›
›

Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 1) - Cao đẳng nghề Yên Bái

pdf 47 trang ngocly 1540
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 1) - Cao đẳng nghề Yên Bái", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_nhiet_ky_thuat_phan_1_cao_dang_nghe_yen_bai.pdf

Nội dung text: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 1) - Cao đẳng nghề Yên Bái

  1. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Nhiệt kỹ thuật” được xây dựng và biên soạn trên cơ sở chương trình khung đào tạo nghề Công nghệ ô tô đã được Ban giám hiệu nhà trường phê duyệt, dựa vào năng lực thực hiện của người giáo viên kỹ thuật lành nghề. Nhiệt kỹ thuật là một môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lượng (chủ yếu là biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt năng trong các vật nói chung hoặc trong các thiết bị nhiệt nói riêng. Cuốn giáo trình Nhiệt kỹ thuật này được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy và học tập của sinh viên các trường Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề, trên cơ sở chương trình khung của bộ và trên cơ sở đề cương chi tiết đã được nhà trường phê duyệt. Nội dung của môn học đã được cải tiến nhờ kinh nghiệm giảng dạy lâu năm của tác giả để phù hợp với thực tiễn đào tạo. Trong quá trình thực hiện biên soạn đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp thẳng thắn, khoa học và trách nhiệm của nhiều giảng viên chuyên nghành. Xong do điều kiện về thời gian và đây là lần đầu tiên biên soạn giáo trình dựa trên chương trình khung của Bộ đã ban hành, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được những ý kiến tham gia đóng góp để giáo trình được hoàn thiện hơn, đáp ứng được yêu đào tạo kiến thức cơ bản cho học viên. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật đào tạo cho cấp trình độ lành nghề khối cao đẳng và công nhân kỹ thuật đã được hội đồng thẩm định của trường nghiệm thu, nhất trí đưa vào sử dụng và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo chính quy của nhà trường. NHÓM BIÊN SOẠN 1
  2. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I 8 KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 8 Bài 1 8 CÁC KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN 8 1. Các khái niệm 8 1.1. Máy nhiệt 8 1.1.1. Phân loại. 8 1.1.2. Động cơ nhiệt: 8 1.1.3. Máy lạnh: 8 1.1.4. Bơm nhiệt: 8 1.2. Môi chất: 8 1.3. Hệ thống nhiệt động (hệ nhiệt động). 9 2. Các thông số cơ bản của môi chất. 9 2.1. Nhiệt độ: 9 2.1.1. Nhiệt độ bách phân: 9 2.1.2. Nhiệt độ tuyệt đối: (nhiệt độ kenvin) 9 2.1.3. Nhiệt độ Farenheit: 10 2.2. Áp suất: 10 2.3. Thể tích riêng: 10 2.4. Khối lượng riêng: 10 2.5. Nội năng: 10 2.6. Entrôpi: 11 2.7. Execgi: 11 2.8. Entanpi: 11 Bài 2 11 HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 11 1. Hệ nhiệt động. 11 1.1. Khái niệm. 11 1.2. Phân loại: 12 + Hệ kín: 12 + Hệ hở: 12 + Hệ cô lập: 12 + Hệ đoạn nhiệt: 12 2. Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động. 12 2.1. Nhiệt độ tuyệt đối: 12 2.2. Áp suất tuyệt đối: 13 2.3. Thể tích riêng và khối lượng riêng: 13 2.4. Nội năng: 13 2
  3. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2.5. Tính chất của thông số trạng thái: 13 Bài 3 14 PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 14 1. Quá trình nhiệt động. 14 2. Phương trình định luật nhiệt động. 15 2.1. Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng. 15 2.2. Động cơ vĩnh cửu. 15 2.3. Định luật 1 nhiệt động học. 15 2.3.1. Phương trình định luật nhiệt động viết cho hệ kín: 15 2.3.2. Phương trình định luật nhiệt động áp dụng cho dòng chảy: 16 2.4. Định luật 2 nhiệt động học. 16 3.1. Nhiệt của quá trình (Q) 18 3.2. Công của quá trình (L) 19 Bài 4 20 NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI 20 1. Trạng thái: 20 2. Thông số trạng thái: 20 3. Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất một pha. 21 4. Nhận dạng các loại động cơ nhiệt. 21 5. Nhận dạng dụng cụ đo và phương pháp đo các thông số trạng thái 22 5.1. Dụng cụ đo 22 5.2. Phương pháp đo áp suất: 23 5.3. Bảng số liệu đo áp suất Pc của một số loại động cơ: 23 Chương II 26 MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT 26 Bài 1 26 KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 26 1. Khái niệm, phân loại khí lý tưởng 26 1.1. Khái niệm: 26 1.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng. 26 2. Khái niệm, phân loại khí thực: 27 2.1. Khái niệm: 27 2.2. Phương trình trạng thái khí thực. 27 2.2.1. Áp suất: 27 2.2.2. Thể tích: 27 Bài 2 28 KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI SỰ TRUYỀN NHIỆT 28 1. Khái niệm. 28 2. Phân loại: 28 3. Dẫn nhiệt. 28 3.1. Khái niệm. 28 3
  4. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 3.2. Phân loại dẫn nhiệt: 29 3.2.1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng: 29 3.2.2. Dẫn nhiệt qua vách trụ. 30 4. Trao đổi nhiệt đối lưu 32 4.1. Khái niệm: 32 4.2. Phân loại: 32 4.2.1. Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. 32 4.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức: 32 4.2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha: 33 5. Trao đổi nhiệt bức xạ. 33 5.1. Khái niệm. 33 5.2. Đặc điểm trao đổi nhiệt bức xạ: 33 Bài 3 35 KHÁI NIỆM VỀ SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 35 1. Khái niệm: 35 2. Sự chuyển pha của các đơn chất. 35 2.1. Đồ thị pha. 35 2.2. Sự chuyển pha. 36 2.2.1. Sự thăng hoa - ngưng kết. 36 2.2.2. Sự nóng chảy – đông đặc: 36 2.2.3. Sự hóa hơi – ngưng tụ 36 Bài 4 37 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT SỰ CHUYỂN PHA SỰ TRUYỀN NHIỆT CỦA MÔI CHẤT 37 1. Nhận dạng và phân biệt sự chuyển pha của môi chất: 37 1.1.Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha 37 1.2.Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi 37 1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng tụ 38 2.Nhận dạng và phân biệt sự truyền nhiệt của môi chất. 40 2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng. 41 2.2 Truyền nhiệt qua vách trụ. 42 2.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh. 44 2.4. Tăng cường truyền nhiệt 45 Chương III 48 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT 48 Bài 1 48 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN – ĐOẠN NHIỆT - ĐẲNG NHIỆT - ĐẲNG ÁP - ĐẲNG TÍCH- QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 48 1. Các quá trình đẳng nhiệt cơ bản: 48 2. Quá trình đoạn nhiệt. 48 2.1. Khái niệm: 48 4
  5. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2.2. Phương trình của quá trình đoạn nhiệt: 48 2.3. Đường biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt: 49 3. Quá trình đẳng nhiệt. 49 3.1. Khái niệm: 49 3.2. Phương trình của quá trình đẳng nhiệt: 50 3.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng nhiệt: 50 4. Quá trình đẳng áp: 50 4.1. Khái niệm: 50 4.2. Phương trình của quá trình đẳng áp: 50 4.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng áp: 51 5. Quá trình đẳng tích. 51 5.1. Khái niệm: 51 5.2. Phương trình của quá trình đẳng tích: 52 5.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng tích: 52 Bài 2 56 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ THỰC 56 1. Xác định biến đổi entanpi, nội năng và entrôpi. 56 2. Quá trình đẳng tích. 57 3. Quá trình đẳng áp 57 4. Quá trình đẳng nhiệt. 58 5. Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch. 58 Bài 3 59 QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI 59 1. Hỗn hợp khí lý tưởng. 59 1.1. Những tính chất của hỗn hợp khí lý tưởng. 59 1.2. Các thành phần của hỗn hợp. 60 1.2.1. Thành phần khối lượng. 60 1.2.2. Thành phần thể tích. 60 1.2.3. Thành phần kilômol 61 2. Xác định các đại lượng của hỗn hợp. 61 2.1. Kilômol của hỗn hợp. 61 2.2. Hằng số chất khí của hỗn hợp. 61 2.3. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí. 62 2.4. Xác định phân áp suất của khí thành phần. 62 3. Quá trình hỗn hợp của chất khí. 62 3.1. Hỗn hợp trong thể tích đã cho. 63 3.2. Hỗn hợp theo dòng. 64 3.3. Hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định. 65 Chương IV 66 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 66 Bài 1 66 5
  6. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái KHÁI NIỆM – YÊU CẦU – PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 66 1. Khái quát chung 66 2. Khái niệm cơ bản. 66 3. Phân loại: 69 3.1. Chu trình thuận chiều: 69 3.1.1. Chu trình động cơ đốt trong. 69 3.1.2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: 71 3.1.3. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích: 73 3.1.4. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp: 74 3.1.5. Chu trình tuabin khí: 75 3.1.6. Chu trình động cơ phản lực: 77 3.2. Chu trình ngược chiều (máy lạnh). 79 3.2.1. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt không khí: 80 3.2.2. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi. 81 4. Định nghĩa chu trình nhiệt động 84 4.1. Công của chu trình. 85 4.2. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt 85 4.3. Hiệu suất execgi 86 4.4. Hiệu suất nhiệt của chu trình carnot. 87 Bài 2 88 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 88 1. Khái niệm và phân loại. 88 1.1. Khái niệm: 88 1.2. Phân loại: 88 2. Cấu tạo và hoạt động của động cơ bốn kỳ. 89 2.1. Cấu tạo chung: 89 2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳ: 90 2.2.1. Quá trình nạp: 90 2.2.2. Quá trình nén: 90 2.2.3. Quá trình cháy – giãn nở - sinh công: 91 2.2.4. Quá trình thải. 93 3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ, 94 3.1. Sơ đồ cấu tạo của động cơ hai kỳ: 94 3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ. 95 3.2.1. Kỳ 1: Hút, nén (hình4.27. a) : 95 3.2.2. Kỳ 2 : Sinh công và thay khí (hình 4.27: b). 95 3.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điêzen hai kỳ 96 3.3.1. Sơ đồ cấu tạo : 96 3.3.2. Nguyên lý làm việc : 96 4. So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ bốn kỳ và động cơ hai kỳ : 97 4.1. Ưu điểm : 97 6
  7. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 4.2. Nhược điểm : 97 5. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tuốc bin khí 98 5.1. Sơ đồ cấu tạo: 98 5.2. Nguyên tắc hoạt động: 98 6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ máy bay có máy nén 98 6.1. Sơ đồ cấu tạo. 98 6.2. Nguyên tắc hoạt động: 99 7. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa: 99 7.1. Sơ đồ cấu tạo: 99 7.2. Nguyên tắc hoạt động: 99 BÀI TẬP 100 7
  8. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Bài 1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN 1. Các khái niệm 1.1. Máy nhiệt Là một loại thiết bị dùng để chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng của hai nguồn nhiệt: Nguồn nóng và nguồn lạnh. 1.1.1. Phân loại. Máy nhiệt gồm hai loại: + Động cơ nhiệt + Máy lạnh 1.1.2. Động cơ nhiệt: Động cơ nhiệt dùng để biến đổi nhiệt năng do đốt cháy nhiên liệu thành cơ năng. Tức là môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng (nhiên liệu cháy) giãn nở một phần biến thành công, sau đó nhả nhiệt còn lại cho nguồn lạnh (ra nước làm mát hoặc không khí như: Động cơ đốt trong; động cơ phản lực và các tuốc bin khí ) 1.1.3. Máy lạnh: Máy lạnh có tác dụng ngược lại với động cơ nhiệt. Tức là môi chất nhận công hoặc nhiệt năng từ nguồn lạnh (nhiệt của vật hoặc buồng cần làm lạnh truyền cho nguồn nóng). 1.1.4. Bơm nhiệt: Bơm nhiệt là máy tiêu hao năng lượng, tức là môi chất nhận công hoặc nhiệt năng từ nguồn nóng truyền cho nguồn lạnh để sưởi ấm hay sấy các vật. 1.2. Môi chất: Môi chất là chất trung gian để biến đổi và truyền tải năng lượng giữa nhiệt năng và công trong các máy nhiệt. Môi chất có 3 thể: Thể khí, thể lỏng, thể rắn. Trong máy nhiệt dùng môi chất là thể khí. Vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng trao đổi công rất lớn. Thể khí: Thể khí gồm 2 loại: Khí thực và khí lý tưởng. *Khí thực: Khí thực là mọi chất khí trong tự nhiên. Khí thực tạo nên từ các phân tử và nguyên tử. Chúng có kích thước và giữa chúng có lực tác dụng tương hỗ. * Khí lý tưởng: 8
  9. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Khí lý tưởng là khí không có kích thước và giữa chúng không có lực tác dụng tương hỗ như: Không khí hydro, ô xy ở điều kiện áp suất thấp và nhiệt độ thường. 1.3. Hệ thống nhiệt động (hệ nhiệt động). Là tập hợp các phần tử để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt. Hệ nhiệt động được đặt trong môi trường và được ngăn cách với môi trường bằng mặt bao. Thường gặp hệ nhiệt động là môi chất, nguồn nóng, nguồn lạnh hoặc tổ hợp môi chất nguồn nóng và nguồn lạnh, máy nhiệt 1.4. Thông số trạng thái Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng thái nhất định nào đó. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ thuộc vào quá trình. Nếu môi chất biến đổi rồi lại trở về trạng thái ban đầu, giá trị các thông số trạng thái sẽ không đổi. Các thông số nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng được gọi là các thông số trạng thái cơ bản vì chúng có thể đo được trực tiếp. Các thông số trạng thái còn lại gọi là hàm trạng thái, vì chúng không đo được trực tiếp mà phải thông qua các thông số trạng thái cơ bản. 1.5. Công Công là tích của vết chiếu của lực trên đường đi nhân với quãng đường đi. Công là số đo sự truyền chuyển động, tức là sự truyền năng lượng từ vật này sang vật khác. 2. Các thông số cơ bản của môi chất. Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng thái xác định nào đó. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ thuộc vào quá trình. Các thông số trạng thái cơ bản đó là: Nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng. 2.1. Nhiệt độ: Là mức đo trạng thái nhiệt (nóng, lạnh) của vật. 2.1.1. Nhiệt độ bách phân: Dùng thang nhiệt bách phân (100 vạch, mỗi vạch ứng với 10) và ký hiệu là 0C. 00C ứng với nhiệt độ nước đá đang tan và 1000C ứng với nước đang sôi ở áp suất P = 760 mmHg. 2.1.2. Nhiệt độ tuyệt đối: (nhiệt độ kenvin) Ký hiệu là T, đơn vị đo là 0K, 00K tương ứng với nhiệt độ thấp nhất của trạng thái vật chất mà trong đó các phân tử ngừng chuyển động. 00K tương ứng với (-) 273,150C. 9
  10. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2.1.3. Nhiệt độ Farenheit: Đơn vị: 0F, 320F = 00C ; 2120F = 1000C 2.2. Áp suất: Là lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp truyền lên đơn vị diện tích thành bình chứa khí hoặc chất lỏng. Áp suất được ký hiệu là P và được xác định bằng biểu thức: F P = S N/m2 F: Lực tác dụng của các phân tử khí hoặc chất lỏng (N). S: Diện tích thành bình (m2). Đơn vị đo áp suất : N/m2 = Pa (pascal) 1KPa = 103Pa; 1MPa = 106Pa. Các đơn vị đo áp suất: 1bar = 0,1 MPa = 1kG/cm2 0 1at = 0,98 bar = 735,5mmHg = 10mmH20 (ở 0 C) 1psi = 0,07at = 6895Pa. 1N/m2 = 1Pa = 10-5kG/cm2 1kN/m2 = 1kPa = 10- 2kG/cm2 1MN/m2 = 1MPa = 10kG/cm2 Áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là độ chân không, ký hiệu là : Pck. 2.3. Thể tích riêng: Là thể tích của một đơn vị khối lượng. Được ký hiệu là V và được xác định bằng biểu thức: V V = G (m3/kg) V: Thể tích của vật (m3) G: Khối lượng của vật (kg) 2.4. Khối lượng riêng: Là khối lượng của một đơn vị thể tích của hệ, là đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng. 1 m P= V = V (kg/m3) 2.5. Nội năng: Là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật. Nội năng bao gồm: Nội nhiệt năng (do chuyển động của các phân tử và nguyên tử) và các dạng năng lượng khác (hóa năng, năng lượng nguyên tử ). Nội năng là hàm của nhiệt độ : u = u(T) Đơn vị: U ( Ј ); u (Ј/kg) 10
  11. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2.6. Entrôpi: Là vi phân nhiệt lượng (dq) chia cho nhiệt độ tuyệt đối (T) của vật khi trao đổi nhiệt cho ta vi phân hàm trạng thái. dq ds = T Ký hiệu: S; s. Đơn vị: S (Ј/0K); s (Ј/kg0K) 2.7. Execgi: Là năng lượng có thể biến đổi hoàn toàn thành công trong quá trình thuận nghịch. Ký hiệu: E ; e. Đơn vị : E (Ј); e (Ј/kg) 2.8. Entanpi: Entanpi là hàm phụ thuộc 2 trong 3 thông số trạng thái cơ bản (P,V,T). Ký hiệu: I ; i Đơn vị : I (Ј); i (Ј/kg) CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày các khái niệm về nhiệt của hệ nhiệt động cơ bản? 2. Trình bày các thông số cơ bản của môi chất? Bài 2 HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 1. Hệ nhiệt động. 1.1. Khái niệm. Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả các vật ngoài hệ gọi là môi trường. Nói cách khác : Tập hợp các vật thể liên quan với nhau về mặt cơ hoặc nhiệt được tách ra để nghiên cứu gọi là hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm trong hệ nhiệt động gọi là môi trường xung quanh. Ranh giới giữa hệ nhiệt động và môi trường có thể là một bề mặt cụ thể, cũng có thể là bề mặt tưởng tượng do ta quy ước. Ví dụ: Nghiên cứu quá trình đun nước trong một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt động là nước và hơi trong bình, còn môi trường xung quanh là bình và không khí 11
  12. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái xung quanh. Các vật thể nằm trong hệ có thể trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường xung quanh. 1.2. Phân loại: Hệ nhiệt động bao gồm nhiều loại: + Hệ kín: Là hệ trong đó trọng tâm của hệ không chuyển động, như chất khí chứa trong bình kín hoặc chu trình động cơ đốt trong + Hệ hở: Là hệ trong đó trọng tâm của hệ có chuyển động, như tuabin khí và máy nén, vì lượng khí đi vào và ra khỏi xi lanh. + Hệ cô lập: Là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường. + Hệ đoạn nhiệt: Là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường. 2. Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động. Khi thông số trạng thái tại mọi điểm trong toàn bộ thể tích của hệ có trị số đồng nhất và không thay đổi theo thời gian ta nói hệ ở trạng thái cân bằng. Ngược lại khi không có sự đồng nhất này nghĩa là hệ ở trạng thái không cân bằng. Chỉ có trạng thái cân bằng mới biểu diễn được trên đồ thị bằng một điểm nào đó, còn trạng thái không cân bằng thì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau, do đó không biểu diễn được trên đồ thị. Vì vậy các thông số trạng thái mà ta nghiên cứu là các trạng thái cân bằng. 2.1. Nhiệt độ tuyệt đối: Là một trong số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật. Nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử. Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ của chất khí là đại lượng thống kê tỷ lệ thuận với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử. m 2 T = 3k Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối của vật m - Khối lượng phân tử  - Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử k - Hằng số Benzman = 1,3805.10- 23 J/k Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao. Đơn vị: 0C ; 0K ; 0R ; 0F. 12
  13. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Để đo nhiệt độ người ta dùng các dụng cụ khác nhau như: Nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hỏa quang kế 2.2. Áp suất tuyệt đối: Lực tác dụng của môi chất vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc gọi là áp suất tuyệt đối của môi chất. Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỷ lệ với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử và với số phân tử khí trong một đơn vị thể tích. m. 2 P = α.n 3 Trong đó: n - Số phân tử khí trong một đơn vị thể tích α - Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào kích thước bản thân phân tử và lực tương tác giữa các phân tử m - Khối lượng phân tử  - Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử Đơn vị đo áp suất là pascal (Pa) 1Pa = 1 N/m2 ; 1kPa = 103Pa ; 1Mpa = 106Pa Ngoài đơn vị tiêu chuẩn trên hiện nay trong thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo khác như : atmotphe (at) ; kg/cm2 - (1at = 1kg/cm2) 2.3. Thể tích riêng và khối lượng riêng: Một vật có khối lượng G (kg) và thể tích V (m3) thì thể tích riêng của nó là: V G V = G (m3/kg) và khối lượng riêng : ρ = V (kg/m3) 2.4. Nội năng: Bao gồm hai thành phần: Nội động năng và nội thế năng - Nội động năng là động năng của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay dao động của các phân tử, nguyên tử. - Nội thế năng là thế năng tương tác giữa các phân tử U = Uđn + Utn Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ (T) và thể tích (V) khi vật ở trạng thái xác định nào đó có giá trị nhiệt độ (T) và thể tích (V) xác định thì sẽ có giá trị nội năng (U) xác định. Theo quy ước đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0,010C và áp suất P = 0,0062at. 2.5. Tính chất của thông số trạng thái: Thông số trạng thái có vi phân toàn phần. Thông số trạng thái là hàm đơn vị của trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy trình bày khái niệm về hệ nhiệt động? 13
  14. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2. Trình bày các thông số trạng thái của một hệ nhiệt động? Bài 3 PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1. Quá trình nhiệt động. Bất kỳ sự thay đổi trạng thái nào của vật hoặc của hệ đi từ trạng thái này sang trạng thái khác, tính cân bằng ở mỗi trạng thái bị sai lệch và quá trình nhiệt động thực tế sẽ đi qua những trạng thái không cân bằng và quá trình thực tế là quá trình không cân bằng. Với những hiện tượng gần với hiện tượng nhiệt gọi là quá trình nhiệt động. Nói cách khác: Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ nhiệt. Giả thiết quá trình chuyển trạng thái vô cùng chậm chạp đến nỗi mỗi thời điểm ta thiết lập một trạng thái cân bằng. Quá trình đi qua những trạng thái cân bằng đó là quá trình cân bằng. Điều kiện để có sự thay đổi trạng thái nhiệt động của hệ là có trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường và ít nhất phải có một thông số trạng thái thay đổi. Quá trình nhiệt động có hai trạng thái: Trạng thái cân bằng là trạng thái nhiệt động trong đó các thông số trạng thái của hệ có giá trị đồng đều trong toàn bộ hệ và không thay đổi theo thời gian nếu như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường phá vỡ trạng thái đó. Có thể biểu diễn trạng thái cân bằng bằng đồ thị A; A’; A” (Hình 1.1.a) a) Quá trình cân bằng b) Quá trình thuận nghịch Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn trạng thái quá trình nhiệt động học Quá trình cân bằng khi đi qua những trạng thái nào nếu về cũng qua những trạng thái ấy là quá trình thuận nghịch (hình 1.1. b). 14
  15. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Quá trình không cân bằng hoặc quá trình cân bằng khi đi qua những trạng thái này khi về ít nhất qua trạng thái khác là quá trình không thuận nghịch. Quá trình thuận nghịch là quá trình lý tưởng xảy ra vô cùng chậm chạp, công sinh ra trong quá trình thuận nghịch là cực đại. Quá trình thực tế là quá trình không thuận nghịch. Quá trình không thuận nghịch phải tiêu tốn công để khắc phục ma sát xoáy và truyền nhiệt. Công sinh ra trong quá trình không thuận nghịch nhỏ hơn công sinh ra trong quá trình thuận nghịch tương ứng. Phần công tiêu tốn để khắc phục ma sát xoáy và truyền nhiệt biến thành nhiệt nung nóng hệ, có thể xem quá trình không thuận nghịch như quá trình thuận nghịch có thêm truyền nhiệt từ môi trường vào hệ để nung nóng hệ. Công và nhiệt là hai đại lượng đặc trưng cho quá trình là hàm quá trình. 2. Phương trình định luật nhiệt động. 2.1. Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng. Năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi nó có thể chuyển từ hệ thống này sang hệ thống khác dưới những dạng khác nhau. Nhưng tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn luôn được bảo toàn trong mọi điều kiện. 2.2. Động cơ vĩnh cửu. Là máy có thể sinh ra công liên tục mà không tiêu thụ bất kỳ năng lượng nào. Theo định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng thì không thể tồn tại loại động cơ vĩnh cửu vì nó tự sinh ra công. 2.3. Định luật 1 nhiệt động học. Là kết quả của sự áp dụng định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng cho quá trình trao đổi năng lượng dưới dạng công và nhiệt khi hệ tương tác với môi trường. ((Tổng năng lượng hệ trao đổi với bên ngoài bằng biến thiên năng lượng trong hệ )) Năng lượng trao đổi giữa hệ với môi trường buộc phải đi qua biên giới hệ nên phải là công và nhiệt. Khi hệ tiếp nhận các đại lượng sẽ có dấu là – L; + Q. L: Công thể tích (gắn liền với sự thay đổi thể tích của hệ) Q: Lượng nhiệt trao đổi (dấu + Lượng nhiệt nhận được, dấu - lượng nhiệt thải ra) Biến thiên năng lượng là: + ∆w Như vậy: ∆w = Q – L Q = ∆w + L Dạng vi phân: dQ = du + dL Viết cho 1kg: q = ∆w + l Dạng vi phân: Dq = dw + dl 2.3.1. Phương trình định luật nhiệt động viết cho hệ kín: Công hệ thực hiện là công thể tích thì: dQ = du + Pdv 15
  16. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Q = ∆u + Pdv Viết cho một kg: dq = du + Pdv Q = ∆u + Pdv 2.3.2. Phương trình định luật nhiệt động áp dụng cho dòng chảy: Xét dòng chảy (chất khí hoặc chất lỏng) ổn định và liên tục. Ổn định là các thông số tại mọi điểm trong dòng không thay đổi theo thời gian, liên tục là được thỏa mãn phương trình liên tục: F.W G = V = const G : Khối lượng (kg/s) W: Tốc độ dòng chảy (m/s) F : Diện tích tiết diện dòng chảy (m2) V : Thể tích riêng (m3/kg) 2.4. Định luật 2 nhiệt động học. 2.4.1. Khái niệm cơ bản a. Nội dung của định luật nhiệt thứ hai Bổ xung cho định luật thứ nhất, định luật thứ hai xác định thêm điều kiện, chiều hướng và mức độ chuyển hóa năng lượng. Nội dung là một, nhưng tùy theo đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, có nhiều cách phát biểu khác nhau. Phát biểu của Clausius: Không thể có bất kỳ một máy lạnh hay bơm nhiệt nào có thể vận chuyển nhiệt lượng từ một nơi có nhiệt độ nhỏ hơn đến nơi có nhiệt độ cao hơn mà không tốn gì hết. Phát biểu của kelvin Planck: Không có bất kỳ một động cơ nào có thể biến toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công. b. Chu trình carnot V B q1 RT 1 ln VA Các quá trình trên chu trình: - AB: nhận nhiệt lượng q1 (ở nhiệt độ không đổi T1) - dãn nở đẳng nhiệt - BC: cô lập và dãn nở, sinh công, nhiệt độ hạ từ T1  T2 - dãn nở đoạn nhiệt. - CD: thải nhiệt lượng q2 cho nguồn lạnh (ở nhiệt độ T2) - nén đẳng nhiệt. Hình1.2: Đồ thị p-v - DA: cô lập và chịu nén, nhận công để trở về trạng thái ban đầu - nén 16
  17. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái đoạn nhiệt. q2 t 1 Hiệu suất nhiệt của chu trình: q1 Xét 2 quá trình AB và CD. Quá trình đẳng nhiệt AB VB V q1 RT1ln A VD V Quá trình đẳng nhiệt CD: q2 RT2ln C q1 Lấy tỷ số q2 ta có: VB T1 ln q V 1 A q2 VC T2 ln V D - Xét 2 quá trình BC và DA. k 1 TV 2 B Quá trình đoạn nhiệt BC: TV1 C k 1 k 1 k 1 TV VVBA 2 A VV Quá trình đoạn nhiệt DA: TV1 D CD V V B C VVAD VB T1 ln q1 VA q 1 TT1 2 t 1 q2 VC q 2 T 2 T 1 T2 ln V D Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều: T  1 2 t T 1 Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều: 17
  18. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái T  2 TT 1 2 Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nhiệt. Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ hai: Giữa hai nguồn nhiệt C là lớn nhất Giữa Ta và Tb thì C của các chu trình Carnot bằng nhau. Định luật nhiệt động hai là cơ sở để xây dựng thang nhiệt độ động học Q 0 T Chu trình thuận nghịch đẳng thức logic Q T 0 Chu trình không thuận nghịch bất đẳng thức logic (phương trình logic thứ 2) 2.4.2: Entropy – đồ thị T-s Từ đẳng thức chu trình Carnot qT q q q q 1 1 1 2 1 2 0 q2 T 2 T 1 T 2 T 1 T 2 q1 và q2 có dấu ngược nhau q dq  0 0 T hoặc T dq T Vi phân toàn phần, thể hiện sự biến thiên của một biến số trạng thái nào đó của hệ. Ký hiệu là s; entropy, đơn vị là (J/K). Đây là một hàm trạng thái mới nên ta 2 dq ds s s ds 2 1 có: T và 1 3. Nhiệt và công của quá trình 3.1. Nhiệt của quá trình (Q) Là năng lượng nhiệt hệ trao đổi với môi trường nhiệt do hệ thực hiện quá trình thuận nghịch được xác định theo định nghĩa entropi. 18
  19. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Dq = Tds 2 Q = 1∫ Tds Vì nhiệt độ tuyệt đối T > 0 nên dấu của nhiệt q phụ thuộc dấu của biến thiên entropi ds nên ds > 0 nhiệt q > 0 hệ nhận nhiệt từ môi trường bên ngoài. ds < 0 nhiệt q < 0 hệ tỏa nhiệt cho môi trường có thể tích nhiệt theo nhiệt dung riêng. Hình 1.3: Đồ thị nhiệt dq = Cdt t2 q = t1∫ Cdt Biết quan hệ giữa C và T sẽ tính được tích phân và nhận được nhiệt q nên C = constan Q = C (t2 - t1) Nếu sử dụng nhiệt dung riêng: t2 q = [C] t1 (t2 – t1) t1 t2 Nếu sử dụng bảng nhiệt dung riêng nhận được giá trị [C]0 và [C]0 tìm được nhiệt. t2 t1 Q = [C]0 .t2 - [C]0 .t1 Nhiệt trao đổi với hệ mkg môi chất: Q = m.q 0 Ví dụ: Xác định nhiệt cần thiết đưa 4kg không khí từ nhiệt độ ban đầu t1 = 100 C. 0 Nhiệt độ cuối t2 = 500 C theo quá trình đẳng áp. 100 Giải: Tra bảng phụ lục nhiệt dung riêng không khí [C  P]0 = 29,15 kJ/kmol.k. 500 [C  P]0 = 30,1 kJ/kmol.k. 100 C  29,15 P 0 1 100 Nhận được: [CP]0 =  29 kJ/kg.k 500 C  30,1 P 0 1,04 500 [CP]0 =  29 kJ/kg.k qp = 420 kJ/kg nhiệt cung cấp cho 4kg không khí. Qp = m.qp = 4. 420 = 1680 kJ 3.2. Công của quá trình (L) Là hình thái trao đổi năng lượng cơ học giữa hệ với môi trường khi xảy ra quá trình nhiệt động. Công có thể xác định bằng tích của lực với độ dịch chuyển và có thể xác định theo quan niệm công là sự thay đổi thế năng áp suất. Với hệ kín như khối xi lanh động cơ đốt trong, hệ khí sẽ trao đổi với môi trường công giãn nở. 19
  20. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Cấu trúc hệ hở như khối khí trong buồng đốt động cơ, tâm lửa hệ sẽ trao đổi với môi trường công kỹ thuật. Công hệ sinh ra là dương (l > 0) và công hệ nhận vào là âm (l < 0). a) hệ kín b) hệ hở Hình 1.4: Sơ đồ công của quá trình Công là đại lượng mở rộng: Công của hệ mkg là L L = m.l Công là hàm quá trình phụ thuộc tính chất quá trình hệ đi từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối theo quá trình khác nhau sẽ có công khác nhau. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Vẽ đồ thị và trình bày quá trình nhiệt động? 2. Viết phương trình định luật nhiệt động? 3. Trình bày nhiệt và công của quá trình nhiệt động? Bài 4 NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI 1. Trạng thái: Là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi chất hay của hệ ở thời điểm nào đó. Các đại lượng vật lý đó được gọi là thông số trạng thái. 2. Thông số trạng thái: Là một hàm đơn vị của trạng thái có vi phân toàn phần. Do đó khi vật hoặc hệ ở trạng thái xác định thì các thông số trạng thái cũng có một giá trị xác định. Nghĩa là độ biến thiên các thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình. Trong nhiệt động dùng 3 thông số trạng thái có thể đo trực tiếp là nhiệt độ T, áp suất P và thể tích riêng (hoặc khối lượng riêng ρ) còn gọi là thông số trạng thái cơ bản. Ngoài ra trong tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác 20
  21. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái như: Nội năng U, entanpi E, entropi S. Các thông số này không đo được trực tiếp và được tính toán qua các thông số trạng thái cơ bản. 3. Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất một pha. Là trạng thái được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập, trên đồ thị trạng thái, trạng thái được biểu diễn bằng một điểm. Khi thông số trạng thái tại mọi điểm trong toàn bộ thể tích của hệ có trị số đồng nhất và không thay đổi theo thời gian, ta nói hệ ở trạng thái cân bằng. Ngược lại khi không có sự đồng nhất này nghĩa là hệ ở trạng thái không cân bằng. Chỉ có trạng thái cân bằng mới biểu diễn được trên đồ thị bằng một điểm nào đó, còn trạng thái không cân bằng thì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau. Do đó không biểu diễn trên đồ thị. 4. Nhận dạng các loại động cơ nhiệt. Máy hơi nước, tuốc bin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực, các loại động cơ nhiệt. Hình 1.5: Máy hơi nước Hình 1.6: Tuốcbin khí 21
  22. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Hình 1.7: Động cơ đốt trong Hình 1.8: Động cơ phản lực Động cơ nhiệt nói chung là những máy biến đổi nhiệt thành công. 5. Nhận dạng dụng cụ đo và phương pháp đo các thông số trạng thái 5.1. Dụng cụ đo Nhiệt kế, áp kế 22
  23. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Hình 1.9: Dụng cụ đo nhiệt kế Hình 1.10: Dụng cụ áp suất kế 5.2. Phương pháp đo áp suất: Đo áp suất của động cơ được tiến hành bằng cách lắp dụng cụ đo áp suất cuối kỳ nén vào lỗ lắp buzi hay vòi phun. Giá trị áp suất phụ thuộc vào loại động cơ (chủ yếu là giá trị tỷ lệ  ) và số vòng quay làm việc tại vị trí đo. Đối với động cơ diezen áp suất nén khá cao do đó phải dùng đầu nối có kết cấu giống kim phun (không dùng đường ống mềm) Đối với động cơ xăng dùng đồng hồ có chỉ số lớn nhất đến 1,5 Mpa. Đối với động cơ diezen dùng đồng hồ có chỉ số lớn nhất đến 6,0 Mpa. Để có thể thu được số liệu chính xác và đánh giá đúng chất lượng buồng đốt cần đo tại số vòng quay quy định trong các tài liệu của nhà sản xuất. 5.3. Bảng số liệu đo áp suất Pc của một số loại động cơ: Loại động cơ Số vòng quay Áp suất Pc Độ sai lệch ne 1/min giới hạn giữa 23
  24. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái các xi lanh Giá trị trung Giá trị thấp bình (kg/cm2) nhất (kg/cm2) GENBRAL 6,9 HOTOR TOYOTA 9,8 GAZ 24 180 ÷ 200 8,0 ÷ 8,8 8,0 1,0 ZIN 150 ÷ 180 6,0 ÷ 6,8 5,6 ÷6,0 0,7 ÷ 1,0 GAZ 53 180 ÷ 200 7,5 ÷ 7,8 6,3 0,7 ÷ 1,0 KAMAZ 500 ÷ 600 30 40 IAMZ 236 500 ÷ 600 34 26 40 Với động cơ nhiều xi lanh có thể thực hiện đo ở cùng một số vòng quay nhất định nhưng ở động cơ xăng điều này khó thực hiện vì khi bướm ga không mở hoàn toàn, lượng hỗn hợp nhiên liệu thay đổi khi một xi lanh không làm việc và dẫn tới áp suất khí nén thay đổi, giá trị áp suất nhỏ nhất của xi lanh khi đo không cho phép nhỏ hơn 75% giá trị danh nghĩa cho phép. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy trình bày trạng thái và thông số trạng thái? 2. Anh chị hãy kể tên một số động cơ mà biến đổi nhiệt năng thành cơ năng? 24
  25. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 25
  26. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Chương II MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT Bài 1 KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 1. Khái niệm, phân loại khí lý tưởng 1.1. Khái niệm: Khí lý tưởng là khí mà thể tích bản thân phân tử của chúng vô cùng bé và lực tương tác giữa các phân tử bằng không. Khí lý tưởng có các phân tử là những chất điểm (không có kích thước) giữa chúng không có lực tương tác. Hầu hết các chất khí ở nhiệt độ cao áp suất thấp đều được coi là khí lý tưởng vì rất loãng. Theo định luật Avôgađrô, ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 760mmHg) 1kgmol 3 mọi chất khí đều có thể tích bằng nhau là Vµ = 22,4m . Trong thực tế không có khí lý tưởng. Trong kỹ thuật ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường có thể coi các chất như hydro; ô xy; nitơ; không khí là khí lý tưởng. 1.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng. Biểu diễn quan hệ giữa các thông số trạng thái của khí lý tưởng ở một thời điểm nào đó. + Viết cho một kmol P.Vµ= RµT P : Áp suất tuyệt đối (N/m2) 3 Vµ: Thể tích của 1kmol (m /kmol) T : Nhiệt độ tuyệt đối (0K) Rµ: Hằng số khí vạn năng (hệ số phổ biến của môi chất Rµ= 8314 J/kmol độ) µ: Phân tử lượng của môi chất (khối lượng của 1kmol) + Viết cho một kg: Chia hai vế phương trình cho µ (kg/kmol) V R   T P   + Viết cho G kg: Nhân hai vế phương trình trên với G (kg) P.v.G = G.R.T Hay P.V = G. R.T G: Khối lượng không khí (kg) 26
  27. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái v: Thể tích riêng (m3/kg) V : Thể tích môi chất (m3) 2. Khái niệm, phân loại khí thực: 2.1. Khái niệm: Khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tử khác không và tồn tại lực tương tác giữa các phân tử. Nếu khí thực có áp suất thấp và nhiệt độ cao thì có thể coi là khí lý tưởng. 2.2. Phương trình trạng thái khí thực. Trong thực tế không tồn tại khí lý tưởng, các quá trình nhiệt động kỹ thuật thường gặp là xảy ra với khí thực, do khí thực có nhiều khác biệt với khí lý tưởng, nên nếu áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực thì sẽ gặp phải sai số lớn. Do đó cần thiết phải thiết lập các phương trình trạng thái cho khí thực để giải quyết vấn đề trên. Cho đến nay chúng ta chưa tìm được một phương trình trạng thái nào dùng cho mọi khí thực ở trạng thái mà chỉ tìm được các phương trình gần đúng cho một chất khí hoặc một nhóm chất khí ở khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Phương trình Vanđécvan. Là một trong những phương trình viết cho khí thực có độ chính xác cao và được áp dụng rộng rãi. Khi thành lập phương trình trạng thái cho khí thực xuất phát từ phương trình trạng thái khí lý tưởng để hiệu chỉnh các sai số. Vanđécvan đã đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh được xác định bằng thực nghiệm kể đến ảnh hưởng của thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa các phân tử của chất khí đó. 2.2.1. Áp suất: Đối với khí lý tưởng giữa các phân tử không có lực tương tác nên các phân tử tự do chuyển động và va đập tới mọi nơi với năng lượng của chúng. Còn ở khí thực trong quá trình chuyển động và va đập các phân tử tự do sẽ chịu lực hút và đẩy của các phân tử xung quanh, do đó lực va đập sẽ giảm đi vì vậy áp suất khí thực mà ta đo được sẽ nhỏ hơn giá trị áp suất thực tế một đại lượng là ∆P. Đại lượng này tỷ lệ với bình phương khối lượng riêng và bằng: a 2 ∆P = v a 2 Áp suất thật của khí thực là: P + ∆P =P + v 2.2.2. Thể tích: Các phân tử khí thực có thể tích khác không. Giả sử tổng thể tích bản thân các phân tử trong 1kg khí là b thì không gian tự do cho chuyển động của chúng sẽ 27
  28. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái giảm xuống và chỉ còn là (v - b). Vậy phương trình trạng thái khí thực Vanđécvan sẽ là: a (P +  v 2 ) (v - b) = RT Trong đó a và b là các hệ số có giá trị xác định, phụ thuộc vào bản chất của môi chất khí, b chính là tổng thể tích bản than các phân tử có trong 1kg khí. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy trình bày khái niệm khí lý tưởng và khí thực? 2. Viết phương trình trạng thái khí lý tưởng và khí thực? Bài 2 KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI SỰ TRUYỀN NHIỆT 1. Khái niệm. Truyền nhiệt hay gọi là trao đổi nhiệt để nghiên cứu các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau. Nhiệt lượng trong quá trình truyền nhiệt là lượng năng lượng trao đổi giữa các phân tử thuộc hai vật có nhiệt độ khác nhau. Tức là có động năng trung bình phân tử khác nhau, hiện tượng trao đổi nhiệt chỉ xảy ra giữa hai điểm có nhiệt độ khác nhau, tức là có sự chênh lệch nhiệt độ ∆t khác không lớn hơn giữa hai vật cân bằng nhiệt. Có (∆t = 0) nhiệt lượng trao đổi luôn bằng không. Trong tự nhiên, nhiệt lượng chỉ truyền theo hướng từ điểm có nhiệt độ cao đến điểm có nhiệt độ thấp. Do đó trao đổi nhiệt là một quá trình không thuận nghịch. 2. Phân loại: Sự trao đổi nhiệt giữa các vật là một quá trình phức tạp vì vậy quá trình trao đổi nhiệt có thể được thực hiện bằng 3 phương thức cơ bản sau đây được phân biệt theo phương thức truyền động năng giữa các phân tử thuộc hai vật. - Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt. - Trao đổi nhiệt bằng đối lưu. - Trao đổi nhiệt bằng bức xạ. 3. Dẫn nhiệt. 3.1. Khái niệm. Dẫn nhiệt là một trong 3 phương thức cơ bản. Dẫn nhiệt xảy ra bên trong vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc nhau khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần đó. Dẫn nhiệt không chỉ có mặt ở các vật rắn mà cả trong chất lỏng và cả trong chất 28
  29. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái khí, dẫn nhiệt được thực hiện thông qua quá trình truyền dao động các phần tử vi mô của vật thể: Trong kim loại dẫn nhiệt chủ yếu nhờ quá trình truyền dao động của các điện tử tự do, trong chất điện môi và chất lỏng, dẫn nhiệt nhờ sóng đàn hồi truyền dao động nhiệt. Trong chất khí dẫn nhiệt nhờ quá trình khuếch tán các phần tử. Ví dụ: Cầm một thanh sắt một đầu được đốt nóng sau một thời gian đầu thanh sắt ta cầm cũng thấy nóng hay áp tay lên một vật nóng tay ta cũng được nóng lên. - Điều kiện để có sự truyền nhiệt: Thì các vật phải có độ chênh lệch nhiệt độ và phải tiếp xúc với nhau. 3.2. Phân loại dẫn nhiệt: 3.2.1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng: - Vách phẳng là vách có chiều dài, chiều rộng lớn hơn chiều dày rất nhiều, trong đó có một mặt vách được đốt nóng và mặt kia được làm nguội (như 1tấm thép hay một bức tường . . . ) a. Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp: Giả sử có vách phẳng dày  làm bằng vật liệu đồng chất và có hệ số dẫn nhiệt  , nhiệt độ của các bề mặt vách tương ứng là tw1 và tw2 biết trước và không đổi (giả thiết tw1 > tw2 ) như vậy trong trường hợp này nhiệt độ chỉ thay đổi theo hướng x và t = f(x). Các mặt đẳng nhiệt sẽ là Hình 2.1: Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp các mặt song song vuông góc với trục x. b. Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp: Vách phẳng nhiều lớp là vách phẳng gồm nhiều lớp ghép chặt với nhau (như tường nhà gồm 3 lớp, lớp vữa, lớp gạch và lớp vữa ).  Giả sử có vách phẳng 3 lớp dày 1 ; 2 ; 3 làm bằng vật liệu đồng chất và có  hệ số dẫn nhiệt tương ứng 1 ; 2 ; 3 . Nhiệt độ các bề mặt bên ngoài tương ứng tw1; tw4; không đổi, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc ép chặt nhau là tw2 ; tw3. Qua sơ đồ dẫn nhiệt ta thấy quá trình dẫn nhiệt là ổn định và một chiều, nên mật độ dòng nhiệt qua các lớp là bằng nhau. 29
  30. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Như vậy đường biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ qua vách phẳng một lớp là một đường thẳng và qua nhiều lớp sẽ là một đường gãy khúc. Hình 2.2: Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 3.2.2. Dẫn nhiệt qua vách trụ. Vách trụ là vách có bề mặt cong bán kính r1 và r2, chiều dài lớn hơn chiều dày rất nhiều, có hệ số dẫn nhiệt  = const (không đổi) như một ống thép hay một xi lanh động cơ a. Dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp. Xét vách trụ một lớp đồng chất, đẳng hướng, có đường kính trong d1, đường kính ngoài d2, nhỏ hơn nhiều so với chiều cao. Cho biết hệ số dẫn nhiệt là hằng số, nhiệt độ hai mặt vách là tm1 và tm2. với điều kiện trên dòng nhiệt chủ yếu dẫn theo hướng bán kính, còn theo hướng chiều cao z và góc dòng nhiệt coi như không đáng kể có thể bỏ qua. Nghĩa là nhiệt độ chỉ thay đổi theo hướng bán kính. Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong tọa độ trụ khi ổn định: t 1 t 2t 2t 1 2t  r r r 2 z 2 r 2  2 Khi đó sẽ trở thành (ổn định, một biến): 1 d 2t 0 r dr 2 Hình 2.3: Dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp b. Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp: Vách trụ nhiều lớp là vách trụ gồm nhiều lớp ghép chặt với nhau (như thân máy, xi lanh hoặc ổ trục và bạc lót trong động cơ đốt trong ) . 30
  31. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Xét vách trụ 3 lớp có đường kính các lớp lần lượt là: d1; d2; d3 ; d4 . Hệ số dẫn nhiệt các lớp là hằng số và tương ứng bằng 1;2;3 . Cho biết nhiệt độ tại mặt trong cùng và ngoài cùng là tm1 và tm2. Giả thiết giữa các lớp có tiếp xúc lý tưởng để nhiệt độ hai mặt tiếp như nhau. Gọi các nhiệt độ tại hai chỗ tiếp xúc là ttx1 và ttx2 , áp dụng kết quả trên cho từng lớp của vách: Hình2.4: Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp (tm1 ttx1) 1 d (  ).ln( 2 ) 2 2 d Lớp 1: qL1 = 1 1 (ttx1 ttx2 ) 1 d (  ).ln( 3 ) 2 2 d Lớp 2 : qL2 = 2 (ttx2 tm2 ) 1 d ( ) .ln( 4 ) 2 3 d Lớp 3 : qL3 = 3 Khi ổn định: qL1 = qL2 = qL3 = q 1 d2 (tm1 ttx1) qL ln( ) Từ trên rút ra: 21 d1 1 d2 (ttx1 ttx2 ) qL ln( ) 22 d1 1 d2 (ttx2 tm2 ) qL ln( ) 23 d1 (tm1 tm2 ) 1 d 1 d 1 d ln( 2 ) ln( 3 ) ln( 4 ) 2 d 2 d 2 d Tương tự ta rút ra: qL = 1 1 2 2 3 3 (tm1 tm2 ) n 1 d ln( i 1 )  2i d Vách nhiều lớp có n lớp: qL = t 1 i q 1 d L ln( 2 ) 2 d Nhiệt độ tiếp xúc: ttx1 = tm1 - 1 1 31
  32. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái q 1 d L ln i 2 d ttxi = ttxi-1 - i 1 i 1 Như vậy đường biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ qua vách trụ một lớp là đường cong logarit và nhiều lớp sẽ là đường cong logarit liên tiếp có nhiệt độ giảm dần ra phía ngoài. 4. Trao đổi nhiệt đối lưu 4.1. Khái niệm: Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau. Vì trong khối chất lỏng hay chất khí không thể không có những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hoặc chất khí. Tuy nhiên quá trình truyền nhiệt ở đây chủ yếu được thực hiện bằng đối lưu cho nên gọi là trao đổi nhiệt đối lưu. Trong thực tế ta thường gặp quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động, quá trình này gọi là tỏa nhiệt đối lưu. 4.2. Phân loại: 4.2.1. Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. Là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện khi chất lỏng hay chất khí chuyển động tự nhiên. Nguyên nhân gây ra chuyển động tự nhiên là độ chênh mật độ của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. Chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào bản chất, đặc biệt phụ thuộc độ chênh nhiệt độ. Độ chênh nhiệt độ càng lớn thì độ chênh mật độ càng lớn và chuyển động tự nhiên càng mãnh liệt. Đối lưu tự nhiên có thể xảy ra trong không gian vô hạn hoặc hữu hạn. Chúng ta có thể hiểu trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn là không gian đủ lớn để trong đó chỉ xảy ra một hiện tượng đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí. Hay nói một cách khác là không gian trong đó quá trình đốt nóng hoặc làm nguội xảy ra một cách độc lập. Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian hữu hạn là không gian trong đó quá trình đốt nóng hay làm nguội chất lỏng hoặc chất khí không thể độc lập xảy ra, có nghĩa là các quá trình này có ảnh hưởng lẫn nhau. 4.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức: Là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ chuyển động cưỡng bức của chất lỏng hay chất khí. Ví dụ: Hiện tượng làm mát bằng nước hoặc làm mát bằng không khí trên ô tô nhờ có bơm nước hoặc quạt gió tạo ra áp lực và gây ra sự chuyển động của các phân tử nước hoặc không khí từ vùng có nhiệt độ cao tới vùng có nhiệt độ thấp. 32
  33. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng hay chất khí chuyển động tầng ở trong ống hay khi chuyển động rối trong ống hoặc chuyển động ngang qua ống. 4.2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha: Là quá trình trao đổi nhiệt trong đó có sự biến đổi chất lỏng thành hơi hoặc hơi thành chất lỏng. Trao đổi nhiệt trong đó chất lỏng chuyển thành hơi gọi là trao đổi nhiệt khi sôi, còn quá trình trao đổi nhiệt trong đó hơi biến thành chất lỏng gọi là trao đổi nhiệt khi ngưng. Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi của chất lỏng được chia thành sự sôi trong trong thể tích của chất lỏng và sôi trên bề mặt vật rắn. Để có thể thực hiện quá trình sôi cần có hai điều kiện: Để sôi trong thể tích của chất lỏng thì toàn bộ khối chất lỏng phải được quá nhiệt, sự quá nhiệt này có thể đạt được bằng cách giảm nhanh áp suất trên mặt thoáng của chất lỏng hoặc khi trong chất lỏng có nguồn nhiệt. Để sôi trên bề mặt của vật rắn thì lớp chất lỏng ở sát bề mặt vật rắn phải được quá nhiệt. Trong kỹ thuật, ta thường gặp quá trình sôi trên bề mặt vật rắn. Sự hình thành các bọt hơi, sự lớn lên và tách ly các bọt hơi. Ngoài ra còn có sự ảnh hưởng của độ chênh lệch nhiệt độ đến quá trình trao đổi nhiệt khi sôi. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng là quá trình trao đổi nhiệt trong đó hơi được ngưng lạithành lỏng. Trong thực tế ta thường gặp quá trình ngưng trên bề mặt vật rắn. Điều kiện để xảy ra quá trình ngưng là nhiệt độ của bề mặt vật rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ hơi bão hòa và trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ nư những hạt bụi, các bọt khí hoặc các chỗ lồi lõm của bề mặt. Ngoài ra còn phụ thuộc vào trạng thái bề mặt và tính dính ướt của chất lỏng ta có chế độ ngưng giọt và ngưng màng. 5. Trao đổi nhiệt bức xạ. 5.1. Khái niệm. Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ. Hiện tượng các phân tử vật một bức xạ ra các hạt truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ mang năng lượng đến truyền cho các phân tử vật hai. 5.2. Đặc điểm trao đổi nhiệt bức xạ: Quá trình dao động điện từ của các phân tử và nguyên tử sinh ra khả năng bức xạ năng lượng biến thành nhiệt năng. Một vật không chỉ có khả năng phát đi năng lượng bức xạ mà còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, trị số năng lượng bức xạ bằng trị số năng lượng hấp thụ, ta nói các vật ở trạng thái cân bằng. 33
  34. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Khác với trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu. Cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối nhiệt độ của các vật. Nghĩa là quá trình được tiến hành ở nhiệt độ càng cao thì vai trò của trao đổi nhiệt bức xạ càng lớn. Trao đổi nhiệt bức xạ có thể xảy ra giữa hai vật ở cách xa nhau rất xa không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi trường chất lỏng và khí và luôn xảy ra với sự chuyển hóa giữa năng lượng nhiệt và năng lượng điện từ. Ví dụ: Năng lượng bức xạ của mặt trời (57620C) đi qua các tầng khí ô rôn bị hấp thụ lớn còn lại được truyền tới mặt đất thông qua các sóng điện từ (bước sóng ngắn). Giả sử có dòng bức xạ Q từ vật thể khác đập tới vật đang xét thì một phần bị phản xạ QR một phần được hấp thụ QA và một phần xuyên qua vật QD. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Q = QA + QR + QD Hay Q Q Q A R D l = Q Q Q Hình 2.5: Các thành phần nhiệt bức xạ Q A A Các tỷ số: Q Gọi là hệ số hấp thụ Q R R Q Gọi là hệ số phản xạ Q D D Q Gọi là hệ số xuyên qua Ta có : l = A + R + D Giá trị A,R,D (thay đổi từ 0 đến1) phụ thuộc vào bản chất các vật, phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, nhiệt độ và trạng thái bề mặt. Nếu A=1 (R và D = 0) khi đó vật gọi là vật đen tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng đập tới nó. Nếu R=1 (A và D = 0) khi đó vật gọi là vật trắng tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng phản xạ lại toàn bộ năng lượng đập tới nó. Nếu D=1 (A và R = 0) khi đó vật gọi là trong suốt tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng cho toàn bộ năng lượng đập tới nó đi qua. Các loại khí có số nguyên tử trong phân tử nhỏ hơn hoặc bằng 2 có thể xem là vật trong suốt tuyệt đối với tia nhiệt D = 1 34
  35. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Các vật rắn và chất lỏng có thể coi D = 0 và được gọi là vật đục. Đối với các vật đục A + R = 1, nghĩa là vật hấp thụ tốt thì phản xạ tồi và ngược lại. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày khái niệm và phân loại sự dẫn nhiệt? 2. Trình bày khái niệm và phân loại sự trao đổi nhiệt đối lưu? 3. Trình bày khái niệm và đặc điểm trao đổi nhiệt bức xạ? Bài 3 KHÁI NIỆM VỀ SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 1. Khái niệm: Khí thực có sự chuyển pha khi ở những điều kiện nhất định. Khí thực có thể ở một trong ba pha: Pha khí; pha lỏng; pha rắn hoặc cùng tồn tại hai pha hay ba pha với nhau. Khí lý tưởng khi bị nén không có sự chuyển pha. Nghĩa là khí lý tưởng không có pha lỏng hay pha rắn và trong tự nhiên không có khí lý tưởng. 2. Sự chuyển pha của các đơn chất. 2.1. Đồ thị pha. Khí thực trong những điều kiện cụ thể có khả năng tồn tại ở các trạng thái: Rắn, lỏng, hơi. Ba trạng thái đó của vật chất gọi là các pha. Để biểu thị các pha rắn, lỏng, hơi của một chất ta dùng đồ thị (P-t) để biểu thị các pha của CO2 và H2O trên đồ thị P-t. Đồ thị pha p-t của CO2 Đồ thị pha p-t của H2O Hình 2.6: Đồ thị pha của khí CO2 và nước 35
  36. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Đường OB biểu thị quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi (gọi là sự thăng hoa) và ngược lại gọi là (sự ngưng kết). Đường OA biểu thị quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng (sự nóng chảy) và ngược lại là (sự đông đặc). Đường OK biểu thị quá trình chuyển từ pha lỏng sang hơi (sự hóa hơi) và ngược lại là (sự ngưng tụ). Điểm 0 gọi là điểm 3 pha (hay 3 thể) ở điểm này vật chất có thể tồn tại ở cả 3 pha: rắn, lỏng, hơi. Điểm K gọi là điểm tới hạn (điểm giới hạn chuyển từ pha này sang pha khác). Khi chuyển từ pha này sang pha khác, cần một lượng nhiệt nhất định gọi là nhiệt chuyển pha. 2.2. Sự chuyển pha. 2.2.1. Sự thăng hoa - ngưng kết. Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi, ngược lại quá trình chuyển từ pha hơi sang pha rắn gọi là ngưng kết. Từ đồ thị pha p-t ta nhận thấy thăng hoa và ngưng kết chỉ có thể xảy ra với áp suất và nhiệt độ nhỏ hơn điểm 3 pha. Khi thăng hoa môi chất nhận nhiệt, ngược lại khi ngưng kết môi chất nhả nhiệt. Nhiệt chuyển pha ở đây gọi là nhiệt thăng hoa hay nhiệt ngưng kết và chúng có giá trị tuyệt đối như nhau. Ở áp suất P = 0,006bar nhiệt thăng hoa của nước là 2818 kJ/kg. 2.2.2. Sự nóng chảy – đông đặc: Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ngược lại quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là sự đông đặc. Để nóng chảy môi chất nhận nhiệt, ngược lại để đông đặc môi chất nhả nhiệt. Nhiệt chuyển pha ở đây gọi là nhiệt nóng chảy hay nhiệt đông đặc và chúng có giá trị tuyệt đối như nhau. Với nước ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy là 333 kJ/kg. Từ đồ thị pha p-t ta thấy nóng chảy và đông đặc chỉ xảy ra ở áp suất lớn hơn áp suất của điểm 3 pha. Đa số các chất (ví dụ CO2 trên đồ thị) khi áp suất tăng thì nhiệt độ nóng chảy tăng (nhưng không nhiều), ngược lại một số chất khi đông đặc thể tích tăng lên (ví dụ H2O) áp suất tăng lên nhưng nhiệt độ đông đặc lại giảm (biểu thị trên đồ thị p-t). 2.2.3. Sự hóa hơi – ngưng tụ. Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, ngược lại quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là sự ngưng tụ. Khi hóa hơi, môi chất nhận nhiệt, ngược lại khi ngưng tụ môi chất nhả nhiệt. Nhiệt chuyển pha ở đây gọi là nhiệt hóa hơi hay ngưng tụ và chúng có giá trị tuyệt đối như nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa hơi của nước là 2258 kJ/kg. Từ đồ thị pha p-t ta thấy hóa hơi – ngưng tụ chỉ xảy ra ở áp suất lớn hơn áp suất điểm 3 pha và với nhiệt độ lớn hơn 36
  37. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái nhiệt độ nóng chảy (cùng áp suất). Với mọi chất, khi tăng áp suất, nhiệt độ hóa hơi- ngưng tụ tăng. Hóa hơi có thể thực hiện bằng cách bay hơi hoặc sôi. Bay hơi là sự hóa hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất nào đó. Hơi của các chất lỏng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật. Ví dụ như hơi nước, hơi của xăng, diezen xảy ra trong thể tích xi lanh của các động cơ Hơi của các môi chất lạnh (như NH3 ) được sử dụng trong các máy lạnh. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày khái niệm và vẽ đồ thị pha của các đơn chất? 2. Trình bày sự chuyển pha của các đơn chất? Bài 4 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT SỰ CHUYỂN PHA SỰ TRUYỀN NHIỆT CỦA MÔI CHẤT 1. Nhận dạng và phân biệt sự chuyển pha của môi chất: Nhận dạng bằng quá trình thực nghiệm quan sát và nhận dạng phân biệt. 1.1.Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha là quá trình trao đổi nhiệt trong đó có sự biến đổi chất lỏng thành hơi hoặc hơi thành chất lỏng 1.2.Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi Sự hình thành các bọt hơi khi lớp chất lỏng ở sát bề mặt vật rắn được quá nhiệt thì các bọt hơi được hình thành từ các tâm sinh hơi. Bán kính nhỏ nhất của các phần tử dùng để làm các tâm sinh hơi bằng: 2Ts r t R0 = h ; m  : Sức căng bề mặt; N/m Ts: Nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất hóa hơi đã cho; 0K r: Nhiệt hóa hơi; J/kg 3 h: Khối lượng riêng của hơi ứng với áp suất hóa hơi; kg/m Độ quá nhiệt: t = tw – ts tw: Nhiệt độ bề mặt của vật rắn 37
  38. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Sự lớn lên và tách ly các bọt hơi, đường kính tách bọt được tính bằng công  g thức: Dt = 0,0205 f h ; m : Góc dính ướt của chất lỏng : Sức căng bề mặt; N/m g: Gia tốc trọng trường h và f: Khối lượng riêng của hơi và chất lỏng ứng với áp suất hóa hơi. Ảnh hưởng độ chênh lệch nhiệt độ đến quá trình trao đổi nhiệt khi sôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Độ quá nhiệt, góc dính ướt, áp suất hóa hơi, sức căng bề mặt của chất lỏng, độ nhớt của chất lỏng, trạng thái bề mặt bị đốt nóng. Sự thay đổi hệ số tỏa nhiệt α theo ∆t, mật độ dòng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng sôi cũng thay đổi. Ở chế sôi bọt α tăng lên nên q cũng tăng. Ở chế độ sôi màng α giảm sau đó ổn định, mật độ dòng nhiệt giảm sau đó lại tăng vì khi ∆t khá lớn trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng tăng. Để xác định hệ số tỏa nhiệt khi sôi bọt của nước (H2O), theo M.A.Mkheev đề nghị sử dụng công thức cho áp suất hóa hơi p = 0,2 ÷ 80 bar α = 3,15p0,15q0,7 ;W/m2.oK hoặc α = 46∆t2,33p0,5 ; W/m2.oK p : áp suất tuyệt đối khi sôi; bar q : mật độ dòng nhiệt;W/m2 t = tw – ts là độ chênh lệch nhiệt độ (độ quá nhiệt) Khi thiết kế và vận hành các thiết bị trao đổi nhiệt có sự sôi thì cần đảm bảo dòng nhiệt nhỏ hơn dòng nhiệt tới hạn. Dòng nhiệt tới hạn có thể xác định bằng công thức: 4 2 g h f h qth = 0,14r r : nhiệt hóa hơi ; J/kg  : sức căng bề mặt ; N/m g : gia tốc trọng trường ; 9,81 m/s2 ρf và ρh : khối lượng riêng của chất lỏng và của hơi ứng với áp suất hóa hơi: kg/m3 1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng tụ Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng là quá trình trao đổi nhiệt trong đó hơi được ngưng lại thành lỏng. Trong thực tế ta thường gặp quá trình ngưng trên bề mặt vật rắn. Điều kiện để xảy ra quá trình ngưng là nhiệt độ của bề mặt vật rắn tw phải nhỏ 38
  39. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái hơn nhiệt độ hơi bão hòa ts và trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ như những hạt bụi, các bọt khí, hoặc những chỗ lồi lõm của bề mặt. Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt và tính dính ướt của chất lỏng ta có chế độ ngưng giọt và ngưng màng. Trong kỹ thuật người ta thường gặp chế độ ngưng màng, ngưng giọt thường không ổn định và xảy ra rất ngắn. Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng giọt lớn hơn 15÷ 20 lần so với khi ngưng màng, vì khi ngưng giọt hơi tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trao đổi nhiệt, còn khi ngưng màng hơi truyền nhiệt cho màng nước ngưng sau đó màng nước ngưng mới lại trao đổi nhiệt với bề mặt. Chiều dày màng nước ngưng càng lớn hệ số tỏa nhiệt càng nhỏ. Ta xét qua trình tỏa nhiệt trong trường hợp màng nước ngưng chảy tầng. Trong trường hợp này sự trao đổi nhiệt giữa hơi và bề mặt được thực hiện bằng dẫn nhiệt qua màng nước ngưng. Giả sử bề mặt vách tiếp xúc với màng nước ngưng có nhiệt độ tw, còn nhiệt độ màng nước ngưng ở phía hơi có nhiệt độ ts. Nếu màng nước ngưng có hệ số dẫn nhiệt  và chiều dày x thì mật độ dòng nhiệt truyền từ hơi đến bề mặt vách bằng dẫn nhiệt qua màng nước ngưng tính theo công thức:   3 q = x (ts - tw) ;W/m mặt khác theo công thức Newton, mật độ dòng nhiệt xác định qua hệ số tỏa nhiệt αx là: 2 q = αx (ts - tw) ;W/m Do đó:   2 o αx = x ; W/m . K α gọi là hệ số tỏa nhiệt cục bộ tại nơi mà màng nước ngưng có chiều dày δx.Để xác định αx ta cần biết δx. Hình 2.7: Quá trình ngưng màng trên bề mặt thẳng đứng Chiều dày của màng nước ngưng δx phụ thuộc vào quy luật phân bố tốc độ trong màng nước ngưng. Để tìm ra quy luật phân bố tốc độ này ta cần giải phương trình chuyển động của màng nước ngưng mà Nusselt tìm được theo công thức: 4v ts tvv x r g δx = ∜ ; m Và hệ số tỏa nhiệt trung bình dọc theo bề mặt vách có chiều cao h bằng: 39
  40. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái h h 1 1  h h  đ = x 0 xdx = x 0 x dx g r3 4 v t t h 2 o đ = 0,943 s vv ;W/m . K Công thức này đúng cho cả trường hợp ống có chiều cao h đặt đứng. Khi vách đặt nghiêng một góc φ nào đó (so với phương thẳng đứng) thì hệ số tỏa nhiệt sẽ bằng: 4 cos αngh = αđ Đối vói ống đặt nằm ngang: g r3 4 v t t d 2 o αng = 0,72 s vv W/m . K g: gia tốc trọng trường; g =9,81 m/s2 : hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng ngưng; W/m.oK r: nhiệt hóa hơi; J/kg : khối lượng riêng của chất lỏng ngưng: kg/m3 v: độ nhớt động học; m2/s h: chiều cao của ống hoặc tấm đặt đứng; m d: đường kính của ống đặt nằm ngang; m tw: nhiệt độ của bề mặt vách ts: nhiệt độ của hơi bão hòa ứng với áp suất ngưng hơi đã cho Ngoài ra còn có các yếu tố ảnh hưởng đến toả nhiệt khi ngưng như: ảnh hưởng của tốc độ và hướng chuyển động của hơi, ảnh hưởng của cách bố trí ống, ảnh hưởng của hơi quá nhiệt, ảnh hưởng của trạng thái bề mặt,ảnh hưởng của các khí không ngưng. Chính vì vậy khi phân biệt sự chuyển pha của các môi chất trong thực tế ta cần quan sát và nhận dạng đúng các động cơ có cấu tạo làm mát đối lưu hay cưỡng bức. Sự làm mát của hệ thống điều hòa trên xe. Sự nóng chảy hay đông đặc của các thiết bị làm lạnh. Trong công nghệ gia công đúc các bộ phận, các máy làm đá lạnh, các máy sinh nhiệt 2.Nhận dạng và phân biệt sự truyền nhiệt của môi chất. Ở phần trước ta đã nghiên cứu ba hiện tượng trao đổi nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ. Trong thực tế ba dạng trao đổi nhiệt này thường xảy ra đồng thời và có ảnh hưởng lẫn nhau. Khi nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp này, ta cần xem xét dạng trao đổi nhiệt nào là cơ bản, ảnh hưởng của các dạng còn lại có chú ý đến bằng cách đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh. 40
  41. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng. Để giải được các bài toán trong nghành cơ khí chế tạo ô tô và vận dụng vào thực tế trên cơ sở phân biệt sự truyền nhiệt của môi chất tới từng bộ phận là rất quan trọng. Vì không xác định đúng các nguồn nhiệt và bố nhiệt sẽ dẫn tới các sai hỏng không đáng có. Trên động cơ đốt trong có rất nhiều các bộ phận phát sinh nhiệt. Chính trên cơ sở đáp ứng với nghề ta cần đưa ra cách tính toán hợp lý. Đối với các vách phẳng một lớp, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm vách là , vách dầy , bề mặt tiếp xúc với môi trường nóng có nhiệt độ tf1, hệ số tỏa nhiệt từ môi trườngtới bề mặt vách 1, bề mặt tiếp xúc với môi trường lạnh có nhiệt độ tf2, hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt vách tới môi trường là 2. Vì tf1 tf2 dòng nhiệt truyền trong môi trường từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Gọi tw1 là mặt tiếp xúc với môi trường nóng, tw2 nhiệt độ bề mặt vách tiếp xúc với môi trường lạnh. tw1 và tw2 chưa biết. Mật độ dòng nhiệt được tính bằng công thức: q = 1(tf1 - tw1)   q = (tw1 - tw2) q = 2(tw2 – tf2) Giải hệ phương trình trên ta được: 1 q = tf1 - tw1 = q 1  q = tw1 – tw2 = q  1 Hình 2.8: Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp q = tw2 – tf2 = q 2 Cộng hai vế phương trình lại ta có: 1  1  q = tf1 – tf2 = q 1 2 t f 1 t f 2 1  1 2 q = 1  2 ;W/m Ký hiệu: 41
  42. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1 k 1  1 2 o 1  2 gọi là hệ số truyền nhiệt;W/m . K 2 Khi đó: q = k(tf1 – tf2) ; W/m Đại lượng nghịch đảo của hệ số truyền nhiệt gọi là nhiệt trở truyền nhiệt: 1 1  1 2 o R = k = 1 +  + 2 ; m K/W 1 1 là nhiệt trở tỏa nhiệt từ môi trường nóng đến bề mặt vách.   là nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách. 1 2 là nhiệt trở tỏa nhiệt giữa vách và môi trường Đối với truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp có hệ số dẫn nhiệt tương ứng là 1,2, 3 và bề dày tương ứng là δ1, δ2 ,δ3 Bằng cách chứng minh tương tự ta có: 2 q = k(tf1 – tf2) ; W/m Ở đây k là hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nhiều lớp: 1 k 1 n  1 i  2 1 1 i 2 ; W/m 2.2 Truyền nhiệt qua vách trụ. Cũng như đối với vách phẳng, sự truyền nhiệt qua vách trụ cũng tính toán cho truyền qua vách trụ một lớp và truyền qua vách trụ nhiều lớp. Giải bài toán cho vách trụ một lớp có các thông số sau: Đường kính trong là d1, đường kính ngoài là d2, vật liệu làm vách là , mặt tiếp xúc với môi trường có nhiệt là tf1 và tf2, hệ số tỏa nhiệt từ vách ra môi trường là 1 và 2. Nếu tf1 > tf2 thì dòng nhiệt sẽ hướng từ trong ra ngoài (hình 2.9). Gọi tw1 và tw2 là nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với các môi trường. Thì mật độ dòng nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ bằng: 42
  43. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái q1 = 1 d1(tf1 - tf2) tvv1 tvv2 1 d ln 2 2  d q1 = 1 Suy ra ta có: q = 2 d2(t2 – tf2) 1 d tf1 - tw1 = q1 1 1 1 d2 d tw1 - tw2 = q1 2  ln 1 1 Hình 2.9: Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp d tw2 - tf2 = q1 2 2 Cộng hai vế lại ta có: 1 1 d2 1 d d d tf1 - tf2 = q1 ( 1 1 + 2  ln 1 + 2 2 ) 1 1 1 d 1 ln 2 d 2  d d q1 = 1 1 1 2 2 (tf1 - tf2) ; W/m Gọi hệ số truyền nhiệt của vách trụ là k1: 1 1 1 d 1 ln 2 d 2  d d o k1 = 1 1 1 2 2 ; W/m. K Khi đó: q1 = k1(tf1 - tf2) ;W/m Nhiệt trở truyền nhiệt của vách trụ: 1 1 1 d2 1 k d d d o R1 = 1 = 1 1 + 2  ln 1 + 2 2 ; W/m. K Đối với vách trụ nhiều lớp, hệ số dẫn nhiệt tương ứng 1,2, 3 đường kính tương ứng là δ1, δ2 ,δ3 Bằng cách chứng minh tương tự ta có: q1 = k1(tf1 - tf2) ;W/m 1 k 1 1 n 1 d 1 1 ln i  o Ở đây: 1 d1 1 2 i di 2 dn 1 ; W/m. K được gọi là hệ số truyền nhiệt của vách trụ nhiều lớp. Nhiệt trở của vách trụ nhiều lớp sẽ bằng: 43
  44. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1 1 1 di 1 1 R1  ln k d 2  d d o 1 1 1 i i 2 n 1 ; W/m. K Nhiệt độ của bề mặt vách trụ tiếp xúc với các môi trường có nhiệt độ tf1 và tf2 có thể xác định như sau: 1 tvv1 t f 1 q1 o 1 d1 ; C 1 tvv n 1 t f 2 q1 d o 1 n 1 ; C 2.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh. Đối với hệ truyền nhiệt này ta thường gặp ở các động cơ có công suất nhỏ, sự tỏa nhiệt nhờ các cánh tản nhiệt như động cơ mô tô, xe máy, máy bơm nước Các thông số của sự truyền nhiệt này là: Vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt , chiều dày của vách , vách phảng có diện tích F1, tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt từ môi trường đến bề mặt vách phẳng là 1, phía vách làm cánh có diện tích F2, tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ tf2, hệ số tỏa nhiệt đến môi trường là 2. Gọi tw1 là nhiệt độ phía không làm cánh và tw2 là nhiệt độ bề mặt phía làm cánh, tw1 và tw2 chưa biết. Hình 2.10: Truyền nhiệt qua vách có cánh Dòng nhiệt truyền qua vách được xác định bằng phương trình: Q = 1F1(tf1 - tw1)  F1 tvv1 tvv2 Q =  Q = 2F2(tw2 - tf2) Giải hệ phương trình này ta xác định được giá trị của Q, tw1 và tw2 1 Q F tf1 - tw1 = 1 1  tvv1 tvv2 Q F1 1 Q F tw2 - tf2 = 2 2 44
  45. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1 Q t t 1  1 f 1 f 2 Do đó: 1F1 F1 2F2 Gọi kc là hệ số truyền nhiệt của vách có cánh: 1 k c 1  1 1F1 F1 2 F2 Khi đó: Q = kc(tf1 – tf2) Biết Q ta tính được tw1 và tw2: 1 tvv1 t f 1 Q o 1F1 ; C 1 tvv2 t f 2 Q o 1F1 ; C Gọi mật độ dòng nhiệt độ phía không làm cánh là q1: Q 1 q t t 1 F 1  1 F f 1 f 2 1 1 1  2 F2 Mật độ dòng nhiệt phía bề mặt làm cánh là q2: Q 1 q t t 2 F 1 F  F 1 f 1 f 2 2 2 2 1 F1  F1 2 F2 F1 gọi là hệ số cánh. Biết q1 và q2 ta có thể xác định được tw1 và tw2: 1 tvv1 t f 1 q1 1 1 tvv2 t f 2 q2 2 2.4. Tăng cường truyền nhiệt Để tăng cường nhiệt, ta cần dựa vào các dạng trao đổi nhiệt cơ bản để tìm ra những giải pháp có hiệu quả nhất. Chẳng hạn, muốn tăng cường dẫn nhiệt ta giảm chiều dày của vách, dùng vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt lớn, tăng độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt vách. 45
  46. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Khi đồng thời xảy ra các dạng trao đổi nhiệt cơ bản, việc tăng cường truyền nhiệt một cách hiệu quả là một vấn đề rất phức tạp. Để có những giải pháp đúng đắn ta cần phân tích qua những trường hợp cụ thể. Ta cần phải xem xét tới những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt, chẳng hạn hệ số truyền nhiệt k của vách phẳng một lớp: 1 k 1  1 1  2 1  1 Có thể tăng nếu như ta giảm các thành phần nhiệt trở 1 ;  ; 2 có nghĩa là tăng 1, 2, và , giảm , ở đây tăng cái nào là lợi cho ta hơn cần phải phân tích kỹ.  Nếu ta bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt  thì hệ số truyền nhiệt của vách phẳng có thể 1 k 1 2 1 1 1 2 viết: 1 2 Nếu 2 lớn hơn 1 rất nhiều, thì khi đó k = 1 . Như vậy, hệ số truyền nhiệt chỉ có thể nhỏ hơn hay bằng hệ số tỏa nhiệt nhỏ nhất. Vì vậy để tăng k ta cần tăng hệ số tỏa nhiệt ở phía vách có giá trị nhỏ nhất, hoặc làm cánh tản nhiệt ở phía bề mặt này. Khi ta xem xét và nghiên cứu đến dạng truyền nhiệt trên động cơ nào ta cần chú ý tới công tác bảo dưỡng và vệ sinh sạch, khi đó ta mới đo được các thông số sát với điều kiện làm việc của nó như: Làm sạch và nhận dạng cấu tạo động cơ làm mát bằng nước lưu tự nhiên. Làm sạch và nhận dạng cấu tạo động cơ làm mát bằng nước đối lưu tự nhiên. Vận hành động cơ. Quan sát sự truyền nhiệt của các loại động cơ. Đo nhiệt độ bên ngoài động cơ Tổng hợp các số liệu. Đưa ra các kết quả đảm bảo sự làm việc an toàn cho động cơ đó. Các động cơ hoạt động trên các sa mạc thường có kết cấu phù hợp với điều kiện môi trường vùng miền. Thường được làm mát bằng không khí và các động cơ cỡ nhỏ như mô tô, xe máy Các động cơ hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp cần phải nâng thân nhiệt động cơ cho quá trình hóa hơi của nhiên liệu phù hợp với thông số kỹ thuật động cơ. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 46
  47. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1. Đo kiểm tra tính toán sự chuyển pha của môi chất động cơ mà bạn đâng vận hành, sự sôi, sự ngưng tụ? 2. Hãy viết công thức tính toán về sự truyền nhiệt qua vách phẳng, vách trụ, vách có cánh và sự tăng cường truyền nhiệt? 47