Sadi Carnot - cha đẻ của nhiệt động học

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) trong đồng phục sinh viên École Polytechnique.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), là một nhà vật lý người Pháp. Trong tác phẩm năm 1824 Những nhận xét về động năng của sự cháy và các loại máy móc dựa trên năng lượng này, ông đã lần đầu tiên đưa ra lý thuyết thành công về nhiệt năng, ngày nay được gọi là Chu kì Carnot, nhờ đó đặt nền tảng cho định luật thứ hai về nhiệt động lực học. Ông thường được xem như là "cha đẻ của nhiệt động học", người đưa ra các khái niệm Hiệu suất Carnot, Định lý Carnot, động cơ nhiệt Carnot, và các lĩnh vực khác. Ông thường được gọi bằng tên Sadi Carnot.

Cuộc đời

Sadi Carnot sinh tại Paris, là con trai của nhà toán học Lazare Carnot, gia đình ông còn có nhiều thành viên nổi tiếng khác như: em trai Hippolyte Carnot, cháu trai Marie François Sadi Carnot (tổng thống cộng hòa Pháp (1887-1894)).

Từ năm 1812 ông bắt đầu theo học tại École polytechnique, đồng học với ông sau này cũng là những nhà khoa học nổi tiếng như Claude-Louis Navier, Gaspard-Gustave Coriolis, được chỉ dạy bởi những người thầy cũng nổi tiếng không kém Gay-Lussac, Poisson, Ampère.

Tháng 1 năm 1814, Carnot nằm trong số sinh viên trường École polytechnique bị sung quân, từ đó ông trở thành sĩ quan trong quân đội Pháp. Cuối năm 1814 ông lại được đưa vào trường kĩ thuật quân sự ở Metz, học ngành công binh. Năm 1815, Napoleon I thua trận, hòa bình được lập lại, Carnot bị thuyên chuyển nhiều nơi do tính chất công việc của một kỹ sư công binh. Năm 1818, ông được cho nghỉ phép 6 tháng để chuẩn bị thi vào trường Kỹ thuật ứng dụng của bộ tổng tham mưu. Đến tháng 1 năm 1819 ông được nhận vào vị trí dự bị trong bộ tham mưu Paris với 2/3 số lương. Trong thời gian này ông dự học các trường Sorbonne và Collège de France và nhiều lớp học khác.

Tháng 6 năm 1821 Bộ chiến tranh cho ông nghỉ phép để đến thăm cha ông Lazare Carnot đang đi đày ở Magdeburg. Khi ở Magdeburg ông và cha cùng bắt đầu quan tâm về động cơ hơi nước. Trở về Paris ông bắt đầu nghiên cứu về cái sau này được gọi là nhiệt động lực học.

Từ năm 1828, Sadi Carnot xin nghỉ hoàn toàn khỏi công việc trong quân đội để trở lại chuyên tâm vào nghiên cứu khoa học và viết lách.

Năm 1832, Carnot mất trong trận dịch tả ở Paris. Các vật dụng tư trang của ông trong đó có nhiều bản thảo, tài liệu khoa học bị chôn cùng, do vậy ngoài 1 quyển sách đã xuất bản, di sản khoa học của ông còn lưu lại vô cùng hạn chế.

Tên ông là một trong số 72 tên các nhà khoa học và danh nhân được khắc trên tháp Eiffel ở Paris.

Tác phẩm

Năm 1824, Sadi Carnot xuất bản Những nhận xét về động năng của sự cháy và các loại máy móc dựa trên năng lượng này. Ban đầu cuốn sách với lối viết rất bình dân này không được nhiều sự quan tâm của những người cùng thời. Đồng thời với sự thất bại đó, cuốn sách không còn được tái xuất bản và trờ nên hiếm đối với những người quan tâm chẳng hạn như Kelvin. Cho đến năm 1834 công trình mới được phát triển bởi Émile Clapeyron và sau nữa với các nghiên cứu của Clausius và Kelvin dẫn đến sự ra đời của khái niệm entropi và nguyên lí hai của động lực học.

Thời đại của ông là thời của động cơ hơi nước, mặc dù được cải tiến liên tục nhưng nền tảng cơ sở cho động cơ hơi nước vẫn chưa có. Lí thuyết của Carnot chỉ giải thích mà không giúp gì cho việc cải tiến động cơ. Chỉ cho đến cuối thế kỉ 19 các nguyên lí của Carnot mới được quan tâm trở lại và được vận dụng trong nghiên cứu phát minh các loại động cơ đốt trong như động cơ diesel.

Các khái niệm Carnot xây dựng trong ngành nhiệt động lực học

1. Chu trình Carnot

Chu trình Carnot là một chu trình nhiệt động lực học. Các nghiên cứu này có động cơ là tìm kiếm một chu trình nhiệt động lực học có hiệu suất cao nhất, và chu trình Carnot đã được chứng minh là chu trình dành cho các động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất. Đây cũng là nội dung của định lý Carnot.

Chu trình Carnot cũng là một chu trình thuận nghịch. Người ta cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.

2. Hiệu suất Carnot:

Theo lý thuyết tổng quát về chu trình nhiệt động lực học, công thực hiện lên môi trường bởi một chu trình Carnot (hay nhận được từ môi trường bởi một chu trình Carnot ngược), W, là diện tích nằm trong biểu đồ nhiệt độ - entropy.

Nhiệt năng trao đổi với nguồn nóng là diện tích nằm dưới được đẳng nhiệt ở nhiệt độ cao:

Nhiệt năng trao đổi với nguồn lạnh là diện tích nằm dưới được đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp:

Hiệu suất động cơ Carnot: Hiệu suất η của động cơ nhiệt có thể được định nghĩa là tỷ số giữa công thực hiện bởi động cơ trên nhiệt tiêu tốn ở nguồn nóng:

Để có được nhiều công sinh ra cho cùng một nhiệt lượng tiêu thụ ở nguồn nóng, cần giảm tỷ số T_C trên T_H, tức là làm gia tăng chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.

Hiệu suất máy lạnh Carnot: Hiệu suất η của máy lạnh có thể được định nghĩa là tỷ số giữa nhiệt lấy ra ở nguồn lạnh trên công cần thực hiện lên máy lạnh:

Để có được nhiều nhiệt lượng lấy ra từ nguồn lạnh cho cùng một công thực hiện lên máy, cần giảm tỷ số T_H trên T_C, tức là làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.

3. Định lý Carnot:

Định lý Carnot phát biểu rằng:

Không một động cơ nhiệt nào hoạt động giữa hai nguồn nhiệt lại có hiệu suất cao hơn động cơ Carnot hoạt động với cùng hai nguồn nhiệt đó.

Người ta cũng chứng minh rằng:

Tất cả các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt có hiệu suất bằng nhau.

và

Tất cả các chu trình không thuận nghịch có hiệu suất nhỏ hơn các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt.

Định lý Carnot cũng có thể coi là một hệ quả của định luật hai nhiệt động lực học. Mặc dù trên thực tế không thể chế tạo được các động cơ thực sự thuận nghịch, do các quá trình không thuận nghịch như ma sát, định lý Carnot vẫn giúp định hướng việc chế tạo động cơ có hiệu suất cao sao cho càng gần thuận nghịch càng tốt.

4. Động cơ Carnot

Động cơ Carnot là các động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot. Một chu trình của động Carnot trải qua các bước:

• Giãn nở đẳng nhiệt của khí tại nhiệt độ cao, T_H. Giai đoạn này ứng với đi từ A đến B trên biểu đồ bên. Khí giãn nở đẩy piston thực hiện công cơ học lên môi trường, và để duy trì nhiệt độ không đổi, nó cần thu nhận nhiệt lượng, từ nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao T_H.

• Giãn nở đoạn nhiệt của khí. Trên biểu đồ, giai đoạn này đi từ B đến C. Hệ khí trong giai đoạn giãn nở, nhưng hoàn toàn cách nhiệt với môi trường. Khí tiếp tục sinh công vào môi trường, và theo định luật bảo toàn năng lượng, nó mất dần nội năng, nhiệt độ giảm dần xuống tới nhiệt độ thấp T_C.

• Nén đẳng nhiệt của khí tại nhiệt độ thấp, T_C. Với giai đoạn này, khí đi từ C đến D trên biểu đồ. Môi trường thực hiện công lên chất khí để nén nó. Để giữ nhiệt độ không đổi, môi trường phải hấp thụ nhiệt năng tỏa ra.

• Nén đoạn nhiệt của khí. Từ D đến A trên biểu đồ, môi trường tiếp tục thực hiện công vào chất khí để nén nó, nhưng hệ khí được cách nhiệt hoàn toàn với môi trường. Theo định luật bảo toàn năng lượng, công thực hiện lên khí được chuyển thành nội năng, làm nhiệt độ khí tăng lên đến T_H. Khí trở về trạng thái ban đầu và sẵn sàng cho chu trình tiếp theo.

Sau khi kết thúc một chu trình, động cơ Carnot thực hiện nhiều công vào môi trường hơn là nhận công của môi trường; và thu nhận nhiều nhiệt lượng từ nguồn nhiệt độ cao hơn là nhả ra cho nguồn nhiệt độ thấp. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng công cơ học động cơ sinh ra cho môi trường đúng bằng chênh lệch nhiệt lượng thu nhận và nhả ra với môi trường.

5. Máy lạnh Carnot

Máy lạnh Carnot là một máy lạnh hoạt động với chu trình Carnot ngược. Nghĩa là chất khí trong máy lạnh trải qua các giai đoạn từ A đến D, C, B rồi về A trong biểu đồ trên.

Sau khi kết thúc một chu trình, máy lạnh Carnot thu nhận nhiều công của môi trường hơn là thực hiện vào môi trường; và nhả ra nhiều nhiệt lượng cho nguồn nhiệt độ cao hơn là nhận vào từ nguồn nhiệt độ thấp. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng công cơ học mà môi trường thực hiện vào máy lạnh đúng bằng chênh lệch nhiệt lượng nhả ra và nhận vào với môi trường.

Nguồn tham khảo: Wikipedia

Điền Quang - thuvienvatly.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn