Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chapter 6: The 2nd Law of Thermodynamics (Định luật nhiệt động học 2) - Lê Văn Điểm
Giới thiệu ĐL 2: Chiều diến ra các quá trình.
› Tìm hiểu các quá trình thỏa mãn cả 2 định
luật (bảo toàn năng lượng và chiều diễn ra).
› Làm quen với các khái niệm về nguồn nhiệt,
quá trình thuận nghịch/không thuận nghịch,
các dạng máy nhiệt: Động cơ nhiệt, máy
lạnh, bơm nhiệt.
› Mô tả các cách phát biểu ĐL2.
› Thảo luận về khái niệm động cơ vĩnh cửu.
› Ứng dụng ĐL2 để nghiên cứu các quá trình,
chu trình.
› Ứng dụng ĐL2 để phân tích về thang nhiệt
độ động học.
› Nghiên cứu chu trình Các nô.
› Áp dụng chu trình Các nô cho động cơ nhiệt,
máy lạnh và bơm nhiệt.
› Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ
số làm nóng của các chu trình động cơ nhiệt,
máy lạnh và bơm nhiệt.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chapter 6: The 2nd Law of Thermodynamics (Định luật nhiệt động học 2) - Lê Văn Điểm
gi ảm tác độ ng đế n môi tr ườ ng 3 4/17/2018 6.3: Độ ng c ơ nhi ệt (Heat Engines) › Quan sát 1: –Vật n ặng rơi theo tr ọng l ực làm quay cánh khu ấy, sinh nhi ệt, t ăng nhi ệt độ ch ất l ỏng trong két. –Cấp nhi ệt vào cánh khu ấy không làm quay cánh (không nâng đượ c vật n ặng. › Quan sát 2: – Quay máy khu ấy (b ằng công ngoài) làm tăng nhi ệt độ ch ất l ỏng. –Cấp nhi ệt vào ch ất l ỏng không làm quay máy khu ấy. › Nh ận xét: – Quá trình ch ỉ di ễn ra theo 1 chi ều. –Cả 2 quá trình công bi ến thành nhi ệt; Nhi ệt không bi ến thành công. Hãy tìm m ột ví d ụ nhi ệt có th ể bi ến thành công? Độ ng c ơ nhi ệt (Heat Engines) ›Kết lu ận: – Công có th ể bi ến tr ực ti ếp và hoàn toàn thành nhi ệt (không c ần điều ki ện gì). – Nhi ệt ch ỉ có th ể bi ến thành công khi s ử dụng thi ết b ị đặ c bi ệt, g ọi là HEAT ENGINES. › Heat engines: Là thi ết b ị bi ến nhi ệt thành công. – Nh ận nhi ệt t ừ các ngu ồn có nhi ệt độ cao (Heat source). – Bi ến m ột ph ần nhi ệt nh ận đượ c thành công. – Th ải ph ần nhi ệt còn l ại cho ngu ồn có nhi ệt độ th ấp (Heat sink). – Ho ạt độ ng theo chu k ỳ. › Heat engines c ần s ử d ụng môi ch ất để th ực hi ện vi ệc bi ến hóa n ăng lượ ng (working fluid). Hãy nh ận d ạng các thành ph ần sau v ới h ệ th ống Heat Engine là độ ng c ơ xe máy c ủa b ạn: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(net, out), Q(out). 4 4/17/2018 Nh ận d ạng Heat Engines – Nhà máy nhi ệt điện ›Cấu t ạo: –Nồi h ơi (boiler) để sinh h ơi. – Tuabin (Turbine) để lai máy phát điện. – Bình ng ưng (condenser) để ng ưng t ụ hơi n ướ c sau turbine. –Bơm (pump) để b ơm n ướ c tr ở l ại boiler. Hãy nh ận d ạng các thành ph ần sau v ới h ệ th ống: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(in), W(out), Q(out). Hệ th ống kín hay h ệ th ống h ở? Hãy vi ết ph ươ ng trình cân b ằng n ăng l ượ ng ( ĐL1)? ∆͏ Ɣ 0 → ͋ Ɣ ͑ ͋$) Ǝ ͋*0/ Ɣ ͑*0/ Ǝ ͑$) ͋$) Ǝ ͋*0/ Ɣ ͑) /,*0/ Công có ích c ủa Heat Engines › Công trong Heat Engines: – Công nh ận, W(in); – Công sinh ra, W(out); – Công có ích, W(net, out): › Vì sao ͑) /,*0/ Ɨ ͑*0/ ? Hãy nh ận d ạng các thành ph ần sau v ới độ ng c ơ diesel: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(in), W(out), Q(out). 5 4/17/2018 Hi ệu su ất nhi ệt c ủa Heat Engines › Công có ích: ͑) /,*0/ Ɣ ͋$) Ǝ ͋*0/ › Nh ận xét: – Q(out) luôn > 0 ( độ ng c ơ nhi ệt không th ể không th ải nhi ệt cho heat sink). – Công có ích W(net, out) luôn nh ỏ hơn nhi ệt c ấp cho độ ng c ơ. – Hi ệu su ất nhi ệt c ủa độ ng c ơ nhi ệt luôn < 1. Hi ệu su ất nhi ệt c ủa Heat Engines › Quy ướ c: –QH là nhi ệt l ượ ng thi ết b ị nh ận t ừ ngu ồn có nhi ệt độ cao T H); –QL là nhi ệt l ượ ng thi ết b ị nh ận t ừ ngu ồn có nhi ệt độ cao TL). Bạn có bi ết hi ệu su ất nhi ệt c ủa các lo ại độ ng c ơ nhi ệt: - Độ ng c ơ x ăng? 25% - Độ ng c ơ Diesel? 40% - Nhà máy nhi ệt điện (chu trình h ỗn h ợp gas-steam)? 60% 6 4/17/2018 Có th ể t ận d ụng đượ c Q L? › Quan sát: –Cấp nhi ệt (Q H = 100kJ cho piston- cylinder ở điều ki ện lý t ưở ng (b ỏ qua ma sát, kh ối l ượ ng piston, truy ền nhi ệt). –Hệ sinh công nâng v ật n ặng (W net,out = 15kJ). –Hỏi: Có th ể truy ền 85kJ còn l ại ng ượ c cho ngu ồn nóng để ti ếp tục chu trình? – Tr ả l ời: Y/N, Why? Có th ể t ận d ụng đượ c Q L? ›Kết lu ận: – Không th ể bi ến 100% nhi ệt thành công. – Không th ể sinh công mà không th ải m ột ph ần nhi ệt cho ngu ồn lạnh. Ví dụ: Tính hi ệu su ất nhi ệt c ủa 2 độ ng cơ nhi ệt theo thông s ố trên 2 s ơ đồ 7 4/17/2018 The Second Law of Thermodynamics: Phát bi ểu c ủa Kelvin–Planck › Không th ể có thi ết b ị ho ạt độ ng theo chu k ỳ mà ch ỉ nh ận nhi ệt t ừ m ột ngu ồn nhi ệt và sinh công. › Cách khác: – Không có độ ng c ơ nhi ệt có hi ệu su ất nhi ệt 100%. – Để độ ng c ơ nhi ệt (nhà máy nhi ệt điện) ho ạt độ ng, h ệ th ống ph ải trao đổ i nhi ệt v ới c ả ngu ồn nóng (furnace) và ngu ồn l ạnh (environment). 6.4: Máy l ạnh và B ơm nhi ệt (Refrigerator & Heat Pump) › Nhi ệt truy ền t ự nhiên t ừ v ật có nhi ệt độ cao đế n v ật có nhi ệt độ th ấp. › Quá trình ng ượ c l ại c ần thi ết b ị Refrigerator. › Refrigerator là thi ết b ị ho ạt độ ng theo chu trình. › Môi ch ất l ạnh (Refrigerant) th ực hi ện chu trình nén-ng ưng t ụ-ti ết l ưu-bay h ơi. › Các thi ết b ị g ồm: Máy nén, B ầu ng ưng, Van ti ết l ưu, Dàn bay h ơi. › Nguyên lý: – Máy nén (tiêu th ụ công W net, in hút h ơi môi ch ất và nén đế n áp su ất cao (superheated vapor). –Hơi môi ch ất trao nhi ệt Q H cho ngu ồn có nhi ệt độ (n ướ c, không khí), cao ng ưng t ụ thành l ỏng ở B ầu ng ưng. – Môi ch ất qua van ti ết l ưu, h ạ nhi ệt độ , áp su ất. – Môi ch ất sôi, nh ận nhi ệt Q L từ ngu ồn có nhi ệt độ th ấp (không khí trong vùng c ần làm l ạnh). 8 4/17/2018 Refrigerator VERSUS Heat Pump › Máy l ạnh và B ơm nhi ệt có chung nguyên lý: –Nếu Q L là có ích → Máy lạnh –Nếu Q H là co ích → Bơm nhi ệt Liên h ệ th ực ti ễn: - Hãy tìm m ột ví d ụ v ề máy l ạnh? - Hãy tìm m ột ví d ụ v ề bơm nhi ệt? Hệ s ố làm l ạnh – Làm nóng (Coefficient of Performance) ͙͙̾ͧͦ͘͝ ͉ͩͨͤͩͨ ͉̽͊ Ɣ ͙͙͌ͥͩͦ͘͝ ̓ͤͩͨ͢ › Máy l ạnh: ›Bơm nhi ệt: – Required Input = W net,in – Required Input = W net,in – Desired Ouput = Q L – Desired Ouput = QH Nh ận xét: Khác v ới Hi ệu su ất nhi ệt, H ệ s ố làm l ạnh, làm nóng có th ể > 1 9 4/17/2018 Air-conditioning: Cooling and Heating Modes The Second Law of Thermodynamics: Phát bi ểu c ủa Clausius › Không th ể ch ế t ạo thi ết b ị ho ạt độ ng theo chu k ỳ truy ền nhi ệt t ừ m ột ngu ồn nhi ệt có nhi ệt độ th ấp đế n ngu ồn có nhi ệt độ cao mà không tiêu t ốn công. › Cách hi ểu khác: – Mu ốn truy ền nhi ệt t ừ ngu ồn có nhi ệt độ th ấp đế n ngu ồn có nhi ệt độ cao thì c ần tiêu tốn công. 10 4/17/2018 So sánh 2 cách phát bi ểu › 2 cách phát bi ểu là t ươ ng đươ ng: – Kelvin-Planck: cho độ ng c ơ nhi ệt. – Clausius: cho máy l ạnh/b ơm nhi ệt. ›Nếu có thi ết b ị nào đó mà ng ượ c v ới phát bi ểu c ủa Kelvin-Planck thì c ũng trái với nguyên lý c ủa Clausius. 6.5: Độ ng c ơ v ĩnh c ửu (Perpetual-Motion Machines) › We’ve already known: M ột quá trình bất k ỳ n ếu x ảy ra đề u tuân theo ĐL1 và ĐL2: – ĐL1: ? – ĐL2: ? › Perpetual-Motion Machine lo ại 1: –Nếu có thi ết b ị nào có th ể ho ạt độ ng ng ượ c v ới nguyên lý c ủa ĐL1. › Perpetual-Motion Machine lo ại 1: –Nếu có thi ết b ị nào có th ể ho ạt độ ng ng ượ c v ới nguyên lý c ủa ĐL2. 11 4/17/2018 Perpetual-Motion Machines Lo ại 1 › Nhà máy nhi ệt điện h ơi nướ c: – Điện s ản xu ất ra đượ c s ử dụng m ột ph ần để sinh h ơi trong n ồi h ơi và lai b ơm cấp n ướ c. –Hệ th ống sinh công ở máy phát W(net,out) và th ải nhi ệt Q(out) ở bình ng ưng. –Hệ th ống không nh ận nhi ệt và công t ừ ngu ồn ngoài. ›Hệ th ống không tuân theo ĐL1. Perpetual-Motion Machines Lo ại 1 › Nhà máy nhi ệt điện: –Bỏ qua bình ng ưng để không th ải nhi ệt ra môi tr ườ ng: Q(out) = 0. –Hơi n ướ c sau turbine đượ c bơm tr ực ti ếp vào n ồi h ơi. –Hệ th ống nh ận nhi ệt Q(in) ở nồi h ơi. –Hệ th ống sinh công W(net,out) ở turbine. 12 4/17/2018 6.6: Thu ận ngh ịch và không thu ận ngh ịch (Reversible and Irreversible) › Quá trình thu ận ngh ịch: Là quá trình mà sau khi ti ến hành, h ệ th ống có th ể tr ở v ề tr ạng thái ban đầ u mà không làm thay đổ i gì. › Ví d ụ: – Qu ả l ắc n ếu không có ma sát. – Quá trình nén khí trong piston- cylinder n ếu b ỏ qua rò l ọt và ma sát. › Quá trình không thu ận ngh ịch: là quá trình không tr ở l ại tr ạng thái ban đầ u. › Th ực t ế không có quá trình thu ận ngh ịch do ma sát, rò l ọt. 6.7: Chu trình Carnot (Carnot Cycle) › Already known: Độ ng c ơ ›Tăng công có ích b ằng cách nhi ệt: th ực hi ện các quá trình thu ận – Là thi ết b ị làm vi ệc theo chu k ỳ. ngh ịch (không có rò l ọt, ma – Sinh công trong m ột ph ần chu sát). kỳ. – Chu trình thu ận nghich đượ c – Tiêu th ụ công ở ph ần còn l ại. tạo b ởi các quá trình thu ận – Công có ích: W(net,out) = ngh ịch. W(out) – W(in). – Hi ệu su ất bi ến đổ i n ăng l ượ ng tốt nh ất v ới các chu trình thu ận ngh ịch. – Là đích để nghiên c ứu phát tri ển các thi ết b ị. – Carnot Cycle là một chu trình tiêu bi ểu. 13 4/17/2018 Chu trình Carnot: Heat Engines › Thi ết b ị: – Piston-Cylinder. – Lo ại thi ết b ị: Heat Engine. – Lo ại h ệ th ống: Closed. – Môi ch ất: Khí lý t ưở ng. › Nguyên lý: 4 quá trình: – Giãn n ở đẳ ng nhi ệt (Isothermal Expansion): Piston từ Điểm Ch ết Trên ( ĐCT) đượ c c ấp nhi ệt Q H, môi ch ất giãn n ở sinh công, T H = const. – Giãn n ở đoạn nhi ệt (Adiabatic Compression): D ừng cấp nhi ệt, môi ch ất ti ếp t ục giãn n ở đoạn nhi ệt (Q=0), sinh công, nhi ệt độ gi ảm T H → TL. – Nén đẳ ng nhi ệt (Isothermal Compression): Piston đế n Điểm Ch ết D ướ i ( ĐCD) b ắt đầ u nén đẳ ng nhi ệt, tiêu th ụ công, T L = const. – Nén đoạn nhi ệt (Adiabatic Compression): Ti ếp t ục nén, tiêu th ụ công, nhi ệt độ t ăng T L → TH , piston đế n ĐCT. – Quá trình ti ếp t ục l ặp l ại. Chu trình Carnot: P-V diagram › Công chu trình trình (boundary work): – 1-2 nh ận nhi ệt, giãn nở sinh công. – 2-3 ti ếp t ục sinh công. – 3-4 nén, tiêu th ụ công. – 4-1 nén, tiêu th ụ công. –Wnet,out = di ện tích bao b ởi chu trình. Đồ th ị P-V g ọi là đồ th ị gì? T ại sao? 14 4/17/2018 Chu trình Carnot: Refrigerator/Heat Pump › Carnot cycle t ạo b ởi các quá trình thu ận ngh ịch. › Có th ể đả o ng ượ c các quá trình thu ận ngh ịch thành chu trình Carnot ng ượ c chi ều. Nh ận xét: - Chu trình độ ng c ơ nhi ệt (Heat engine) đượ c bi ểu di ễn trên các đồ th ị có chi ều di ễn ra cùng chi ều kim đồ ng h ồ. - Chu trình máy l ạnh/b ơm nhi ệt, ng ượ c l ại, có chi ều di ễn bi ến ng ượ c chi ều kim đồ ng h ồ. 6.8: Nguyên lý Carnot › 1. Hi ệu su ất c ủa các máy nhi ệt không thu ận ngh ịch luôn nh ỏ hơn hi ệu su ất c ủa các máy nhi ệt thu ận ngh ịch làm vi ệc v ới cùng các (2) ngu ồn nhi ệt. › 2. Hi ệu su ất c ủa các máy nhi ệt thu ận ngh ịch ho ạt độ ng v ới các ngu ồn nhi ệt (2) nh ư nhau thì bằng nhau. Ch ứng minh các nguyên lý Carnot: Đọ c thêm trong sách 15 4/17/2018 6.9: Thang nhi ệt độ độ ng h ọc › Nguyên lý Carnot: Hi ệu su ất nhi ệt ch ỉ ph ụ thu ộc nhi ệt độ 2 ngu ồn nhi ệt: /# Ɣ ͚ʚ͎ , ͎ ʛ › Hi ệu su ất độ ng c ơ nhi ệt: ͋ /# Ɣ 1 Ǝ ͋ ą Ɣ ͚ʚ͎ , ͎ ) ā Thang nhi ệt độ độ ng h ọc › Hi ệu su ất độ ng c ơ nhi ệt thu ận ngh ịch ch ỉ ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ c ủa 2 ngu ồn nhi ệt: /# Ɣ ͚ʚ͎ , ͎ ʛ Tỷ s ố gi ữa nhi ệt độ 2 ngu ồn l ạnh ph ụ thu ộc vào t ỷ số l ượ ng nhi ệt truy ền gi ữa 2 ngu ồn nhi ệt c ủa 1 máy nhi ệt thu ận ngh ịch và không ph ụ thu ộc tính ch ất môi ch ất, thi ết b ị s ử d ụng. Năm 1954, H ội ngh ị v ề đo l ườ ng th ống nh ất l ấy điểm 3 th ể c ủa n ướ c là 273,16K: - Temperature Kelvin g ọi là thang nhi ệt độ độ ng học. - Nhi ệt độ Kelvin g ọi là Nhi ệt độ tuy ệt đố i (absolute temperature). 16 4/17/2018 6.10: Độ ng c ơ nhi ệt Carnot › Độ ng c ơ nhi ệt Carnot có hi ệu su ất cao nh ất so v ới các lo ại độ ng c ơ khác có cùng 2 ngu ồn nhi ệt. › Hi ệu su ất nhi ệt c ủa độ ng c ơ nhi ệt b ất kỳ: ͋ /# Ɣ 1 Ǝ ͋ › Hi ệu su ất nhi ệt c ủa độ ng c ơ nhi ệt thu ận ngh ịch: ͎ /# Ɣ 1 Ǝ ͎ › Độ ng c ơ Carnot có hi ệu su ất cao nh ất: Hi ệu su ất Carnot (Carnot efficiency). Hi ệu su ất bao nhiêu? › 2 ngu ồn nhi ệt: –TH = 1000K; –TL = 300K. › Hi ệu su ất: – Độ ng c ơ nhi ệt thu ận ngh ịch: ηth = 0,7. – Độ ng c ơ nhi ệt không thu ận ngh ịch: ηth < 0,7. – Không th ể có độ ng c ơ nhi ệt có ηth > 0,7. 17 4/17/2018 Hi ệu su ất bao nhiêu? › Ví d ụ: – Given: Độ ng c ơ Carnot v ới 2 ngu ồn nhi ệt: 0 ›TH = 652 C; 0 ›TL = 30 C. – Findings: › Hi ệu su ất nhi ệt. ›Lượ ng nhi ệt độ ng c ơ th ải cho ngu ồn l ạnh. › Công có ích. “Ch ất l ượ ng” n ăng l ượ ng Energy quality › Kh ảo sát độ ng c ơ Carnot: – Gi ữ nguyên ngu ồn l ạnh (T L = 303K). –Tăng d ần nhi ệt độ ngu ồn nóng T H. – Hi ệu su ất nhi ệt t ăng d ần. Kết lu ận: Ở nhi ệt độ càng cao, năng l ượ ng càng “ch ất l ượ ng”. Ngh ĩa là càng nhi ều n ăng l ượ ng đượ c bi ến đổ i thành công. 18 4/17/2018 Ch ất l ượ ng VERSUS S ố l ượ ng › Nh ận xét: – Không ch ỉ s ố l ượ ng, mà ch ất l ượ ng n ăng l ượ ng r ất quan tr ọng. – Có nh ững n ăng l ượ ng s ử d ụng đượ c, có lo ại không ho ặc khó s ử d ụng. Ví d ụ: -Năng l ượ ng m ặt tr ời r ất l ớn trên trái đấ t (s ố l ượ ng), nh ưng r ất khó s ử d ụng vì nhi ệt độ th ấp (ch ất l ượ ng kém). -Năng l ượ ng t ừ quá trình đố t nhiên li ệu hóa th ạch có ch ất l ượ ng t ốt (nhi ệt độ cao 2000K). › Nh ận xét: – Công (work) quý h ơn nhi ệt (heat) vì công có th ể bi ến hoàn toàn thành nhi ệt, nhi ệt ch ỉ bi ến m ột ph ần thành công. – Khi bi ến nhi ệt thành công (trong các độ ng c ơ nhi ệt), một ph ần nhi ệt th ải cho ngu ồn l ạnh. Ph ần nhi ệt này b ị mất ph ẩm ch ất và không s ử d ụng đượ c. 6.11: Máy l ạnh/B ơm nhi ệt Carnot › Là thi ết b ị làm vi ệc theo chu trình Carnot thu ận ngh ịch ng ượ c chi ều. –Hệ s ố làm l ạnh Máy l ạnh Carnot: –Hệ s ố làm nóng B ơm nhi ệt Carnot: Máy l ạnh thu ận ngh ịch Carnot có COP l ớn nh ất. Máy không thu ận ngh ịch có COP nh ỏ h ơn. Không th ể có máy có COP l ớn h ơn COP c ủa máy l ạnh thu ận ngh ịch. 19 4/17/2018 Ví d ụ › Givens: – Máy l ạnh Carnot R143a; – m = 0,8kg; 0 0 –TL= -8 C, T H = 20 C; – Công tiêu th ụ W in = 15kJ; – R134a là h ơi bão hòa ở cu ối quá trình th ải nhi ệt ( điểm 4). › Findings: – Độ khô c ủa R134a ở cu ối quá trình bay h ơi (nh ận nhi ệt t ự ngu ồn l ạnh). – Áp su ất cu ối quá trình th ải nhi ệt. Cách làm: Xem trang 305-306 Summary › ĐL2: Chi ều h ướ ng di ễn ra quá trình. › Mu ốn truy ền nhi ệt t ừ v ật có nhi ệt độ th ấp đế n v ật có nhi ệt độ cao c ần thi ết ›Một quá trình di ễn ra ph ải th ỏa mãn c ả bị Refrigerator/Heat Pump: 2 ĐL. › Các thi ết b ị trao nhi ệt v ới 2 môi tr ườ ng –Hệ s ố làm l ạnh: là Heat Source (high temp.) và Heat –Hệ s ố làm nóng: Sink (low temp.). › Công có th ể bi ến hoàn toàn thành › Phát bi ểu ĐL2: nhi ệt. Nhi ệt bi ến thành công c ần có Heat Engine. –Của Kelvin-Planck v ới Heat Engine. –Của Clausius v ới Refgigerator. › Hi ệu su ất c ủa Heat Engines: › Tính thu ận ngh ịch và không thu ận ngh ịch. › Chu trình Carnot thu ận ngh ịch: – Carnot Heat Engine: – Carnot heat pump/refrigerator: 20 4/17/2018 21
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_nhiet_chapter_6_the_2nd_law_of_thermodyna.pdf