ngược với chu trình nêu trên (chu trình động cơ nhiệt):“Trong 1 chu trình, nhờ nhận công A từ bên ngoài, tác nhân có thể lấy được nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh và ép nguồn nóng nhận nhiệt lượng Q1’.Máy làm việc theo chu trình này được gọi là máy lạnh”Hiệu suất của máy lạnh: 3-Máy lạnh và hiệu suất của máy lạnh$3. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ I- Chưa chỉ ra được xu hướng diễn biến của các quá trình thực xảy ra trong 1 hệ cô lập bất kỳ nào đó.	Thực tế, nhiệt chỉ tự động truyền từ vật nóng sang vật lạnh, chứ không có quá trình truyền từ vật lạnh sang vật nóng trong 1 hệ cô lập nào đó.-Theo nguyên lý I: công và nhiệt tương đương nhau, có thể chuyển hoá lẫn nhau. Tuy nhiên thực tế chỉ rõ rằng: công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt nhưng ngược lại nhiệt không thể hoàn toàn biến thành công được, nghĩa là không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 2 (là động cơ có hiệu suất bằng 1).-Nguyên lý I cũng không hoàn toàn đề cập đến chất lượng của nhiệt. Trong thực tế, nhiệt lượng lấy ở môi trường có nhiệt độ cao có chất lượng tốt hơn nhiệt lượng lấy ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn.3 hạn chế của nguyên lý 1$4. NGUYÊN LÝ II- Phát biểu của Claodiut“Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn”.Điều này cũng có nghĩa nhiệt chỉ có thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng nếu có tác dụng của bên ngoài.-Phát biểu của Tôm xơn“Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2”.Nghĩa là không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công nhờ làm lạnh 1 vật mà xung quanh không chịu 1 sự thay đổi đồng thời nào.-Phát biểu tổng quát ( Nguyên lý tăng Entrôpi S)“Trong 1 hệ cô lập, các quá trình thực chỉ diễn biến theo chiều tăng của Entrôpi”. 3 cách phát biểu nguyên lý 2$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCH Chu trình Cácnô thuận nghịch là chu trình gồm 2 quá trình đẳng nhiệt và 2 quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch xen kẽ nhau.* Ta khảo sát chu trình Cácnô thuận nghịch thực hiện theo chiều kim đồng hồ, hệ làm việc như 1 động cơ nhiệt. Gồm 4 quá trình:- Quá trình (1)-->(2): là quá trình dãn đẳng nhiệt ở nhiệt độ T1, tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 và sinh công A1’.- Quá trình (2)-->(3): là quá trình dãn đoạn nhiệt, nhiệt độ của hệ giảm từ T1 xuống T2.- Quá trình (3)-->(4): là quá trình nén đẳng nhiệt ở nhiệt độ T2, hệ toả nhiệt lượng Q2’ cho nguồn lạnh và nhận công A2.- Quá trình (4)-->(1): là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ của hệ tăng từ T2 lên T1. 1-Định nghĩa$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCH- Hiệu suất động cơ nhiệt: Trong đó: Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng trong quá trình dãn đẳng nhiệt ở nhiệt độ T1Q2’: nhiệt lượng nhả ra cho nguồn lạnh trong quá trình nén đẳng nhiệt ở nhiệt độ T2 (còn 2 quá trình đoạn nhiệt thì Q=0)2-Hiệu suất của chu trình Cácnô có tác nhân là KLT$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCH+ Q1 nhận vào trong quá trình đẳng nhiệt T1 (1-2):+ Q2’ nhả ra trong quá trình đẳng nhiệt T2 (3-4):Mặt khác: Quá trình dãn đoạn nhiệt (2)-->(3): Quá trình nén đoạn nhiệt (4)-->(1): Lập tỷ số: 2-Hiệu suất của chu trình Cácnô có tác nhân là KLT$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCHVậy: * Nhận xét: - Hiệu suất của chu trình Cácnô thuận nghịch phụ thuộc nhiệt độ T1 nguồn nóng và T2 nguồn lạnh.- Tỷ số T2/T1 càng nhỏ thì hiệu suất càng tiến về 1, nghĩa là nhiệt lấy từ nguồn có nhiệt độ cao thì chất lượng tốt hơn nhiệt lấy từ nguồn có nhiệt độ thấp.- T1, T2 đã khống chế ( ), vì nếu thì T2=0 --> điều này không thể xảy ra. 2-Hiệu suất của chu trình Cácnô có tác nhân là KLT$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCH* Phát biểu: “Với cùng nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2 xác định, hiệu suất của mọi động cơ làm việc theo chu trình Cácnô thuận nghịch đều như nhau và là lớn nhất, không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy”.* Ý nghĩa:a/ Định lý Cácnô chỉ ra rằng: có 1 giới hạn mà hiệu suất của mọi động cơ nhiệt không thể vượt qua, giới hạn này chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T23-Định lý Cácnô - Ý nghĩa của định lý Cácnô$5. CHU TRÌNH CÁCNÔ THUẬN NGHỊCHb/ Từ biểu thức định nghĩa hiệu suất động cơ nhiệt: => A’Biểu thức trên được suy rộng thành:Vì chu trình kín và liên tục nên: (*)(*) gọi là biểu thức định lượng tổng quát nguyên lý II: “Nhiệt thu gọn của mọi chu trình đều nhỏ hơn hoặc bằng 0”. 	 1- Bất đẳng thức Claođiút$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ IIGiả sử có 1 hệ vĩ mô thực hiện 1 quá trình thuận nghịch diễn biến từ trạng thái (1) sang trạng thái (2), biểu diễn bằng đường cong 1a2.Ta đưa hệ về trạng thái (1) bằng quá trình thuận nghịch bất kỳ 2b1. Kết hợp 2 quá trình thuận nghịch lại ta có chu trình thuận nghịch 1a2b1. Theo bất đẳng thức Claođiút tổng quát:	 ( dấu “=“ vì đây là chu trình thuận nghịch)- Tách chu trình thành 2 quá trình thuận nghịch: 1a2 và 2b1	 ==> 2-Hàm Entrôpy$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ IIVì quá trình 2b1 ( hay 1b2) là bất kỳ nên rút ra kết luận sau: “Nhiệt thu gọn của 1 quá trình thuận nghịch diễn biến giữa 2 trạng thái không phụ thuộc vào quá trình diễn biến mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối”.Trong nhiệt động học: người ta đưa ra đại lượng vật lý gọi là Entrôpy: “Độ biến thiên Entrôpy giữa 2 trạng thái vĩ mô có giá trị bằng nhiệt thu gọn của 1 quá trình thuận nghịch giữa 2 trạng thái đó”.2-Hàm Entrôpy$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ II- Hiệu Entrôpy giữa 2 trạng thái có giá trị hoàn toàn xác định, còn Entrôpy của 1 trạng thái nào đó được xác định sai khác nhau 1 hằng số cộng, tuỳ thuộc vào việc chọn trạng thái gốc.	Nếu quy ước: trạng thái vĩ mô ở 0(K) là trạng thái gốc, nghĩa là S(0 0K)=0 thì Entrôpy S của hệ ở trạng thái (1) được xác định: “Entrôpy của hệ ở 1 trạng thái nào đó là 1 đại lượng vật lý có độ lớn bằng nhiệt thu gọn của 1 quá trình thuận nghịch bất kỳ đưa hệ từ trạng thái đó về trạng thái gốc ở 0(K)”. 3-Một số tính chất quan trọng của hàm Entrôpy$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ II- Đơn vị đo của Enrtôpy là đơn vị đo nhiệt thu gọn, trong hệ SI: (J/K)- Entrôpy là hàm trạng thái, vì Entrôpy của hệ ở 1 trạng thái nào đó có giá trị hoàn toàn xác định (khi đã chọn gốc):	dS là chỉ vi phân toàn phần (vi phân của hàm trạng thái); là vi phân không toàn phần (vi phân hàm quá trình).- Entrôpy là đại lượng có tính cộng được: entropy của 1 hệ cân bằng = tổng entrôpy của từng phần riêng biệt của hệ.3-Một số tính chất quan trọng của hàm Entrôpy$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ IIXét chu trình không thuận nghịch bất kỳ, ta có: Mà: ==> Vì hệ cô lập: => S2-S1>0 hay S2>S1Vây: “Trong 1 hệ cô lập, các quá trình thực xảy ra theo chiều tăng Entrôpy”.4-Nguyên lý tăng Entrôpy$6. ENTRÔPY VÀ PHÁT BIỂU TỔNG QUÁT NG/LÝ IIa/ QT đoạn nhiệt ( ): ==> S= constb/ QT đẳng nhiệt (T= const):c/ QT đẳng tích (V=const):d/ QT đẳng áp (p=const):5- Độ biến thiên Entrôpy của 1 số quá trình thuận nghịch đặc biệtCHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC