Trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt, Định luật Bảo toàn Năng lượng đóng vai trò nền tảng, chi phối các phân tích và thiết kế HVAC. Định luật này khẳng định rằng năng lượng không thể tự sinh ra hoặc mất đi, mà chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Việc hiểu rõ và áp dụng định luật này giúp các kỹ sư nhiệt và nhà thầu HVAC tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn cho các hệ thống điều hòa không khí, thông gió và sưởi ấm.
Năng lượng là đại lượng vật lý biểu thị khả năng thực hiện công hoặc tạo ra nhiệt. Trong kỹ thuật nhiệt, các dạng năng lượng chính bao gồm:
Xem thêm:
Trong HVAC, Nhiệt độ bầu khô là gì?
Trước khi thiết kế HVAC tối ưu bạn cần hiểu các khái niệm này
Năng lượng nội tại (nội năng): Mọi vật chất đều được cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử chuyển động không ngừng và tương tác với nhau. Năng lượng nội tại của một vật là tổng năng lượng của tất cả các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật. Để dễ hình dung về nội năng ta có thể liên hệ với năng lượng quen thuộc với 313.800 joule là lượng năng lượng cần thiết để tăng nội năng của 1 kg nước từ 25°C lên 100°C.
Năng lượng nhiệt: Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc, nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Năng lượng nhiệt, hay nhiệt năng, là phần của nội năng liên quan đến chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử trong vật. Nhiệt năng phụ thuộc vào nhiệt độ của vật: nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh, và nhiệt năng càng lớn.
Năng lượng cơ học: Một vật có thể thực hiện công khi nó chuyển động hoặc khi nó ở một vị trí có lợi thế về năng lượng. Năng lượng cơ học là tổng của hai dạng năng lượng Động năng và Thế năng.
Động năng là năng lượng mà một vật có được do chuyển động của nó. Mức độ động năng phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc của vật; vật càng nặng và chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn.
Thế năng là năng lượng tiềm ẩn của một vật do vị trí hoặc trạng thái của nó. Quả táo treo trên cành có thế năng hấp dẫn do ở độ cao so với mặt đất. Khi rơi xuống, thế năng này chuyển hóa thành động năng hoặc Một lò xo bị nén có thế năng đàn hồi. Khi lò xo được thả ra, thế năng này chuyển hóa thành động năng, làm cho lò xo giãn ra.
Trong bất kỳ trường hợp nào (ví dụ: khi đốt nhiên liệu sẽ sinh ra nhiệt, nhiệt đó có thể chạy tuabin phát điện với đơn vị là Watt, khi gió thổi quay tuabin điện, hay khi đèn pin chiếu sáng), năng lượng luôn chỉ “chuyển chỗ” hay “thay hình thức khác” chứ không hề tự sinh ra hoặc mất đi hoàn toàn. Đây chính là tinh thần của Định luật Bảo toàn Năng lượng.
Cân bằng Năng lượng và mối liên hệ giữa Định luật Bảo toàn Năng lượng và Cân bằng Năng lượng
Định luật Bảo toàn Năng lượng nói rằng năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ nơi này sang nơi khác. Đây là một quy luật chung cho tất cả các quá trình trong tự nhiên.
Cân bằng Năng lượng chính là cách áp dụng quy luật này để tính toán và theo dõi sự trao đổi năng lượng trong một hệ thống cụ thể. Nó giúp xác định có bao nhiêu năng lượng đi vào, bao nhiêu năng lượng thoát ra, và bao nhiêu năng lượng bị giữ lại bên trong hệ thống.
Ví dụ, khi bạn đun nước trên bếp, nhiệt từ bếp truyền vào nước, làm nước nóng lên. Tổng năng lượng không thay đổi, nhưng nó chuyển từ nhiệt năng của bếp sang nội năng của nước. Nếu bạn tắt bếp, nước dần nguội đi vì năng lượng truyền ra môi trường xung quanh. Dù nhiệt độ nước giảm, tổng năng lượng của cả hệ thống (nước và môi trường) vẫn được bảo toàn.
Như vậy, Cân bằng Năng lượng là cách để áp dụng Định luật Bảo toàn Năng lượng vào thực tế. Nó giúp ta biết năng lượng đi đâu, làm gì, và đảm bảo không có sai sót trong việc tính toán năng lượng trong các hệ thống như động cơ, lò hơi, tủ lạnh, hay điều hòa không khí… vân vân.