Bài giảng Cơ sở nhiệt kỹ thuật: Chương 3 - TS. Nguyễn Trọng Hiếu

Nhiệt động lực học là một ngành khoa học cơ bản, đóng vai trò nền tảng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện đại. Trong đó, Định luật Nhiệt động học II có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, cung cấp cái nhìn sâu sắc về chiều hướng tự nhiên của các quá trình năng lượng và giới hạn chuyển đổi năng lượng. Định luật này giải thích tại sao nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng và tại sao không thể chế tạo được động cơ nhiệt có hiệu suất 100%. Việc nắm vững các nguyên lý của Định luật Nhiệt động học II là cực kỳ cần thiết để phân tích, thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của các hệ thống và thiết bị chuyển đổi năng lượng như động cơ nhiệt và máy lạnh. Chương này sẽ trình bày chi tiết về định luật này, từ các định nghĩa cơ bản đến các chu trình nhiệt động ứng dụng.

Sinh viên các ngành kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật nhiệt, cơ khí, năng lượng, và những ai quan tâm đến nguyên lý hoạt động và hiệu quả của các hệ thống chuyển đổi năng lượng.

Chương này đi sâu vào Định luật Nhiệt động học II, một trong những nguyên lý cốt lõi của nhiệt động lực học, phác thảo những giới hạn cơ bản và chiều hướng của các quá trình chuyển hóa năng lượng. Bắt đầu với các định nghĩa kinh điển của Carnot – Clausius và Thomson – Planck, tài liệu làm rõ rằng nhiệt lượng chỉ tự truyền từ nhiệt độ cao xuống thấp và không thể sinh công liên tục chỉ với một nguồn nhiệt. Nội dung sau đó tập trung vào khái niệm trạng thái, quá trình, và đặc biệt là các chu trình nhiệt động, bao gồm chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch. Hai loại chu trình nhiệt động chính được phân tích là chu trình thuận chiều (chu trình sinh công), nơi nhiệt năng được chuyển hóa thành cơ năng, điển hình là trong động cơ nhiệt. Hiệu suất nhiệt của các chu trình này được giới thiệu như một chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Ngược lại, chu trình ngược chiều (chu trình nhận công) được đề cập để mô tả các thiết bị như máy lạnh, nơi công được sử dụng để chuyển nhiệt từ vùng lạnh sang vùng nóng, với hệ số làm lạnh là chỉ tiêu hiệu quả. Việc hiểu rõ những nguyên lý này là cần thiết để đánh giá tính kinh tế và giới hạn thực tế trong thiết kế và vận hành các hệ thống kỹ thuật nhiệt, đồng thời nhận thức được sự phức tạp của việc chuyển đổi năng lượng giữa các dạng khác nhau.