Nhiệt động học

     

1. Những hạn chế của nguyên tắc I

Các hiện nay tượng xảy ra trong thoải mái và tự nhiên đều tuân theo nguyên tắc I nhiệt cồn học. Tuy nhiên, một số trong những hiện tượng, về mặt lý thuyết, thỏa mãn nguyên tắc I dẫu vậy lại không xẩy ra trong thực tế. Để minh họa điều này, ta xét 2 tỉ dụ sau đây:

+ tỉ dụ 1: dựa vào nguyên lý I, ta sản xuất ra một động cơ nhiệt đặt lên tầu thủy. Động cơ rước nhiệt của nước biển khơi để chế tác công có tác dụng chạy tàu thủy. Fan ta cầu tính, chỉ việc hạ nhiệt độ của nước biển lớn đi 1OC thì Đại dương sẽ cung cấp cho ta một nhiệt lượng vùa dùng dùng cho toàn bộ các bộ động cơ nhiệt bên trên Trái đất chạy hàng chục ngàn năm. Nhưng lại thực tế, ta không thể sản xuất ra bộ động cơ nhiệt loại này.

Bạn đang xem: Nhiệt động học

Thực tế chỉ có thể tạo được hộp động cơ nhiệt làm việc với 2 nguồn nhiệt: dấn của mối cung cấp nóng một sức nóng lượng quận 1 và trả sút cho nguồn rét một sức nóng lượng quận 2 đồng thời mới tạo công A.

Vậy, hệ ý muốn sinh công thì đề nghị tiếp xúc với 2 mối cung cấp nhiệt; nhiệt cần yếu biến trọn vẹn thành công được. Hạn chế đầu tiên của nguyên tắc I là không kể đến điều này – không kể đến điều kiện gửi hóa thân công và nhiệt.

+ thí dụ 2: nguyên tắc I xác minh nhiệt hoàn toàn có thể truyền từ trang bị này sang thứ khác, mà lại không nói rõ từ đồ dùng nóng sang vật lạnh giỏi từ đồ gia dụng lạnh sang thứ nóng. Trên thực tế, nhiệt có thể truyền từ đồ nóng sang trang bị lạnh, nhưng thiết yếu truyền từ đồ dùng lạnh sang đồ dùng nóng một giải pháp tự phát được. Giảm bớt thứ hai của nguyên lý I là không nói rõ chiều diễn biến trong những quá trình. Nguyên lý II của sức nóng Động học sẽ xẻ sung, hạn chế những hạn chế trên.


2. Nội dụng nguyên tắc II

+ phát biểu của Clausius: Nhiệt ko thể tự động hóa truyền từ thứ lạnh sang vật nóng. Nói giải pháp khác, sự truyền nhiệt từ đồ lạnh sang đồ nóng ko thể xẩy ra nếu không tồn tại sự bù trừ nào.

+ phát biểu của Thomson cùng Carnot: ko thể chế tạo được hộp động cơ nhiệt chuyển động tuần hoàn, tiếp tục biến nhiệt thành công xuất sắc mà môi trường thiên nhiên xung xung quanh không chịu sự thay đổi nào.

+ phát biểu của Kelvin: Một hệ nhiệt đụng học quan trọng tạo công nếu chỉ xúc tiếp với một nguồn nhiệt duy nhất.

3. Quá trình thuận nghịch và quy trình không thuận nghịch

Một vượt trình biến hóa của hệ nhiệt rượu cồn từ tâm trạng (1) cho trạng thái (2) được điện thoại tư vấn là thuận nghịch giả dụ nó có thể tiến hành theo chiều trái lại và ngơi nghỉ lượt về (quá trình ngược), hệ đi qua tất cả các tâm trạng trung gian như sinh hoạt lượt đi (quá trình thuận). Ngược lại là quá trình bất thuận nghịch.

Đối với quá trình thuận nghịch, nếu như ở lượt đi hệ dìm công A thì nghỉ ngơi lượt về, hệ trả đúng công A mang đến môi trường. Vì đó, tổng công sau thời điểm thực hiện quy trình thuận và quá trình ngược là A = 0. Mà sau khoản thời gian thực hiện quy trình thuận và quá trình ngược thì hệ về bên trạng thái ban sơ nên nội năng của hệ không đổi ( Rightarrow dU=0Rightarrow Q=0 ). Vậy, đối với quá trình thuận nghịch thì sau thời điểm thực hiện quy trình thuận và quá trình ngược môi trường không xẩy ra thay đổi.

Quá trình thuận nghịch là quy trình lí tưởng (thực tế ko xảy ra). Mặc dù nhiên, hiệu quả nghiên cứu đối với quá trình thuận nghịch sẽ được suy rộng cho quy trình bất thuận nghịch.

4. Công suất động cơ nhiệt – Định lí Carnot

Động cơ nhiệt là một trong máy (thiết bị) đổi thay nhiệt thành công.

*

Sơ thứ nguyên lý vận động được miêu tả ở hình 8.3: bao gồm 2 nguồn nhiệt (nguồn nóng T1 và nguồn giá T2) và một môi trường thiên nhiên nhiệt động làm nhiệt vụ biến chuyển nhiệt thành công xuất sắc – ta gọi môi trường xung quanh này là “tác nhận” tốt “chất môi”.

Khi hộp động cơ hoạt động, nguồn nóng T1 truyền cho hóa học môi một nhiệt độ lượng Q1. Hóa học môi sẽ co giãn và sinh công A rồi trả cho nguồn giá buốt một nhiệt độ lượng Q2.


Như vậy, công suất của động cơ nhiệt là:

 ( H=fracleftQ_1=fracQ_1-leftQ_1=1-frac Q_2 ightQ_1=1+fracQ_2Q_1 ) (8.28)

Chú ý theo quy ước: ( A,Q_2

Đa số các động cơ nhiệt vận động tuần trả theo đầy đủ chu trình. Chu trình hữu ích nhất (lí tưởng) là quy trình Carnot (do Sadi Carnot, kỹ sư bạn Pháp, chỉ dẫn năm 1824). Đây là một trong chu trình thuận nghịch.

*

Chu trình Carnot: tất cả 4 quá trình liên tiếp:

+ thừa trình biến đổi đẳng nhiệt: Hệ dìm của mối cung cấp nóng T1 một sức nóng lượng q1 để giãn khí từ tâm trạng (1) cho trạng thái (2), đồng thời hỗ trợ cho môi trường ngoài một công A1.

+ quá trình giãn khí đoạn nhiệt: Hệ tiếp tục biến hóa đoạn sức nóng từ ánh nắng mặt trời T1 sang trọng T2 và cung ứng cho môi trường xung quanh ngoài công A2.

+ quy trình nén khí đẳng nhiệt: Hệ nhấn công A3, nén khí từ trạng thái (3) về (4) với trả mang đến nguồn giá buốt T2 một nhiệt lượng Q2.

+ quá trình nén khí đoạn nhiệt: Hệ tiếp tục nhận công A4, nén khí từ tâm lý (4) về tinh thần đầu (1).


Đối với quy trình Carnot, phối hợp (8.24) và phương trình trạng thái khí lí tưởng trong những giai đoạn đẳng nhiệt, ta chứng minh được: ( fracV_2V_1=fracV_3V_4 ) (8.29)

(8.29) gọi là đk khép kín của chu trình Carnot.

Định lí Carnot:

+ Hiệu suất của những động cơ nhiệt đuổi theo chu trình ko thuận nghịch thì luôn bé dại hơn hiệu suất của hộp động cơ nhiệt chạy theo chu trình thuận nghịch.

+ năng suất của động cơ nhiệt đuổi theo chu trình Carnot không phụ thuộc vào tác nhân, chỉ phụ thuộc vào vào nhiệt độ của những nguồn nhiệt theo biểu thức: ( H=1-fracT_2T_1 ) (8.30)

Thật vậy, công của khí sau đó 1 chu trình: ( A=A_12+A_23+A_34+A_41 )

Với: ( A_12=fracmmu RT_1ln left( fracV_1V_2 ight) ); ( A_23=fracfracmmu Rgamma -1left( T_2-T_1 ight) ); ( A_34=fracmmu RT_2ln left( fracV_3V_4 ight) ); ( A_23=fracfracmmu Rgamma -1left( T_1-T_2 ight) )

Do đó: ( A=fracmmu RT_1ln left( fracV_1V_2 ight)+fracmmu RT_2ln left( fracV_3V_4 ight) )

Từ đk khép bí mật (8.29) suy ra ( ln left( fracV_3V_4 ight)=-ln left( fracV_1V_2 ight) )

Suy ra: ( A=fracmmu Rln left( fracV_1V_2 ight)left( T_1-T_2 ight)


Điều này chứng minh sau một chu trình, khí cung ứng ra bên ngoài một công:

 ( left| A ight|=fracmmu Rln left( fracV_2V_1 ight)left( T_1-T_2 ight) )

Mà nhiệt độ lượng khí nhận được từ nguồn nóng ở giai đoạn co giãn đẳng nhiệt là Q1.

Theo (8.22), ta có: ( Q_1=-A_1=-fracmmu RT_1ln left( fracV_1V_2 ight)=fracmmu RT_1ln left( fracV_2V_1 ight) )

Vậy công suất của động cơ nhiệt chạy theo chu trình Carnot là:

 ( H=frac A ightQ_1=fracT_1-T_2T_1=1-fracT_2T_1 ) (điều buộc phải chứng minh)

Từ định lí Carnot, ta rút ra thừa nhận xét: trên thực tế, mong mỏi tăng công suất của động cơ nhiệt, ta bắt buộc tăng ánh sáng của mối cung cấp nóng và giảm nhiệt độ của nguồn lạnh; ngoài ra phải giảm sút các mất mát về nhiệt nhằm nó chạy theo chu trình sát với chu trình thuận nghịch.

5. Hệ số làm lạnh

Máy làm cho lạnh là thiết bị trở thành công thành nhiệt. Máy làm cho lạnh và bộ động cơ nhiệt được gọi tầm thường là trang bị Nhiệt.

Xem thêm: Ông Vương Trí Nhàn: Thói Hư Tật Xấu Của Người Việt, Người Việt Phẩm Chất & Thói Hư

*

Sơ vật dụng nguyên lý buổi giao lưu của máy lành rét được trình bày ở hình 8.5. Đầu tiên tác nhân nhận của môi trường ngoài một công A để mang đi tự nguồn lạnh lẽo một nhiệt lượng Q2; sau đó trả mang đến nguồn nóng một nhiệt lượng Q1. Ta định nghĩa hệ số làm giá buốt là: ( varepsilon =fracleftA ) (8.31)


(đôi khi người ta cũng gọi 8.31 là công suất làm lạnh).

*

Máy làm lạnh cũng thao tác tuần hoàn, tuân thủ theo đúng một quy trình nhất định. Chu trình hữu dụng nhất là chu trình Carnot nghịch. Ở hộp động cơ nhiệt, ta có quy trình Carnot thuận; bây chừ ta cho quy trình ấy chạy theo chiều trái lại thì ta có chu trình Carnot nghịch. Đây chính là chu trình làm việc của sản phẩm lạnh. Nó cũng bao gồm 4 giai đoạn:

+ Hệ dìm công A1 để nén khí đoạn nhiệt độ từ trạng thái (1) lịch sự trạng thái (2).

+ Hệ thường xuyên nhận công A2 nhằm nén khí đẳng nhiệt từ tinh thần (2) quý phái trạng thái (3), mặt khác trả mang đến nguồn nóng nhiệt độ lượng Q1.

+ Giãn khí đoạn nhiệt độ từ tâm lý (3) lịch sự trạng thái (4).

+ Giãn khí đẳng nhiệt độ từ tinh thần (4) lịch sự trạng thái (1), đồng thời dấn của nguồn giá nhiệt lượng Q2 ngừng một chu trình.

Đối cùng với máy làm cho lạnh chạy theo chu trình Carnot, tương tự, ta cũng chứng minh được thông số làm lạnh của dòng sản phẩm không phụ thuộc vào tác nhân, chỉ nhờ vào vào ánh nắng mặt trời của nguồn nóng và nguồn lạnh: ( varepsilon =fracT_2T_1-T_2 ) (8.32)

Vậy, trang bị nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot là 1 trong máy thuận nghịch. Hiệu suất của các máy thuận nghịch chỉ dựa vào vào nhiệt độ của mối cung cấp nóng và nguồn lạnh.

6. Biểu thức định lượng của nguyên tắc II

Từ (8.28) cùng (8.30) ta có: ( H=1+fracQ_2Q_1=1-fracT_2T_1 )


Suy ra: ( fracQ_2Q_1=-fracT_2T_1Rightarrow fracQ_1T_1+fracQ_2T_2=0 )

Gọi ( fracQT ) là sức nóng lượng rút gọn, ta có: ( sumfracQ_iT_i=0 ) (8.33)

Vậy, một động cơ nhiệt đuổi theo chu trình Carnot thuận nghịch thì tổng nhiệt lượng rút gọn trong một chu trình sẽ bởi không.

Đối với bộ động cơ bất thuận nghịch thì hiệu suất luôn nhỏ dại hơn động cơ thuận nghịch, ta có: ( H=1+fracQ_2Q_1

 ( Rightarrow fracQ_2Q_1

Tổng quát đối với một chu trình bất kì, ta hoàn toàn có thể coi hệ xúc tiếp với vô số mối cung cấp nhiệt có ánh sáng T đổi mới thiên liên tục; mỗi quá trình tiếp xúc cùng với một mối cung cấp nhiệt là một quá trình vi phân, hệ nhân nhiệt độ ( delta Q ). Khi đó những công thức (8.33) và (8.34) đổi thay tích phân kín: (ointfracdelta QTle 0) (8.35)

Tổng sức nóng lượng rút gọn trong một chu trình biến hóa bất kì của một hệ nhiệt cồn không thể to hơn không.

Biểu thức (8.35) được hotline là bất đẳng thức Clausius – đó đó là biểu thức định lượng của nguyên lý II. Vào đó, lốt “=” ứng với chu trình thuận nghịch.

7. Entropy

a) tư tưởng Entropy

*

Xét vượt trình biến hóa thuận nghịch của một hệ nhiệt cồn từ trạng thái đầu A lịch sự trạng thái cuối B theo không ít đường không giống nhau, giả sử con đường A-a-B và con đường A-b-B (hình 8.7).

Để vận dụng được bất đẳng thức Clausius, ta tưởng tượng có một mặt đường thứ cha đưa hệ từ tâm lý cuối B về trạng thái đầu A. Thế thì:

+ Đối với chu trình (A-a-B-c-A), ta có: ( ointfracdelta QT=0 ) xuất xắc ( intlimits_A^Bfracdelta Q_aT+intlimits_B^Afracdelta Q_cT=0 ) (*)

+ Đối với quy trình (A-b-B-c-A), ta có: ( ointfracdelta QT=0 ) tuyệt ( intlimits_A^Bfracdelta Q_bT+intlimits_B^Afracdelta Q_cT=0 ) (**)

Vì những con con đường A – a – B, A – b – B là bất kì nên tự (*) và (**) suy ra: ( intlimits_A^Bfracdelta Q_aT=intlimits_A^Bfracdelta Q_bT=const )

Hệ thức (8.36) chứng minh tổng nhiệt độ lượng rút gọn của hệ trong vượt trình đổi khác thuận nghịch từ tinh thần này lịch sự trạng thái không dựa vào vào đường biến đổi hay quá trình biến đổi, mà chỉ dựa vào vào tâm trạng đầu với trạng thái cuối. Đó là tính chất THẾ của các quy trình nhiệt động. Từ đó ta rất có thể tìm được một hàm vậy S, call là hàm trạng thái xuất xắc entropy, sao cho:

(intlimits_A^Bfracdelta QT=S(B)-S(A)=Delta S) xuất xắc (dS=fracdelta QT) (8.37)

b) Các đặc điểm của entropy

+ Entropy là hàm đặc trưng cho trường vừa lòng của hệ, không dựa vào vào vượt trình chuyển đổi của hệ từ tinh thần này thanh lịch trạng thái khác. Vào hệ SI, entropy có đơn vị là jun bên trên kelvin (J/K).

+ Entropy tất cả tính cộng được.

+ Entropy không xác minh đơn giác mà sai kém một hằng số cộng: ( S=S_O+intfracdelta QT ) (8.38)

Trong kia SO là cực hiếm entropy tại trạng thái gốc; quy ước SO = 0 trên trạng thái T = 0 (K). Lúc ấy S sẽ solo trị.

*

Với quan niệm entropy, ta rất có thể viết biểu thức định lượng của nguyên lý II dưới dạng khác. Xét một quy trình bất thuận nghịch bao gồm hai thừa trình biến đổi (biểu diễn trên sơ đồ dùng hình 8.8): quy trình A – a – B là quá trình bất thuận nghịch, quy trình B – b – A là quy trình thuận nghịch. Theo (8.35), ta có: (ointfracdelta QT

Vì quá trình (B – b – A) là quá trình thuận nghịch, cần khit iến hành theo hướng ngược lại, ta có: ( intlimits_(B-b-A)fracdelta QT=-intlimits_(A-b-B)fracdelta QT )

Do đó: ( intlimits_(A-a-B)fracdelta QT-intlimits_(A-b-B)fracdelta QT

Mà quá trình (A – b – B) là thuận nghịch, nên theo (8.37), ta có:

 ( intlimits_(A-b-B)fracdelta QT=S(B)-S(A)=Delta S )

Vậy: ( intlimits_(A-a-B)fracdelta QT

Tổng nhiệt độ lượng rút gọn trong quá trình biến hóa bất thuận nghịch luôn nhỏ dại hơn độ biến đổi thiên entropy.

Kết phù hợp (8.39) với (8.37) suy ra, so với một thừa trình chuyển đổi bất kì thì: ( Delta Sge intlimits_(A)^(B)fracdelta QT ) hay ở dạng vi phân: ( dSge fracdelta QT) (8.40)

(8.40) đó là dạng thứ hai của biểu thức định lượng của nguyên lý II, trong những số đó dấu “=” ứng với quá trình thuận nghịch.

c) nguyên tắc tăng entropy

Trong một hệ xa lánh (không đàm phán nhiệt với môi trường xung quanh bên ngoài), ta có:

 ( delta Q=0Rightarrow Delta Sge 0 ) (8.41)

Với quá trình thuận nghịch: ( Delta S=0 ) ( Rightarrow ) Entropy của hệ ko đổi.

Thực tế, các quá trình nhiệt động số đông không thuận nghịch phải ( Delta S>0 ). Vậy entropy luôn tăng. Ta có nguyên lý tăng entropy: “Trên thực tế, mọi quy trình nhiệt động xảy ra trong một hệ cô lập luôn theo chiều hướng làm sao cho entropy của hệ tăng lên”.

Từ nguyên lý tăng entropy suy ra:

+ Một hệ xa lánh không thể 2 lần cùng đi qua 1 trạng thái (vì nếu vậy, cực hiếm S sẽ trở lại giá trị ban đầu).

+ lúc hệ sống trạng thái cân bằng, sẽ dứt mọi quy trình biến đổi. Lúc đó giá trị S đạt cực đại. Vậy, một hệ cô lập ở trạng thái cân bằng khi entropy của nó cực đại.

d) Ý nghĩa thống kê lại của entropy và nguyên lý II

+ nguyên lý II mang lại thấy: nhiệt ko thể tự động hóa truyền từ đồ vật lạnh sang vật dụng nóng cùng entropy của hệ cô lập chẳng thể giảm. Nói biện pháp khác, hệ luôn có xu hướng đổi khác từ tâm trạng không cân đối về trạng thái cân đối và lúc về đến trạng thái cân đối rồi, nó không thể tự động trở lại tâm lý không cân bằng được nữa.

+ Entropy là thước đo mức độ lếu láo loạn của các phân tử vào hệ. Lúc entropy giảm (ví dụ được làm lạnh) thì tính láo lếu loạn của những phân tử cũng giảm, tính cá biệt tự tăng lên và ngược lại.

+ nguyên tắc II chỉ vận dụng cho hệ vĩ mô gồm một số không nhỏ các phân tử (khi đó ta hoàn toàn có thể bỏ qua ảnh hưởng của số đông thăng giáng).


Chuyên mục: Tin Tức