Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Kỹ thuật nhiệt – Đề 14

Hiện tượng nhà kính xảy ra do một số khí trong khí quyển (khí nhà kính) hấp thụ bức xạ nhiệt sóng dài (hồng ngoại) từ bề mặt Trái Đất và phát xạ trở lại, giữ nhiệt lại trong khí quyển. Bức xạ nhiệt là hình thức truyền nhiệt chính trong hiện tượng này.

Chu trình Carnot bao gồm bốn quá trình thuận nghịch: giãn nở đẳng nhiệt, giãn nở đoạn nhiệt, nén đẳng nhiệt, và nén đoạn nhiệt. Như tên gọi, quá trình đẳng nhiệt là quá trình diễn ra ở nhiệt độ không đổi. Chu trình Carnot là chu trình nhiệt động lý tưởng có hiệu suất cao nhất giữa hai nguồn nhiệt độ nhất định.

Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt độ không đổi, do đó nội năng của khí lý tưởng không đổi (ΔU = 0). Trong quá trình đẳng tích, đẳng áp, và đoạn nhiệt, nhiệt độ có thể thay đổi, dẫn đến sự thay đổi nội năng.

Vật liệu cách nhiệt cần có độ dẫn nhiệt thấp để hạn chế truyền nhiệt. Bông thủy tinh, xốp (polystyrene, polyurethane), vật liệu sợi (len, bông khoáng) có cấu trúc xốp, chứa nhiều không khí (khí dẫn nhiệt kém), do đó chúng là vật liệu cách nhiệt tốt. Kim loại, thép, gang dẫn nhiệt tốt nên không phù hợp làm vật liệu cách nhiệt.

Bức xạ nhiệt là hình thức truyền nhiệt bằng sóng điện từ, có thể truyền qua chân không hoặc môi trường trong suốt như không khí. Dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt cần môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) để truyền nhiệt.

Hệ thống năng lượng mặt trời tập trung (CSP) sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung một lượng lớn ánh sáng mặt trời vào một điểm nhỏ (bộ thu nhiệt). Ánh sáng mặt trời tập trung tạo ra nhiệt độ rất cao tại bộ thu, nhiệt này được sử dụng để đun nóng chất lỏng (ví dụ dầu, muối nóng chảy) để sản xuất hơi nước, sau đó hơi nước được dùng để chạy tuabin phát điện. Mục đích chính là tạo nhiệt độ cao, không phải hấp thụ trực tiếp thành điện năng (như pin mặt trời PV) hay chỉ tăng diện tích hấp thụ.

Nhiệt dung riêng (c) là một tính chất vật lý của vật liệu, định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 kg (hoặc 1 đơn vị khối lượng) vật liệu lên 1 độ Celsius (hoặc 1 Kelvin). Nó đặc trưng cho khả năng vật liệu hấp thụ và lưu trữ nhiệt. Các lựa chọn khác mô tả độ dẫn nhiệt, nhiệt nóng chảy, và điểm sôi, không phải nhiệt dung riêng.

Mất mát áp suất do ma sát trong ống dẫn chất lỏng phụ thuộc chủ yếu vào độ nhớt của chất lỏng (tính chất cản trở dòng chảy) và vận tốc dòng chảy (vận tốc càng cao, ma sát càng lớn). Ngoài ra, độ nhám bề mặt ống và chiều dài ống cũng ảnh hưởng. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, và độ phát xạ bề mặt không phải là yếu tố chính gây mất mát áp suất do ma sát trong dòng chảy chất lỏng.

Hệ SI (Hệ đo lường quốc tế) sử dụng Kelvin (K) làm đơn vị cơ bản cho nhiệt độ. Độ Celsius (°C) cũng được chấp nhận sử dụng rộng rãi và liên hệ trực tiếp với Kelvin. Độ Fahrenheit (°F) và Rankine (°R) là các đơn vị đo nhiệt độ thuộc hệ đo lường khác (hệ đo lường Anh).

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có cấu trúc phức tạp, diện tích trao đổi nhiệt lớn, khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp lớn như nhà máy điện (lò hơi, bình ngưng), nhà máy hóa chất (thiết bị phản ứng, thiết bị ngưng tụ), và các quy trình công nghiệp đòi hỏi trao đổi nhiệt hiệu suất cao.

Động cơ xăng hoạt động gần đúng theo chu trình Otto, và động cơ diesel hoạt động gần đúng theo chu trình Diesel. Cả hai chu trình này đều là các chu trình nhiệt động lực học biến đổi khí (gas power cycles) được thiết kế để mô tả hoạt động của động cơ đốt trong piston. Chu trình Carnot là chu trình lý tưởng, chu trình Rankine là chu trình hơi nước (steam power cycle), và chu trình Brayton là chu trình khí gas (gas turbine cycle).

Độ dẫn nhiệt (k) là một tính chất vật lý của vật liệu, đo lường khả năng vật liệu đó dẫn nhiệt. Vật liệu có độ dẫn nhiệt cao dẫn nhiệt tốt hơn. Nhiệt dung riêng liên quan đến lượng nhiệt cần thiết để thay đổi nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt đối lưu liên quan đến truyền nhiệt giữa bề mặt và chất lưu, độ phát xạ nhiệt liên quan đến bức xạ nhiệt.

Vật đen tuyệt đối là một mô hình lý tưởng hóa, được định nghĩa là vật hấp thụ toàn bộ bức xạ điện từ tới nó, không phản xạ hay truyền qua bất kỳ bức xạ nào. Nó cũng là vật phát xạ bức xạ nhiệt tối đa ở mọi bước sóng và nhiệt độ so với bất kỳ vật nào khác ở cùng nhiệt độ.

Ngưng tụ là quá trình chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng. Trong quá trình ngưng tụ, các phân tử khí mất năng lượng và giải phóng nhiệt ra môi trường, do đó đây là quá trình tỏa nhiệt. Các quá trình bay hơi, nóng chảy, và thăng hoa là quá trình thu nhiệt (cần cung cấp nhiệt để chuyển pha).

Hệ số truyền nhiệt đối lưu (h) phụ thuộc chủ yếu vào tính chất lưu động của chất lưu (như vận tốc, độ nhớt, độ dẫn nhiệt của chất lưu), hình dạng và vị trí bề mặt, và chế độ dòng chảy (laminar hay turbulent). Các yếu tố khác liên quan đến dẫn nhiệt, bức xạ, hoặc nhiệt dung riêng, không trực tiếp quyết định hệ số truyền nhiệt đối lưu.

Quá trình đẳng áp (isobaric) là quá trình nhiệt động lực học diễn ra ở áp suất không đổi. Do đó, áp suất là đại lượng không đổi trong quá trình này. Thể tích, nhiệt độ, và nội năng có thể thay đổi tùy thuộc vào lượng nhiệt trao đổi và công thực hiện trong quá trình đẳng áp.

Kỹ thuật nhiệt liên quan đến việc nghiên cứu và ứng dụng các nguyên lý truyền nhiệt, nhiệt động lực học, và chất lưu nhiệt để thiết kế, phân tích và vận hành các hệ thống nhiệt. Thiết kế hệ thống sưởi ấm/làm mát, động cơ đốt trong, và hệ thống làm lạnh thực phẩm đều là các ứng dụng trực tiếp của kỹ thuật nhiệt. Sản xuất vật liệu bán dẫn chủ yếu liên quan đến vật lý chất rắn, hóa học vật liệu, và kỹ thuật điện tử, dù có thể có một số khía cạnh nhiệt liên quan trong quá trình sản xuất, nhưng không phải là ứng dụng cốt lõi của kỹ thuật nhiệt.

Hiệu suất của động cơ nhiệt Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng (T_H) và nguồn lạnh (T_C), theo công thức η_Carnot = 1 - (T_C / T_H). Nó không phụ thuộc vào công chất, nhiệt lượng cung cấp, hay áp suất làm việc. Đây là hiệu suất lý tưởng tối đa có thể đạt được giữa hai nguồn nhiệt độ đó.

Thông số trạng thái là đại lượng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ thống, không phụ thuộc vào đường đi (quá trình) để đạt đến trạng thái đó. Nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V), nội năng (U), entropy (S) là các thông số trạng thái. Nhiệt lượng (Q) và công (W) là các hàm quá trình, phụ thuộc vào đường đi của quá trình.

Trong nhiệt động lực học, 'hệ thống' là phần không gian hoặc vật chất được chọn ra để nghiên cứu và phân tích. Ranh giới của hệ thống (bề mặt kiểm soát) phân tách hệ thống với môi trường xung quanh. Việc chọn hệ thống phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu cụ thể.

Bình ngưng (condenser) trong hệ thống điều hòa không khí có chức năng thải nhiệt ra môi trường bên ngoài. Môi chất lạnh ở trạng thái hơi nóng sau khi nén sẽ đi vào bình ngưng, tại đây nó ngưng tụ thành lỏng và tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh (thường là không khí hoặc nước).

Đối lưu tự nhiên xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ trong chất lưu, dẫn đến sự khác biệt về mật độ. Chất lưu nóng hơn có mật độ thấp hơn sẽ nổi lên, trong khi chất lưu lạnh hơn có mật độ cao hơn sẽ chìm xuống, tạo ra dòng đối lưu. Đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt hoặc bơm để tạo dòng chảy.

Bơm nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt ngược chiều tự nhiên (từ nơi lạnh sang nơi nóng), điều này đòi hỏi phải tiêu thụ công bên ngoài (thường là điện năng) để thực hiện quá trình này. Ví dụ, máy điều hòa không khí là một loại bơm nhiệt, nó lấy nhiệt từ phòng (nơi lạnh hơn) và thải ra môi trường bên ngoài (nơi nóng hơn).

Trong hệ thống lạnh, môi chất lạnh lỏng bay hơi trong thiết bị bay hơi (evaporator). Quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh (ví dụ, không khí trong tủ lạnh hoặc phòng điều hòa), làm lạnh môi trường đó. Các bộ phận khác có chức năng khác: máy nén nén hơi môi chất, bình ngưng thải nhiệt ra môi trường, van tiết lưu giảm áp suất môi chất.

Định luật Fourier về dẫn nhiệt phát biểu rằng tốc độ truyền nhiệt dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích truyền nhiệt (A), độ dẫn nhiệt của vật liệu (k), và gradient nhiệt độ (dT/dx). Dấu âm (-) chỉ ra rằng nhiệt truyền theo hướng giảm nhiệt độ. Các công thức khác biểu diễn: (1) truyền nhiệt đối lưu, (2) bức xạ nhiệt Stefan-Boltzmann, (4) nhiệt lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ.

Vây tản nhiệt được gắn thêm vào bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc với môi trường xung quanh, từ đó tăng tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt. Điều này giúp tăng tốc độ truyền nhiệt ra khỏi bề mặt, làm mát vật thể hiệu quả hơn. Vây tản nhiệt không làm thay đổi độ dẫn nhiệt của vật liệu hay hệ số truyền nhiệt đối lưu một cách trực tiếp, và mục tiêu chính là tăng cường truyền nhiệt chứ không phải giảm nhiệt độ vật liệu nói chung (mà là làm mát các bộ phận cụ thể).

Entropy (S) là một đại lượng nhiệt động lực học đo lường mức độ hỗn loạn hoặc mất trật tự của một hệ thống. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropy của một hệ thống cô lập luôn tăng lên trong các quá trình tự nhiên và không thuận nghịch.

Định luật Stefan-Boltzmann mô tả về bức xạ nhiệt phát ra từ vật đen tuyệt đối. Nó cho biết tổng năng lượng bức xạ nhiệt phát ra từ một vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật đó (Q = εσAT⁴, với ε=1 cho vật đen tuyệt đối). Nó không liên quan trực tiếp đến dẫn nhiệt hay đối lưu nhiệt.

Thông gió tự nhiên dựa vào sự chênh lệch áp suất do gió và sự khác biệt nhiệt độ để tạo ra dòng không khí lưu thông. Hướng gió và vị trí cửa sổ (và các lỗ thông gió khác) quyết định luồng gió vào và ra khỏi nhà, tạo ra dòng không khí. Màu sơn, vật liệu xây dựng tường, độ dày mái nhà có ảnh hưởng đến nhiệt độ bên trong nhà nhưng không phải yếu tố chính quyết định thông gió tự nhiên.

Ban đầu, nhiệt từ điện trở trong ấm truyền đến đáy ấm bằng dẫn nhiệt. Sau đó, nhiệt từ đáy ấm truyền vào nước. Nước nóng lên ở đáy ấm trở nên nhẹ hơn và nổi lên, trong khi nước lạnh hơn ở trên chìm xuống, tạo ra dòng đối lưu. Đối lưu nhiệt là hình thức truyền nhiệt chủ yếu trong quá trình đun nước trong ấm. Dẫn nhiệt vẫn xảy ra (trong thành ấm, từ ấm vào nước), nhưng đối lưu là cơ chế chính làm nóng toàn bộ lượng nước.