Bài giảng Hoá lý nhiệt động lực học: Chương 3 - Lê Sĩ Thiện

Chương này giới thiệu một khái niệm trọng tâm trong nhiệt động lực học: entropy, một thước đo không chỉ khả năng chuyển đổi năng lượng thành công hữu ích mà còn lượng công thất thoát không thể tránh khỏi trong các quá trình thực tế. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống chuyển đổi năng lượng, như chu trình Rankine, trở nên ngày càng quan trọng. Sự hiểu biết sâu sắc về entropy cho phép chúng ta đánh giá giới hạn lý thuyết về công có thể sinh ra và phân tích nguyên nhân gây ra sự không hiệu quả. Điều này đặt nền tảng cho việc thiết kế các quy trình công nghiệp bền vững và hiệu quả hơn.

Sinh viên và kỹ sư trong các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Hóa học, Cơ khí, Vật lý, và những người quan tâm đến nguyên lý nhiệt động lực học và thiết kế hệ thống chuyển đổi năng lượng.

Nội dung này đi sâu vào khái niệm entropy, mở đầu bằng việc minh họa tầm quan trọng của nó trong phân tích hoạt động của các hệ thống kỹ thuật như turbine trong chu trình Rankine. Chúng ta bắt đầu với một ví dụ cụ thể về tính toán công sinh ra và enthalpy trong turbine, nhấn mạnh sự cần thiết của một công cụ lý thuyết để giải thích các giới hạn thực tế về hiệu suất. Entropy được định nghĩa là một hàm trạng thái và là thước đo khả năng sinh công tối đa cũng như công thất thoát. Một nguyên lý cốt lõi được giới thiệu là entropy của vũ trụ không thể giảm, phản ánh tính bất thuận nghịch của các quá trình tự nhiên. Tiếp theo, tài liệu phân biệt rõ ràng giữa quy trình thuận nghịch và không thuận nghịch, giải thích định nghĩa và đặc điểm của từng loại. Các quy trình thuận nghịch được mô tả là các quá trình diễn ra vô cùng chậm, trải qua chuỗi trạng thái cân bằng và có thể quay trở lại trạng thái ban đầu mà không để lại dấu vết trong môi trường. Ngược lại, các quy trình không thuận nghịch liên quan đến sự chênh lệch hữu hạn về lực đẩy và gây ra sự tăng entropy toàn phần của vũ trụ. Các ví dụ minh họa chi tiết về sự giãn nở của khí lý tưởng trong một hệ piston, cả trong điều kiện không thuận nghịch và thuận nghịch, được sử dụng để tính toán công và nhiệt, làm rõ sự khác biệt về năng lượng sinh ra và hiệu quả giữa hai loại quy trình. Việc áp dụng định luật khí lý tưởng và phương trình cân bằng năng lượng được trình bày rõ ràng, cung cấp một khung phân tích định lượng. Hiểu biết về entropy và sự khác biệt giữa các quy trình thuận nghịch và không thuận nghịch là then chốt để các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế và vận hành các hệ thống nhiệt động lực học, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất tổng thể.