Tiểu luận Những vấn đề liên quan đến động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình carnot

iết ở trên : khi trạng thái không cân bằng đã thai đổi thì không thể tạo lại trạng thái như thế nào được nữa. Những quá trình như thế được gọi là quá trình không thuận nghịch. Vì vậy ta có thể định nghĩa quá trình không thuận nghịch là quá trình mà khi ta tiến hành theo chiều ngược lại hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian mà quá trình thuận . Đối với một quá trình không thuận nghịch công và nhiệt mà hệ nhận vào từ bên ngoài trong quá trình ngược không bằng công và nhiệt mà hệ cung cấp ra bên ngoài trong quá trình thuận. Kết quả là đối với quá trình không thuận nghịch sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình ngược lại để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi. II.2 Thí dụ II.2.1 Về quá trình thuận nghịch Ta xét một con lắc dao động không ma sát mà nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của môi trường .Do các điều kiện này nên không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài. Trong nửa chu kỳ đầu con lắc đi ngược quãng đường từ vị trí 1 đến vị trí 2 và trong nửa chu kỳ sau con lắc đi đoạn đường ngược lại từ 2 về 1. Sau quá trình thuận và quá trình nghịch công của trọng lực sinh ra bằng không. Kết quả môi trường xung quanh không bị biến đổi. - Qúa trình nén và giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm cũng là một quá trình thuận nghịch. Xét một khối khí đựng trong xilanhđặt trong vỏ cách nhiệt với bên ngoài. Giả sử khối khí giãn vô cùng chậm từ thể tích V1 đến thể tích V2 để quá trình có thể coi là quá trình cân bằng. Nếu tiên hành quá trình ngược lại : nén khí vô cùng chậm từ thể tích V2 đến thể tích V1 khối khí sẽ đi qua các trạng thái cân bằng trung gian như quá trình giãn. Công mà khối khí nhận được trong quá trình nén bằng công sinh ra trong quá trình giãn. Do đó sau khi trở về trạng haí ban đầu khối không khí trao đổi công với môi trường bên ngoài. Vì có vỏ cách nhiệt nên khối không khí trao đổi nhiệt với môi trường ngoài. Kết quả là sau khi trở về trạng thái ban đầu môi trường xung quanh không bị biến đổi. Có thể nói rằng mọi quá trình cơ học không có ma sát đều là quá trình thuận nghịch. II.2.2 Về quá trình không thuận nghịch Ta thấy trong các quá trình cơ học và nhiều quá trình khác, sự thuận nghịch chỉ tồn tại khi không có nhiệt độ trao đổi. Nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng mọi quá trình vĩ mô thực, bao giờ cũng có trao đổi với bên ngoài moi. Vì vậy, mọi quá trình vĩ mô thực đều là những quá trình không thuận nghịch. Thí dụ : các quá trình xảy ra có ma sát. Do có ma sát, trong quá trình thuận, một phần công biến thành nhiệt và nếu tiến hành quá trình ngược thì một phần công nữa lại biến thành nhiệt. kết quả cuối cùng là có một phần công biến thành nhiệt và thực nghiệm xác định, nhiệt đó chỉ làm nóng các vật chứ không biến thành công được. Do đó sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình ngược lại, môi trường xung quanh bị biến đổi. Vậy các quá trình có ma sát đều là quá trình không thuận nghịch. Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh cũng là một quá trình không thuận nghịch. Quá trình này xảy ra một cách tự phát, không cần có một tác dụng nào từ bên ngoài. Quá trình chấm dứt khi nhiệt độ của hai vật cân bằng nhau. Muốn có một quá trình ngược lại : nhiệt từ vật lạnh truyền sang vật nóng thì phải có tác dụng từ bên ngoài. Kết quả là sau khi vật nóng truyền sang vật lạnh và lấy nhiệt từ vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi. II.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch. Qua việc nghiên cứu các quá trình thuân nghịch và không thuận nghịch nói trên,ta thấy rằng các quá trình thuận nghịch kể trên đều là các quá trình lí tưởng và trong thực tế chỉ xảy các quá trình không thuận nghịch.việc nghiên cứu đó đóng vai trò rất quan trọng trong công việc xây dựng nguyên lí thứ hai của nhiệt động học. Những ví dụ về quá trình không thuận nghịch chỉ rõ ràng trong hai chiều diễn biến của một quá trình vĩ mô,chỉ có một chiều quá trình xảy ra một cách tự phát,không cần có tác dụng bên ngoài.chiều diễn biến tự phát này đảm bảo cho hệ tiến tới trạng thái cân bằng.khi hệ ở trạng thái cân bằng rồi thì hệ không thể tự phát, không cần có tác dụng bên ngoài. Chiều diễn biến tự phát này đảm bảo cho hệ tiến tới một trạng thái cân bằng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng rồi thì hệ không thể tự phát xảy ra quá trình đưa hệ tới những trạng thái không cân bằng. Cần chú ý rằng tuy các quá trình thuận nghịch là các quá trình lý tưởng nhưng việc nghiên cứu chúng rất quan trọng đối với việc thiết lập biểu thức định lượng của nguyên lý thứ hai. Ta đã biết muốn thực hiện được các quá trình thuận nghịch cần phải loại trừ ma sát và ngăn không cho nhiệt truyền từ chỗ nóng sang chỗ lạnh . Vì vậy, so với quá trình bất thuận nghịch , quá trình thuận nghịch là quá trình lợi nhất về phương diện công và nhiệt vì công sinh ra không bị mất mát vì ma sát và nhiệt mà hệ nhận vào cũng không bị hao hụt do tỏa nhiệt cho môi trường xung quanh. Điều này được ứng dụng trong kĩ thuật chế tạo động cơ nhiệt mà ta sẽ nói ở phần sau. Tất nhiên máy hoạt động theo những chu trình càng gần quá trình thuận nghịch thì càng có lợi . III. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học Để phát biểu nguyên lý thứ hai của nhiệt động học ta xét đến các máy nhiệt III.1 Máy nhiệt Máy nhiệt là một hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt (máy lạnh) hoặc biến nhiệt thành công (động cơ nhiệt). Trong các máy nhiệt có các chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến nhiệt thành công và ngược lại, chúng được gọi là các tác nhân. Khi máy hoạt động , tác nhân trao đổi nhiệt với các tác vật có nhiệt độ khác nhau. Các vật này được gọi là các nguồn nhiệt . Người ta coi nguồn nhiệt có nhiệt độ không đổi và sự trao đổi nhiệt không ảnh hưởng tới nhiệt độ của nó. Thông thường máy nhiệt trao đổi nhiệt với hai nguồn nhiệt. Nguồn có nhiệt độ cao hơn được gọi là nguồn nóng, còn nguồn có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh. Tất cả các máy nhiệt đều hoạt động tuần hoàn, do đó các tác nhân trong maý nhiệt biến đổi theo chu trình. III.2 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu định tính Theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học để sinh công A trong chu trình , tác nhân phải dùng một lượng nhiệt Q=A. nhưng nguyên lý thứ nhất không giải quyết được vấn đề đặt ra trong thực tế là có phải toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà tác nhân nhận cuả ngoại vật trong chu trình đã được dùng để sinh công A hay không ? Vấn đề này có liên quan chặt chẽ với việc chế tạo động cơ vĩnh cửu loại hai tức là loại động cơ có A = Q. Thực vậy sau khi đã thưà nhận là nguyên lý thứ nhất hoàn toàn đúng đắn một số người mơ tưởng dựa vào nguyên lý này có thể chế tạo những động cơ làm việc sao cho toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà các tác nhân nhận của ngoại vật trong một chu trình được biến đổi hoàn toàn thành công A. Nếu chế tạo thành công loại động cơ này thì rất có lợi và rất thuận tiện , vì để làm chạy máy chỉ cần sử dụng một một nguồn nhiệt cung cấp năng lượng cho máy là đủ. Mà nguồn nhiệt ở quanh chúng ta thì vô cùng tận : vỏ trái đất, các đại dương, v v ….Ví dụ các đại dương trên trái đất có 1370 triệu km3 nước , chỉ cần giảm nhiệt độ của nước biển đi 0,10 thì cũng thu được một nhiệt lượng đủ để chạy tất cả các máy trên trái đất 1500 năm. Sau một thời gian dài mọi cố gắng nhằm thực hiện động cơ vĩnh cửu loại hai đều vô ích. Động cơ chế tạo trong thực tế, không chỉ sử dụng toàn bộ nhiệt lượng Q mà nó còn nhận của một nguồn nhiệt nào đó để biến thành công A được mà bao giờ cũng phải truyền cho một nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng Q2 mà nó đã nhận của nguồn thứ nhất nghĩa là Q = - = A . tổng quát hóa những kinh nghiệm và những quan sát thu được trong thực nghiệm người ta đã xây dựng lên nguyên lý mới độc lập với nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học, đó là nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học có nội dung định tính như sau: Không thể thực hiện được một chu trình sao cho kết quả duy nhất của nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ một nguồn. Một cách ngắn gọn hơn có thể phát biểu nguyên lý hai như sau : không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai Như vậy nguyên lý thứ hai không có gì mâu thuẫn với nguyên lý thứ nhất mà chỉ làm sáng tỏ thêm nguyên lý thứ nhất, không những vậy khi vận dụng nguyên lý thứ hai vượt ra khỏi phạm vi của mối liên hệ giữa nhiệt và công để xét chung mọi quá trình biến đổi năng lượng đã xảy ra ta sẽ thấy nguyên lý thứ hai có nhiều ý nghĩa quan trọng sâu sắc và tổng quát. III.3 Chu trình carnot Động cơ nhiệt là thiết bị dùng để chuyển nhiệt thành công. Theo nguyên lí II một động cơ nhiệt khi làm việc phải tiếp xúc với ít nhất hai nguồn nhiệt là nguồn nóng với nhiệt độ T1 và nguồn lạnh có nhiệt độ T2 trong đó T1 > T2. Quá trình chuyển nhiệt thành công trong động cơ được biểu diễn bằng sơ đồ sau. Nguồn nóng (T1) Động cơ nhiệt Nguồn lạnh (T2) Q1 A Q2 Theo sơ đồ này động cơ lấy từ nguồn nóng nhiệt lượng Q1 chuyển cho nguồn lạnh lượng nhiệt Q2. Công nhận được là: A = Q1 – Q2 Tỉ số: = Được gọi là hệ số tác dụng hữu ích của động cơ, đó là tỉ số giữa công A nhận được và lượng nhiệt Q1 mà hệ lấy từ nguồn nóng. Rõ ràng < 1 III.3.1 Chu trình Carnot với tác nhân là khí lý tưởng Trong thực tế, sự chuyển nhiệt thành công đã được nghiên cứu và áp dụng từ thế kỉ 18, nhưng mãi đến năm 1824 kĩ sư người Pháp Carnot mới xây dựng được chu trình thuân nghịch lí tưởng gọi là chu trình Carnot. Chu trình carnot là một chu trình thuận nghịch lí tưởng được thực hiện trong động cơ nhiệt, gồm hai đường đẳng nhiệt thuận nghịch (AB và CD) và hai đường đoạn nhiệt thuận nghịch (BC và AD) như được biểu diễn trong hệ trục (P, V) trên hình dưới Chu trình carnot được tiến hành như sau: Giả sử chất sinh công là một mol khí lí tưởng. Hệ xuất phát từ trạng thái đầu A có thể tích VA và nhiệt độ T1. cho hệ giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch (T1 = const) đến thể tích VB ứng với điểm B. Công giãn nở A1 do hệ sinh ra bằng lượng nhiệt Q1 mà hệ nhận được, nghĩa là: A1 = Q1 = RT1ln Sau đó hệ giãn nở đoạn nhiệt (Q = 0) từ thể tích VB đến VC theo đường BC. Công do hệ sinh ra bằng nội năng của hệ: AII = -U = CV(T1 – T2) Tiếp tục thực hiện quá trình nén khí đẳng nhiệt (T2 = const) từ thể tich VC đến VD theo đường CD. Công tiêu tốn để nén khí bằng lượng nhiệt Q2 mất đi: AIII = - Q2 = RT2ln = -RT2ln Cuối cùng, hệ được nén đoạn nhiệt về trạng thái A ban đầu theo đường DA. Hệ nhận một công bằng độ tăng nội năng: AIV = -U = CV (T2 - T1) Công của toàn bộ quá trình là: A = A1 + AII + AIII + AIV = = RT1ln + CV(T1 – T2) + RT2ln + CV (T2 - T1) = = RT1ln - RT2ln Quá trình BC là đoạn nhiệt nên ta có: T1 = T2 Qua trình AD cũng là đoạn nhiệt, nên ta có: T1 = T2 Chia hai đẳng thúc này cho nhau, ta nhận được: = hay = Như vậy công của toàn chu trình là: A = R(T1 - T2)ln = Q1 – Q2 Ta lại có hiệu suất của động cơ nhiệt được tính theo công thức = = Từ đó ta có: = = = Như vậy hệ số tác dụng hữu ích của động cơ nhiệt làm việc theo chu trình carnot thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2. Vì T1 > T2 nên 0 < < 1. Nếu T1 = T2 thì = 0 và A =0, có nghĩa là một động cơ nhiệt không thể sinh công nếu chỉ tiếp xúc với một nguồn nhiệt ở nhiệt độ không đổi. Nếu T2 = 0 thì = 1, nhưng điều kiện này không thể thực hiện được, vì theo nguyên lý III của nhiệt động lực học thì không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối (0K). Trên cơ sở đó Carnot đã đưa ra hai định lí như sau: hệ số tác dụng hữu ích của một động cơ nhiệt () làm việc theo chu trình Carnot thuận nghịch không phụ thuộc vào bản chất của chất sinh công mà chỉ phụ thuộc vào nhệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh. Hệ số tác dụng hữu ích của chu trình Carnot thuận nghịch có giá trị lớn hơn hệ số tác dụng hữu ích của bất cứ chu trình nào khác giữa hai nhiệt độ cho trước. Chứng minh định lí Carnot thứ nhất: Giả thiết có hai động cơ làm việc theo chu trình thuận nghịch Carnot giữa hai nhiệt độ T1 và T2 nhưng khác nhau về chất sinh công trong động cơ thứ nhất là khí kí tưởng, trong động cơ thứ hai là một chất khí hoặc một chất lỏng bất kì. Giả thiết động cơ thứ nhất nhận lượng nhiệt Q1 từ nguồn nóng, trong quá trình làm việc nó thải cho nguồn lạnh lượng nhiệt Q2, đồng thời sản ra một công A = Q1 – Q2 , Hệ số tác dụng hữu ích của động cơ thứ nhất là: = Giả thiết động cơ thứ hai làm việc giữa hai nguồn nhiệt ấy cũng nhận ở nguồn nóng một nhiệt lượng Q = Q1 và giả thiết nó có hệ số tác dụng hữu ích nhỏ hơn, Q2. Nguồn nóng (T1) Động cơ I Động cơ II Nguồn lạnh (T2) Bây giờ giả thiết cho động cơ thứ hai làm việc theo chiều ngược lại, nghĩa là nó nhận nhiệt Q từ nguồn lạnh và thải nhiệt Q cho nguồn nóng bằng cách tiêu thụ công A’ do động cơ I cung cấp, Nếu hai động cơ làm việc song song và ngược chiều nhau như vậy thì trạng thái nhiệt động của nguồn nóng không thay đổi, vì Q1 = Q, còn nguồn lạnh mất nhiệt Q- Q2, và kết quả thu được một công có giá trị bằng A – A’. Điều này trái với nguyên lí II, vì không thể có một động cơ hoạt động theo chu kì, sinh ra công bằng cách lấy nhiệt từ nguồn nhiệt duy nhất, như vậy không thể nhỏ hơn . Cũng lí luận tương tự nhưng cho động cơ II làm việc theo chiều thuận, động cơ I làm việc theo chiều nghịch, ta dễ dàng chứng minh được không thể lớn hơn . Như vậy chỉ có khả năng = , nghĩa là hệ số tác dụng hữu ích của hai động cơ làm việc theo chu trình Carnot thuận nghịch trong cùng một khoảng nhiệt độ là bằng nhau và không phụ thuộc vào chất sinh công. Ta nảy sinh ra câu hỏi là tại sao cần phải chứng minh định lí Carnot thứ nhất trong lúc bản thân biểu thức tính hệ số tác hữu ích đã không chứa đại lượng nào đặc trưng cho chất sinh công? Vấn đề ở chỗ là, khi thiết lập biểu thức tính hệ số tác dụng hữu ích ta đã sử dụng khí lí tưởng. Còn nếu dùng khí khác khí lí tưởng thì không có căn cứ gì để khẳng định trước rằng trong phương trình của không chứa đại lượng nào đặc trưng cho chất sinh công. b, Chứng minh định lí Carnot thứ hai: Giả thiết có một động cơ hoạt động theo chu trình bất kì 1234 ta hãy thay chu trình này bằng một số rất lớn các chu trình Carnot rất nhỏ (mỗi chu trình đươc đặc trưng bởi 2 đường đẳng nhiệt và 2 đường đoạn nhiệt). Dễ hiểu rằng hệ số tác dụng hữu ích trung bình của tất cả cá chu trình Carnot nhỏ sẽ xấp xỉ bằng hệ số tác dụng hữu ích của chu trình 1234, và trong trường hợp giới hạn, khi số chu trình Carnot mà vô cùng lớn thì chúng sẽ bằng nhau. Mặt khác giữa hai nhiệt độ tới hạn T1 và T2 ta có thể xây dựng chu trình Carnot 1234 như được biểu diễn trên hình vẽ. Dễ hiểu rằng hệ số tác dụng hữu ích của mỗi chu trình Carnot nhỏ sẽ bé hơn hệ số tác dụng hữu ích của chu trình Carnot làm việc giữa T1 và T2 bởi vì: = Từ đó ta kết luận hệ số tác dụng hữu ích trung bình của bất kì chu trình nào không thể lớn hơn hệ số tác dụng hữu ích của chu trình Carnot làm việc trong cùng khoảng nhiệt độ Định lí Carnot thứ hai nhấn mạnh đến quá trình thuận nghịch của chu trình Carnot, vì chỉ trong quá trình thuận nghịch công nhận được mới có giá trị cực đại. Nếu tiến hành chu trình Carnot không thuận nghịch thì lượng nhiệt Q2 mất cho nguồn lạnh sẽ lớn hơn, công nhận được A = Q1 – Q2 sẽ bé hơn so với trường hợp thuận nghịch và do đó hệ số tác dụng hữu ích sẽ bé hơn: = Cũng như vậy, đối với một chu trình bất kì nếu tiến hành trong điều kiện không thuận nghịch thì hệ số tác dụng hữu ích sẽ bé hơn trong điều kiện thuận nghịch. Chu trình Carnot thuận nghịch là chu trình cho hệ số tác dụng hữu ích là cực đại khi động cơ hoạt động giữa hai nhiệt độ cho sẵn. III.3.2 Động cơ nhiệt làm việc theo chu trình cacno với các tác nhân bất kỳ trên đây ta xét chu trình cacno với tác nhân là khí lý tưởng và đã tính được hiệu suất của nó theo biểu thức Nhưng như đã có lần nói, chu trình cacno có thể dùng tác nhân là một đàn hồi bất kỳ. vậy trong trường hợp này hiệu suất chu trình sẽ như thế nào ? dưới đây ta sẽ chứng minh rằng động cơ nhiệt là việc theo chu trình canno với tác nhân bất kỳ cũng có hiệu suất như khi tác nhân là khí lý tưởng Gọi động cơ nhiệt làm việc theo chu trình cacno với tác nhân là khí lý tưởng là động cơ nhiệt một. Động cơ là việc theo chu trình cacno với tác nhân bất kỳ là động cơ nhiệt loại hai - hiệu xuất động cơ nhiệt một - hiệu xuất động cơ nhiệt hai Có thể xảy ra ba trường hợp để chứng minh ta chứng minh rằng không thể có hay . Ta giả sử hai động cơ nhiệt 1 và 2 được lắp ngược nhau như hình dưới. động cơ nhiệt 1 sau k chu trình truyền cho nguồn lạnh nhiệt lượng bà sinh ra công kA12 Theo công thức = Động cơ 2 làm nhiệm vụ máy làm lạnh sau l chu trình nhận của nguồn lạnh nhiệt lượng và nhận công cũng theo công thức = Ta chọn số chu trình k và l sao cho =nếu giả sử thì Vậy là sau khi động cơ nhiệt 1 thực hiên k chu trình và máy làm lạnh 2 thực hiện l chu trình thì nguồn lạnh có thể coi như không nhận mà cũng không truyền nhiệt lượng vì =. Nhưng nhìn chung với cách lắp hai máy nhiệt như trên thì sẽ thu được một công - .vậy công này chỉ là do việc nhận nhiệt Ở nguồn nóng và không cần đến nguồn lạnh với cách lắp hai máy nhiệt như trên ta sẽ có động cơ vĩnh cửu loại hai. Điều đó trái với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học . tuy nhiên về nguyên tắc thì với cách lắp trên hai máy nhiệt vẫn chạy được. sự mâu thuẫn này chính là do việc giả sử là không đúng. Cũng lập luận tương tự ta thấy không thể cho rằng là không đúng.vì vậy rõ ràng bắt buộc với điều kiện này thì sau khi động cơ nhiệt một thực hiện k chu trình và động cơ nhiệt 2 thực hiện l chu trình và nếu = thì = và sẽ không thu được thêm công nào cả như vậy không có gì mâu thuẫn với nguyên lý thứ hai. Như vậy ta dã chứng minh được Nghĩa là hiệu suất của động cơ nhiệt làm việc theo chu trình cacno không phụ thuộc tác nhân. Chu trình cacno xét trên đây là thuận nghịch. Vì vậy nói cách khác thì đối với chu trình cacno thuận nghịch dùng các tác nhân bất kỳ bao giờ ta cũng có đẳng thức Ta cần chú ý rằng giả sử có động cơ nhiệt thực làm việc theo chu trình cacno thì ta sẽ không có đẳng thức trên . trong trường hợp này chu trình cacno sẽ không thuận nghịch bởi vì trong động cơ nhiệt thực các quá trình sẽ không hoàn toàn đẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt. mặt khác ta lại biết rằng so với quá trình thuận nghịch thì trong quá trình không thuận nghịch là không có lợi về công. Vì vậy so với chu trình cacno thuận nghịch thì hiệu suất của chu trình cacno không thuận nghịch phải nhỏ hơn . do dó III.3.3 Động cơ nhiệt làm việc theo chu trình bất kỳ Hiệu suất của một chu trình thuận nghịch bất kỳ không thể lớn hơn hiệu suất của chu trình cacno. III.3.4. Cách tăng hiệu suất (hệ số tác dụng hữu ích) của động cơ nhiệt Hiệu suất của động cơ nhiệt càng lớn nếu nhiệt độ nguồn nóng (T1) càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh (T2) càng thấp. Trong thực tế việc hạ nhiệt độ của nguồn lạnh gặp nhiều khó khăn hơn việc tăng nhiệt độ nguồn nóng, nên để tăng hiệu suất của động cơ nhiệt người ta thường chọn cách thứ hai. GIÁ TRỊ CỰC ĐẠI CỦA HIỆU SUẤT T2= 293K T1K 373 673 1073 1273 2273 0.21 0.56 0.73 0.77 0.81 Nếu ta có hai có hai động cơ nhiệt hoạt động với nguồn lạnh có cùng nhiệt động cơ có nhiệt độ cao hơn sẽ có nhiệt độ cao hơn, nghĩa là nhiệt lượng cao hơn có khả năng biến thành công có ích lớn hơn. Từ đó ta suy ra rằng nhiệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ cao hơn có chất lượng cao hơn nhiệt lượng lấy từ vật có nhiệt độ thấp hơn. Trong thực tế máy hơi nước có hiệu suất thấp chính là do độ chênh lệch nhỏ giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ của nước. Ngay đối với những đầu máy hơi nước hiện đại làm việc với hơi nước quá nóng (5500C) và bộ phận ngưng tụ ở nhiệt độ thấp (100C) hiệu suất lý thuyết cũng chỉ đạt được 0.65, còn trong thực tế thì thấp hơn nhiều. Việc tìm một chất sinh công khác (ví dụ thủy ngân) có thể làm tăng tác dụng hữu ích,tuy nhiên trong thực tế người ta vẫn dùng nước do nhiều ưu điểm của nó:nhiệt hóa hơi lớn,khối lượng riêng bé,tương đối trơ… Muốn tăng hệ số tác dụng nhiệt của động cơ nhiệt ta có thể cho động cơ này càng gần động cơ thuận nghịch.Muốn vậy phải tránh mất mát nhiệt nhận từ nguồn nóng do truyền nhiệt và ma sát. IV. Phát biểu định lượng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học và nhiệt giai nhiệt động lực học IV.1. Phát biểu định lượng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học: Việc khảo sát hiệu suất của tất cả mọi chu trình có thể xảy ra đã giúp đỡ tìm ra được hiệu suất lý thuyết tối đa của động cơ nhiệt mà ta biểu diễn dưới dạng bất đẳng thức sau Hay : Đối với chu trình cacno thuận nghịch thì ta có dấu đẳng thức còn đối với mọi chu trình khác thì ta có dấu bất đẳng thức Từ đó suy ra Đẳng thức cho phép ta phát biểu định lượng nguyên lý thứ hai như sau ; Trong mọi chu trình thực hiện giữa nguồn nóng có nhiệt độ cao nhất là và nguồn lạnh có nhiệt độ thập nhất nếu tác nhân nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng . Sinh công thì phải truyền cho nguồn lạnh nhiệt lượng có giá trị không bé hơn giá trị . Kết luận này chỉ cho ta thấy tỉ lệ tối đa lý thuyết có thể biến nhiệt thành công trong điều kiện nhiệt độ của những nguồn nhiệt đã xác định. IV.2 Nhiệt giai của nhiệt động học Tronh khi đi sâu vào khía cạnh định lượng của nguyên lý thứ hai như đã làm ở trên , ta còn thấy thêm được những cách phát biểu điịnh tính khác của nguyên lý này. Thực vậy qua việc nghiên cứu sơ đồ hoạt động của động cơ nhiệt đã giúp ta có thêm cách phát biểu định tính khác của nguyên lý thứ hai. Đó là nhiệt năng lấy từ một nguồn nào đó không thể trực tiếp và hoàn toàn biến thành cơ năng. Thực vậy muốn cho nhiệt năng của nguồn nóng biến thành cơ năng thì rõ ràng ta phải biến nhiệt năng đó thành nội năng của tác nhân và sau đó phần nội năng được tăng thêm mới được sử dụng một phần để biến thành cơ năng còn một phần nũa lại chuyển về dạng nhiệt năng để truyền cho nguồn lạnh. Nghĩa là nhiệt năng muốn chuyển thành cơ năng thì phải qua khâu trung gian là chuyển thành nội năng của tác nhân. Hơn nữa cũng không cũng không phải nhiệt năng của nguồn nóng đã nhận hoàn toàn biến thành cơ năng. Tuy nhiên ngược lại cơ năng có thể trực tiếp và hoàn toàn biến thành nhiệt năng . Mặt khác qua việc nhận xét sơ đồ hoạt động của máy làm lạnh ta có thể phát biểu định tính nguyên lý thứ hai như sau : Nhiệt không thể tự đông truyền từ nguồn lạnh sang nguồn nóng. Thực vậy ta đã biết khi đặt hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì nhiệt tự động truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn nhưng rõ ràng là nhiệt không thể truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn. Muốn thực hiện được điều này thì nhất thiết phải thuyền nhiệt từ vật lạnh hơn sang vật trung gian và sau đó mới truyền sang vật nóng. Không những vậy quá trình truyền nhiệt này chỉ được thực hiện với sự hỗ trợ của tác dụng công của ngoại vật lên tác nhân. Mối quan hệ quan trọng rút ra từ công thức Úng với chu trình cacno thuận nghịch . căn cứ vào đẳng thức trên ta có thể xác định được nhiệt độ của các vật bởi tỉ số Người đầu tiên đưa ra ý kiến này là kenvin vì vậy nhiệt giai dựa vào sự khảo sát chu trình cacno được gọi là nhiệt giai động lực học hay nhiệt giai kenvin. Khác với các nhiệt giai thực nghiệm phụ thuộc vật nhiệt biểu được chọn đối với nhiệt giai nhiệt động lực học vì tỉ số không phụ thuộc vào tác nhân nên nhiệt giai này không phụ thuộc vào vật nhiệt biểu. Mặt khác khi nhiệt độ nguồn lạnh T2=00K thì đẳng thức cho ta theo công thức đã nêu ở trên lúc này hiệu suất chu trình cacno bằng đơn vị. điều này có nghĩa là không thể có nhiệt độ bằng hoặc thấp hơn vì hiệu suất của chu trình cacno không thể bằng hoặc lớn hơn đơn vị. nhận xét này hoàn toàn đúng và phù hợp vơi nhận xét đã nêu. Người ta đã chứng minh nhiệt giai nhiệt động lực học trùng với nhiệt giai tuyệt đối xác định theo nhiệt biểu dùng khí lý tưởng. V. Mở rộng V.1 Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao nhất trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra được chuyển thành công có ích thì động cơ đốt trong được dùng rộng rãi nhất với số lượng lớn nhất trong mọi lĩnh vực : giao thông vận tải, đường bộ, đường sắt , đường thủy, hàng không …… Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bị động lực do mọi nguồn tạo ra ( nhiệt năng, thủy năng, nhiệt nguyên tử, năng lượng mặt trời ….) Trong động cơ đốt trong , các quá trình đốt cháy nhiên liệu và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng được thực hiện bên trong động cơ. V.2 Ưu khuyết điểm và lĩnh vực sử dụng động cơ đốt trong V.2.1 Ư u điểm chính của động cơ đốt trong Hiệu suất có ích cao : động cơ đốt đieden tăng áp tuabin khí hiện tại đạt tới 0,4-0,52 trong khi hiệu suất có ích của máy hơi nước =0.09÷0.14, của tubin mới =0,22÷0,28 của tubin khi η không quá 0,3. Kích thước nhỏ gọn khối lượng nhẹ vì toàn bộ chu trình của động cơ đốt trong được thực hiện trong một thiết bị duy nhất (ngược lại thiết bị tua bin khí hoặc cần 123trang bị phụ như nồi hơi, buồng máy, máy nén, …..rất nặng và cồng kềnh. Khởi động nhanh bất kỳ động cơ đốt trong nào trong mọi điều kiện chỉ cần từ vài giây đến vài phút là có thể cho máy nổ chuyển đến toàn tải động cơ diezen lớn nhất từ khởi