Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Nội dung text: Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

1. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CHƢƠNG 1 CÁCÙ KHÁÙI NIỆÄM CƠ BẢÛN 1. KHÁI QUÁT Mục tiêu của nhiệt động lực học là nghiên cứu những qui luật về biến đổi năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng thơng qua hệ nhiệt động. Hệ nhiệt Nhiệt động Cơ năng năng Hệ nhiệt động gồm cĩ ba yếu tố cơ bản: nguồn nĩng, nguồn lạnh và chất mơi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đĩ thì hệ thống sẽ khơng làm việc được. Khái niệm nĩng và lạnh chỉ cĩ ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào cĩ nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào cĩ nhiệt độ lớn hơn là nguồn nĩng. Chất mơi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất mơi giới phải cĩ sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất mơi giới làm xuất hiện sự thay đổi cơng và nhiệt lượng giữa chất mơi giới và mơi trường, hoặc ngược lại, chính cơng và nhiệt lượng trao đổi giữa chất mơi giới và mơi trường làm cho trạng thái của chất mơi giới bị thay đổi. Ví dụ: Nguồn nĩng Nguồn lạnh Chất mơi giới Động cơ đốt trong Xylanh – píttơng Khơng khí bên Sản phẩm cháy ngồi Máy lạnh Thiết bị ngưng tụ Thiết bị bay hơi Mơi chất lạnh (NH3, frêon) Nhà máy nhiệt Lị hơi Bình ngưng Nước – hơi nước điện CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1-
2. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Chất môi giới Hệ nhiệt động Nguồ Nguồn n lạnh nĩng Cĩ 4 loại hệ nhiệt động: Hệ nhiệt động Hệ kín: Không Hệ hở: Có trao Hệ đoạn nhiệt: Hệ cô lập: chất môi trao đổi chất với đổi chất với môi Không trao đổi giới và môi trường môi trường trường nhiệt giữa chất không có bất kỳ sự môi giới và môi trao đổi năng lượng nào trường Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại: NGUỒN NÓNG 1. Động cơ nhiệt: chất mơi giới sẽ nhận nhiệt Q1 từ Q1 nguồn nĩng giãn nở sinh cơng W và nhả nhiệt Q2 cho nguồn lạnh. Q1 = |Q2| + W ĐỘNG CƠ NHIỆT Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt: W W Q Q Q  1 2 1 2 Q1 Q1 Q1 NGUỒN LẠNH Q2 2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất mơi giới nhận cơng W từ CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2-
3. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q2 đến nguồn nĩng Q1. |Q1| = Q2 + |W| NGUỒN NÓNG Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta Q1 dùng: Q Q - Hệ số làm lạnh  2 2 MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT W Q1 Q 2 W Q Q - Hệ số làm nĩng 1 1 W Q1 Q 2 NGUỒN LẠNH 2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Q2 Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng), nội năng, entanpi và entrôpi. Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ bản (vì đo được). Nội năng, entanpi và entrôpi gọi là thông số dẫn suất. 2.1. NHIỆT ĐỘ T Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật, dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế. Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius và Kelvin, theo hệ English có thang nhiệt độ Fahrenheit và Rankine. Trong đó Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối. CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3-
4. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Thang nhiệt độ Hệ SI Hệ English Celcius (oC) Kelvin (K) Fahrenheit (oF) Rankine (R) Nhiệt độ Nhiệt độ tuyệt đối tuyệt đối - Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, trên cơ sở ở áp suất tiêu chuẩn p = 1,013bar nước đá đang tan ở 0oC và nước sôi ở 100oC, trong khoảng này chia thành 100 vạch và mổi vạch là 1oC - Thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin chọn nước đá đang ta là 273K và nước sôi là 373K, độ chênh giữa oC và K được chọn bằng nhau. - Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine lấy điểm không trùng với thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Độ chênh nhiệt độ giữa điểm sôi và điểm đông đặc là 180 đơn vị. - Thang nhiệt độ Fahrenheit: ở áp suất tiêu chuẩn chọn nước đá đang tan là 32oF và nước sôi là 212oF. Lưu ý: chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái. CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4-
5. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN oC K oF oR 100 373 212 671,67 Điểm nước sôi 0 273 32 491,67 Điểm nước đông đặc -273 0 -459,67 0 Điểm không tuyệt đối Quan hệ giữa các thang đo; t(oC) = T(K) - 273 T(R) = 1,8T(K) t(oF) = T(R) – 459,67 5 t(oC) = (t oF 32) 9 t(o C) T(K) t(o F) T(R) 2.2. ÁP SUẤT Aùp suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. Có 4 loại áp suất: - Aùp suất khí quyển pa - Aùp suất dư pd - Aùp suất chân không pck CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5-
6. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN - Aùp suất tuyệt đối ptđ pd ptđ pa pd pa pa ptđ p =0 tđ Chân không tuyệt đối Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất dư pd = ptđ - pa Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất chân không pck = pa - ptđ Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái. 2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng Gọi V là thể tích, G là khối lượng thì thể tích riêng được tính: V v G 1 G Khối lượng riêng v V 3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG Khí lý tưởng là khí có: - Thể tích bản thân các phân tử bằng không. - Lực tương tác giữa các phân tử bằng không. Trong thực tế không có một chất khí nào có đầy đủ các tính chất của khí lý tưởng. Khái niệm khí lý tưởng để giải quyết các bài toán nhiệt động có liên CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6-
7. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN quan đến các chất môi giới có tính chất gần giống khí lý tưởng. Ở trạng thái thường gặp có thể xen oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước trong không khí ẩm, là khí lý tưởng. Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV = GRT hay pv = RT Trong đó: p- áp suất tuyệt đối của chất khí, N/m2 (=Pa) V- thể tích của khối chất khí, m3 G- khối lượng của khối chất khí, kg 8314 R- hằng số chất khí. R , J/kg.K   phân tử lượng của chất khí, kg/kmol T- nhiệt độ tuyệt đối, K v- thể tích riêng, m3/kg 4. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học. Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng. 4.1. ĐỊNH LUẬT GIBBS- DALTON V, T pA p, V, T x x x V, T x pB x x CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7-
8. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân áp suất của các thành phần n p pi i 1 p- áp suất hỗn hợp pi- phân áp suất (áp suất riêng phần) cùa thành phần thứ i 4.2. ĐỊNH LUẬT AMAGAT p, T VA p, V, T x x x p, T x x VB x Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp. n V Vi i 1 V- thể tích hỗn hợp Vi- thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i 4.3. THÀNH PHẦN HỖN HỢP a) Thành phần khối lượng Gi Gi gi G Gi gi 1 CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8-
9. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN G- khối lượng hỗn hợp Gi- khối lượng thành phần thứ i gi- thành phần khối lượng b) Thành phần thể tích Vi Vi ri V Vi ri 1 V- thể tích hỗn hợp Vi- thể tích riêng phần gi- thành phần thể tích 4.4. PHÂN TỬ LƯỢNG VÀØ HẰNG SỐ CHẤT KHÍ CỦA HỖN HỢP - Phân tử lượng của hổn hợp: 1 n  r  hh n g  i i  i i 1 i 1 i 8314 - Hằng số chất khí R hh 4.5. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG Là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị (khối lượng, thể tích, kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó. Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là: n + Nhiệt dung riêng đẳng áp cp gicpi [kJ/kg.K] i 1 n + Nhiệt dung riêng đẳng tích cv gicvi [kJ/kg.K] i 1 CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9-
10. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (2) (1) v = const p = const m = 1kg m = 1kg T 1K T 1K cv = 3,12kJ/kg.K cp = 5,2kJ/kg.K 3,12kJ 5,2kJ Minh họa nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp của hêli Nhiệt dung riêng của các khí lý tưởng kcal/kmol.K kJ/kmol.K Khí lý tưởng k cv cp cv cp Khí 1 nguyên tử 3 5 12,6 20,9 1,66 (Khí trơ: Ar, Xe, He, ) Khí 2 nguyên tử 5 7 20,9 29,3 1,4 (Không khí, O2, N2, CO, H2, ) Khí 3 nguyên tử trở lên 7 9 29,3 37 1,3 (CO2, CmHn, ) VD: Khí CO2 c 7 29,3 Nhiệt dung riêng đẳng tích: c p kcal/ kg kJ/ kg p  44 44 c 9 37 Nhiệt dung riêng đẳng áp: c v kcal/ kg kJ/ kg v  44 44 CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -10-
11. Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TOÀN CẢNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE LAW:: FIRST SECOND THE LAW:: LAW:: FIRST ::THE THE SECOND LAW:: CHẤT THUẦN KHIẾT KHÍ LÝ TƯỞNG LƯU ĐỘNG TB ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC ĐC ĐỐT TRONG TUABIN KHÍ ĐỘNG CƠ NHIỆT NHIỆT CƠ MÁY NHIỆT NĂNG NĂNG MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT QUÁ TRÌNH NÉN CHẤT THUẦN KHIẾT TIẾT LƯU KHÔNG KHÍ ẨM KHÍ VÀ HƠI ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: SECOND THE ::THE FIRST LAW:: LAW:: THE SECOND FIRST LAW:: THE ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: SECOND THE LAW:: FIRST THE LAW:: SECOND THE LAW:: FIRST THE LAW:: SECOND THE LAW:: FIRST ::THE CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -11-