Nhiệt học

Động cơ nhiệt, hiệu suất và chu trình Carnot

Động cơ nhiệt biến một phần nhiệt nhận từ nguồn nóng thành công, thải phần còn lại xuống nguồn lạnh; định luật II giới hạn hiệu suất tối đa.

Một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình: nhận nhiệt $Q_h$ từ nguồn nóng, tạo công thuần $W$, rồi thải nhiệt $Q_c$ xuống nguồn lạnh. Sau một chu trình, môi chất làm việc trở về trạng thái ban đầu.

Chu trình Carnot

Chu trình Carnot gồm hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch ở $T_h,T_c$ và hai quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch nối chúng. Nó là giới hạn lý tưởng, không phải thiết kế có thể đạt hoàn toàn trong thời gian hữu hạn. Mọi động cơ giữa cùng hai nguồn đều có $\eta\le1-T_c/T_h$.

Trắc nghiệm nhanh

Trong một chu trình, môi chất trở về trạng thái ban đầu nên nội năng biến thiên bằng không. Định luật I vì vậy cho $W=Q_h-Q_c$: công đầu ra là phần nhiệt nhận vào không được thải xuống nguồn lạnh. Hiệu suất luôn nhỏ hơn một khi $Q_c>0$; thải nhiệt là điều không thể tránh đối với động cơ làm việc theo chu trình giữa hai nguồn. Giới hạn Carnot chỉ phụ thuộc nhiệt độ tuyệt đối của hai nguồn, không phụ thuộc bản chất môi chất làm việc. Muốn tăng giới hạn lý tưởng, có thể tăng $T_h$ hoặc giảm $T_c$, nhưng vật liệu và an toàn kỹ thuật đặt ra giới hạn thực tế. Một tủ lạnh vận hành ngược chiều động cơ nhiệt: nó dùng công để lấy nhiệt khỏi vùng lạnh và thải ra phòng ấm. Vì vậy cần phân biệt hiệu suất động cơ với hệ số làm lạnh; cả hai đều bị định luật II ràng buộc, nhưng không cùng định nghĩa.

Nếu một động cơ nhận 800 J và thải 500 J mỗi chu trình, công đầu ra là 300 J và hiệu suất là $300/800=37,5$. So sánh giá trị này với giới hạn Carnot cho biết hiệu suất thực có khả thi hay không; vượt giới hạn là dấu hiệu sai quy ước hoặc sai phép tính.