Chơng 9
Nguyên lý thứ hai nhiệt động
lực học
Bi giảng Vật lý đại cơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Trờng ĐH Bách khoa H nội
Đ1.Những hạn chế của nguyên lý thứ I NĐLH
Không xác định chiều truyền tự nhiên củanhiệt:
Nhiệt truyền tự nhiên từ vật nóng hơn sang vật
lạnh hơn. Không có quá trình tự nhiên ngợc lại.
Không xác định chiều chuyển hoá tự nhiên của
năng lợng: Thế năng tự nhiên biến thnh động
năng rồi thnh nhiệt toả ra,
Không có quá trình tự nhiên ngợc lại:
Nhiệt Động năng Thế năng.
Tuy nhiên các quá trình ngợc lại trên đều
thoả mãn nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học
Không đánh giá đợc chất lợng nhiệt
Không phân biệt khác nhau giữa công v nhiệt.
Đ2. Quá trình thuận nghịch v quá trình
không thuận nghịch
1. Định nghĩa
a. Quá trình A->B ->A l thuận
nghịch nếu quá trình ngợc B ->A
hệ cũng đi
p A
B
V
qua các trạng thái trung gian nh trong quá trình
thuận A ->B; Suy ra:

• Cã mÊy nguån nhiÖt ?
•Cãph¶ilμ mét®éngc¬?
nguån
nãng
nguån l¹nh
§3.Nguyªn lý thø hai nhiÖt ®éng lùc häc
•Khinμo nã chÊm døt ho¹t ®éng ?
1. §éng c¬ nhiÖt: M¸y
biÕn nhiÖt thμnh c«ng: §C h¬i
n−íc, §C ®èt trong.
Nguån l¹nh
T
2
HiÖu suÊt cña ®éng c¬ nhiÖt:
Sau mét chu tr×nh: ΔU=-A’+Q
1
-Q’
2
=0
-> A’= Q
1
-Q’
2
1
Q
'A
=η
1
,
2

c«ng: TuÇn hoμn
2. Phát biểu nguyên lý thứ hai nhiệt động
lực học
a. Phát biểu của Clausius: Nhiệt không thể tự
động truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.
b. Phát biểu của Thompson: Một động cơ không
thể sinh công, nếu nó chỉ trao đổi nhiệt với một
nguồn nhiệt duy nhất.
c. ý nghĩa: Không thể chế tạo đợc động cơ
vĩnh cửu loại hai: lấy nhiệt chỉ từ 1 nguồn (T
thấp nh nớc biển) để sinh công.
Chất lợng nhiệt: T cng cao, chất lợng cng
cao
Đ4. Chu trình Carnot
p
Giãn đoạn nhiệt:23, Nhiệt độ giảm T
1
T
2
Nén đẳng nhiệt: T
2
= const, 3 4, thải
Q
2
(lm nguội)
1. Chu Trình Carnot thuận
nghịch gồm 4 quá trình TN:
Giãn đẳng nhiệt: T
1
=const,

V
4
T
1
T
2
1
2
3
4
1
1
2
3
4
Chu Tr×nh Carnot
thuËn nghÞch
Chu Tr×nh trong
®éng c¬ h¬i n−íc
T
1
→T
2
Q
1
,T
1
Q’
2
,T


Giãn đăng nhiệt 1 2 có:
1
2
11
V
V
lnRT
m
Q

=
4
3
22
3
4
222
V
V
lnRT
m
'Q
V
V
lnRT
m
Q'Q
μ
=⇒

1
γ-1
=T
2
V
4
γ-1
1
2
4
3
V
V
V
V
=
☛ HiÖu suÊt chu tr×nh Carnot TN víi t¸c nh©n lμ
khÝ lý t−ëng chØ phô thuéc vμo nhiÖt ®é nguån
nãng vμ nguån l¹nh.
NÐn ®¼ng nhiÖt 3 → 4 cã:
1
2
c
T
T
1 −=η⇒
2
'
1
22

<
TN
T
1
nóng
Lạnh T
2
I II
Ta có:A
I
-A
II
=A>0 => I+II = động cơ vĩnh cửu.
Cũng tơng tự khi
I
<
II
. Vô lý. Vậy:
I
=
II
c. Chứng minh
KTN
<
TN
:
Giả sử II l KTN ngoi nhiệt nhả cho nguồn lạnh còn
nhiệt vô ích
b. Chứng minh
I

'A'AQQ ><>
Ghép hai động cơ với nhau, động cơ II chạy theo chiều
ngợc: nhận công A
II
từ động cơ I, nhận nhiệt từ
nguồn lạnh T
2
, thải nhiệt vo nguồn nóng T
1
.
III
,
I2
,
II2
QQ <>
Hiệu suất của động cơ thuận nghịch bất kì luôn
nhỏ hơn hiệu suất của động cơ đó chạy theo chu
trình carnot thuận nghịch với cùng 2 nguồn nhiệt
v tác nhân:
KTN
<
TN
<
TNCarnot
1
2
1
2
T

max
0,21 0,56 0,73 0,77 0,81
b. Nhiệt không thể biến hontonthnh công:
A
max
=
max
.Q
1
=> A
max
<Q
1.
c. Phơng hớng nâng cao HS động cơ nhiệt:
Tăng T (T
1
&T
2
); Giảm ma sát
d. Chất lợng nguồn nhiệt: Nguồn nhiệt có nhiệt
độ cao hơn thì chất lợng tốt hơn.
Với T
2
=293K
Đ6. Biểu thức định lợng (Toán học) của
nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học
1. Đối với chu trình Carnot:
1
2
1

,Q
1
T
2
,Q
2
1
2
1
2
T
T
Q
'Q

Tích phân Clausius đối với một chu trình
không thể lớn hơn không.


T
Q
Đây l biểu thức định lợng của nguyên lý hai
NĐLH đợc gọi l Bất đẳng thức Clausius:
2. Đối với chu trình nhiều nguồn nhiệt Q
1
,
Q
2
, Q
n

0
T
Q
T
Q
hay 0
T
Q
T
Q
1b22a11b2a1

=

+

=

=

QT thuận
nghịch:


=

2b12a1
T
Q
T

- gi¸ trÞ tÝch ph©n Clausius t¹i c¸c tr¹ng
th¸i 1, 2.
→ S -Hμm entr«pi cña hÖ.
S lμ hμm tr¹ng th¸i
→ vi ph©n toμn phÇn:
SSS
T
Q
12
2x1
Δ=−=
δ
∫
∫
δ
+=→
δ
=
S
S
0
0
T
Q
SS
T
Q
dS
2. Hμmentr«pi:
S


+

<


3. Nguyên lý tăng entrôpi:
Quá trình không thuận nghịch
0
2b1
T
Q
2a1
T
Q
<

+



Đối với quá trình
không thuận nghịch:
0Q
=

Nguyênlýtăngentrôpi:
Tronghệcôlập
Quá trình Th nghịch: S=0 (entrôpi không đổi)
Quá trình không Th ngh: S>0 (entrôpi tăng)


=+=
Vật nhận nhiệt (2) phải có nhiệt T
2
độ thấp
hơn: T
1
>T
2
Nguyênlýtăngentrôpitơng đơng với
nguyên lý 2 nhiệt động lực học
* Hệ gồm 2 vật với T
1
v T
2
:
Q
2
-Vật 2 nhận
Q
1
=-Q
2
<0 vật 1 thải
Ví dụ
2
2
1
2
T

2
nguồn lạnh nhận S
2
=

+

12
SS
1
2
1
21
T
T
1
Q
'A
QQ'A =

==
max

4. Thuyết chết nhiệt vũ trụ v sai
lầm của nó:
* Clausius coi vũ trụ l hệ cô lập v áp dụng
nguyên lý 2 cho ton vũ trụ: Khi S tăng đến cực
đại vũ trụ ở trạng thái cân bằng-> chết
1
1

vụ nổ Big Bang: entrôpi tăng đúng theo nguyên
lý 2.