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

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.
7.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH LUẬT 2
Ở chương 5 và 6, chúng ta đã áp dụng định luật nhiệt động lực thứ nhất, hay
nguyên lý bảo toàn năng lượng vào các quá trình liên quan đến hệ thống kín và hở. Như

đã đề cập trong các chương đó, năng lượng là một thông số được bảo toàn, và không có
quá trình nào xảy ra mà không tuân thủ theo định luật nhiệt động lực 1. Vì vậy, có thể kết
luận rằng một quá trình muốn xảy ra phải tuân thủ theo định luật 1. Tuy nhiên, như đã
giải thích nếu chỉ thỏa mãn định luật 1 thì không đảm bảo được quá trình thực tế diễn ra.
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, Qout thể hiện cho lượng năng lượng thải ra để hoàn thiện chu
kỳ. Mà Qout 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 TH và vùng có nhiệt độ thấp (hay
nguồn) tại nhiệt độ TL. 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:
QH = cường độ dòng nhiệt truyền giữa thiết bị và vùng có nhiệt độ cao TH
QL = cường độ dòng nhiệt truyền giữa thiết bị và vùng có nhiệt độ thấp TL
Lưu ý rằng cả hai QL và QH được định nghĩa là cường độ và do đó là số dương.


Chiều hướng của QH và QL 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 = QH – QL
Và

Hay

Hiệu suất nhiệt của một động cơ nhiệt luôn luôn nhỏ hơn hiệu suất tổng thể vì cả
hai QL và QH 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 Qout?
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 KelvinPlanck về định luật nhiệt động thứ hai, được thảo luận trong phần sau.

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 QL là cường độ dòng nhiệt lấy
ra từ không gian làm lạnh ở nhiệt độ TL, QH là cường độ dòng nhiệt thải ra môi trường ở
nhiệt độ TH, và WNET là công cung cấp cho máy lạnh. Như đã thảo luận phần trước, QL và
QH thể hiện cho cường độ và vì thế là số dương.

Hình 7.20. Mục tiêu của tủ lạnh là lấy đi dòng nhiệt QL 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 (QL) từ không gian làm lạnh. Để thực hiện
mục tiêu này, đòi hỏi cung cấp vào công là WNET,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 QL bằng Q’L và
Wnet,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.
Bơm nhiệt
Dạng thiết bị khác truyền nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp đến vùng có nhiệt độ cao là bơm
nhiệt, thể hiện dạng sơ đồ ở Hình 7-21. Máy lạnh và bơm nhiệt hoạt động trên cùng một
chu trình nhưng khác nhau về mục đích của chúng. Mục đích của máy lạnh là để duy trì
không gian làm lạnh ở nhiệt độ thấp bằng cách thải nhiệt từ nó. Nhiệt này được thải sang
vùng có nhiệt độ cao hơn chỉ đơn thuần là nhu cầu của vận hành, không phải là mục đích.
Tuy nhiên, mục đích của bơm nhiệt là để duy trì không gian làm nóng ở nhiệt độ cao.
Điều này được thực hiện bằng cách hấp thụ nhiệt từ một nguồn nhiệt độ thấp, chẳng hạn
như nước giếng hoặc không khí lạnh bên ngoài vào mùa đông, và cung cấp nhiệt này vào
môi trường nhiệt độ cao như ngôi nhà (Hình 7-22).

Hình 7-21. Mục tiêu của bơm nhiệt là cấp nhiệt lượng QH 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 QL và QH. 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 QH 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 tƣơng đƣơng 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 QH mà nó
nhận được thành công W. Công này được cấp cho tủ lạnh để thải bỏ nhiệt lượng QL từ
nguồn ở nhiệt độ thấp và loại bỏ lượng nhiệt là QL + QH ra nguồn ở nhiệt độ cao. Trong

quá trình này, nguồn ở nhiệt độ cao sẽ nhận được lượng nhiệt thực QL (sự chênh lệch giữa
QL+QH và QH). 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 QL 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.


Hình 7-30. Hai quá trình thuận nghịch thường gặp (a) Con lắc không ma sát (b) Nén và
giãn nở của chất khí gần cân bằng.
Cần chỉ ra rằng hệ thống có thể phục hồi lại trạng thái ban đầu của nó sau một quá
trình, cho dù quá trình này là thuận nghịch hoặc không thuận nghịch. Nhưng đối với các
quá trình thuận nghịch, sự hồi phục này được thực hiện mà không để lại bất kỳ sự thay
đổi nào đến môi trường xung quanh, trong khi đối với các quá trình không thuận nghịch,
môi trường xung quanh thường sinh công trên hệ thống và do đó không trở về trạng thái
ban đầu.
Các quá trình thuận nghịch thực sự không xảy ra trong tự nhiên. Chúng chỉ đơn
thuần là quá trình lý tưởng của quá trình thực tế. Quá trình thuận nghịch có thể xấp xỉ

bằng các thiết bị thực tế, nhưng chúng không bao giờ có thể đạt được. Nghĩa là, tất cả các
quá trình xảy ra trong tự nhiên là không thuận nghịch. Khi đó, bạn có thể tự hỏi, tại sao
chúng ta bận tâm với các quá trình hư cấu như vậy. Có hai lý do. Thứ nhất, chúng dễ phân
tích, do chúng trải qua một loạt các trạng thái cân bằng trong suốt một quá trình thuận
nghịch; thứ hai, chúng đóng vai trò như mô hình lý tưởng hóa để có thể so sánh với quá
trình thực tế.
Trong cuộc sống hàng ngày, những nguyên lý về ông bà Right là quá trình lý
tưởng, giống như nguyên lý về quá trình thuận nghịch (hoàn hảo). Người ta thấy ông bà
Right định cư là ràng buộc để giữ ông hoặc bà Single cho phần còn lại cuộc đời của họ.
Khả năng tìm kiếm bạn đời tương lai hoàn hảo là thấp hơn so với khả năng tìm kiếm một
quá trình hoàn hảo (thuận nghịch). Tương tự như vậy, một người nào đó đòi hỏi về người
bạn hoàn hảo là ràng buộc dẫn đến không có bạn bè.
Kỹ sư quan tâm đến quá trình thuận nghịch bởi vì các thiết bị sinh công như: động
cơ xe hơi và tuabin khí hoặc hơi nước sinh công nhiều nhất, và các thiết bị tiêu tốn công
như máy nén, quạt và máy bơm tiêu thụ công ít nhất khi quá trình thuận nghịch được sử
dụng thay vì không thuận nghịch (Hình 7-31).