Bài giảng Sinh-Sinh lý - Bài 4: Entropy và nguyên tăng entropy

Nội dung text: Bài giảng Sinh-Sinh lý - Bài 4: Entropy và nguyên tăng entropy

1. HỌC VIỆN Y – DƯỢC HỌC CỔ TRUYỀN VIỆT NAM BỘ MÔN SINH – LÝ SINH Bài 4 ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ TĂNG ENTROPY Giảng viên: ThS Nguyễn Khắc Điền Email: nguyenkhacdien@gmail.com Điện thoại: 0904005714
2. NỘI DUNG BÀI GIẢNG I. Biểu thức định lượng của Nguyên lý thứ II. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. III. Entropy và nguyên lý thứ II của nhiệt động. V. Ý nghĩa của entropy. VI. Bài tập trắc nghiệm.
3. I. Biểu thức định lượng của Nguyên lý thứ II. Từ các biểu thức về hiệu suất của động cơ nhiệt và động cơ Carnot ta có: Tổng đại số của đại lượng Q/T trong chu trình Carnot là bằng không.
4. I. Biểu thức định lượng của Nguyên lý thứ II. XétTừ cácmộtbiểuchuthứctrìnhvềthuậnhiệunghịchsuất củabấtđộngkỳ. cơ nhiệt và độngP cơ Carnot ta có: P V V MộtTổngchuđạitrìnhsốthuậncủanghịchđạibấtlượngCácQ/Tcặp haitrongđườngchuđẳngtrìnhnhiệt kỳCarnotcó thểlàcoibằngnhưkhôngđược .tạo được thực hiện hai lần theo hai thành từ một số rất lớn các chu chiều ngược nhau nên khử trình Carnot nguyên tố. nhau.
5. I. Biểu thức định lượng của Nguyên lý thứ II. Xét một chu trình thuận nghịch bất kỳ. P P V V Một chu trình thuận nghịch bất Các cặp hai đường đẳng nhiệt kỳ có thể coi như được tạo được thực hiện hai lần theo hai thành từ một số rất lớn các chu chiều ngược nhau nên khử trình Carnot nguyên tố. nhau.
6. I. Biểu thức định lượng của Nguyên lý thứ II. Xét một chu trình thuận nghịch bất kỳ. TổngP đại số của đại lượng Q/TP bằng không trong các chu trình thuận nghịch bất kỳ. Nếu chu trình không thuận nghịch thì: Biểu thức định lượngV tổng quát của nguyên lý VII:
7. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 1. Hàm entropy. Điều kiện chứng tỏ một đại lượng x nào đó là biến số trạng thái là: dQ/T là vi phân của một hàm trạng thái nào đó, hàm mới này gọi là entropy của một hệ và ký hiệu là chữ S Trong hệ SI đơn vị của entropy là J/K
8. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 1. Hàm entropy. XétĐiềumộtkiệnchuchứngtrìnhtỏ mộtthuậnđại lượng x nào đó là biến nghịchsố trạngđượcthái làtạo: thành từ hai quá trình thuận nghịch a1b và b2a dQ/T là vi phân của một hàm trạng thái nào đó, hàm mới này gọi là entropy của một hệ và ký hiệu là chữ S Trong hệ SI đơn vị của entropy là J/K
9. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 1. Hàm entropy. Xét một chu trình thuận nghịch được tạo thành từ hai quá trình thuận nghịch a1b và b2a Độ biến thiên entropy chỉ phụ thuộc vào entropy của trạng thái đầu a và trạng thái cuối b của hệ.
10. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 1. Hàm entropy. Entropy của một trạng thái có thể xác định sai kém nhau một hằng số. Độ biến thiên entropy chỉ phụ thuộc vào entropy của trạng thái đầu a và trạng thái cuối b của hệ.
11. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trình thuận nghịch (quá trình không có ma sát). Entropy của hệ có thể tăng, giảm hoặc không đổi. Nhưng entropy của hệ cộng môi trường giữ nguyên không đổi.
12. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trìnhtrìnhkhôngthuậnthuậnnghịchnghịch(quá. trình không có ma sát). Ví dụ: Xét sự dãn nở của khí lý tưởng vào chân không trong bình cách nhiệt. Khí dãn nở vào chân không nên A = 0. BìnhEntropycáchcủanhiệthệ cóvớithểmôităng,trườnggiảmnênhoặcQ =không0 đổi. VậyNhưng: ∆Sentropy= 0. của hệ cộng môi trường giữ Kếtnguyênluậnkhôngnày saiđổivì. đối với quá trình không thuận nghịch, biến thiên entropy không thể bằng không.
13. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trình không thuận nghịch. Ví dụ: Xét sự dãn nở của khí lý tưởng vào chân không trong bình cách nhiệt. KhíTheodãnnguyênnở vàokýchânthứ nhấtkhôngA =nên0; AQ == 00. ∆U = 0 TínhBình cáchsự biếnnhiệtthiênvới môicủatrườngentropynêntrongQ = 0quá trình thuậnVậy: ∆nghịchS = 0. nào đó có trạng thái đầu và trạng thái cuốiKết luậntrùngnàyvớisaitrạngvì đốitháivớiđầuquávà trạngtrình tháikhôngcuốithuậncủa quánghịch,trìnhbiếndãnthiênkhí vàoentropychânkhôngkhông.thể bằng không.
14. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trình không thuận nghịch. Ví dụ: Xét sự dãn nở của khí lý tưởng vào chân không trong bình cách nhiệt. Theo nguyên ký thứ nhất A = 0; Q = 0 ∆U = 0 Tính∆U = sự0 (quábiến thiên của entropy trong quá trình thuậntrình nàynghịchlà nào đó có trạng thái đầu và trạng thái cuốiquá trìnhtrùngđẳngvới trạng thái đầu và trạng thái cuối của nhiệt) quá trình dãn khí vào chân không.
15. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trình không thuận nghịch. Ví dụ: Xét sự dãn nở của khí lý tưởng vào chân ∆khôngU = 0trong vậy Qbình = A,cách do đó:nhiệt. Theo nguyên ký thứ nhất A = 0; Q = 0 ∆U = 0 Công sinh ra trong quá trình đẳng nhiệt: ∆U = 0 (quá trình này là quá trình đẳng nhiệt)
16. II. Hàm entropy và nguyên lý tăng entropy. 2. Nguyên lý tăng entropy. Quá trình không thuận nghịch. ∆U = 0 vậy Q = A, do đó: VìCôngVb sinh> Va ,ranên trongentropy quá trìnhtăng đẳng nhiệt: Phát biểu nguyên lý: Với quá trịnh nhiệt động thực tế xảy ra trong một hệ cô lập, entropy của hệ luôn luôn tăng.
17. III. Entropy và nguyên lý thứ II của nhiệt động. Theo phát biểu của Thomson về nguyên lý II: Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai. Giả sử tồn tại động cơ vĩnh cửu loại hai: Vì vậy tác nhân của động cơ chỉ nhận nhiệt từ một nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt này chính là môi trường của hệ. Entropy của môi trường giảm sau một chu kỳ. Điều này trái với nguyên lý tăng entropy.
18. III. Entropy và nguyên lý thứ II của nhiệt động. Theo phát biểu của ThomsonClausius vềvềnguyênnguyênlýlýIIII:: NhiệtKhôngkhôngthể chếthểtạotự đượctruyềnđộngtừ vậtcơ lạnhvĩnh sangcửu loạivật nónghai. hơn mà không kèm theo sự biến đổi nào cả. Giả sử tồn tại máyđộnglạnhcơ vĩnhvĩnhcửucửuloại: hai: ĐốiVì vậyvớitácmáynhânlàmcủalạnhđộngvĩnhcơcửuchỉ môinhậntrườngnhiệt từlàmộthai nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt này chính là môi trường nguồn nhiệt T1 và T2. Sự biến thiên entropy của môicủa hệtrường. Entropylà: của môi trường giảm sau một chu kỳ. Điều này trái với nguyên lý tăng entropy.
19. III. Entropy và nguyên lý thứ II của nhiệt động. Theo phát biểu của Clausius về nguyên lý II: Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn mà không kèm theo sự biến đổi nào cả. Giả sử tồn tại máy lạnh vĩnh cửu: Đối với máy làm lạnh vĩnh cửu môi trường là hai nguồn nhiệt T1 và T2. Sự biến thiên entropy của Vì T1 > T2 nên ∆S < 0. Điều này cũng trái với nguyênmôi trườnglý tănglà: entropy.
20. III. Entropy và nguyên lý thứ II của nhiệt động. TheoNguyênphátlý haibiểucócủathểClausiusphát biểuvềtheonguyêncáchlýkhácII: : EntropyNhiệt khôngcủa hệthểcộngtự truyềnmôi trườngtừ vậthoặclạnhgiữsangkhôngvật đổinónghoặchơntăngmà khôngkhi cókèmquátheotrìnhsựnhiệtbiến đổiđộngnàođưacảhệ. từ một trạng thái cân bằng này đến một trạng thái cân bằng khác. Vì T1 > T2 nên ∆S < 0. Điều này cũng trái với nguyên lý tăng entropy.
21. IV. Ý nghĩa của entropy. Entropy là đại lượng chỉ hướng của thời gian. Năng lượng của vũ trụ không thay đổi. Entropy của vũ trụ luôn tăng. Entropy là thước đo mức độ hỗn độn của nguyên tử. Khi entropy tăng thì mức độ hỗn độn của nguyên tử cũng tăng.