Bài viết về chu trình động cơ Carnot
Để tìm ra cách tăng hiệu suất của động cơ nhiệt, một nhà khoa học người Pháp tên là Sadi Carnot (1796-1832) đã nghiên cứu lý thuyết về động cơ nhiệt lý tưởng vào năm 1824. Vào thời điểm đó, định luật thứ nhất của nhiệt động lực học chưa được hình thành, cũng như định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Định luật thứ nhất chưa được hình thành vì các nhà khoa học chưa biết rằng nhiệt là năng lượng. Sau khi Joule và các cộng sự tiến hành các thí nghiệm vào những năm 1830, các nhà khoa học mới biết chắc chắn rằng nhiệt là năng lượng được truyền do sự khác biệt về nhiệt độ. Vì vậy, định luật thứ nhất của nhiệt động lực học được hình thành sau năm 1830. Sadi Carnot đã nghiên cứu lý thuyết về động cơ nhiệt lý tưởng vào năm 1824. Nghiên cứu của ông thực chất là để tăng hiệu suất của các động cơ hơi nước đang được sử dụng vào thời điểm đó. Hầu hết các động cơ hơi nước vào thời điểm đó đều kém hiệu quả.
Chu trình trong động cơ nhiệt lý tưởng, được phát triển bởi Sadi Carnot, được gọi là chu trình Carnot. Trước khi xem xét chu trình Carnot, điều hữu ích là hiểu về các quá trình không thuận nghịch. Mọi quá trình chuyển hóa và truyền năng lượng tự nhiên thường là không thuận nghịch. Ví dụ, nếu chúng ta xoa hai tay vào nhau, chúng ta sẽ cảm thấy ấm. Trong trường hợp này, nhiệt được tạo ra thông qua công việc chúng ta thực hiện. Quá trình này là không thuận nghịch. Nhiệt lượng được tạo ra không thể tự thực hiện công việc bằng cách xoa hai tay vào nhau. Mục tiêu của động cơ nhiệt là đảo ngược một phần quá trình này, trong đó nhiệt có thể được sử dụng để thực hiện công việc với hiệu suất cao nhất có thể. Để động cơ nhiệt đạt được hiệu suất tối đa, chúng ta phải tránh tất cả các quá trình không thuận nghịch. Sự truyền nhiệt tự nhiên thường là không thuận nghịch, do đó người ta nỗ lực ngăn chặn sự truyền nhiệt.
Khi động cơ hấp thụ nhiệt QH ở những nơi có nhiệt độ cao (T)H), chất làm việc trong máy cũng phải ở nhiệt độ T.HTương tự, nếu động cơ loại bỏ nhiệt QL ở những nơi có nhiệt độ thấp (T)L), chất làm việc trong máy cũng phải ở nhiệt độ T.LVì vậy, mọi quá trình liên quan đến truyền nhiệt đều phải là đẳng nhiệt (cùng nhiệt độ). Ngược lại, nếu nhiệt độ của chất làm việc trong động cơ nằm trong khoảng TH và TLKhông được có sự truyền nhiệt giữa máy và nơi có nhiệt độ T.H (nguồn cung cấp nhiệt) và một nơi có nhiệt độ TL (xử lý). Để nhiệt không thoát ra ngoài, quá trình phải được thực hiện theo phương pháp đoạn nhiệt.
Chu trình Carnot thực chất bao gồm hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch và hai quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.
Hình bên phải thể hiện chu trình Carnot của khí lý tưởng. Ban đầu, nhiệt được hấp thụ trong quá trình giãn nở đẳng nhiệt (a-b). Trong quá trình giãn nở đẳng nhiệt, nhiệt độ của khí trong xi lanh được giữ không đổi.
Tiếp theo, khí giãn nở đoạn nhiệt sao cho nhiệt độ giảm từ T<sub> H </sub> xuống T<sub> L</sub> (b-c). T <sub>H</sub> = nhiệt độ cao, T<sub> L</sub> = nhiệt độ thấp. Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt, không có nhiệt lượng đi vào hoặc đi ra khỏi xi lanh. Sau đó, khí được nén đẳng nhiệt (c-d). Trong quá trình nén đẳng nhiệt, nhiệt độ của khí được giữ không đổi. Tiếp theo, khí được nén đoạn nhiệt (d-a). Vì được nén đoạn nhiệt, nhiệt độ của khí tăng lên. Nhiệt độ khí tăng lên nên áp suất khí cũng tăng lên. Tất cả các quá trình trong chu trình Carnot đều thuận nghịch.
Trong quá trình giãn nở và nén đẳng nhiệt, nhiệt độ của khí được giữ không đổi. Mục tiêu là tránh sự chênh lệch nhiệt độ. Sự chênh lệch nhiệt độ có thể gây ra sự truyền nhiệt (một quá trình không thuận nghịch). Để quá trình đẳng nhiệt xảy ra (giữ nhiệt độ khí không đổi), khí phải được giãn nở hoặc nén chậm. Trên thực tế, sự giãn nở hoặc nén của khí xảy ra nhanh hơn. Điều này là do sự nhiễu loạn (hãy nhớ lại chủ đề động lực học chất lỏng), ma sát, độ nhớt, v.v. Do đó, một quá trình đẳng nhiệt hoàn hảo sẽ không bao giờ tồn tại. Thay vào đó, sự giãn nở và nén đoạn nhiệt xảy ra nhanh chóng.
Mục tiêu là ngăn nhiệt truyền vào hoặc ra khỏi xi lanh. Ma sát, độ nhớt và các yếu tố khác ngăn cản sự giãn nở và nén đoạn nhiệt hoàn hảo. Điều quan trọng cần lưu ý là động cơ Carnot hoàn toàn chỉ là lý thuyết; nó không tồn tại trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Mặc dù chỉ là lý thuyết, động cơ Carnot đóng góp đáng kể vào sự phát triển của nhiệt động lực học. Ít nhất, chúng ta có thể xác định bất kỳ quá trình không thuận nghịch nào có thể xảy ra trong quá trình này và cố gắng giảm thiểu chúng, từ đó tối đa hóa hiệu suất của động cơ nhiệt mà chúng ta thiết kế.
Một kết quả rất quan trọng của động cơ Carnot là đối với một động cơ nhiệt hoàn hảo, nhiệt lượng nhận được (Q<sub> H</sub> ) tỷ lệ thuận với nhiệt độ T<sub> H</sub> và nhiệt lượng thải ra (Q<sub> L </sub> ) tỷ lệ thuận với nhiệt độ T<sub> L</sub> . Do đó, hiệu suất của một động cơ nhiệt hoàn hảo là:
Ví dụ câu hỏi 1:
Một động cơ hơi nước hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 500 ° C đến 300 ° C. Hãy xác định hiệu suất lý tưởng (hiệu suất Carnot) của động cơ hơi nước đó.
Cuộc thảo luận
Nhiệt độ cần được chuyển đổi sang thang đo Kelvin.
T H (nhiệt độ cao) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
T L (nhiệt độ thấp) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
Hiệu suất lý tưởng hay hiệu suất của một động cơ nhiệt hoàn hảo hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 500 ° C đến 300 ° C là 26%. Nếu động cơ chúng ta sử dụng hàng ngày hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 500 ° C đến 300 ° C, hiệu suất tối đa mà động cơ có thể đạt được thường chỉ bằng khoảng 0,7 lần hiệu suất lý tưởng (18,2%).
Ví dụ câu hỏi 2:
Một động cơ nhiệt nhận 600 Jun nhiệt lượng (Q) ở nhiệt độ 300 ° C, thực hiện 100 Jun công (W) và thải ra 500 Jun nhiệt lượng ở nhiệt độ 100 ° C. Xác định hiệu suất thực tế và hiệu suất lý tưởng (hiệu suất Carnot) của động cơ này...
Cuộc thảo luận
Nhiệt độ cần được chuyển đổi sang thang đo Kelvin.
T H (nhiệt độ cao) = 300 o C ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
T L (nhiệt độ thấp) = 100 o C ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
Q H = 600 J
Q L = 500 J
Hiệu suất động cơ:
Hiệu suất lý tưởng hay hiệu suất của một động cơ nhiệt hoàn hảo hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 300 ° C đến 100 ° C là 35%. Hiệu suất tối đa mà động cơ có thể đạt được thường vào khoảng 0,7 lần hiệu suất lý tưởng = 0,7 x 35% = 24,5% (24,5% x 600 J = 147 J nhiệt lượng có thể được sử dụng để thực hiện công).
Hiệu suất thực tế của động cơ này là 17% (chỉ có 100 J nhiệt được sử dụng để thực hiện công). Vẫn còn khoảng 147 J – 100 J = 47 J nhiệt có thể được sử dụng để thực hiện công. Sẽ tốt hơn nếu hiệu suất của động cơ này có thể được tăng lên để giảm thiểu tổn thất nhiệt.
Ví dụ câu hỏi 3:
Một máy nhận 1000 Jun nhiệt lượng và sinh ra 400 Jun công trong mỗi chu kỳ. Máy này hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 500 ° C đến 200 ° C. Hiệu suất thực tế và hiệu suất lý tưởng của máy này là bao nhiêu?
Cuộc thảo luận
T H (nhiệt độ cao) = 500 o C ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
T L (nhiệt độ thấp) = 200 o C ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
Q H = 1000 J
Q L = 400 J
Hiệu suất động cơ:
Hiệu suất lý tưởng của máy này là:
Hiệu suất lý tưởng, hay còn gọi là hiệu suất Carnot, là 40%. Hiệu suất thực tế của động cơ là 60%. Loại động cơ như vậy không tồn tại. Không thể có động cơ nào có hiệu suất vượt quá hiệu suất Carnot.
Ví dụ câu hỏi 4:
Để hiệu suất của động cơ Carnot đạt 100% (1), nhiệt độ khí thải (TL ) cần thiết là bao nhiêu?
Cuộc thảo luận
Để hiệu suất của một động cơ nhiệt lý tưởng đạt 100% (toàn bộ nhiệt lượng đầu vào có thể được sử dụng để thực hiện công), nhiệt độ khí thải (TL ) phải bằng 0 Kelvin.
Việc đạt đến nhiệt độ 0 Kelvin là điều không thể. Đây là định luật thứ ba của nhiệt động lực học.
Vì nhiệt độ 0 Kelvin là không thể đạt được, nên một động cơ nhiệt hoàn hảo không thể có hiệu suất 100%. Ngay cả một động cơ nhiệt hoàn hảo cũng không thể đạt hiệu suất 100%, huống chi là các động cơ nhiệt mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.
Vì động cơ nhiệt không thể đạt hiệu suất 100%, ta có thể kết luận rằng không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng đầu vào (Q H ) để thực hiện công việc. Phải có một lượng nhiệt bị mất đi (Q L ).
Động cơ nhiệt (hoạt động theo chu trình) không thể chuyển hóa toàn bộ nhiệt năng thành công (Định luật thứ hai của nhiệt động lực học – phát biểu Kelvin-Planck).
Đoạn văn in đậm và in nghiêng phía trên là một phát biểu đặc biệt của định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Nó được gọi là phát biểu đặc biệt vì nó chỉ áp dụng cho động cơ nhiệt. Vì Kelvin và Planck đã xây dựng nên nó, nên nó cũng được gọi là phát biểu Kelvin-Planck. Hãy chú ý đến sự xuất hiện của từ "chu trình" trong phát biểu trên. Chu trình là một quá trình xảy ra lặp đi lặp lại. Vì vậy, động cơ nhiệt hoạt động liên tục. Từ "chu trình" được thêm vào vì trên thực tế, tất cả nhiệt năng có thể được chuyển hóa thành công nếu quá trình chỉ xảy ra một lần.
Trong định luật nhiệt động lực học thứ nhất, một số quá trình nhiệt động lực học đã được giải thích, bao gồm các quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích và đoạn nhiệt. Trong một quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng có thể được chuyển hóa thành công (Q = W). Điều này có thể xảy ra nếu quá trình chỉ diễn ra trong một giai đoạn. Quan sát hình ảnh bên dưới:
Đồ thị này thể hiện một quá trình đẳng nhiệt (giãn nở đẳng nhiệt) diễn ra trong một bước duy nhất. Trong quá trình này, toàn bộ nhiệt lượng (Q) được chuyển hóa thành công (W). Lượng công thực hiện bằng diện tích phần tô đậm.
Để có ích, động cơ nhiệt phải hoạt động liên tục (quá trình phải diễn ra lặp đi lặp lại, không chỉ trong một giai đoạn). Ví dụ, động cơ hơi nước kiểu piston. Piston trong động cơ hơi nước kiểu piston phải chuyển động liên tục sang phải và sang trái để bánh xe có thể quay (có thể được sử dụng để di chuyển vật gì đó). Bánh xe không thể quay nếu piston chỉ chuyển động sang phải, sau đó dừng lại (quá trình chỉ diễn ra trong một giai đoạn). Nếu quá trình diễn ra lặp đi lặp lại (piston chuyển động liên tục sang phải và sang trái), thì không thể chuyển hóa toàn bộ nhiệt lượng thành công (định luật Kelvin-Planck). Ví dụ, hãy xem xét quá trình đẳng nhiệt được thể hiện trong đồ thị ở trên.
Đồ thị bên trái thể hiện sự giãn nở đẳng nhiệt (mũi tên hướng xuống) và sự nén đẳng nhiệt (mũi tên hướng lên). Quá trình này diễn ra liên tục ở trạng thái đẳng nhiệt (không sinh công). Đồ thị bên phải thể hiện sự giãn nở đẳng nhiệt (mũi tên hướng xuống), sự nén đẳng áp (mũi tên hướng lên) và quá trình đẳng tích (mũi tên hướng lên). Từ hai đồ thị này, rõ ràng là đối với các quá trình diễn ra liên tục (chu trình), luôn có sự mất nhiệt. Điều này phù hợp với phát biểu Kelvin-Planck trước đó.
