Hệ thống nhiệt & Môi chất công tác

Hệ thống nhiệt

 

Trong lĩnh vực nhiệt, hệ thống nhiệt, thường được gọi tắt là hệ, là phần đối tượng được tách riêng ra để xem xét, nghiên cứu. Kích thước của hệ có thể nhỏ, thí dụ như khoảng vài chục mL dung tích xy lanh của các động cơ xăng cỡ nhỏ, hoặc có thể khá lớn như một nhà máy nhiệt điện.

Sau khi hệ đã được chọn thì phần còn lại được gọi là môi trường bên ngoài (hay môi trường). Hệ và môi trường được ngăn cách bằng một bề mặt kín, có thực hay tưởng tượng, được gọi là ranh giới hay biên giới. Trong khi khảo sát, ta thường biểu diễn hệ bằng phần bên trong của một đường cong kín như Hình 1.

Ranh giới Năng lượng Vật chất

Hình 1 Hệ thống nhiệt

Trong khi hoạt động, giữa hệ và môi trường có thể trao đổi vật chất và năng lượng. Tùy theo sự trao đổi này mà người ta chia hệ làm ba loại:

  • hệ cô lập : là hệ không trao đổi gì với môi trường bên ngoài,
  • hệ kín : giữa hệ và môi trường chỉ có sự trao đổi về mặt năng lượng,
  • hệ hở : khi giữa hệ và môi trường có sự trao đổi cả về mặt vật chất lẫn năng lượng.

Tuy vậy, sự phân loại này chỉ có tính tương đối. Với cùng một đối tượng cụ thể, tùy theo cách chọn mặt ranh giới hay tùy theo quan điểm khảo sát mà một hệ có thể thuộc loại này hay loại kia.

Một hệ được gọi là đồng thể khi các đặc tính của nó (thể hiện qua những thông số trạng thái) hoặc là không thay đổi, hoặc là thay đổi một cách liên tục từ điểm này sang điểm khác. Nếu trong hệ có tồn tại những bề mặt phân chia (là những bề mặt vật lý mà khi đi qua đó có sự thay đổi đột ngột của ít nhất một đặc tính) thì hệ là hệ dị thể. Tập hợp những phần đồng thể hợp thành một pha hay tướng. Thí dụ ta có thể xem sữa là hệ dị thể gồm hai pha là nước và chất béo, tất cả các giọt chất béo nhỏ li ti chỉ tạo thành một pha duy nhất là pha chất béo.

Trong thực tế, sự trao đổi giữa hệ và môi trường hoặc giữa các phần của hệ thường xảy ra một cách đều đặn liên tục; nếu có sự thay đổi thì sự biến thiên này cũng đều đặn, liên tục. Vì vậy người ta đưa ra khái niệm về dòng. Đó là sự trao đổi xảy ra theo một chiều nhất định, tại một hay vài vị trí nhất định. Dòng thường được đặc trưng bằng lưu lượng (số lượng vật chất trong đơn vị thời gian), hay công suất (số lượng năng lượng trong đơn vị thời gian).


Môi chất công tác

 

Trong một số các thiết bị năng lượng và quá trình năng lượng, năng lượng không biến đổi từ dạng này sang dạng kia một cách trực tiếp mà phải thông qua các chất trung gian được gọi là môi chất công tác (hay vắn tắt hơn: môi chất). Ta hãy xem xét một vài thí dụ sau.

  • Trong các động cơ xăng hay diesel, khi nhiên liệu cháy sinh ra nhiệt. Nhiệt này sẽ cung cấp cho không khí, áp suất không khí tăng lên tác động lên pít tông. Khi pít tông di chuyển sẽ sinh công. Như vậy không khí là chất trung gian để chuyển nhiệt thành công: không khí là môi chất trong các động cơ này.
  • Trong các tủ lạnh, ta cung cấp công (qua các động cơ điện) để kéo máy nén. Khi máy nén hoạt động, chất làm lạnh, ở dạng lỏng với nhiệt độ và áp suất thích hợp, sẽ di chuyển đến ngăn đá. Chất làm lạnh sẽ lấy nhiệt làm nhiệt độ nơi đây giảm xuống. Như vậy chất làm lạnh là chất trung gian, nhận công để lấy nhiệt từ ngăn đá. Chất làm lạnh là môi chất trong thiết bị này.
  • Trong các nhà máy nhiệt điện, nước nhận nhiệt từ các nồi hơi để chuyển thành hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao. Hơi nước này được đưa đến tua bin, làm quay tua bin, sinh công. Vì trục tua bin nối với máy phát điện, nên khi tua bin quay, sẽ tạo ra điện năng. Như vậy hơi nước là môi chất trong quá trình chuyển đổi năng lượng này.

Qua các thí dụ trên và nhiều ứng dụng thực tế khác, ta thấy rằng phần lớn các môi chất là những chất khí hoặc là các chất lỏng dễ hóa hơi. Ngoài ra hai loại môi chất rất thường gặp là không khí và hơi nước vì chúng có sẵn ở khắp nơi, giá rẻ, dễ sử dụng và không độc.





Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 10/12/2018