- Trang chủ >>
- Khoa Học Tự Nhiên >>
- Vật lý
Giải thích giới hạn Carnot pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (116.91 KB, 3 trang )
Giải thích giới hạn
Carnot
Hễ khi nào các kĩ sư muốn thiết kế ra một loại động cơ mới
hoạt động trên cơ sở nhiệt hoặc cải tiến một thiết kế hiện có,
họ đều vấp phải một giới hạn hiệu suất cơ bản: giới hạn
Carnot.
Nicolas Léonard Sadi Carnot. Ảnh: Wikimedia Commons
Giới hạn Carnot “thiết lập một giới hạn tuyệt đối trên hiệu suất
mà năng lượng nhiệt có thể biến đổi thành công có ích”, theo
giáo sư Robert Jaffe ở Viện Công nghệ Massachusetts, Mĩ.
Nicolas Léonard Sadi Carnot, sinh ra ở Pháp vào năm 1796 và
chỉ sống tới năm 36 tuổi, đã suy luận ra giới hạn này. Sự hiểu
biết sâu sắc của ông về bản chất của nhiệt, và các giới hạn trên
máy cơ sử dụng nhiệt, có sự tác động tồn tại cho đến ngày nay.
Cái làm cho những thành tựu của ông đặc biệt đáng chú ý là vì
thực tế thì bản chất của nhiệt vẫn không được hiểu rõ mãi rất lâu
sau khi ông qua đời. Vào thời gian nghiên cứu của ông, các nhà
khoa học vẫn tán thành lí thuyết “calo” của nhiệt, lí thuyết cho
rằng một chất lỏng vô hình mang tên chất lỏng nhiệt đã mang
nhiệt từ vật này sang vật khác.
Quyển sách năm 1824 của Carnot “Bàn về sức mạnh của lửa” đã
đặt ra một bộ nguyên tắc, trong một số trường hợp, vẫn được sử
dụng rộng rãi. Một trong số đó là giới hạn Carnot (còn gọi là
hiệu suất Carnot), cho bởi một phương trình đơn giản: hiệu nhiệt
độ giữa chất lưu làm việc nóng – thí dụ hơi nước trong nhà máy
điện – và nhiệt độ nguội đi của nó khi nó rời khỏi động cơ, chia
cho nhiệt độ tính theo độ Kelvon (nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối)
của chất lưu nóng. Hiệu suất lí thuyết này biểu diễn theo phần
trăm, giá trị có thể đạt tới những thật ra chưa bao giờ đạt tới.
Vào thời đại nghiên cứu của Carnot, những động cơ hơi nước tốt
nhất trên thế giới có hiệu suất tổng chỉ khoảng 3%. Ngày nay,
các động cơ hơi nước truyền thống có thể đạt tới hiệu suất 25%,
và các máy phát hơi tuabin khí trong các nhà máy điện có thể
đạt tới 40% hoặc cao hơn – so với giới hạn Carnot, tùy thuộc
vào độ chênh lệch nhiệt chính xác của các nhà máy ấy, là
khoảng 51%. Các động cơ xe hơi ngày nay có hiệu suất 20%
hoặc thấp hơn, so với giới hạn Carnot của chúng là 27%.
Vì giới hạn hiệu suất ấy dựa trên hiệu nhiệt độ giữa nguồn nóng
và bất cứ cái gì dùng để làm nguội hệ thống – thường là không
khí bên ngoài hoặc một nguồn cấp nước – nên rõ ràng là nguồn
nóng có nhiệt độ càng cao, thì hiệu suất khả dĩ càng lớn. Cho
nên, chẳng hạn, Jaffe giải thích, “một lò phản ứng hạt nhân thế
hệ thứ tư làm nóng hơi nước đến 1200 độ Celsius sử dụng một
lượng năng lượng cho trước hiệu quả hơn nhiều so với một
nguồn năng lượng địa nhiệt sử dụng hơi nước ở 120 độ Celsius”
