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

Ở chương này, các nguồn năng lượng dạng nhiệt năng, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, động cơ nhiệt, máy lạnh, và bơm nhiệt được giới thiệu đầu tiên.. 7.2 CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢN

Chương 7

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2

Đến phần này, chúng ta đã tập trung nhiều vào định luật nhiệt động lực 1, định luật này đòi hỏi năng lượng được bảo tồn trong suốt quá trình Ở chương này, chúng tôi giới thiệu định luật nhiệt động lực học thứ hai, trong đó nhận định rằng các quá trình xảy ra theo một hướng nhất định và năng lượng có chất lượng cũng như số lượng Một quá trình không thể diễn ra nếu không tuân thủ theo định luật nhiệt động 1 và 2 Ở chương này, các nguồn năng lượng dạng nhiệt năng, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, động

cơ nhiệt, máy lạnh, và bơm nhiệt được giới thiệu đầu tiên Sau đó đến các phát biểu khác nhau của định luật thứ hai với các thảo luận về các động cơ vĩnh cửu và thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học Chu trình Carnot được giới thiệu ở phần tiếp theo, và nguyên lý Carnot được thảo luận Cuối cùng, các động cơ nhiệt lý tưởng Carnot, máy lạnh và bơm nhiệt được khảo sát

Mục tiêu

Mục tiêu của chương này là:

• Giới thiệu định luật nhiệt động lực học thứ hai

• Xác định các quá trình có thể đáp ứng cả hai định luật nhiệt động lực học 1 và 2

• Thảo luận các nguồn năng lượng dạng nhiệt năng, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, động cơ nhiệt, máy lạnh, và bơm nhiệt

• Mô tả phát biểu của Kelvin - Planck và Clausius về định luật nhiệt động lực học thứ hai

• Thảo luận về các khái niệm động cơ vĩnh cửu

• Áp dụng định luật nhiệt động lực thứ hai vào các chu trình và các chu trình thiết bị

• Áp dụng định luật thứ hai để phát triển thang đo nhiệt độ nhiệt động lực tuyệt đối

• Mô tả chu trình Carnot

• Khảo sát nguyên lý Carnot, các động cơ nhiệt lý tưởng Carnot, máy lạnh và bơm nhiệt

• Xác định các biểu thức hiệu suất nhiệt và hệ số hiệu suất cho động cơ nhiệt thuận nghịch, bơm nhiệt, và máy lạnh

Thực tế ta thấy rằng một tách cà phê nóng để trong một căn phòng lạnh hơn thì nó

bị làm lạnh xuống (Hình 7-1) Quá trình này thỏa mãn định luật nhiệt động lực 1 vì năng

lượng của cà phê bị mất đi bằng với lượng nhiệt thu được của không khí xung quanh Bây giờ chúng ta hãy khảo sát quá trình ngược lại - cà phê nóng trở nên nóng hơn trong một căn phòng lạnh hơn do sự truyền nhiệt từ không khí trong phòng Tất cả chúng ta đều biết rằng quá trình này không bao giờ xảy ra Tuy nhiên, làm như vậy sẽ không vi phạm định luật nhiệt động 1 miễn là lượng năng lượng bị mất do không khí bằng với lượng nhiệt thu được của cà phê

Hình 7-1 Tách cafe nóng thì không thể nóng hơn khi để trong phòng lạnh

Một ví dụ khá quen thuộc, hãy khảo sát hệ thống sưởi của một căn phòng bằng dòng điện chạy qua điện trở (Hình 7-2) Một lần nữa, định luật 1 cho thấy điện năng cung cấp cho các dây điện trở bằng năng lượng truyền cho không khí trong phòng Bây giờ chúng ta hãy thực hiện quá trình ngược lại Không có gì ngạc nhiên khi thấy rằng nhiệt lượng cấp vào cuộn dây không tạo ra lượng điện năng tương đương với lượng điện đã được tạo ra trong các cuộn dây

Hình 7-2 Nhiệt cấp vào cuộn dây không sinh ra điện

Cuối cùng, hãy khảo sát cơ cấu bánh khuấy mái chèo được vận hành bởi sự rơi của một vật nặng (Hình 7-3) Các bánh khuấy mái chèo quay khi vật nặng rơi và khuấy chất lỏng bên trong một thùng cách nhiệt Dẫn đến, thế năng của vật nặng giảm, và nội năng của chất lỏng tăng phù hợp với nguyên tắc bảo toàn năng lượng Tuy nhiên, quá trình ngược lại, nâng vật nặng bằng cách cấp nhiệt từ chất lỏng vào bánh khuấy mái chèo, quá trình này không xảy ra trong tự nhiên, mặc dù việc này tuân thủ định luật nhiệt động lực học 1

Hình 7-3 Nhiệt cấp vào cánh không làm nó quay

Hình 7-4 Quá trình diễn ra theo một chiều nhất định và không theo chiều ngược lại

Từ những lập luận trên ta thấy rằng các quá trình tiến hành theo một chiều nhất định và không theo chiều ngược lại (Hình 7-4) Định luật 1 không đặt ra giới hạn về chiều

hướng của quá trình, nhưng chỉ thỏa mãn định luật 1 thì không đảm bảo quá trình thực sự

có thể diễn ra Sự bất cập của định luật 1 để nhận định quá trình có thể diễn ra hay không

được khắc phục bằng cách đưa ra một nguyên tắc tổng thể khác, đó là định luật nhiệt động lực học thứ hai Chúng tôi trình bày ở phần sau trong chương này về quá trình

ngược đã thảo luận ở phần trên không thỏa mãn định luật nhiệt động lực học thứ hai Sự không thỏa mãn này dễ dàng được phát hiện với sự trợ giúp của thông số, được gọi là

entropy, được xác định ở Chương 8 Một quá trình không thể xảy ra trừ khi nó thoả mãn

cả hai định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai (Hình 7-5)

Hình 7-5 Quá trình phải thỏa mãn theo trình tự cả hai định luật nhiệt động 1 và 2

Có nhiều phát biểu về định luật nhiệt động lực học thứ hai Hai phát biểu được giới thiệu và thảo luận sau trong chương này liên quan đến một số thiết bị kỹ thuật hoạt động theo chu trình

Ứng dụng của định luật nhiệt động lực học thứ hai là không bị giới hạn để xác định chiều hướng của các quá trình Tuy nhiên, định luật 2 cũng khẳng định rằng năng lượng

có chất lượng cũng như số lượng Định luật 1 thì quan tâm đến số lượng của năng lượng

và sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác không có liên quan đến chất lượng của nó Duy trì chất lượng của năng lượng là mối quan tâm lớn cho các kỹ sư và định luật

2 cung cấp các phương tiện cần thiết để xác định chất lượng cũng như mức độ suy giảm năng lượng trong một quá trình Như đã thảo luận trong chương này, năng lượng ở nhiệt

độ cao có thể được chuyển đổi thành công nhiều hơn, và vì thế nó có chất lượng cao hơn

so với cùng lượng năng lượng ở nhiệt độ thấp hơn

Định luật nhiệt động lực học 2 cũng được sử dụng để xác định giới hạn theo lý

thuyết về hiệu suất của hệ thống kỹ thuật được sử dụng thông thường, chẳng hạn như động cơ nhiệt và tủ lạnh, cũng như dự đoán mức độ hoàn thành của các phản ứng hóa học

7.2 CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG DẠNG NHIỆT NĂNG

Với sự phát triển của định luật nhiệt động lực học thứ hai, cần thiết có vật thể giả định với khả năng chứa nhiệt năng tương đối lớn (khối lượng x nhiệt dung riêng) có thể cung cấp hoặc hấp thu một lượng hữu hạn nhiệt năng mà không cần trải qua bất kỳ sự thay đổi về nhiệt độ nào Vật thể như vậy được gọi là nguồn năng lượng dạng nhiệt năng, hay nguồn nhiệt Trong thực tế, các vật thể lớn chứa nước như đại dương, hồ, sông cũng như không khí trong khí quyển có thể được xem như là nguồn nhiệt năng vì khả năng dự

trữ nhiệt năng hay các khối nhiệt lớn (Hình 7-6) Ví dụ như bầu khí quyển, không ấm lên

khi nhận các tổn thất nhiệt từ các tòa nhà dân cư trong mùa đông Tương tự như vậy, lượng megajoule năng lượng chất thải đổ ra các sông lớn từ các nhà máy điện không gây

ra bất kỳ sự thay đổi đáng kể nhiệt độ nước

Hình 7-6 Vật thể với lượng nhiệt tương đối lớn có thể xem như nguồn năng lượng

nhiệt

Hệ thống hai pha cũng có thể xem như một nguồn nhiệt vì nó có thể hấp thụ và phát ra lượng lớn nhiệt trong khi vẫn duy trì nhiệt độ không đổi Một ví dụ khá quen

thuộc khác về nguồn nhiệt năng là lò nung công nghiệp Nhiệt độ của hầu hết các lò được

kiểm soát cẩn thận, và chúng có khả năng cung cấp số lượng lớn nhiệt năng theo quá trình đẳng nhiệt Khi đó, chúng có thể được xem như các nguồn nhiệt

Một vật thể không nhất thiết phải rất lớn mới được xem là nguồn nhiệt Bất kỳ vật thể vật lý nào có khả năng chứa năng lượng nhiệt lớn hơn so với lượng năng lượng mà nó

có thể cung cấp hoặc hấp thụ thì có thể được xem như một nguồn nhiệt Ví dụ, không khí trong phòng có thể được xem như là một nguồn nhiệt theo cách phân tích về tản nhiệt từ

TV đặt trong phòng, vì lượng nhiệt truyền từ TV đến không khí trong phòng không đủ lớn

để có sự ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ không khí trong phòng

Nguồn cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt được gọi là nguồn và hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt được gọi bộ tản (Hình 7-7) Nguồn nhiệt năng thường được gọi là nguồn nhiệt do chúng cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt

Hình 7-7 Nguồn cung cấp năng lượng ở dạng nhiệt, và bộ tản thì hấp thu nhiệt

Sự truyền nhiệt từ các nguồn công nghiệp đến môi trường là mối quan ngại lớn của những người bảo vệ môi trường cũng như các kỹ sư Sự vô trách nhiệm trong quản lý năng lượng chất thải có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ các thành phần của môi trường, gây

ra những gì được gọi là ô nhiễm nhiệt Nếu nó không được kiểm soát tốt, ô nhiễm nhiệt có

thể phá vỡ nghiêm trọng cuộc sống ở các đại dương, hồ và sông ngòi Tuy nhiên, bằng việc thiết kế và quản lý cẩn thận, năng lượng chất thải đổ vào các vật thể lớn chứa nước

có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng cuộc sống ở các đại dương bằng cách giữ mức tăng nhiệt độ cục bộ trong phạm vi an toàn và ở mức chấp nhận được

7.3 ĐỘNG CƠ NHIỆT

Như đã chỉ ra ở trên, công có thể dễ dàng được chuyển đổi sang dạng năng lượng khác, nhưng chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành công thì không dễ dàng Ví dụ công cơ học của trục thể hiện ở Hình 7-8, trước tiên chuyển đổi thành dạng nội năng của nước Sau đó năng lượng này có thể rời khỏi nước dưới dạng nhiệt Từ thực tế chúng ta thấy rằng bất kỳ sự cố gắng nào để làm ngược quá trình đều thất bại Nghĩa là, cung cấp nhiệt cho nước không làm quay trục Từ khảo sát này và nhiều khảo sát khác, chúng ta thấy rằng công có thể được chuyển đổi trực tiếp và hoàn toàn thành nhiệt, nhưng nhiệt chuyển đổi thành công thì yêu cầu phải sử dụng một số thiết bị đặc biệt Các thiết bị này

được gọi là động cơ nhiệt

Hình 7.8 Công có thể chuyển hoàn toàn và trực tiếp thành nhiệt, nhưng quá trình

ngược lại thì không

Các động cơ nhiệt có nhiều dạng khác nhau, nhưng tất cả có đặc điểm chung như sau (Hình 7-9):

1 Nhận nhiệt từ một nguồn có nhiệt độ cao (năng lượng mặt trời, lò dầu, lò phản ứng hạt

nhân, v.v)

2 Chuyển đổi một phần nhiệt này thành công (thường ở dạng của trục quay)

3 Thải nhiệt còn lại ra bộ tản có nhiệt độ thấp (khí quyển, sông, v.v)

4 Hoạt động theo một chu trình

Hình 7.9 Phần nhiệt nhận được bởi động cơ nhiệt được chuyển thành công, trong khi

phần còn lại bị thải ra ở bộ tản nhiệt

Động cơ nhiệt và các thiết bị làm việc theo chu trình khác thường liên quan đến môi chất đến và đi, từ đó nhiệt được truyền đi theo một chu trình Môi chất này được gọi

là môi chất công tác

Thuật ngữ động cơ nhiệt thường được sử dụng với ý nghĩa rộng hơn bao gồm các

thiết bị sinh công mà không hoạt động theo chu trình nhiệt động lực học Những động cơ

đó bao gồm động cơ đốt trong như tua bin khí và động cơ xe hơi là những loại này Các thiết bị này hoạt động theo chu trình cơ học chứ không theo chu trình nhiệt động lực do môi chất công tác (khí đốt) không trải qua một chu trình hoàn chỉnh Thay vì được làm lạnh tới nhiệt độ ban đầu, các chất khí thải đều bị loại bỏ và thay thế bằng hỗn hợp không khí tươi và nhiên liệu tại điểm kết thúc chu trình

Thiết bị sinh công phù hợp nhất với định nghĩa về động cơ nhiệt là nhà máy nhiệt điện hơi nước, nó chính là động cơ đốt ngoài Nghĩa là, quá trình đốt cháy diễn ra bên

ngoài động cơ, và nhiệt năng tạo ra trong quá trình này được truyền cho hơi nước dưới dạng nhiệt Sơ đồ cơ bản của nhà máy điện hơi nước được thể hiện ở Hình 7-10 Đây là một sơ đồ khá đơn giản, và thảo luận về nhà máy nhiệt điện hơi nước thực tế được thể hiện ở chương sau Các ký hiệu được thể hiện trên hình sau:

Hình 7.10 Sơ đồ nhà máy nhiệt điện hơi nước

Qin - nhiệt lượng cung cấp cho hơi nước trong lò hơi từ nguồn có nhiệt độ cao (lò)

Qout - nhiệt lượng thải từ hơi nước ở bình ngưng ra bộ tản nhiệt có nhiệt độ thấp (khí quyển, sông ngòi, v.v.)

Wout - công sinh ra bởi hơi nước khi nó giản nở trong tuabin

Win - công cần thiết để nén nước đến áp suất trong lò hơi

Lưu ý các chiều hướng của dòng nhiệt và công được thể hiện bởi các kí hiệu in và out Do đó, tất cả bốn kí hiệu trên thể hiện là luôn luôn dương

Công thực sinh ra của nhà máy điện này chỉ là sự chênh lệch giữa toàn bộ công sinh ra và công vào của nhà máy (Hình 7-11):

Hình 7-11 Một phần công sinh ra từ động cơ nhiệt được sử dụng nội tại để duy trì quá

trình vận hành liên tục

Wnet,out = Wout - Win (kJ) (7–1) Công thực cũng có thể được xác định từ dữ liệu về truyền nhiệt Bốn thành phần của nhà máy nhiệt điện hơi nước gồm lưu lượng khối lượng vào và ra, và khi đó chúng được xử lý như hệ thống hở Tuy nhiên, những thành phần này kết nối với đường ống, luôn luôn chứa cùng môi chất (tất nhiên không kể đến hơi nước có thể rò rỉ ra ngoài) Không có khối lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống phức hợp này, điều này được thể hiện bởi phần bóng mờ trên Hình 7-10; do đó nó có thể được phân tích như lhệ thống kín Nhớ lại rằng ở chu trình hệ thống kín, sự thay đổi nội năng U là bằng không, và do đó công sinh

ra của hệ thống bằng với dòng nhiệt cấp vào vào hệ thống:

Wnet,out = Qin - Qout (kJ) (7–2)

Hiệu suất nhiệt

Ở phương trình 7-2, Q out thể hiện cho lượng năng lượng thải ra để hoàn thiện chu

kỳ Mà Q out thì không bao giờ bằng không; do đó, công thực của động cơ nhiệt luôn nhỏ

hơn nhiệt lượng đầu vào Nghĩa là, chỉ một phần nhiệt cấp vào động cơ nhiệt được chuyển đổi thành công Phần nhiệt cấp vào được chuyển đổi thành công đó là thước đo hiệu suất

của động cơ nhiệt và được gọi là hiệu suất nhiệt th (Hình 7-12)

Hình 7-12 Một số động cơ nhiệt có hiệu suất cao hơn động cơ khác (chuyển đổi nhiều

nhiệt thành công) Đối với động cơ nhiệt, đầu ra mong muốn là công thực sinh ra, và yêu cầu đầu vào

là nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác Khi đó, hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt được thể hiện như sau:

Hay

Có thể thể hiện như sau:

Do Wnet,out = Qin - Qout

Chu trình thiết bị trong thực tế như: động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt hoạt

động giữa vùng có nhiệt độ cao (hay nguồn) tại nhiệt độ T H và vùng có nhiệt độ thấp (hay

nguồn) tại nhiệt độ T L Để có sự thống nhất cho việc tính toán các động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt, chúng ta định nghĩa hai thông số này:

Q H = cường độ dòng nhiệt truyền giữa thiết bị và vùng có nhiệt độ cao T H

Q L = cường độ dòng nhiệt truyền giữa thiết bị và vùng có nhiệt độ thấp T L

Lưu ý rằng cả hai Q L và Q H được định nghĩa là cường độ và do đó là số dương

Chiều hướng của Q H và Q L dễ dàng được xác định bằng cách kiểm tra Sau đó, mối quan

hệ giữa công thực sinh ra và hiệu suất nhiệt cho bất kỳ động cơ nhiệt nào (thể hiện ở Hình 7-13) được thể hiện như sau:

Hình 7-13 Sơ đồ của động cơ nhiệt

Wnet,out = Q H – Q L

Và

Hay

Hiệu suất nhiệt của một động cơ nhiệt luôn luôn nhỏ hơn hiệu suất tổng thể vì cả

hai Q L và Q H được định nghĩa là các số dương

Hiệu suất nhiệt là công cụ đo hiệu quả như thế nào của động cơ nhiệt chuyển đổi nhiệt mà nó nhận được thành công Các động cơ nhiệt được tạo ra với mục đích chuyển đổi nhiệt thành công, và các kỹ sư đang không ngừng cố gắng để nâng cao hiệu suất các thiết bị này bởi vì khi hiệu suất tăng có nghĩa là nhiên liệu tiêu thụ ít và do đó chi phí hóa đơn cho nhiên liệu thấp hơn và ít ô nhiễm hơn

Hiệu suất nhiệt để sinh công của các thiết bị thì tương đối thấp Bình thường động

cơ ôtô đánh lửa có hiệu suất nhiệt của khoảng 25 phần trăm Nghĩa là, động cơ ôtô đó chuyển đổi khoảng 25 phần trăm năng lượng hóa học của xăng thành công cơ học Con số này đạt đến 40 phần trăm cho động cơ diesel và các nhà máy điện tuabin khí lớn hơn và đạt đến 60 phần trăm cho các nhà máy điện lớn kết hợp khí-hơi nước Vì vậy, ngay cả với các động cơ nhiệt hiệu quả nhất hiện nay, gần một nửa số năng lượng cung cấp thải ra các sông, hồ, hoặc khí quyển dạng chất thải hoặc năng lượng không thể sử dụng (Hình 7-14)

Hình 7.14 Ngay cả với các động cơ nhiệt có hiệu quả cao cũng thải một nửa năng lượng

chúng nhận được dưới dạng nhiệt thải

Chúng ta có thể tiết kiệm Q out?

Ở nhà máy nhiệt điện hơi nước, bình ngưng là thiết bị có lượng lớn nhiệt thải bị thải ra sông, hồ, hoặc khí quyển Khi đó, người ta có thể hỏi, có thể chúng ta không cần bình ngưng ở nhà máy và giữ lại tất cả năng lượng tổn thất? Thật đáng tiếc, câu trả lời cho

câu hỏi này là chắc chắn không với lý do đơn giản là nếu không có quá trình nhả nhiệt ở

bình ngưng, chu trình không thể hoàn thành (Thiết bị làm việc theo chu trình như nhà máy điện hơi nước không thể hoạt động liên tục nếu chu trình không được hoàn thành) Điều này được chứng minh ở phần tiếp theo với sự trợ giúp của một động cơ nhiệt đơn giản

Hãy xem xét các động cơ nhiệt đơn giản thể hiện trong Hình 7-15 được sử dụng để nâng vật nặng Nó bao gồm một thiết bị piston - xilanh với hai điểm dừng Môi chất công tác là khí chứa trong xi lanh Ban đầu, nhiệt độ khí là 30°C Piston được chịu tải bởi vật nặng, dừng tại mép trên của điểm dừng bên dưới Nhiệt lượng 100kJ được cấp cho khí bên trong xi lanh từ một nguồn ở 100°C, làm nó bị giản nỡ và nâng cao piston chịu tải đi lêncho đến khi piston đạt đến điểm dừng bên trên, như thể hiện ở hình Tại điểm này, tải được lấy ra và quan sát nhiệt độ khí là 90 ° C

Hình 7.15 Chu trình động cơ nhiệt không thể thực hiện nếu không thải một lượng nhiệt ra

phía có nhiệt độ thấp hơn

Công thực hiện nâng tải trong quá trình giản nở này bằng với sự gia tăng năng lượng bên trong của nó, là 15 kJ Ngay cả ở điều kiện lý tưởng (bỏ qua trọng lượng của piston, không có ma sát, không có tổn thất nhiệt, và giản nở gần như cân bằng), nhiệt lượng cung cấp cho khí lớn hơn công thực hiện do một phần nhiệt cung cấp được sử dụng

để làm tăng nhiệt độ của khí

Bây giờ chúng ta hãy trả lời câu hỏi này: Có thể chuyển 85 kJ nhiệt thừa ở 90°C trở lại bồn chứa ở 100°C để sau này sử dụng được không? Nếu có, khi đó chúng ta sẽ có

một động cơ nhiệt có thể có hiệu suất nhiệt 100 phần trăm ở điều kiện lý tưởng Câu trả

lời cho câu hỏi này là một lần nữa không, vì lý do rất đơn giản mà nhiệt luôn luôn được

truyền từ vùng có nhiệt độ cao tới vùng có nhiệt độ thấp hơn, và không bao giờ có cách khác Do đó, chúng ta không thể làm mát khí này từ 90 đến 30°C bằng cách truyền nhiệt sang nguồn ở 100°C Thay vào đó, chúng ta phải đưa hệ thống vào tiếp xúc với nguồn có nhiệt độ thấp 20°C, do đó khí có thể trở về trạng thái ban đầu của nó bằng cách thải bỏ 85

kJ năng lượng nhiệt thừa của nó ra nguồn Năng lượng này không thể tái sử dụng, và nó

được gọi là năng lượng tổn thất

Từ thảo luận trên chúng ta có thể kết luận là mỗi động cơ nhiệt phải tổn thất một lượng năng lượng bằng cách chuyển nó đến nguồn có nhiệt độ thấp hơn để hoàn thành chu trình, ngay cả trong điều kiện lý tưởng Yêu cầu trao đổi nhiệt giữa động cơ nhiệt với

ít nhất hai nguồn để hoạt động liên tục, điều này tạo cơ sở cho phát biểu của Planck về định luật nhiệt động thứ hai, được thảo luận trong phần sau

Kelvin-Ví dụ 7-1 Công suất thực của động cơ nhiệt

Nhiệt được cấp cho động cơ nhiệt từ lò nung với lượng là 80 MW Nếu lượng nhiệt thải ra con sông gần đó là 50 MW, xác định công suất thực đầu ra và hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt này

Cách giải: Biết nhiệt lượng đến và đi khỏi động cơ nhiệt Công suất thực đầu ra và hiệu

suất nhiệt của động cơ nhiệt sẽ được xác định

Giả thiết: Nhiệt tổn thất qua đường ống và bộ phận khác là không đáng kể

Phân tích: Sơ đồ của động cơ nhiệt được thể hiện ở Hình 7-16 Lò nung đóng vai trò như

nguồn có nhiệt độ cao cho động cơ nhiệt này và con sông như nguồn có nhiệt độ thấp Các số đã biết được thể hiện như sau:

Công suất thực đầu ra của động cơ nhiệt là

Khi đó hiệu suất nhiệt dễ dàng được xác định là:

Thảo luận: Lưu ý rằng động cơ nhiệt chuyển đổi 37,5 phần trăm nhiệt năng mà nó nhận

được để sinh công

Ví dụ 7-2 Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu của xe hơi

Một động cơ xe hơi với công suất đầu ra là 65 mã lực có hiệu suất nhiệt là 24 phần trăm Xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu của chiếc xe này nếu nhiên liệu có nhiệt trị là 19.000 Btu/lbm (nghĩa là, mỗi lbm nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra 19.000 Btu năng lượng)

Cách giải: Biết công suất đầu ra và hiệu suất của động cơ xe Lượng tiêu thụ nhiên liệu

của xe sẽ được xác định

Giả thiết: Công suất đầu ra của xe là hằng số

Phân tích: Sơ đồ của động cơ xe được thể hiện ở Hình 7-17 Động cơ xe được cung cấp

bằng cách chuyển đổi 24 phần trăm hóa năng sinh ra từ quá trình đốt để sinh công Năng lượng đầu vào cần thiết để tạo ra công suất 65 mã lực được xác định từ định nghĩa về hiệu suất nhiệt:

Để năng lượng cung cấp với lưu lượng này, động cơ phải đốt cháy nhiên liệu với lưu lượng là

do 19.000 Btu năng lượng nhiệt được sinh ra cho mỗi lbm nhiên liệu bị đốt cháy

Thảo luận Lưu ý rằng nếu hiệu suất nhiệt của xe có thể tăng lên gấp đôi, tốc độ tiêu thụ

nhiên liệu sẽ giảm một nửa

Định luật nhiệt động 2:

Phát biểu của Kelvin-Planck

Ở phần trên với khảo sát về động cơ nhiệt Hình 7-15, chúng ta đã chứng minh rằng ngay

cả trong điều kiện lý tưởng, một động cơ nhiệt phải thải bỏ một lượng nhiệt ra nguồn có nhiệt độ thấp để hoàn thiện chu trình Nghĩa là, không có động cơ nhiệt nào có thể biến đổi tất cả nhiệt nhận được thành công có ích Sự hạn chế này đối với hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt tạo cơ sở cho phát biểu của Kelvin-Planck về định luật thứ hai của nhiệt động lực học, được thể hiện như sau:

Không thể có bất kỳ thiết bị nào hoạt động theo chu trình, nhận nhiệt từ chỉ duy nhất một nguồn và sinh công

Nghĩa là, động cơ nhiệt phải trao đổi nhiệt với bộ tản nhiệt ở nhiệt độ thấp cũng như nguồn ở nhiệt độ cao để tiếp tục hoạt động Phát biểu của Kelvin-Planck được thể

hiện như sau không có động cơ nhiệt nào có thể có hiệu suất nhiệt 100 phần trăm (Hình 7-18), khi nhà máy điện hoạt động, môi chất công tác phải trao đổi nhiệt với môi trường

khi đó là lò đốt

Hình 7.18 Động cơ nhiệt trái với phát biểu của Kelvin-Planck về định luật 2

Lưu ý, không thể có động cơ nhiệt có hiệu suất nhiệt 100 phần trăm là do có ma sát hoặc bị ảnh hưởng phân tán khác Đó là một giới hạn áp dụng cho cả động cơ nhiệt lý tưởng và thực Ở phần sau của chương này, chúng ta phát triển quan hệ để có hiệu suất nhiệt lớn nhất của một động cơ nhiệt Chúng ta chứng minh rằng giá trị lớn nhất này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ các nguồn

7.4 Máy lạnh và bơm nhiệt

Tất cả chúng ta đều biết từ thực tế rằng nhiệt lượng được truyền đi theo chiều giảm nhiệt độ, nghĩa là, từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp Quá trình truyền nhiệt này xảy ra trong tự nhiên mà không cần bất kỳ thiết bị nào Tuy nhiên, quá trình ngược lại, không thể tự nó xảy ra Sự truyền nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp đến vùng có

nhiệt độ cao đòi hỏi các thiết bị đặc biệt gọi là máy lạnh

Máy lạnh, cũng như động cơ nhiệt, là các thiết bị làm việc theo chu trình Môi chất

công tác sử dụng trong chu trình làm lạnh được gọi là môi chất lạnh Thường hầu hết chu

trình làm lạnh là chu trình máy lạnh nén hơi, trong đó bao gồm bốn thiết bị chính: máy

nén, bình ngưng, van giãn nở, và thiết bị bay hơi, như thể hiện ở Hình 7-19

Hình 7.19 Các thành phần cơ bản của hệ thống máy lạnh và điều kiện vận hành điển hình

Môi chất lạnh đi vào máy nén ở dạng hơi và được nén lên đến áp suất ngưng tụ Nó rời máy nén ở nhiệt độ tương đối cao và được làm nguội xuống và ngưng tụ khi nó chảy qua các ống xoắn của bình ngưng bằng cách nhả nhiệt ra môi trường xung quanh Sau đó

nó đi vào ống mao, tại đó áp suất và nhiệt độ của nó giảm mạnh do hiệu ứng tiết lưu Sau

đó môi chất lạnh ở nhiệt độ thấp, đi vào thiết bị bay hơi, tại đó nó bay hơi do hấp thụ nhiệt từ không gian làm lạnh Chu trình được hoàn thành khi môi chất lạnh rời khỏi thiết

bị bay hơi và quay trở về máy nén

Trong tủ lạnh gia đình, tại ngăn tủ đông nhiệt được hấp thụ bởi môi chất lạnh đóng vai trò như là thiết bị bay hơi, và thường các ống xoắn phía sau tủ lạnh, nhiệt bị phân tán vào không khí nhà bếp đóng vai trò như là dàn ngưng

Sơ đồ máy lạnh được thể hiện ở Hình 7-20 Ở đây Q L là cường độ dòng nhiệt lấy

ra từ không gian làm lạnh ở nhiệt độ T L , Q H là cường độ dòng nhiệt thải ra môi trường ở

nhiệt độ T H , và W NET là công cung cấp cho máy lạnh Như đã thảo luận phần trước, Q L và

Q H thể hiện cho cường độ và vì thế là số dương

Hình 7.20 Mục tiêu của tủ lạnh là lấy đi dòng nhiệt Q L từ không gian làm lạnh

Hệ số hiệu suất

Hiệu suất của máy lạnh được thể hiện dạng hệ số hiệu suất (COP), ký hiệu bằng COPR

Mục tiêu của tủ lạnh là để lấy đi dòng nhiệt (Q L) từ không gian làm lạnh Để thực hiện

mục tiêu này, đòi hỏi cung cấp vào công là W NET,in Khi đó, COP của máy lạnh được thể hiện như sau:

Mối quan hệ này có thể được thể hiện dạng lưu lượng bằng cách thay Q L bằng Q’ L và

W net,in bằng W’ net,in

Theo định luật bảo toàn năng lượng đối với thiết bị làm việc theo chu trình là

Khi đó hệ số COP trở thành:

Chú ý rằng giá trị của COPR có thể lớn hơn giá trị tổng thể Nghĩa là, nhiệt lượng lấy ra từ không gian làm lạnh có thể lớn hơn so với công cấp vào Điều này ngược với hiệu suất nhiệt, là không bao giờ có thể lớn hơn 1 Trong thực tế, một trong những lý do

để thể hiện hiệu suất của máy lạnh ở dạng khác - hệ số hiệu suất - là muốn làm rõ hiệu suất cao hơn so với giá trị tổng thể

Hình 7-21 Mục tiêu của bơm nhiệt là cấp nhiệt lượng Q H vào không gian ấm hơn

Hình 7-22 Công cung cấp vào cho bơm nhiệt được dùng để lấy năng lượng từ vùng lạnh

bên ngoài và mang nó vào vùng ấm bên trong nhà

Máy lạnh thông thường được đặt ở cửa sổ của ngôi nhà với cánh cửa của nó mở về phía không khí bên ngoài lạnh trong mùa đông sẽ hoạt động như một bơm nhiệt vì nó sẽ

cố gắng để làm mát bên ngoài bằng cách hấp thụ nhiệt từ nó và đưa nhiệt này vào trong nhà thông qua các ống xoắn phía sau nó (Hình 7-23)

Hình 7-23 Khi lắp đặt ngược lại, máy điều hòa nhiệt độ hoạt động như bơm nhiệt

Hiệu suất của bơm nhiệt cũng được thể hiện dạng hệ số hiệu suất COPHP, xác định như sau

Nó cũng có thể thể hiện như sau:

So sánh phương trình 7-7 và 7-10 cho thấy rằng

cho các giá trị cố định của Q L và Q H Mối quan hệ này chỉ ra rằng hệ số hiệu suất của bơm nhiệt luôn luôn lớn hơn giá trị tổng thể do COPR là số dương Nghĩa là, bơm nhiệt sẽ hoạt động như một điện trở sưởi, cung cấp càng nhiều năng lượng cho ngôi nhà khi nó tiêu thụ

càng nhiều năng lượng Tuy nhiên, trong thực tế, một phần Q H bị tổn thất ra không khí bên ngoài qua đường ống và qua các thiết bị khác, và COPHP có thể giảm thấp hơn giá trị tổng thể khi nhiệt độ không khí bên ngoài quá thấp Điều này xảy ra khi hệ thống được chuyển sang chế độ sưởi ấm Hiện nay hầu hết các bơm nhiệt vận hành có COP trung bình theo mùa là 2 - 3

Hầu hết các máy bơm nhiệt hiện nay sử dụng không khí lạnh bên ngoài như là nguồn nhiệt vào mùa đông, và chúng được gọi là bơm nhiệt nguồn không khí COP các bơm nhiệt loại này khoảng 3,0 ở điều kiện thiết kế Bơm nhiệt nguồn không khí không phù hợp với khí hậu lạnh vì hiệu suất giảm đáng kể khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đóng băng Trong các trường hợp này, bơm nhiệt địa nhiệt (còn gọi là nguồn mặt đất) sử dụng mặt đất như là nguồn nhiệt có thể sử dụng được Bơm nhiệt địa nhiệt yêu cầu chôn đường ống trong lòng đất sâu 1-2 m Bơm nhiệt như thế thì chi phí lắp đặt đắt tiền hơn, nhưng chúng có hiệu suất cao hơn (lên đến 45 phần trăm hiệu quả hơn bơm nhiệt nguồn không khí) COP bơm nhiệt nguồn mặt đất khoảng 4,0

Điều hoà không khí: về cơ bản là máy lạnh có không gian làm lạnh là căn phòng

hay tòa nhà thay vì ngăn thực phẩm Một bộ điều hòa không khí cửa sổ làm mát phòng bằng cách hấp thụ nhiệt từ không khí trong phòng và thải ra bên ngoài Cùng bộ điều hòa không khí có thể được sử dụng như bơm nhiệt vào mùa đông bằng cách cài đặt nó theo chiều ngược lại như Hình 7-23 Ở chế độ này, các bộ hấp thụ nhiệt từ vùng bên ngoài lạnh

và mang nó vào phòng Hệ thống điều hòa không khí được trang bị bộ điều khiển thích hợp và một van đảo chiều hoạt động như bộ điều hòa không khí vào mùa hè và như bơm nhiệt vào mùa đông

Hiệu suất của máy lạnh và điều hòa không khí tại Mỹ thường được biểu diễn dưới

dạng mức hiệu quả năng lƣợng (EER), là nhiệt lượng mang ra khỏi không gian làm lạnh

theo đơn vị Btu cho 1 Wh (watt-giờ) điện tiêu thụ Lấy 1 kWh = 3412 Btu và 1 Wh = 3,412 Btu, bộ mang đi 1 kWh nhiệt từ không gian làm mát cho mỗi kWh điện tiêu thụ (COP = 1) sẽ có hệ số EER là 3,412 Khi đó, quan hệ giữa EER và COP là

EER = 3.412 COPR Hầu hết các máy điều hòa không khí có EER khoảng 8 - 12 (COP khoảng 2,3 - 3,5) Bơm nhiệt hiệu suất cao được sản xuất bởi công ty Trane sử dụng máy nén thay đổi tốc

độ có COP 3.3 ở chế độ sưởi ấm và EER là 16,9 (COP là 5.0) ở chế độ điều hòa không khí Máy nén thay đổi tốc độ và quạt cho phép các máy vận hành với hiệu suất lớn nhất cho các nhu cầu sưởi ấm/làm mát và cho các điều kiện thời tiết khác nhau, được xác định

bởi một bộ vi xử lý Ví dụ ở chế độ điều hòa không khí, chúng vận hành ở tốc độ cao hơn vào những ngày nóng và ở tốc độ thấp hơn vào những ngày lạnh hơn, tăng cả hiệu suất và

sự tiện nghi

EER hoặc COP của máy lạnh sẽ giảm khi giảm nhiệt độ làm lạnh Do đó, không kinh tế khi làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn so với nhu cầu COP của máy lạnh trong khoảng 2,7 - 3,0 đối với các phòng xử lý; 2,3 - 2,6 đối với thịt, thịt nguội, sữa, và thành phẩm; 1,2 - 1,5 đối với thực phẩm đông lạnh; và 1,0 - 1,2 cho các sản phẩm kem Lưu ý rằng COP của tủ đông bằng khoảng một nửa COP của tủ làm lạnh thịt, và vì thế chi phí tăng gấp đôi khi làm lạnh các sản phẩm thịt bằng không khí lạnh để đủ lạnh đến sản phẩm dạng đông Đây là thực tế về bảo toàn năng lượng tốt sử dụng hệ thống làm lạnh riêng biệt để đáp ứng nhu cầu làm lạnh khác nhau

Ví dụ 7-3 Nhiệt thải của tủ lạnh

Ngăn thực phẩm của tủ lạnh thể hiện ở Hình 7-24, được duy trì ở nhiệt độ 4°C bằng cách loại bỏ nhiệt từ nó với lưu lượng 360 kJ/phút Nếu công suất yêu cầu đầu vào của tủ lạnh là 2 kW, xác định (a) Hệ số hiệu quả của tủ lạnh và (b) lượng nhiệt thải ra phòng, nhà nơi đặt tủ lạnh

Hình 7-24 Sơ đồ của Ví dụ 7-3

Cách giải: Biết tiêu thụ điện năng của tủ lạnh COP và lượng nhiệt thải sẽ được xác định

Giả thiết: Điều kiện hoạt động ổn định

Phân tích: (a) Hệ số hiệu quả của tủ lạnh là

Nghĩa là, 3 kJ nhiệt được lấy ra từ không gian làm lạnh cho mỗi kJ công cấp vào

(b) Lượng nhiệt thải ra phòng, nhà đặt tủ lạnh được xác định từ phương trình bảo toàn

năng lượng cho các thiết bị làm việc theo chu trình,

Thảo luận: Thấy rằng cả năng lượng mang ra khỏi không gian lạnh như nhiệt năng và

năng lượng cung cấp cho các tủ lạnh là điện năng đều thải ra không khí trong phòng và trở thành một phần của nội năng của không khí Điều này chứng minh rằng năng lượng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác, có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác, nhưng không bao giờ bị mất đi trong suốt quá trình

Ví dụ 7-4 Sưởi ấm ngôi nhà bằng bơm nhiệt

Bơm nhiệt được sử dụng để đáp ứng yêu cầu sưởi ấm ngôi nhà và duy trì nó ở 20°C Vào một ngày nào đó khi nhiệt độ không khí ngoài trời giảm xuống -2°C, ước tính tổn thất nhiệt của ngôi nhà là 80.000 kJ/h Nếu ở những điều kiện này bơm nhiệt có COP

là 2,5, hãy xác định (a) năng lượng tiêu thụ của bơm nhiệt và (b) nhiệt lượng hấp thụ từ không khí lạnh bên ngoài

Cách giải: Biết COP của bơm nhiệt Xác định tiêu thụ điện năng và nhiệt lượng hấp thụ

Giả thiết: Điều kiện vận hành ổn định

Phân tích: (a) Điện năng tiêu thụ của bơm nhiệt, thể hiện ở Hình 7-25, được xác định từ

các định nghĩa về hệ số hiệu suất như sau

Hình 7-25 Sơ đồ của ví dụ 7-4

(b) Ngôi nhà bị mất lượng nhiệt là 80.000 kJ/h Nếu ngôi nhà được duy trì ở nhiệt độ

không đổi là 20°C, bơm nhiệt phải cấp vào nhà lượng nhiệt ở mức tương tự là 80.000 kJ/h Khi đó, nhiệt lượng truyền từ bên ngoài là

Thảo luận: Lưu ý 48.000 của 80.000 kJ/h nhiệt lượng chuyển tới ngôi nhà được trích từ

không khí lạnh bên ngoài Vì vậy, chúng ta chỉ chi trả cho năng lượng 32.000 kJ/h được cung cấp dạng điện sinh ra công cho bơm nhiệt Nếu chúng ta sử dụng điện trở để thay thế, chúng ta phải cung cấp toàn bộ 80.000 kJ/h đến điện trở dạng như điện năng Điều này có nghĩa là chi phí sưởi ấm cao gấp 2.5 lần Điều này giải thích sự phổ biến của hệ thống bơm nhiệt để sưởi ấm và tại sao chúng ưa thích bơm nhiệt hơn điện trở gia nhiệt mặc dù chi phí ban đầu của chúng cao hơn đáng kể

Định luật nhiệt động 2:

Phát biểu của Clausius

Có hai phát biểu cổ điển về định luật 2 – phát biểu của Kelvin-Planck, liên quan đến động

cơ nhiệt và được thảo luận trong phần trước, và phát biểu của Clausius, liên quan đến máy lạnh hoặc bơm nhiệt Những phát biểu Clausius được thể hiện như sau:

Không có thiết bị nào hoạt động theo một chu trình mà không tác động đến xung quanh hay không có sự truyền nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp hơn đến vùng có nhiệt độ cao hơn

Đây là kiến thức phổ biến, nhiệt không tự nhiên sinh ra hay không tự truyền từ vùng lạnh đến vùng ấm hơn Phát biểu của Clausius không có nghĩa là ở thiết bị tuần hoàn, nhiệt lượng truyền từ vùng lạnh đến vùng ấm hơn là không thể làm được Trong thực tế, đây là những gì mà tủ lạnh gia đình thường làm Thật đơn giản là tủ lạnh không thể hoạt động nếu máy nén của nó không được cung cấp bởi nguồn điện bên ngoài, chẳng hạn như động cơ điện (Hình 7-26) Bằng cách này, sự tác động vào môi trường xung quanh như việc tiêu thụ năng lượng ở dạng công, ngoài ra còn có sự truyền nhiệt từ vùng lạnh hơn sang vùng ấm hơn Nghĩa là, nó để lại dấu vết ở môi trường xung quanh Do đó, tủ lạnh gia đình tuân thủ hoàn toàn với phát biểu của Clausius về định luật thứ hai

Hình 7-26 Tủ lạnh hoạt động trái với phát biểu của Clausius về định luật thứ hai

Cả hai phát biểu của Kelvin-Planck và Clausius về định luật thứ hai là phát biểu dạng phủ định, và phát biểu này không thể được chứng minh Cũng như bất kỳ định luật vật lý khác, định luật thứ hai của nhiệt động lực học được dựa trên những quan sát thực nghiệm Đến nay, không có thí nghiệm nào được tiến hành để thể hiện sự đối lập với định luật thứ hai, và điều này là minh chứng đầy đủ về tính hợp lý định luật này

Tính tương đương của hai phát biểu

Phát biểu của Kelvin-Planck và Clausius là tương đương nhau ở các hệ quả, và một trong hai phát biểu có thể được sử dụng như là sự diễn đạt của định luật nhiệt động lực học thứ hai Bất kỳ thiết bị ngược lại với phát biểu của Kelvin-Planck thì cũng ngược với phát biểu của Clausius, và ngược lại Điều này có thể được thể hiện như sau

Hình 7-27 Minh chứng cho thấy ngược với phát biểu của Kelvin-Plank dẫn đến ngược

với Clausius (a) Tủ lạnh được cấp công bởi động cơ nhiệt có hiệu suất 100%, (b) Tủ lạnh tương đương

Hãy xem xét sự kết hợp của động cơ nhiệt với tủ lạnh như Hình 7-27a, vận hành ở cùng hai nguồn Động cơ nhiệt được giả định là ngược với phát biểu của Kelvin-Planck,

có hiệu suất nhiệt là 100 phần trăm, và do đó nó chuyển toàn bộ nhiệt lượng Q H mà nó

nhận được thành công W Công này được cấp cho tủ lạnh để thải bỏ nhiệt lượng Q L từ

nguồn ở nhiệt độ thấp và loại bỏ lượng nhiệt là Q L + Q H ra nguồn ở nhiệt độ cao Trong

quá trình này, nguồn ở nhiệt độ cao sẽ nhận được lượng nhiệt thực Q L (sự chênh lệch giữa

Q L +Q H và Q H) Như vậy, sự kết hợp của hai thiết bị này có thể được xem như là một tủ

lạnh, như thể hiện ở Hình 7-27b, nhiệt lượng được truyền Q L từ vùng lạnh hơn sang vùng

ấm hơn mà không đòi hỏi bất kỳ năng lượng từ bên ngoài Đây rõ ràng là ngược biểu của Clausius Do đó, điều trái ngược với phát biểu của Kelvin-Planck dẫn đến ngược với phát biểu của Clausius

Tương tự trái ngược lại với biểu của Clausius dẫn đến ngược với phát biểu của

Kelvin-Planck Do đó, phát biểu của Clausius và Kelvin-Planck là hai sự diễn đạt tương đương của định luật nhiệt động lực học thứ hai

7.5 Động cơ vĩnh cửu

Chúng ta biết rằng một quá trình không thể xảy ra trừ khi nó thoả mãn cả hai định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai Bất kỳ thiết bị nào ngược lại với một trong hai

định luật trên được gọi là động cơ vĩnh cửu, và mặc dù có nhiều nỗ lực, không có động

cơ vĩnh cửu nào được biết đã hoạt động Nhưng điều này vẫn không ngừng được phát minh từ những nổ lực để tạo ra những cái mới

Một thiết bị hoạt động ngược lại với định luật nhiệt động thứ nhất (bằng cách tạo

ra năng lượng) được gọi là động cơ vĩnh cửu loại một (PMM1), và một thiết bị hoạt

động ngược lại với định luật nhiệt động lực học thứ hai được gọi là động cơ vĩnh cửu loại hai (PMM2)

Hình 7-28 Động cơ vĩnh cửu hoạt đông ngược với định luật nhiệt động lực học thứ nhất

(PMM1)

Hãy xem xét nhà máy điện hơi nước như Hình 7-28 Cấp nhiệt cho hơi nước bằng điện trở đặt bên trong lò hơi, thay vì bằng năng lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch hay hạt nhân Một phần điện tạo ra bởi nhà máy được sử dụng để cung cấp năng lượng cho điện trở cũng như các máy bơm Phần còn lại của năng lượng điện là để cung cấp cho lưới điện xem như sinh công ngoài Các nhà phát minh cho rằng, đầu tiên khi hệ thống khởi động, nhà máy điện này sẽ sản xuất điện không giới hạn mà không đòi hỏi bất kỳ năng lượng đầu vào nào từ bên ngoài

Đây là một phát minh có thể giải quyết vấn đề về năng lượng của thế giới – dĩ nhiên nhiên nếu nó hoạt động Xem xét kỹ sáng chế này cho thấy rằng hệ thống kín (vùng

bóng mờ) cung cấp năng lượng liên tục ra bên ngoài với lưu lượng Q’ out + W’ net,out mà không nhận được bất kỳ năng lượng Nghĩa là, hệ thống này tạo ra năng lượng với lượng

Q’ out + W’ net,out, mà rõ ràng là ngược lại với định luật nhiệt động 1 Vì vậy, thiết bị tuyệt vời này thì không có gì hơn PMM1 và không đảm bảo bất kỳ sự xem xét nào nữa

Bây giờ chúng ta hãy xem xét ý tưởng mới khác của nhà phát minh tương tự Cho rằng năng lượng không thể được tạo ra, nhà phát minh cho thấy việc điều chỉnh sau sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt của nhà máy điện mà không ngược lại với định luật 1 Thấy rằng hơn một nửa nhiệt lượng truyền cho hơi nước trong lò bị thải bỏ trong bình ngưng ra môi trường, nhà phát minh đề nghị loại bỏ các thành phần lãng phí này và đưa hơi nước đến bơm ngay sau khi nó ra khỏi tuabin, như thể hiện ở Hình 7-29 Bằng cách này, tất cả nhiệt lượng truyền cho hơi nước trong lò hơi sẽ được chuyển thành công, và do đó các nhà máy điện sẽ có hiệu suất lý thuyết là 100 phần trăm Nhà phát minh nhận ra rằng các tổn thất nhiệt và ma sát giữa các thành phần chuyển động là không thể tránh khỏi và những ảnh hưởng này sẽ làm giảm một phần hiệu suất, nhưng vẫn hy vọng hiệu suất là không ít hơn 80 phần trăm (ngược với 40 phần trăm trong hầu hết các nhà máy điện thực tế) cho một hệ thống được thiết kế một cách cẩn thận

Hình 7-9 Động cơ vĩnh cửu ngược với định luật nhiệt động 2 Khả năng tăng gấp đôi hiệu suất chắc chắn sẽ rất hấp dẫn đối với các nhà quản lý nhà máy, và nếu không được đào tạo đúng cách, họ có thể đưa ra ý tưởng này là một cơ hội, vì trực giác họ thấy không có gì sai Tuy nhiên, sinh viên nhiệt động lực học, ngay lập tức sẽ nhận định thiết bị này là PMM2, vì nó hoạt động dựa theo chu trình và tạo ra công thực khi trao đổi nhiệt với nguồn duy nhất (lò) Nó thỏa mãn định luật 1 nhưng ngược lại với định luật thứ hai, và do đó nó sẽ không làm việc

Nhiều động cơ vĩnh cửu đã được đề xuất trong suốt chiều dài lịch sử, và đang được

đề xuất nhiều hơn nữa Thậm chí một số đề nghị đã đi khá xa so với những sáng chế phát minh của họ, chỉ để thấy rằng những gì họ thực sự có trong tay là một mảnh giấy vô giá trị

Một số nhà phát minh động cơ vĩnh cửu rất thành công trong việc huy động vốn

Ví dụ, một người thợ mộc Philadelphia, tên là J W Kelly thu hàng triệu đô la giữa năm

1874 và 1898 từ các nhà đầu tư vào động cơ thủy lực khí nén – dao động – chân không,

được cho là có thể đẩy một đoàn tàu sắt đi 3000 dặm bằng 1 lít nước Tất nhiên, nó không bao giờ làm được Sau khi ông qua đời vào năm 1898, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các máy trình diễn đã được cung cấp bởi một động cơ ẩn Gần đây, nhóm các nhà

đầu tư đã được thành lập để đầu tư 2,5 triệu USD vào một năng lượng tăng cường bí ẩn,

trong đó nhân lên với bất cứ công suất nào mà nó nhận được, nhưng trước tiên luật sư của

họ muốn có ý kiến chuyên gia Đối mặt với các nhà khoa học, "nhà phát minh" đã bỏ trốn

khỏi hiện trường mà không cần chạy máy demo

Mệt mỏi với các ứng dụng về động cơ vĩnh cửu, Văn phòng cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ ra sắc lệnh năm 1918 rằng không còn xem xét bất kỳ ứng dụng về động cơ vĩnh cửu nào Tuy nhiên, nhiều ứng dụng sáng chế như vậy vẫn nộp, và một số đã được thông qua bởi văn phòng cấp bằng sáng chế mà không bị phát hiện Một số ứng viên có bằng sáng chế bị từ chối đã tìm cách hợp pháp hóa Ví dụ, trong năm 1982, Văn phòng cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ bác bỏ động cơ vĩnh cửu, là một thiết bị rất lớn: đến vài trăm kg nam châm quay và hàng kilômét dây đồng để tạo ra điện nhiều hơn tiêu thụ từ pin Tuy nhiên, người phát minh đã kháng quyết định, và trong năm 1985, Cục Tiêu chuẩn Quốc gia cuối cùng đã được thử nghiệm động cơ để xác nhận rằng nó là hoạt động bằng pin Tuy nhiên, nó đã không thuyết phục được các nhà phát minh vì động cơ của anh ta sẽ không hoạt động

Những người đề xuất động cơ vĩnh cửu thường có óc sáng tạo, nhưng họ thường thiếu đào tạo kỹ thuật chính thức, thật đáng tiếc Không ai phản kháng lại với sự nói dối rằng sáng tạo ra động cơ vĩnh cửu Tuy nhiên khi nói rằng, nếu một điều gì đó có vẻ quá tốt thì đúng, có thể xảy ra

7.6 Quá trình thuận nghịch và không thuân nghịch

Định luật nhiệt động lực học thứ hai nói rằng không có động cơ nhiệt nào có thể có hiệu suất 100 phần trăm Khi đó người ta có thể hỏi, hiệu suất cao nhất mà động cơ nhiệt

có thể có là gì? Trước khi chúng ta có thể trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta cần phải xác định quá trình lý tưởng, được gọi là quá trình thuận nghịch

Các quá trình đã được thảo luận ở phần đầu của chương này xảy ra theo một hướng nhất định Trước tiên, các quá trình không thể tự diễn ra theo chiều ngược lại một cách tự nhiên và tự khôi phục hệ thống về trạng thái ban đầu Vì lý do này, chúng được phân ra

các quá trình không thuận nghịch Khi tách cà phê nóng để nguội, nó sẽ không nóng lên

bằng cách lấy nhiệt nó bị mất từ môi trường xung quanh Nếu có thể, môi trường xung quanh, cũng như hệ thống (cà phê), sẽ được khôi phục lại tình trạng ban đầu của chúng,

và điều đó là quá trình thuận nghịch

Quá trình thuận nghịch được định nghĩa là một quá trình có thể diễn ra theo

chiều ngược mà không tách động gì đến môi trường xung quanh (Hình 7-30) Nghĩa là, cả

hai hệ thống và môi trường xung quanh được quay trở lại trạng thái ban đầu của họ từ điểm kết thúc quá trình Điều này chỉ có thể xảy ra nếu sự trao đổi nhiệt và công trao đổi giữa hệ thống và môi trường xung quanh bằng 0 đối với quá trình kết hợp (ban đầu và

ngược lại) Quá trình không thể đảo ngược được gọi là quá trình không thuận nghịch