Vật lý - Định luật nhiệt động 2

1Định luật nhiệt động 2 Second Law of Thermodynamics 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 2 Nhận xét:  Nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao  Cốc coffee không thể nóng thêm trong phòng  Cốc coffee nguội đi  Năng lượng có mất đi?  Năng lượng vẫn bảo toàn, chỉ truyền cho không khí xung quanh Room at 25° C !? Ví dụ 1 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 3 Cấp điện vào dây may so: sinh nhiệt làm nóng phòng (sưởi);  Cấp nhiệt vào dây may so có sinh ra điện?  Cấp điện vào motor: làm quay tời;  Cấp nhiệt vào motor có làm quay tời? Ví dụ 2 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 4Nhận xét từ các ví dụ trên  Năng lượng chỉ biến đổi theo chiều nhất định, không thể biến đổi ngược lại.  Định luật 1 không cho biết chiều diễn biến • Định luật 2 sẽ nghiên cứu chiều diễn biến quá trình. 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 5Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoir) • Nguồn nhả nhiệt (heat source) • Nguồn nhận nhiệt (heat sink) • Nguồn nóng: có nhiệt độ cao • Nguồn lạnh: có nhiệt độ thấp • Nguồn nhiệt là vật (đủ lớn) mà nhiệt độ không thay đổi khi mất hoặc nhận nhiệt: 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 6• Môi trường như sông hồ, đại dương, không khí xung quanh • Không khí trong phòng khi nguồn nhiệt cấp nhỏ: (nhiệt tỏa từ TV). Air Ví dụ Nguồn nhiệt 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd Công luôn có thể biến trực tiếp và hoàn toàn thành nhiệt.  Quan sát: Cung cấp công quay cánh sẽ làm nước nóng lên (công  nhiệt).  Cấp nhiệt vào nước có làm quay cánh?  Nhận xét: Công biến thành nhiệt  Nhận xét: Nhiệt biến thành công Động cơ nhiệt Heat Engines 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd Nhiệt muốn biến thành công cần nhờ thiết bị đặc biệt là Động cơ nhiệt 8Nguyên lý làm việc: Heat Engines  Nhận nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao;  Biến một phần nhiệt thành công;  Thải một phần nhiệt cho nguồn có nhiệt độ thấp;  Hoạt động theo chu kỳ gọi là: chu trình nhiệt động High-temperature Reservoir at TH Low-temperature Reservoir at TL QH QL WHE 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 9Động cơ đốt trong Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng Dãn nở, sinh công làm dịch piston Thải một phần nhiệt cho nguồn lạnh11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 10 Hệ động lực hơi nước (nhà máy nhiệt điện)  Cấp nhiệt cho nước trong nồi hơi (boiler) để sinh hơi;  Hơi nước làm quay động cơ tuabin, sinh công;  Hơi thải ngưng tụ lại (thải nhiệt cho nguồn lạnh) để trở thành nước;  Nước đưa trở lại nồi hơi để tiếp tục chu trình 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 11 Hiệu suất nhiệt (Thermal efficiency) Thermal Efficiency < 100 % in out Q Q 1 in out t Q W  in outin Q QQ  Nhiệt nhận từ nguồn nóng1QQin  2QQout  Nhiệt thải cho nguồn lạnh 1 21 Q Q t  11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 12 Hiệu suất nhiệt đạt bao nhiêu Automobile Engine 20% Diesel Engine 30% Gas Turbine 30% Steam Power Plant 40% 4,0 100 40 t 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 13 Có thể sử dụng được Q2?  Nung nóng (Q1 =100 kJ)  Dãn nở, nâng vật nặng => W=15 kJ  Làm sao quay lại để sinh công liên tục (hoàn thành chu kỳ)?  Bằng cách thải 85 kJ  Có thể thải 85kJ cho nguồn nóng?  Vậy thải đi đâu?  Cần có nguồn lạnh để thải 85 kJ Kết luận: Động cơ nhiệt không thể hoạt động nếu không thải một phần nhiệt cho nguồn lạnh – cần 2 nguồn nhiệt 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 14 Heat is transferred to a heat engine from a furnace at a rate of 80 MW. If the rate of waste heat rejection to a nearby river is 50 MW, determine the net power output and the thermal efficiency for this heat engine. Example 5-1: Net Power Production of a Heat Engine 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 15 Cách phát biểu ĐL 2 (theo động cơ nhiệt)  Phát biểu của Kelvin-Plank:  Không thể có thiết bị hoạt động theo chu kỳ mà nhận nhiệt từ chỉ một nguồn nhiệt và sinh công (phải có 2 nguồn nhiệt)  Các cách phát biểu tương đương:  Không thể có động cơ nhiệt thực hiện một chu trình nhiệt động mà không mất mát một lượng nhiệt  Không có động cơ nhiệt có hiệu suất nhiệt là 100%  Các động cơ nhiệt sinh công đồng thời chuyển một lượng nhiệt từ nguồn nóng cho nguồn lạnh 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 16  Tách coffee không thể tự nóng lên trong phòng, mùa hè căn phòng không thể tự mát, còn mùa đông thì không tự ấm lên.  Nhiệt không thể truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao nếu không có các thiết bị đặc biệt.  Đó là Máy lạnh (Refrigerator) và Bơm nhiệt (Heat Pumps).  Máy lạnh và bơm nhiệt khác nhau về mục đích sử dụng, giống nhau về nguyên lý. Ý tưởng về Máy lạnh và Bơm nhiệt 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 17 High-temperature Reservoir at TH Low-temperature Reservoir at TL QH QL W RefQL = QH - W Mục tiêu là lấy nhiệt từ nguồn lạnh (làm lạnh) Refrigerators 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 18 Chu trình Máy lạnh/Bơm nhiệt 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 19 Hiệu suất của Máy lạnh Hiệu suất của Máy lạnh gọi là Hệ số làm lạnh 1 1 2 121 22     Q QQQ Q W Q  11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 20 Heat Pumps High-temperature Reservoir at TH Low-temperature Reservoir at TL QH QL W HP QH = W + QL Read to parts of pp 259 and 260 Mục tiêu là mang nhiệt đến nguồn nóng (sưởi ấm) 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 21 Heat Pump 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 22 Hiệu suất của bơm nhiệt Hiệu suất của bơm nhiệt gọi là hệ số làm nóng 2 121 11 1 1 Q QQQ Q W Q                 1 21 2 21 21 2 21 11 QQ Q QQ W QQ QW QQ Q W Q 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 23 Phát biểu ĐL 2 (theo máy lạnh) Phát biểu của Clausius: Không thể chế tạo một thiết bị hoạt động theo chu kỳ chỉ truyền nhiệt từ nguồn có nhiệt độ cao đến nguồn có nhiệt độ thấp mà không tiêu thụ công. 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 24 High-temperature Reservoir at TH Low-temperature Reservoir at TL Q1 + Q2 Q2 W = Q1 RefHE Q1 Net QIN = Q2 Net QOUT = Q2 HE + Ref Equivalence of the Two Statements 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 25 Example (5-5): Heating a House by a Heat Pump A heat pump is used to meet the heating requirements of a house and maintain it at 20oC. On a day when the outdoor air temperature drops to -2oC, the house is estimated to lose heat at rate of 80,000 kJ/h. If the heat pump under these conditions has a COP of 2.5, determine (a) the power consumed by the heat pump and (b) the rate at which heat is absorbed from the cold outdoor air. Sol: 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd 26 Chu trình nhiệt động  ĐL 2 phát biểu hiệu suất nhiệt của đ/cơ nhiệt luôn <100%;  Mục tiêu cần đạt hiệu suất càng cao càng tốt;  Đ/cơ nhiệt cần làm việc theo chu kỳ để sinh công liên tục;  Máy lạnh/bơm nhiệt cũng cần làm lạnh hay sưởi ấm liên tục;  Như vậy: các thiết bị nhiệt hoạt động theo chu kỳ gọi là chu trình nhiệt động 11:47 Website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd