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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải thích giới hạn Carnot Giải thích giới hạn CarnotHễ khi nào các kĩ sư muốn thiết kế ra một loại động cơ mớihoạt 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 hạnCarnot. Nicolas Léonard Sadi Carnot. Ảnh: Wikimedia CommonsGiới hạn Carnot “thiết lập một giới hạn tuyệt đối trên hiệu suấtmà năng lượng nhiệt có thể biến đổi thành công có ích”, theogiáo sư Robert Jaffe ở Viện Công nghệ Massachusetts, Mĩ.Nicolas Léonard Sadi Carnot, sinh ra ở Pháp vào năm 1796 vàchỉ sống tới năm 36 tuổi, đã suy luận ra giới hạn này. Sự hiểubiết sâu sắc của ông về bản chất của nhiệt, và các giới hạn trênmáy 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 vìthực tế thì bản chất của nhiệt vẫn không được hiểu rõ mãi rất lâusau khi ông qua đời. Vào thời gian nghiên cứu của ông, các nhàkhoa học vẫn tán thành lí thuyết “calo” của nhiệt, lí thuyết chorằng một chất lỏng vô hình mang tên chất lỏng nhiệt đã mangnhiệt từ vật này sang vật khác.Quyển sách năm 1824 của Carnot “Bàn về sức mạnh của lửa” đãđặt ra một bộ nguyên tắc, trong một số trường hợp, vẫn được sửdụng rộng rãi. Một trong số đó là giới hạn Carnot (còn gọi làhiệu suất Carnot), cho bởi một phương trình đơn giản: hiệu nhiệtđộ giữa chất lưu làm việc nóng – thí dụ hơi nước trong nhà máyđiện – và nhiệt độ nguội đi của nó khi nó rời khỏi động cơ, chiacho nhiệt độ tính theo độ Kelvon (nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối)của chất lưu nóng. Hiệu suất lí thuyết này biểu diễn theo phầntrăm, 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 tốtnhất 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 thểđạt tới 40% hoặc cao hơn – so với giới hạn Carnot, tùy thuộcvào độ chênh lệch nhiệt chính xác của các nhà máy ấy, làkhoảng 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 nóngvà bất cứ cái gì dùng để làm nguội hệ thống – thường là khôngkhí bên ngoài hoặc một nguồn cấp nước – nên rõ ràng là nguồnnóng có nhiệt độ càng cao, thì hiệu suất khả dĩ càng lớn. Chonên, chẳng hạn, Jaffe giải thích, “một lò phản ứng hạt nhân thếhệ thứ tư làm nóng hơi nước đến 1200 độ Celsius sử dụng mộtlượng năng lượng cho trước hiệu quả hơn nhiều so với mộtnguồn năng lượng địa nhiệt sử dụng hơi nước ở 120 độ Celsius”