Nhiệt động lực học và truyền nhiệt chương 7 nguyễn hữu nghĩa dịch

Chương ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG Đến phần này, tập trung nhiều vào định luật nhiệt động lực 1, định luật đòi hỏi lượng bảo tồn suốt trình Ở chương này, giới thiệu định luật nhiệt động lực học thứ hai, nhận định q trình xảy theo hướng định lượng có chất lượng số lượng Một q trình diễn không tuân thủ theo định luật nhiệt động Ở chương này, nguồn lượng dạng nhiệt năng, trình thuận nghịch không thuận nghịch, động nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt giới thiệu Sau đến phát biểu khác định luật thứ hai với thảo luận động vĩnh cửu thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học Chu trình Carnot giới thiệu phần tiếp theo, nguyên lý Carnot thảo luận Cuối cùng, động nhiệt lý tưởng Carnot, máy lạnh bơm nhiệt khảo sát Mục tiêu Mục tiêu chương là: • Giới thiệu định luật nhiệt động lực học thứ hai • Xác định q trình đáp ứng hai định luật nhiệt động lực học • Thảo luận nguồn lượng dạng nhiệt năng, q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch, động nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt • Mô tả phát biểu Kelvin - Planck Clausius định luật nhiệt động lực học thứ hai • Thảo luận khái niệm động vĩnh cửu • Áp dụng định luật nhiệt động lực thứ hai vào chu trình chu trình thiết bị • Áp dụng định luật thứ hai để phát triển thang đo nhiệt độ nhiệt động lực tuyệt đối • Mơ tả chu trình Carnot • Khảo sát ngun lý Carnot, động nhiệt lý tưởng Carnot, máy lạnh bơm nhiệt • Xác định biểu thức hiệu suất nhiệt hệ số hiệu suất cho động nhiệt thuận nghịch, bơm nhiệt, máy lạnh 7.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH LUẬT Ở chương 6, áp dụng định luật nhiệt động lực thứ nhất, hay nguyên lý bảo toàn lượng vào q trình liên quan đến hệ thống kín hở Như đề cập chương đó, lượng thơng số bảo tồn, khơng có q trình xảy mà khơng tn thủ theo định luật nhiệt động lực Vì vậy, kết luận trình muốn xảy phải tuân thủ theo định luật Tuy nhiên, giải thích thỏa mãn định luật khơng đảm bảo q trình thực tế diễn Thực tế ta thấy tách cà phê nóng để phịng lạnh bị làm lạnh xuống (Hình 7-1) Quá trình thỏa mãn định luật nhiệt động lực lượng cà phê bị với lượng nhiệt thu khơng khí xung quanh Bây khảo sát trình ngược lại - cà phê nóng trở nên nóng phịng lạnh truyền nhiệt từ khơng khí phịng Tất biết q trình không xảy Tuy nhiên, làm không vi phạm định luật nhiệt động miễn lượng lượng bị khơng khí với lượng nhiệt thu cà phê Hình 7-1 Tách cafe nóng khơng thể nóng để phịng lạnh Một ví dụ quen thuộc, khảo sát hệ thống sưởi phòng dịng điện chạy qua điện trở (Hình 7-2) Một lần nữa, định luật cho thấy điện cung cấp cho dây điện trở lượng truyền cho khơng khí phịng Bây thực q trình ngược lại Khơng có ngạc nhiên thấy nhiệt lượng cấp vào cuộn dây không tạo lượng điện tương đương với lượng điện tạo cuộn dây Hình 7-2 Nhiệt cấp vào cuộn dây không sinh điện Cuối cùng, khảo sát cấu bánh khuấy mái chèo vận hành rơi vật nặng (Hình 7-3) Các bánh khuấy mái chèo quay vật nặng rơi khuấy chất lỏng bên thùng cách nhiệt Dẫn đến, vật nặng giảm, nội chất lỏng tăng phù hợp với nguyên tắc bảo toàn lượng Tuy nhiên, trình ngược lại, nâng vật nặng cách cấp nhiệt từ chất lỏng vào bánh khuấy mái chèo, trình không xảy tự nhiên, việc tuân thủ định luật nhiệt động lực học Hình 7-3 Nhiệt cấp vào cánh khơng làm quay Hình 7-4 Quá trình diễn theo chiều định không theo chiều ngược lại Từ lập luận ta thấy trình tiến hành theo chiều định không theo chiều ngược lại (Hình 7-4) Định luật khơng đặt giới hạn chiều hướng trình, thỏa mãn định luật khơng đảm bảo q trình thực diễn Sự bất cập định luật để nhận định q trình diễn hay không khắc phục cách đưa nguyên tắc tổng thể khác, định luật nhiệt động lực học thứ hai Chúng trình bày phần sau chương trình ngược thảo luận phần khơng thỏa mãn định luật nhiệt động lực học thứ hai Sự không thỏa mãn dễ dàng phát với trợ giúp thông số, gọi entropy, xác định Chương Một q trình khơng thể xảy trừ thoả mãn hai định luật nhiệt động lực học thứ thứ hai (Hình 7-5) Hình 7-5 Quá trình phải thỏa mãn theo trình tự hai định luật nhiệt động Có nhiều phát biểu định luật nhiệt động lực học thứ hai Hai phát biểu giới thiệu thảo luận sau chương liên quan đến số thiết bị kỹ thuật hoạt động theo chu trình Ứng dụng định luật nhiệt động lực học thứ hai không bị giới hạn để xác định chiều hướng trình Tuy nhiên, định luật khẳng định lượng có chất lượng số lượng Định luật quan tâm đến số lượng lượng biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác liên quan đến chất lượng Duy trì chất lượng lượng mối quan tâm lớn cho kỹ sư định luật cung cấp phương tiện cần thiết để xác định chất lượng mức độ suy giảm lượng trình Như thảo luận chương này, lượng nhiệt độ cao chuyển đổi thành cơng nhiều hơn, có chất lượng cao so với lượng lượng nhiệt độ thấp Định luật nhiệt động lực học sử dụng để xác định giới hạn theo lý thuyết hiệu suất hệ thống kỹ thuật sử dụng thông thường, chẳng hạn động nhiệt tủ lạnh, dự đoán mức độ hồn thành phản ứng hóa học 7.2 CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG DẠNG NHIỆT NĂNG Với phát triển định luật nhiệt động lực học thứ hai, cần thiết có vật thể giả định với khả chứa nhiệt tương đối lớn (khối lượng x nhiệt dung riêng) cung cấp hấp thu lượng hữu hạn nhiệt mà không cần trải qua thay đổi nhiệt độ Vật thể gọi nguồn lượng dạng nhiệt năng, hay nguồn nhiệt Trong thực tế, vật thể lớn chứa nước đại dương, hồ, sông khơng khí khí xem nguồn nhiệt khả dự trữ nhiệt hay khối nhiệt lớn (Hình 7-6) Ví dụ bầu khí quyển, khơng ấm lên nhận tổn thất nhiệt từ tòa nhà dân cư mùa đông Tương tự vậy, lượng megajoule lượng chất thải đổ sông lớn từ nhà máy điện không gây thay đổi đáng kể nhiệt độ nước Hình 7-6 Vật thể với lượng nhiệt tương đối lớn xem nguồn lượng nhiệt Hệ thống hai pha xem nguồn nhiệt hấp thụ phát lượng lớn nhiệt trì nhiệt độ khơng đổi Một ví dụ quen thuộc khác nguồn nhiệt lò nung cơng nghiệp Nhiệt độ hầu hết lị kiểm sốt cẩn thận, chúng có khả cung cấp số lượng lớn nhiệt theo trình đẳng nhiệt Khi đó, chúng xem nguồn nhiệt Một vật thể không thiết phải lớn xem nguồn nhiệt Bất kỳ vật thể vật lý có khả chứa lượng nhiệt lớn so với lượng lượng mà cung cấp hấp thụ xem nguồn nhiệt Ví dụ, khơng khí phịng xem nguồn nhiệt theo cách phân tích tản nhiệt từ TV đặt phịng, lượng nhiệt truyền từ TV đến khơng khí phịng khơng đủ lớn để có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ khơng khí phòng Nguồn cung cấp lượng dạng nhiệt gọi nguồn hấp thụ lượng dạng nhiệt gọi tản (Hình 7-7) Nguồn nhiệt thường gọi nguồn nhiệt chúng cung cấp hấp thụ lượng dạng nhiệt Hình 7-7 Nguồn cung cấp lượng dạng nhiệt, tản hấp thu nhiệt Sự truyền nhiệt từ nguồn công nghiệp đến môi trường mối quan ngại lớn người bảo vệ môi trường kỹ sư Sự vô trách nhiệm quản lý lượng chất thải làm tăng đáng kể nhiệt độ thành phần môi trường, gây gọi nhiễm nhiệt Nếu khơng kiểm sốt tốt, nhiễm nhiệt phá vỡ nghiêm trọng sống đại dương, hồ sơng ngịi Tuy nhiên, việc thiết kế quản lý cẩn thận, lượng chất thải đổ vào vật thể lớn chứa nước sử dụng để cải thiện chất lượng sống đại dương cách giữ mức tăng nhiệt độ cục phạm vi an toàn mức chấp nhận 7.3 ĐỘNG CƠ NHIỆT Như trên, cơng dễ dàng chuyển đổi sang dạng lượng khác, chuyển đổi dạng lượng khác thành cơng khơng dễ dàng Ví dụ cơng học trục thể Hình 7-8, trước tiên chuyển đổi thành dạng nội nước Sau lượng rời khỏi nước dạng nhiệt Từ thực tế thấy cố gắng để làm ngược trình thất bại Nghĩa là, cung cấp nhiệt cho nước không làm quay trục Từ khảo sát nhiều khảo sát khác, thấy cơng chuyển đổi trực tiếp hoàn toàn thành nhiệt, nhiệt chuyển đổi thành cơng u cầu phải sử dụng số thiết bị đặc biệt Các thiết bị gọi động nhiệt Hình 7.8 Cơng chuyển hồn tồn trực tiếp thành nhiệt, q trình ngược lại khơng Các động nhiệt có nhiều dạng khác nhau, tất có đặc điểm chung sau (Hình 7-9): Nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ cao (năng lượng mặt trời, lò dầu, lò phản ứng hạt nhân, v.v) Chuyển đổi phần nhiệt thành công (thường dạng trục quay) Thải nhiệt cịn lại tản có nhiệt độ thấp (khí quyển, sơng, v.v) Hoạt động theo chu trình Hình 7.9 Phần nhiệt nhận động nhiệt chuyển thành công, phần lại bị thải tản nhiệt Động nhiệt thiết bị làm việc theo chu trình khác thường liên quan đến mơi chất đến đi, từ nhiệt truyền theo chu trình Mơi chất gọi mơi chất cơng tác Thuật ngữ động nhiệt thường sử dụng với ý nghĩa rộng bao gồm thiết bị sinh cơng mà khơng hoạt động theo chu trình nhiệt động lực học Những động bao gồm động đốt tua bin khí động xe loại Các thiết bị hoạt động theo chu trình học khơng theo chu trình nhiệt động lực mơi chất cơng tác (khí đốt) khơng trải qua chu trình hồn chỉnh Thay làm lạnh tới nhiệt độ ban đầu, chất khí thải bị loại bỏ thay hỗn hợp khơng khí tươi nhiên liệu điểm kết thúc chu trình Thiết bị sinh cơng phù hợp với định nghĩa động nhiệt nhà máy nhiệt điện nước, động đốt ngồi Nghĩa là, q trình đốt cháy diễn bên động cơ, nhiệt tạo trình truyền cho nước dạng nhiệt Sơ đồ nhà máy điện nước thể Hình 7-10 Đây sơ đồ đơn giản, thảo luận nhà máy nhiệt điện nước thực tế thể chương sau Các ký hiệu thể hình sau: Hình 7.10 Sơ đồ nhà máy nhiệt điện nước Qin - nhiệt lượng cung cấp cho nước lị từ nguồn có nhiệt độ cao (lò) Qout - nhiệt lượng thải từ nước bình ngưng tản nhiệt có nhiệt độ thấp (khí quyển, sơng ngịi, v.v.) Wout - cơng sinh nước giản nở tuabin Win - công cần thiết để nén nước đến áp suất lò Lưu ý chiều hướng dịng nhiệt cơng thể kí hiệu in out Do đó, tất bốn kí hiệu thể ln ln dương Cơng thực sinh nhà máy điện chênh lệch tồn cơng sinh cơng vào nhà máy (Hình 7-11): Hình 7-11 Một phần công sinh từ động nhiệt sử dụng nội để trì trình vận hành liên tục Wnet,out = Wout - Win (kJ) (7–1) Công thực xác định từ liệu truyền nhiệt Bốn thành phần nhà máy nhiệt điện nước gồm lưu lượng khối lượng vào ra, chúng xử lý hệ thống hở Tuy nhiên, thành phần kết nối với đường ống, luôn chứa môi chất (tất nhiên khơng kể đến nước rị rỉ ngồi) Khơng có khối lượng vào khỏi hệ thống phức hợp này, điều thể phần bóng mờ Hình 7-10; phân tích lhệ thống kín Nhớ lại chu trình hệ thống kín, thay đổi nội U khơng, cơng sinh hệ thống với dịng nhiệt cấp vào vào hệ thống: Wnet,out = Qin - Qout (kJ) (7–2) Hiệu suất nhiệt Ở phương trình 7-2, Qout thể cho lượng lượng thải để hoàn thiện chu kỳ Mà Qout khơng khơng; đó, cơng thực động nhiệt ln nhỏ nhiệt lượng đầu vào Nghĩa là, phần nhiệt cấp vào động nhiệt chuyển đổi thành công Phần nhiệt cấp vào chuyển đổi thành cơng thước đo hiệu suất động nhiệt gọi hiệu suất nhiệt th (Hình 7-12) Hình 7-12 Một số động nhiệt có hiệu suất cao động khác (chuyển đổi nhiều nhiệt thành công) Đối với động nhiệt, đầu mong muốn công thực sinh ra, yêu cầu đầu vào nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác Khi đó, hiệu suất nhiệt động nhiệt thể sau: Hay Có thể thể sau: Do Wnet,out = Qin - Qout Chu trình thiết bị thực tế như: động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt hoạt động vùng có nhiệt độ cao (hay nguồn) nhiệt độ TH vùng có nhiệt độ thấp (hay nguồn) nhiệt độ TL Để có thống cho việc tính tốn động nhiệt, máy lạnh bơm nhiệt, định nghĩa hai thơng số này: QH = cường độ dịng nhiệt truyền thiết bị vùng có nhiệt độ cao TH QL = cường độ dòng nhiệt truyền thiết bị vùng có nhiệt độ thấp TL Lưu ý hai QL QH định nghĩa cường độ số dương Chiều hướng QH QL dễ dàng xác định cách kiểm tra Sau đó, mối quan hệ công thực sinh hiệu suất nhiệt cho động nhiệt (thể Hình 7-13) thể sau: Hình 7-13 Sơ đồ động nhiệt Wnet,out = QH – QL Và Hay Hiệu suất nhiệt động nhiệt ln nhỏ hiệu suất tổng thể hai QL QH định nghĩa số dương Hiệu suất nhiệt công cụ đo hiệu động nhiệt chuyển đổi nhiệt mà nhận thành cơng Các động nhiệt tạo với mục đích chuyển đổi nhiệt thành cơng, kỹ sư không ngừng cố gắng để nâng cao hiệu suất thiết bị hiệu suất tăng có nghĩa nhiên liệu tiêu thụ chi phí hóa đơn cho nhiên liệu thấp nhiễm Hiệu suất nhiệt để sinh cơng thiết bị tương đối thấp Bình thường động ơtơ đánh lửa có hiệu suất nhiệt khoảng 25 phần trăm Nghĩa là, động ơtơ chuyển đổi khoảng 25 phần trăm lượng hóa học xăng thành cơng học Con số đạt đến 40 phần trăm cho động diesel nhà máy điện tuabin khí lớn đạt đến 60 phần trăm cho nhà máy điện lớn kết hợp khí-hơi nước Vì vậy, với động nhiệt hiệu nay, gần nửa số lượng cung cấp thải sơng, hồ, khí dạng chất thải lượng khơng thể sử dụng (Hình 7-14) Hình 7.14 Ngay với động nhiệt có hiệu cao thải nửa lượng chúng nhận dạng nhiệt thải Chúng ta tiết kiệm Qout? Ở nhà máy nhiệt điện nước, bình ngưng thiết bị có lượng lớn nhiệt thải bị thải sơng, hồ, khí Khi đó, người ta hỏi, khơng cần bình ngưng nhà máy giữ lại tất lượng tổn thất? Thật đáng tiếc, câu trả lời cho câu hỏi chắn không với lý đơn giản khơng có q trình nhả nhiệt bình ngưng, chu trình khơng thể hồn thành (Thiết bị làm việc theo chu trình nhà máy điện nước hoạt động liên tục chu trình khơng hồn thành) Điều chứng minh phần với trợ giúp động nhiệt đơn giản Hãy xem xét động nhiệt đơn giản thể Hình 7-15 sử dụng để nâng vật nặng Nó bao gồm thiết bị piston - xilanh với hai điểm dừng Mơi chất cơng tác khí chứa xi lanh Ban đầu, nhiệt độ khí 30°C Piston chịu tải vật nặng, dừng mép điểm dừng bên Nhiệt lượng 100kJ cấp cho khí bên xi lanh từ nguồn 100°C, làm bị giản nỡ nâng cao piston chịu tải lêncho đến piston đạt đến điểm dừng bên trên, thể hình Tại điểm này, tải lấy quan sát nhiệt độ khí 90 ° C Hình 7.15 Chu trình động nhiệt thực không thải lượng nhiệt thuận chiều làm ngược lại hoạt động tủ lạnh Tủ lạnh nhận công đầu vào Wrev thải nhiệt nguồn nhiệt nhiệt độ cao Do tủ lạnh thải nhiệt lượng QH nguồn nhiệt nhiệt độ cao động nhiệt không thuận nghịch nhận lượng nhiệt từ nguồn này, nhiệt trao đổi nguồn nhiệt không Vì vậy, loại bỏ cách cho tủ lạnh xả trực tiếp QH vào động nhiệt không thuận nghịch Bây xem xét tủ lạnh động khơng thuận nghịch, có động để tạo công với lượng Wirrev - Wrev trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt – ngược lại với phát biểu Kelvin- Planck định luật thứ hai Do đó, giả thiết ban đầu th,irrev > th,rev khơng xác Do đó, kết luận khơng có động nhiệt có hiệu suất so với động nhiệt thuận nghịch hoạt động nguồn nhiệt Các nguyên lý Carnot thứ hai chứng minh theo cách tương tự Lần này, thay động không thuận nghịch động thuận nghịch có hiệu hiệu suất cao mang lại nhiều cơng so với động thuận nghịch thứ Bằng lý tương tự, kết thúc có động sản xuất lượng công trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt nhất, điều ngược lại định luật thứ hai Do đó, kết luận khơng có động nhiệt thuận nghịch có hiệu suất cao so với động thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt tương tự nhau, chu trình hồn thành sử dụng mơi chất chất công tác 7-9 Thang nhiệt độ động học Thang đo nhiệt độ khơng phụ thuộc vào thuộc tính chất sử dụng để đo nhiệt độ gọi thang đo nhiệt độ động lực học Thang nhiệt độ tạo tiện lợi tính tốn nhiệt động lực học, nguồn gốc đưa sử dụng động nhiệt thuận nghịch đây: Hình 7-42 Tất động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt có hiệu suất (nguyên lý Carnot thứ hai) Nguyên lý Carnot thứ hai thảo luận Phần 7-8 nói rằng, tất động nhiệt thuận nghịch có hiệu suất nhiệt hoạt động hai nguồn nhiệt (Hình 7- 42) Nghĩa là, hiệu suất động thuận nghịch khơng phụ thuộc vào mơi chất cơng tác sử dụng tính chất nó, cách chu trình thực hiện, loại động thuận nghịch sử dụng Do lượng nguồn nhiệt đặc trưng nhiệt độ, hiệu suất nhiệt động nhiệt thuận nghịch hàm nhiệt độ nguồn nhiệt Nghĩa là, Hay Do nhiệt cao thấp Trong công thức TH TL nhiệt độ nguồn Dạng hàm số f (TH, TL) phát triển với giúp đỡ ba động nhiệt thuận nghịch Hình 7- 43 Động A C cấp lượng nhiệt Q1 từ nguồn nhiệt độ cao T1 Động C thải Q3 vào nguồn nhiệt độ thấp T3 Động B nhận nhiệt Q2 thải từ động A nhiệt độ T2 thải bỏ lượng nhiệt Q3 nguồn nhiệt T3 Hình 7-43 Sự xếp đơng nhiệt dùng để phát triển thang nhiệt độ động học Lượng nhiệt thải động B C phải giống động A B kết hợp thành động thuận nghịch hoạt động nguồn nhiệt tương tự động C động kết hợp có hiệu suất tương tự động C Do nhiệt cấp vào cho động C giống đầu vào nhiệt cho động kết hợp A B, hai hệ thống phải thải lượng nhiệt Áp dụng phương trình 7-13 cho ba động riêng lẻ, ta có: Xem xét dạng sau Tương ứng với Xem xét kỹ phương trình cho thấy bên trái hàm số T1 T3, bên phải hàm số T1 T3, khơng có T2 Nghĩa là, giá trị nghiệm phía bên phải phương trình không phụ thuộc vào giá trị T2 Điều kiện thỏa mãn hàm số f có dạng sau: ϕ (T2) loại khỏi nghiệm f (T1, T2) f (T2, T3), suy Mối quan hệ thể cụ thể phương trình 7-13 dạng hàm số Q1/Q3 theo T1 T3 Đối với động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt nhiệt độ TH TL, phương trình 7-14 viết sau: Đây yêu cầu mà định luật thứ hai đặt tỉ số dòng nhiệt đến khỏi động nhiệt thuận chiều Nhiều hàm ϕ(T) thỏa mãn phương trình này, lựa chọn hoàn toàn ngẫu nhiên Lord Kelvin đề xuất lấy ϕ(T) = T để xác định thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học (Hình 7-44) Hình 7-44 Chu trình thuận nghịch, tỉ số dịng nhiệt QH/QL thay tỉ số nhiệt độ TH/TL Thang nhiệt độ gọi thang Kelvin, nhiệt độ thang điểm gọi nhiệt độ tuyệt đối Ở thang Kelvin, tỷ lệ nhiệt độ phụ thuộc vào tỷ lệ truyền nhiệt động nhiệt thuận nghịch nguồn nhiệt độc lập với tính chất vật lý chất Ở thang này, nhiệt độ thay đổi từ không đến vô Thang nhiệt độ nhiệt động lực học không hồn tồn xác định phương trình 716 cho tỷ lệ nhiệt độ tuyệt đối Chúng ta cần biết độ lớn theo Kelvin Tại Hội nghị quốc tế Khối lượng Đo lường tổ chức vào năm 1954, điểm ba thể nước (trạng thái mà ba pha nước tồn trạng thái cân bằng) gán giá trị 273,16 K (Hình 7-45) Độ lớn theo kelvin định nghĩa 1/273,16 khoảng nhiệt độ không tuyệt đối điểm ba thể nước Độ lớn đơn vị nhiệt độ theo thang Kelvin Celsius giống (1 K  1°C) Nhiệt độ hai thang khác số 273,15: T(°C) = T(K) - 273.15 (7–17) Hình 7-45 Nguyên lý thí nghiệm để xác định nhiệt độ động học theo thang Kelvin cách đo dòng nhiệt QH QL Mặc dù thang nhiệt độ nhiệt động học định nghĩa với trợ giúp động nhiệt thuận nghịch, khơng thể khơng phải thực tế, để thực vận hành động để xác định giá trị thang nhiệt độ tuyệt đối Nhiệt độ tuyệt đối đo xác phương tiện khác, chẳng hạn nhiệt kế khí lý tưởng đẳng tích kết hợp với kỹ thuật ngoại suy đề cập Chương Tính hiệu lực phương trình 7-16 chứng minh từ khảo sát vật lý chu trình thuận nghịch dùng khí lý tưởng làm mơi chất công tác 7.10 Động nhiệt Carnot Giả sử động nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot thuận nghịch gọi động nhiệt Carnot Hiệu suất nhiệt động nhiệt, thuận nghịch không thuận nghịch, cho phương trình 7-6 sau QH nhiệt cấp cho động nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao TH QL nhiệt thải nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp TL Đối với động nhiệt thuận nghịch, tỷ lệ dòng nhiệt phương trình thay tỷ số nhiệt độ tuyệt đối nguồn nhiệt, đưa phương trình 7-16 Khi đó, hiệu suất động Carnot, động nhiệt thuận nghịch, trở thành Phương trình nàythường gọi hiệu suất Carnot, động nhiệt Carnot biết động thuận nghịch tốt Đây động có hiệu suất cao có hoạt động hai nguồn nhiệt có nhiệt độ TL TH (Hình 7-46) Tất động nhiệt không thuận nghịch (nghĩa là, thực tế) hoạt động giới hạn nhiệt độ (TL TH) có hiệu suất thấp Động nhiệt thực tế đạt giá trị hiệu suất tối đa theo lý thuyết khơng thể loại bỏ hồn tồn tất yếu tố khơng thuận nghịch gắn liền với chu trình thực tế Lưu ý TL TH phươngtrình 7-18 nhiệt độ tuyệt đối Sử dụng °C °F cho nhiệt độ công thức hiển nhiên làm sai số kết Hình 7-46 Động nhiệt Carnot có hiệu suất nhiệt cao tất động nhiệt hoạt động nguồn nhiệt có nhiệt độ cao thấp Hiệu suất nhiệt động nhiệt thực tế động thuận nghịch hoạt động giới hạn nhiệt độ giống so sánh sau (Hình 7-47): Hình 7-47 Khơng có động nhiệt có hiệu suất cao động thuận nghịch hoạt động nguồn nóng nguồn lạnh Hầu hết thiết bị sinh công (động nhiệt) có hiệu suất 40 phần trăm, giá trị tương đối thấp so với 100 phần trăm Tuy nhiên, đánh giá hiệu suất động nhiệt thực tế, hiệu suất không nên so sánh với 100 phần trăm; thay vào đó, chúng nên so sánh với hiệu suất động nhiệt thuận nghịch hoạt động giới hạn nhiệt độ - giới hạn cho hiệu suất lý thuyết, 100 phần trăm Hiệu suất lớn nhà máy điện nước hoạt động TH = 1000 K TL = 300 K 70 phần trăm, xác định từ phương trình 7-18 So với giá trị này, hiệu suất thực tế 40 phần trăm khơng q thấp, nhiều chỗ để cải thiện Rõ ràng từ phương trình 7-18 cho thấy hiệu suất động nhiệt Carnot tăng TH tăng, TL giảm Điều mong đợi TL giảm, làm tăng nhiệt lượng thải bỏ, TL đạt đến không, hiệu suất Carnot đạt đến tổng thể Điều cho động nhiệt thực tế Hiệu suất nhiệt động nhiệt thực tế đạt lớn cách cung cấp nhiệt cho động nhiệt độ cao (giới hạn sức bền vật liệu) thải nhiệt từ động nhiệt độ thấp (giới hạn nhiệt độ môi chất làm mát sông, hồ, khí quyển) Ví dụ 7-5 Phân tích động nhiệt Carnot Một động nhiệt Carnot, thể Hình 7- 48, nhận nhiệt lượng 500 kJ chu trình từ nguồn nhiệt độ cao 652°C thải nhiệt tản nhiệt có nhiệt độ thấp 30°C Xác định (a) hiệu suất nhiệt động Carnot (b) số lượng nhiệt thải tản nhiệt chu trình Cách giải: Biết nhiệt cung cấp cho động nhiệt Carnot Hiệu suất nhiệt nhiệt thải xác định Phân tích (a) Động nhiệt Carnot động nhiệt thuận nghịch, hiệu suất xác định từ phương trình 7-18 Nghĩa là, động nhiệt Carnot chuyển đổi 67,2 phần trăm nhiệt mà nhận thành cơng (b) Lượng nhiệt thải QL động nhiệt thuận nghịch dễ dàng xác định từ phương trình 7-16 Thảo luận Lưu ý động nhiệt Carnot thải tản nhiệt có nhiệt độ thấp nhiệt lượng 164 kJ 500 kJ mà nhận chu trình Chất lƣợng lƣợng Động nhiệt Carnot Ví dụ 7-5 nhận nhiệt từ nguồn 925 K chuyển đổi 67,2 phần trăm thành cơng thải phần cịn lại (32,8 phần trăm) cho tản nhiệt 303 K Bây xem xét hiệu suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ nguồn nhiệt độ tản nhiệt giữ không đổi Hiệu suất nhiệt động nhiệt Carnot thải nhiệt cho tản nhiệt 303 K đánh giá nguồn nhiệt độ khác sử dụng phương trình 7-18 liệt kê Hình 7-49 Rõ ràng hiệu suất nhiệt giảm nhiệt độ nguồn hạ xuống Ví dụ, nhiệt cung cấp cho động nhiệt 500 thay 925 K, hiệu suất nhiệt giảm 67,2 - 39,4 phần trăm Nghĩa là, phần nhiệt chuyển đổi thành công giảm 39,4 phần trăm nhiệt độ nguồn giảm xuống 500 K Khi nhiệt độ nguồn 350 K, phần trở thành 13,4 phần trăm Các giá trị hiệu suất cho thấy lượng có chất lƣợng số lượng Rõ ràng từ giá trị hiệu suất nhiệt Hình 7-49 lượng nhiệt nhiệt độ cao chuyển đổi thành cơng nhiều Do đó, nhiệt độ cao, chất lượng lượng cao (Hình 7-50) Hình 7-49 Phần nhiệt chuyển thành cơng hàm số nhiệt độ nguồn nhiệt (cho TL=303 K) Hình 7-50 Nhiệt có nhiệt độ cao, có chất lượng cao Ví dụ: lượng lớn lượng mặt trời dự trữ hồ chứa nước lớn gọi hồ mặt trời khoảng 350 K Sau lượng dự trữ cung cấp cho động nhiệt để sinh công (điện) Tuy nhiên, hiệu suất nhà máy điện lượng hồ mặt trời thấp (dưới phần trăm) chất lượng thấp lượng dự trữ nguồn, chi phí xây dựng bảo trì tương đối cao Do đó, họ khơng thể cạnh tranh việc cung cấp lượng nhà máy miễn phí Nhiệt độ (và chất lượng) lượng mặt trời lưu trữ nâng lên cách sử dụng thu tập trung, chi phí thiết bị trường hợp trở nên cao Cơng dạng lượng có giá trị cao so với nhiệt từ 100 phần trăm cơng chuyển thành nhiệt, phần nhiệt chuyển thành công Khi nhiệt truyền từ vật thể có nhiệt độ cao tới vật thể khác có nhiệt độ thấp hơn, bị yếu dần số chuyển thành cơng Ví dụ, 100 kJ nhiệt truyền từ vật thể 1000 K cho vật thể khác 300 K, lúc kết thúc có 100 kJ nhiệt dự trữ 300 K, lượng nhiệt khơng có giá trị thực tiễn Nhưng biến đổi thực thông qua động nhiệt, lên tới 300/1000 = 70 phần trăm chuyển đổi thành công, dạng lượng có giá trị Khi đó, kết truyền nhiệt làm 70 kJ tiềm để sinh cơng bị lãng phí lượng bị suy giảm Số lƣợng với chất lƣợng sống hàng ngày Tại thời điểm khủng hoảng lượng, bị dội bom với phát biểu viết làm để "bảo toàn" lượng Tuy nhiên, tất biết số lượng lượng ln bảo tồn Những khơng bảo toàn chất lượng lượng hay khả sinh cơng lượng Lãng phí lượng đồng nghĩa với chuyển đổi sang dạng hữu ích Một đơn vị lượng chất lượng cao có giá trị cao ba đơn vị lượng chất lượng thấp Ví dụ, lượng hữu hạn nhiệt nhiệt độ cao hấp dẫn kỹ sư nhà máy điện lượng lớn lượng nhiệt nhiệt độ thấp, chẳng hạn lượng dự trữ tầng đại dương vùng khí hậu nhiệt đới Do phần văn hóa chúng ta, dường bị hút số lượng, ý đến chất lượng Tuy nhiên, số lượng khơng thể cho tranh tổng thể, cần phải xem xét chất lượng tốt Nghĩa là, cần phải nhìn vào từ quan điểm hai định luật thứ thứ hai luật đánh giá đó, lĩnh vực phi kỹ thuật Dưới trình bày số kiện thường nhật cho thấy liên quan chúng đến định luật nhiệt động lực học thứ hai Hãy xem xét hai sinh viên Andy Wendy Andy có 10 người bạn khơng bỏ lỡ buổi tiệc anh xung quanh anh thời gian vui vẻ Tuy nhiên họ dường bận rộn, Andy cần giúp đỡ họ Trái lại Wendy có năm người bạn Họ không bận rộn cho điểm danh đầy đủ họ thời điểm cần thiết Bây trả lời câu hỏi, Ai có nhiều bạn bè? Từ quan điểm định luật thứ nhất, xem xét số lượng, rõ ràng Andy có nhiều bạn bè Tuy nhiên, theo quan điểm định luật thứ hai, xem xét chất lượng tốt hơn, khơng có nghi ngờ gì, Wendy người có nhiều bạn bè Một ví dụ khác mà hầu hết người xác định ngành công nghiệp hàng tỉ đô la chế độ ăn kiêng, mà chủ yếu dựa định luật nhiệt động học thứ Tuy nhiên, khảo sát thấy 90 phần trăm người giảm cân tăng cân trở lại cách nhanh chóng, cho thấy định luật thứ không cho tranh tổng thể Điều xác nhận nghiên cứu cho thấy rằng, lượng calo đến từ chất béo có nhiều khả dự trữ chất béo so với lượng calo đến từ carbohydrate protein Nghiên cứu Stanford cho thấy trọng lượng thể có liên quan đến lượng calo chất béo tiêu thụ không calo Nghiên cứu Harvard khơng tìm thấy mối tương quan lượng calo ăn vào mức độ béo phì Khảo sát Đại học Cornell liên quan đến 6500 người gần tất tỉnh Trung Quốc cho thấy người Trung Quốc ăn nhiều gam cho gam, lượng calo cho calo - so với người Mỹ, họ cân nặng hơn, với lượng mỡ thể Nhiều nghiên cứu tỷ lệ trao đổi chất mức độ thay đổi hormone đáng ý năm 30 Nhiều nhà nghiên cứu kết luận chế độ ăn kiêng kéo dài dạy cho thể tồn lượng calo hơn, làm tăng hiệu suất nhiên liệu Điều giải thích lý người ăn kiêng tăng cân nhiều bị giảm cân họ quay trở lại chế độ ăn uống bình thường họ Những người dường ăn điều họ muốn, họ muốn, mà không tăng cân chứng sống kỹ thuật kiểm soát calo (định luật thức nhất) để lại nhiều câu hỏi việc ăn kiêng mà chưa trả lời Rõ ràng, nhiều nghiên cứu tập trung vào hệ định luật thứ hai chế độ ăn kiêng cần thiết trước hiểu đầy đủ trình tăng cân giảm cân Thật tuyệt vời đánh giá thứ dựa sở số lượng thay chất lượng, đánh giá chất lượng khó khăn nhiều so với việc đánh giá số lượng Tuy nhiên, đánh giá thực sở số lượng (định luật thứ nhất) hiển nhiên khơng đầy đủ sai lệch 7-11 Máy lạnh bơm nhiệt Carnot Máy lạnh hay bơm nhiệt hoạt động dựa chu trình Carnot nghịch gọi máy lạnh Carnot, bơm nhiệt Carnot Hệ số hiệu suất máy lạnh hay nhiệt bơm, thuận nghịch khơng thuận nghịch, cho phương trình - - 11 sau QL nhiệt lượng hấp thụ từ mơi trường có nhiệt độ thấp QH nhiệt lượng thải vào môi trường có nhiệt độ cao Các COP tất máy lạnh bơm nhiệt thuận nghịch xác định cách thay tỷ lệ dòng nhiệt công thức với tỷ lệ nhiệt độ tuyệt đối nguồn nhiệt có nhiệt độ cao thấp, biểu diễn phương trình 7-16 Khi đó, cơng thức tính COP cho tủ lạnh bơm nhiệt thuận nghịch trở thành: Và Đây hệ số hiệu suất cao mà máy lạnh bơm nhiệt hoạt động giới hạn nhiệt độ TL TH có Tất máy lạnh bơm nhiệt thực tế hoạt động giới hạn nhiệt độ (TL TH) có hệ số hiệu suất thấp (Hình 7-51) Hình 7-51 Khơng có máy lạnh có COP cao máy lạnh thuận nghịch hoạt động giới hạn nhiệt độ Các hệ số hiệu suất máy lạnh thực tế máy lạnh thuận nghịch hoạt động giới hạn nhiệt độ giống so sánh sau: Cơng thức tương tự nhận bơm nhiệt cách thay tất COPR phương trình 7-22 COPHP COP máy lạnh nhiệt bơm thuận nghịch giá trị lý thuyết lớn cho giới hạn nhiệt độ Máy lạnh bơm nhiệt thực tế tiếp cận gần đến giá trị thiết kế họ cải tiến, họ không đạt Lưu ý cuối cùng, COP máy lạnh bơm nhiệt giảm TL giảm Nghĩa là, u cầu nhiều cơng để hấp thụ nhiệt từ vùng cónhiệt độ thấp Khi nhiệt độ không gian lạnh tiếp cận gần không, lượng công yêu cầu để sản xuất lượng lạnh tiến tới vơ COPR gần khơng Ví dụ 7-6 Yêu cầu máy lạnh Một nhà phát minh tuyên bố phát triển máy lạnh trì khơng gian tủ lạnh 35°F hoạt động phịng có nhiệt độ 75°F có COP 13,5 Tun bố có hợp lý? Hình 7-52 Sơ đồ Ví dụ 7-6 Cách giải: Một tuyên bố khác thường hiệu suất máy lạnh cần đánh giá Giả thiết: Điều kiện hoạt động ổn định Phân tích: Hiệu suất máy lạnh (thể Hình 7-52) đánh giá cách so sánh với máy lạnh thuận nghịch hoạt động giới hạn nhiệt độ: Thảo luận: COP cao mà máy lạnh có hấp thụ nhiệt từ vùng lạnh 35°F thải nhiệt vùng ấm 75°F Do COP tuyên bố nhà sáng chế cao giá trị tối đa này, nên tuyên bố sai Ví dụ 7-7 Sƣởi ấm ngơi nhà bơm nhiệt Carnot Bơm nhiệt sử dụng để sưởi ấm nhà vào mùa đông, thể Hình 753 Ngơi nhà trì 21°C thời điểm Ước tính ngơi nhà bị lượng nhiệt 135.000 kJ/h nhiệt độ bên giảm xuống -5°C Xác định lượng tối thiểu cần thiết để vận hành bơm nhiệt Hình 7-53 Sơ đồ Ví dụ 7-7 Cách giải: Bơm nhiệt trì nhiệt độ ngơi nhà khơng đổi Cần xác định lượng tối thiểu cần thiết đầu vào cho bơm nhiệt Giả thiết: Điều kiện hoạt động ổn định Phân tích: Bơm nhiệt phải cung cấp nhiệt cho ngơi nhà với nhiệt lượng QH = 135.000 kJ/h = 37,5 kW Công suất yêu cầu nhỏ bơm nhiệt thuận nghịch sử dụng để làm việc COP bơm nhiệt thuận nghịch hoạt động nhà khơng khí bên ngồi Khi đó, u cầu công suất đầu vào cho bơm nhiệt thuận nghịch trở thành Thảo luận: Bơm nhiệt thuận nghịch đáp ứng u cầu sưởi ấm ngơi nhà cách tiêu thụ điện mức 3,32 kW Nếu nhà gia nhiệt điện trở sưởi thay cho bơm nhiệt điện tiêu thụ tăng lên 11,3 lần đến 37,5 kW Điều điện trở sưởi, điện chuyển thành nhiệt tỷ lệ - Tuy nhiên, với bơm nhiệt, lượng hấp thụ từ bên mang vào bên chu trình máy lạnh tiêu thụ 3,32 kW Lưu ý bơm nhiệt khơng tạo lượng Nó đơn vận chuyển từ vùng (lạnh bên ngồi) sang vùng khác (ấm nhà) Tóm tắt Định luật nhiệt động lực học thứ hai cho q trình xảy theo hướng định, khơng phải theo hướng Q trình khơng xảy trừ thoả mãn hai định luật nhiệt động lực học thứ thứ hai Vật thể hấp thụ nhả lượng hữu hạn nhiệt gọi nguồn lượng nhiệt nguồn nhiệt Cơng biến đổi trực tiếp thành nhiệt, nhiệt chuyển đổi thành công số thiết bị gọi động nhiệt Hiệu suất nhiệt động nhiệt định nghĩa Wnet,ra công sinh động nhiệt, QH nhiệt lượng cung cấp cho động cơ, QL nhiệt lượng thải động Máy lạnh bơm nhiệt thiết bị hấp thụ nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp thải vùng có nhiệt độ cao Hiệu suất máy lạnh bơm nhiệt thể dạng hệ số hiệu suất, định nghĩa Phát biểu Kelvin-Planck đinh luật nhiệt động lực học thứ hai nói khơng có động nhiệt sản xuất cơng trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt Phát biểu Clausius đinh luật nhiệt động lực học thứ hai nói khơng có thiết bị chuyển nhiệt từ vật thể lạnh đến vật ấm mà không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Bất kỳ thiết bị ngược lại với định luật nhiệt động lực thứ định luật thứ hai gọi động vĩnh cửu Quá trình gọi thuận nghịch hai hệ thống mơi trường xung quanh phục hồi điều kiện ban đầu chúng Các trình khác không thuận nghịch Các ảnh hưởng ma sát, giản nở nén không cân bằng, truyền nhiệt chênh lệch nhiệt độ hữu hạn làm cho q trình khơng thuận nghịch gọi yếu tố khơng thuận nghịch Chu trình Carnot chu trình thuận nghịch gồm bốn trình thuận nghịch, hai đẳng nhiệt hai đoạn nhiệt Các nguyên lý Carnot phát biểu hiệu suất nhiệt tất động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt giống nhau, khơng có động nhiệt có hiệu suất cao so với động thuận nghịch hoạt động hai nguồn nhiệt Các phát biểu sở cho việc thiết lập thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học liên quan đến việc truyền nhiệt thiết bị thuận nghịch nguồn nhiệt có nhiệt độ cao thấp, thể sau Khi đó, tỷ lệ QH/QL thay TH/TL cho thiết bị thuận nghịch, nơi TH TL nhiệt độ tuyệt đối hồ chứa cao nhiệt độ thấp, tương ứng Động nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot thuận nghịch gọi động nhiệt Carnot Hiệu suất nhiệt động nhiệt Carnot, tất động nhiệt thuận nghịch khác, cho Đây hiệu suất lớn mà động nhiệt hoạt động hai nguồn nhiệt có nhiệt độ TH TL có Các COP máy lạnh bơm nhiệt thuận nghịch đưa cách tương tự sau Và Đây COP cao mà máy lạnh bơm nhiệt hoạt động giới hạn nhiệt độ TH TL có Introduction to thermodynamics and heat transfer, second edition/Yunus A Cengel Chương 7/ Nguyễn Hữu Nghĩa dịch