TS.1 · Gas processes, entropy and reversible cycles

Tủ lạnh có thể di chuyển nhiều nhiệt hơn cả công được cung cấp cho nó. Tỷ lệ này là hệ số hiệu suất, không phải hiệu suất phải nhỏ hơn một.

Tiền đề: 4.

• Áp dụng quy ước dấu công và nhiệt theo định luật I cho quá trình khí
• So sánh cân bằng entropy thuận nghịch và diện tích chu trình P–V
• Phân biệt hiệu suất động cơ với hệ số hiệu năng của máy lạnh

Sử dụng ΔU=Q−W, trong đó Q là nhiệt lượng đi vào hệ và W là công do hệ thực hiện. Công biên quasi-dừng là ∫P dV, dương khi giãn nở. Đối với một lượng khí lý tưởng xác định, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở thể tích không đổi W=0, nên ΔU=Q; đối với quá trình đẳng nhiệt của khí lý tưởng ΔU=0, nên Q=W. Quá trình cách nhiệt có nghĩa là Q=0, không phải nhiệt độ không đổi. Trong suốt một chu trình, trạng thái quay về ban đầu và ΔU=0, nên tổng nhiệt bằng tổng công ngay cả khi các giai đoạn riêng lẻ có sự truyền nhiệt khác nhau.

Đối với quá trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch của khí lý tưởng, PV là hằng số. Với nhiệt dung riêng không đổi, đường đi cách nhiệt thuận nghịch tuân theo PV^γ=hằng số, với γ=Cp/Cv>1; đi qua cùng trạng thái ban đầu thì áp suất giảm nhanh hơn khi thể tích tăng. Đường đẳng áp nằm ngang trên biểu đồ P–V. Một chu trình kín chiều kim đồng hồ có ∮P dV dương; đảo ngược chiều sẽ thay đổi dấu. Đối với vòng chữ nhật, độ lớn là ΔPΔV, và vòng tam giác có diện tích bằng một nửa diện tích hình chữ nhật bao quanh tương ứng. Sử dụng Pa và m³ để tính joule, không dùng giá trị lít chưa chuyển đổi.

Đối với quá trình truyền nhiệt thuận nghịch, dS=δQ_rev/T; entropy là hàm trạng thái còn nhiệt phụ thuộc vào đường đi. Một quá trình thuận nghịch gồm hệ và môi trường có tổng biến thiên entropy bằng không, nhưng entropy riêng của hệ có thể tăng hoặc giảm. Các quá trình tự phát không thuận nghịch tạo ra tổng entropy không âm. Quá trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch làm tăng entropy khí lên nR ln(V2/V1); bể nhiệt mất đi đúng lượng đó. Tính thuận nghịch không yêu cầu nhiệt độ hệ không đổi, công bằng không hay biến thiên nội năng bằng không.

Một động cơ thuận nghịch giữa TH và TC có hiệu suất W/QH=1−TC/TH. Máy lạnh thuận nghịch có COP=QC/W=TC/(TH−TC), và bơm nhiệt có QH/W=TH/(TH−TC). Sử dụng nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Trên biểu đồ T–S thuận nghịch, độ lớn nhiệt dọc theo đường đẳng nhiệt bằng T nhân với biến thiên entropy; diện tích hình chữ nhật Carnot chính là độ lớn công. Làm lạnh di chuyển nhiệt từ vùng lạnh sang nóng bằng cách tiêu thụ công, đảo ngược chu trình động cơ. COP có thể vượt một mà không vi phạm định luật bảo toàn vì lượng nhiệt di chuyển không hoàn toàn được cung cấp bởi công.

Máy lạnh thuận nghịch truyền entropy Delta S từ Tc sang Th.

COP vượt một là có thể vì nhiệt được di chuyển, chứ không phải toàn bộ được sản sinh từ công.

Tổng sản sinh entropy bằng 0 không có nghĩa là biến thiên entropy hệ bằng 0. Tủ lạnh sử dụng CT/(TH−CT), không phải công thức hiệu suất động cơ.

sản sinh entropy: Tổng entropy không âm được tạo ra bởi tính không thuận nghịch.

hệ số hiệu năng: Nhiệt lượng hữu ích được truyền chia cho công đầu vào đối với máy lạnh hoặc bơm nhiệt.