"Năng lượng của vũ trụ là một hằng số"

"Entropy của vũ trụ có khuynh hướng đạt cực đại"

- Hai câu nói nổi tiếng của Clausius năm 1865-

 

33

 

CÁC NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

 

 

 

 1. Kiến thức

  - Phát biểu và viết được công thức của nguyên lí I của nhiệt động học (NĐLH); nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong công thức.

  - Phát biểu được nguyên lí II của NĐLH.

2. Kỹ năng

  - Vận dụng được nguyên lí thứ nhất của NĐLH vào các đẳng quá trình của khí lí tưởng để viết và nêu ý nghĩa vật lí của biểu thức của nguyên lí này cho từng quá trình.

  - Vận dụng được nguyên lí thứ nhất của NĐLH để giải các bài tập ra trong bài học và các bài tập tương tự.

  - Nêu được ví dụ về quá trình không thuận nghịch.

3. Thái độ

  - GDMT: Biết tác nhân gây ô nhiễm môi trường, có ý thức bảo vệ môi trường, biết chọn động cơ và nhiên liệu phù hợp.

  

Trong chương 5 chúng ta đã nghiên cứu về chất khí về mặt hiện tượng, xác định mối quan hệ giữa 3 đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một lượng khí xác định là p, V & T. Chương này chúng ta sẽ nghiên cứu chất khí về mặt năng lượng, xác định mối quan hệ giữa 3 đại lượng liên quan đến năng lượng của chất khí là nội năng, công và nhiệt lượng. Mối quan hệ này sẽ được thể hiện trong 2 nguyên lý cơ bản của NĐLH là nguyên lí I & II. Các nguyên lý này có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghệ, đặc biệt là công nghệ về các máy nhiệt.

 

 

I - NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC (NĐLH)

1. Phát biểu nguyên lý

 Nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bản loàn và chuyển hoá năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Sau đây là một trong nhiều cách phát biểu nguyên lí này.

  Độ biên thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

ΔU = A + Q      (33.1)

  Với quy ước về dấu thích hợp, biểu thức trên có thể dùng để diễn đạt các quá trình truyền và chuyển hoá năng lượng khác như vật truyền nhiệt, vật thực hiện công, vật thu nhiệt và thực hiện công...

  Có những cách quy ước về dấu của nhiệt lượng và công khác nhau. Sau đây là quy ước dùng trong sách này (Video 31.1).

Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng;

Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng;

A > 0: Hệ nhận công;

A < 0: Hệ thực hiện công.

  Ví dụ: Khi cung cấp cho chất khí trong xilanh một nhiệt lượng 120J. Chất khí nở ra đẩy pittông lên và thực hiện một công là 90J. Nội năng của khí biến thiên một lượng là bao nhiêu?

DU = Q – A = 120-90 = 30J.

Video 33.1. Quy ước về dấu của A và Q

2. Vận dụng

 Trong hệ toạ độ (p, V), quả trình này được biểu diễn bằng đường thẳng vuông gốc với trục thể tích (Video 33.2).

  Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, biểu thức của nguyên lí thứ nhất của NĐLH có dạng:

ΔU = Q

  Ý nghĩa vật lí của biểu thức trên:

  - Vì trạng thái 2 có nhiệt độ cao hơn trạng thái 1, nên để chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, chất khí phải nhận nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của chất khí tăng (ΔU > 0).

  - Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng.

Video 33.2. Qúa trình đẳng tích

II - NGUYÊN LÍ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

 Một hòn đá rơi từ trên cao xuống. Khi đó cơ năng của hòn đá chuyển hoá dần thành nội năng của hòn đá và không khí xung quanh, làm cho hòn đá và không khí xung quanh nóng lên. Trong quá trình này, năng lương được bảo toàn. Tuy nhiên hòn đá không thể tự lấy lại nội năng của mình và của không khí xung quanh để bay trở lại độ cao ban đầu mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, nghĩa là không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH. Tại sao?

1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

  a) Kéo một con lắc ra khỏi vị trí cân bảng rồi thả ra, con lắc sẽ dao động. Nếu không có ma sát thì con lắc sẽ chuyển động từ A sang B, rồi từ B tự trở về vị trí A... (Video 33.3).

  Quá trình trên là một quá trình thuận nghịch. Trong quá trình này, vật tự quay về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác. Quá trình này xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch.

  b) Một ấm nước nóng đặt ngoài không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần cho tới khi nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên ấm nước không thể tự lấy lại nhiệt lượng mình đã truyền cho không khí để trở về trạng thái ban đầu, mặc dù điều này không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Người ta nói quá trình truyền nhiệt là một quá trình không thuận nghịch.

  Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng không thể tự truyền theo chiều ngược lại từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện quá trình ngược" phải dùng một "máy làm lạnh", nghĩa là phải cần đến sự can thiệp của vật khác.

  Trong thí dụ nêu ở phần vào bài, cơ năng có thể tự chuyển hoá thành nội năng, nhưng nội năng lại không thể tự chuyển hoá thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng này cũng là quá trình không thuận nghịch.

  Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên lí thứ nhất của NĐLH.

  Như vậy, trong NĐLH nguyền lí thứ nhất chưa chỉ ra được chiều quá trình tự xảy ra.

Video 33.3. Quá trình thuận nghịch

2. Nguyên lí II nhiệt động lực học

 Nguyên lí thứ hai của NĐLH cho biết chiều mà quá trình có thể tự xảy ra hoặc không thể tự xảy ra. Sau đây là hai cách phát biểu đơn giản nhất.

a) Cách phát biểu của Clau-đi-út

  Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.

  Mệnh đề trên được Clau-đi-út (Clausius), nhà vật lí người Đức, phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí thứ hai của NĐLH. Mệnh đề này không phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng, chỉ khẳng định là điều này không thể tự xáy ra được.

b) Cách phát biểu của Cac-nô

 Chúng ta đã biết, trong động cơ nhiệt chỉ có một phần nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp được chuyển thành công cơ học, còn một phần được truyền cho môi trường bên ngoài. Cac-nô (Carnot), nhà vật lí người Pháp, đã khái quát hoá hiện tượng trên trong mệnh đề:

  Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.

  Chú ý: Người ta có thể chứng minh được hai cách phái biểu trên của nguyên lí thứ hai của NĐLH là tương đương.

3. Vận dụng

 Nguyên lí thứ hai của NĐLH giải thích được một số hiện tượng trong đời sống kĩ thuật như động cơ nhiệt, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ,...

  Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó nội năng được chuyển hoá một phần thành cơ năng.

  Theo nguyên lí II, mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản là:

  + Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng (Q1).

  + Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công (A) gọi là tác nhân và các thiết bị phát động.

  + Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân toả ra (Q2).

® Khi đó hiệu suất của động cơ nhiệt là:

 

  trong đó, với Q1 là nhiệt lượng của nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng của nguồn lạnh.

  Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 100%. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học.

 

 

Hình 33.1. Minh hoạ động cơ nhiệt

 

1. Giải thích vì sao hiệu suất động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 100%?

 

-   Các động cơ nhiệt cơ nhiệt gây ô nhiễm môi trường: ô nhiễm không khí, ô nhiễm tiếng ồn; “ô nhiễm nhiệt”,…

-   Chất frêôn thoát ra từ các máy làm lạnh phá huỷ tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.

Video 33.3. Tư liệu về hiệu ứng nhà kính

 

 

 

Quá trình không thuận nghịch là quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại.

Nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học:
Cách phát biểu 1: Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.
Cách phát biểu 2: Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.

 

Câu 1. Thế nào là quá trình không thuận nghịch? Sự khác biệt cơ bản giữa quá trình không thuận nghịch và quá trình thuận nghịch là ở điểm nào?

Câu 2. Phát biểu hai nguyên lí của NĐLH.

   

 

 

33. 1. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để được một câu có nội dung đúng.

1. Nguyên lí NĐLH là

a)  nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.

2. Q > 0

b) khi vật thực hiện công lên vật khác.

3. Q < 0        

c) DU = Q.

4. A > 0

d) khi vật nhận nhiệt từ vật khác.

5. A < 0

đ) khi vật nhận được công từ vật khác.

6. Hệ thức của nguyên lí I NĐLH trong quá trình đẳng tích là

e) khi vật truyền nhiệt cho vật khác.

7. Hệ thức của nguyên lí I NĐLH trong quá trình vật không trao đổi nhiệt với các vật khác là

g) độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.

8. Nguyên lí II NĐLH là

h) DU = A.

33.2. Ta có DU = Q – A , với DU là độ tăng nội năng, Q là nhiệt lượng vật nhận được , – A là công vật thực hiện được. Hỏi khi vật thực hiện một quá trình đẳng áp thì điều nào sau đây là đúng?

A. Q phải bằng 0.

B. A phải băng.

C. DU phải bằan g0.

D. Cả Q, A và DU đều phải khác 0.

33.3. Hình 33.1 biểu diễn một quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng. Hỏi trong quá trình này Q , A và DU phải có giá trị như thế nào?

A. DU > 0 ; Q = 0 ; A > 0.

B. DU = 0 ; Q > 0 ; A < 0.

C. DU = 0 ; Q < 0 ; A > 0.

D. DU < 0 ; Q > 0 ; A < 0.

33.4. Cho hai vật x và y tiếp xúc nhau. Nhiệt chỉ truyền từ x sang y khi:

1. Động năng trung bình của các phân tử trong x lớn hơn trong y.

2. Khối lượng của x lớn hơn của y.

3. Nhiệt độ của x lớn hơn của y.

4. Nhiệt độ của x nhỏ hơn của y.

5. Chỉ khi nội năng của x lớn hơn của y.

Trong các câu trả lời trên, câu nào đúng?

A. Câu 5.

B. Câu 2 và câu 4.

C. Câu 1 và câu 3.

D. Câu 1 và câu 4.

33.5. Câu nào sau đây nói về sự truyền nhiệt là không đúng?

A. Nhiệt vẫn có thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.

B. Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.

C. Nhiệt có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn.

D. Nhiệt có thể tự truyền giữa hai vật có cùng nhiệt độ.

33.6. Các câu sau đây, câu nào đúng , câu nào sai?

1. Nhiệt không thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn.

2. Cơ năng có thể tự chuyển hóa thành nội năng.

3. Động cơ nhiệt chỉ có thể chuyển hóa một phần nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.

4. Khi nói, động cơ nhiệt chỉ chuyển hóa một phần nhiệt lượng nhận được thành công cơ học là đã vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.

5. Quá trình truyền nhiệt là quá trình thuận nghịch.

33.7. Mộ lượng không khí nóng được chứa trong một xilanh cách nhiệt đặt nằm ngang có pit – tông có thể dịch chuyển được. Không khí nóng dãn nở đẩy pit – tông dịch chuyển.

a) Nếu không khí nóng thực hiện một công có độ lớn là 4000 J, thì nội năng của nó biến thiên một lượng bằng bao nhiêu ?

b) Giả sử không khí nhận thêm được nhiệt lượng 10000 J và công thực hiện thêm được một lượng là 1500 J. Hỏi nội năng của không khí biến thiên một lượng bằng bao nhiêu?

33.8*. Một lượng khí lí tưởng chứa trong một xilanh có pit – tông chuyển động được. Các thông số trạng thái ban đầu của khí là 0,010 m3 ; 100 kPa ; 300 K. Khí được làm lạnh theo một quá trình đẳng áp tới khi thể tích còn là 0,006 m3.

a) Vẽ đường biểu diễn quá trình biến đổi trạng thái trong hệ tọa độ (p,V).

b) Xác định nhiệt độ cuối cùng của khí.

c) Tính công của chất khí.

33.9*. Người ta cung cấp nhiệt lượng 1,5 J cho chất khí đựng trong một xilanh đặt nằm ngang. Chất khí nở ra, đẩy pit –tông đi một đoạn 5 cm. Tính độ biến thiên nội năng của chất khí. Biết lực ma sát giữa pit – tông và xilanh có độ lớn là 20 N.

33.10. Dù nhiệt độ của không khí rất nóng vẫn có thể làm mát một quả dưa chuột bằng cách bọc quả dưa vào một khăn ướt rồi đặt trước một quạt máy đang chạy. Điều này có vi phạm nguyên lí II NĐLH không? Tại sao?

33.11. Hãy chứng minh rằng mệnh đề sau đây cũng là một cách phát biểu của nguyên lí II NĐLH :

“Không thể chế tạo được động cơ nhiệt hoạt động chỉ với một nguồn nhiệt”.

 

 

Nguyên nhân sản sinh ra các chất ô nhiễm môi trường trong động cơ đốt trong

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxit carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai động cơ có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong khí xả động cơ xăng.

Những tạp chất, đặt biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường xăng thương mại có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4. Mặt khác, để tăng tính chống kích nổ cuả nhiên liệu, người ta pha thêm Thetraetyle chì Pb(C2H5)4 vào xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra khí xả, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực thành phố có mật độ giao thông cao.

Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm cuả động cơ là hệ số dư lượng không khí . Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí >1, động cơ làm việc với hổn hợp nghèo có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn. Tuy nhiên, nếu hổn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm gia tăng nồng độ hydrocarbure HC.

Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặt biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng.

Nói chung tất cả thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.

Ô nhiễm môi trường gây tổn hại lớn đến sức khỏe con người và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái.

 

 

 

http://hocmai.vn/mod/quiz/view.php?id=9743

ÔN TẬP CHƯƠNG VI