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 36 tuổi, đã suy luận ra giới hạn này. Sự hiểu biết sâu sắc của ông về bản chất của nhiệt, và các giới hạn trên máy 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 vì thực tế thì bản chất của nhiệt vẫn không được hiểu rõ mãi rất lâu sau khi ông qua đời. Vào thời gian nghiên cứu của ông, các nhà khoa học vẫn tán thành lí thuyết “calo” của nhiệt, lí thuyết cho rằng một chất lỏng vô hình mang tên chất lỏng nhiệt đã mang nhiệt từ vật này sang vật khác.

Quyển sách năm 1824 của Carnot “Bàn về sức mạnh của lửa” đã đặt ra một bộ nguyên tắc, trong một số trường hợp, vẫn được sử dụng rộng rãi. Một trong số đó là giới hạn Carnot (còn gọi là hiệu suất Carnot), cho bởi một phương trình đơn giản: hiệu nhiệt độ giữa chất lưu làm việc nóng – thí dụ hơi nước trong nhà máy điện – và nhiệt độ nguội đi của nó khi nó rời khỏi động cơ, chia cho nhiệt độ tính theo độ Kelvon (nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối) của chất lưu nóng. Hiệu suất lí thuyết này biểu diễn theo phần trăm, 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 tốt nhất 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 thể đạt tới 40% hoặc cao hơn – so với giới hạn Carnot, tùy thuộc vào độ chênh lệch nhiệt chính xác của các nhà máy ấy, là khoảng 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 nóng và bất cứ cái gì dùng để làm nguội hệ thống – thường là không khí bên ngoài hoặc một nguồn cấp nước – nên rõ ràng là nguồn nóng có nhiệt độ càng cao, thì hiệu suất khả dĩ càng lớn. Cho nên, chẳng hạn, Jaffe giải thích, “một lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ tư làm nóng hơi nước đến 1200 độ Celsius sử dụng một lượng năng lượng cho trước hiệu quả hơn nhiều so với một nguồn năng lượng địa nhiệt sử dụng hơi nước ở 120 độ Celsius”.

Theo PhysOrg.com