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

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -1- CHƢƠNG 1 CAÙÙC KHAÙÙI NIEÄÄM CÔ BAÛÛN 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 thông qua hệ nhiệt động. Hệ nhiệt động gồm có ba yếu tố cơ bản: nguồn nóng, nguồn lạnh và chất môi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đó thì hệ thống sẽ không làm việc được. Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng. Chất môi 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 môi giới phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất môi giới làm xuất hiện sự thay đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường, hoặc ngược lại, chính công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường làm cho trạng thái của chất môi giới bị thay đổi. Ví dụ: Nguồn nóng Nguồn lạnh Chất môi giới Động cơ đốt trong Xylanh – píttông Không khí bên ngoài Sản phẩm cháy Máy lạnh Thiết bị ngưng tụ Thiết bị bay hơi Môi chất lạnh (NH3, frêon) Nhà máy nhiệt điện Lò hơi Bình ngưng Nước – hơi nước Nhiệt năng Cơ năng Hệ nhiệt động Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -2- Có 4 loại hệ nhiệt động: Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại: 1. Động cơ nhiệt: chất môi giới sẽ nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng giãn nở sinh công W và nhả nhiệt Q2 cho nguồn lạnh. Q1 = |Q2| + W Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt: 1 2 1 21 1 1 Q Q Q QQ Q W    2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất môi giới nhận công W từ Heä nhieät ñoäng Heä kín: Khoâng trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng Heä hôû: Coù trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng Heä ñoaïn nhieät: Khoâng trao ñoåi nhieät giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng Heä coâ laäp: chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng khoâng coù baát kyø söï trao ñoåi naêng löôïng naøo Nguoà n laïnh Nguồn nóng Chaát moâi giôùi Hệ nhiệt động NGUOÀN NOÙNG NGUOÀN LAÏNH ÑOÄNG CÔ NHIEÄT Q1 Q2 W Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -3- bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q2 đến nguồn nóng Q1. |Q1| = Q2 + |W| Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta dùng: - Hệ số làm lạnh  21 22 QQ Q W Q   - Hệ số làm nóng  21 11 QQ Q W Q   2. THOÂNG SOÁ TRAÏNG THAÙI Laø caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng cho traïng thaùi chaát moâi giôùi Caùc thoâng soá traïng thaùi goàm: nhieät ñoä, aùp suaát, theå tích rieâng (hay khoái löôïng rieâng), noäi naêng, entanpi vaø entroâpi. Trong ñoù nhieät ñoä, aùp suaát vaø theå tích rieâng laø caùc thoâng soá traïng thaùi cô baûn (vì ño ñöôïc). Noäi naêng, entanpi vaø entroâpi goïi laø thoâng soá daãn suaát. 2.1. NHIEÄT ÑỘ T Nhieät ñoä laø moät thoâng soá traïng thaùi theå hieän möùc ñoä noùng laïnh cuûa vaät, duïng cuï ño nhieät ñoä goïi laø nhieät keá. Coù 4 loaïi thang ño nhieät ñoä: theo heä SI coù thang nhieät ñoä Celcius vaø Kelvin, theo heä English coù thang nhieät ñoä Fahrenheit vaø Rankine. Trong ñoù Kelvin vaø Rankine laø caùc thang nhieät ñoä tuyeät ñoái. NGUOÀN NOÙNG NGUOÀN LAÏNH MAÙY LAÏNH, BÔM NHIEÄT Q1 Q2 W Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -4- - Thang nhieät ñoä baùch phaân, coøn goïi laø thang nhieät ñoä Celcius, treân cô sôû ôû aùp suaát tieâu chuaån p = 1,013bar nöôùc ñaù ñang tan ôû 0 o C vaø nöôùc soâi ôû 100 o C, trong khoaûng naøy chia thaønh 100 vaïch vaø moåi vaïch laø 1 o C - Thang ño nhieät ñoä tuyeät ñoái Kelvin chọn nöôùc ñaù ñang ta laø 273K vaø nöôùc soâi laø 373K, ñoä cheânh giöõa o C vaø K ñöôïc choïn baèng nhau. - Thang nhieät ñoä tuyeät ñoái Rankine laáy ñieåm khoâng truøng vôùi thang nhieät ñoä tuyeät ñoái Kelvin. Ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa ñieåm soâi vaø ñieåm ñoâng ñaëc laø 180 ñôn vò. - Thang nhieät ñoä Fahrenheit: ôû aùp suaát tieâu chuaån choïn nöôùc ñaù ñang tan laø 32 o F vaø nöôùc soâi laø 212 o F. Löu yù: chæ coù nhieät ñoä tuyeät ñoái môùi laø thoâng soá traïng thaùi. Thang nhieät ñoä Heä SI Heä English Fahrenheit ( o F) Rankine (R) Nhieät ñoä tuyeät ñoái Celcius ( o C) Kelvin (K) Nhieät ñoä tuyeät ñoái Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -5- -273 373 32 212 0-459,67 491,67 671,67 oC K oF oR 0 100 273 0 Quan heä giöõa caùc thang ño; t( o C) = T(K) - 273 T(R) = 1,8T(K) t( o F) = T(R) – 459,67 t( o C) = )Ft( o 32 9 5  )K(T)C(t o  )R(T)F(t o  2.2. AÙP SUAÁT Aùp suaát laø löïc taùc ñoäng leân moät ñôn vò dieän tích beà maët theo phöông phaùp tuyeán vôùi beà maët ñoù. Coù 4 loaïi aùp suaát: - Aùp suaát khí quyeån pa - Aùp suaát dö pd - Aùp suaát chaân khoâng pck Ñieåm nöôùc soâi Ñieåm nöôùc ñoâng ñaëc Ñieåm khoâng tuyeät ñoái Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -6- - Aùp suaát tuyeät ñoái ptñ pa pa pd ptñ pa pd p tñ p tñ =0 Khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng ñang khaûo saùt lôùn hôn aùp suaát khí quyeån ta coù khaùi nieäm aùp suaát dö pd = ptñ - pa Khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng ñang khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån ta coù khaùi nieäm aùp suaát chaân khoâng pck = pa - ptñ Löu yù: chæ coù aùp suaát tuyeät ñoái môùi laø thoâng soá traïng thaùi. 2.3. THEÅ TÍCH RIEÂNG VAØ KHOÁI LÖÔÏNG RIEÂNG Theå tích rieâng laø theå tích öùng vôùi moät ñôn vò khoái löôïng Goïi V laø theå tích, G laø khoái löôïng thì theå tích rieâng ñöôïc tính: G V v  Khoái löôïng rieâng V G v  1 3. PHÖÔNG TRÌNH TRAÏNG THAÙI KHÍ LYÙ TÖÔÛNG Khí lyù töôûng laø khí coù: - Theå tích baûn thaân caùc phaân töû baèng khoâng. - Löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû baèng khoâng. Trong thöïc teá khoâng coù moät chaát khí naøo coù ñaày ñuû caùc tính chaát cuûa khí lyù töôûng. Khaùi nieäm khí lyù töôûng ñeå giaûi quyeát caùc baøi toaùn nhieät ñoäng coù lieân Chaân khoâng tuyeät ñoái Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -7- quan ñeán caùc chaát moâi giôùi coù tính chaát gaàn gioáng khí lyù töôûng. ÔÛ traïng thaùi thöôøng gaëp coù theå xen oxy, nitô, argon, helium, hydro, hôi nöôùc trong khoâng khí aåm, laø khí lyù töôûng. Phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng: pV = GRT hay pv = RT Trong ñoù: p- aùp suaát tuyeät ñoái cuûa chaát khí, N/m 2 (=Pa) V- theå tích cuûa khoái chaát khí, m 3 G- khoái löôïng cuûa khoái chaát khí, kg R- haèng soá chaát khí. ,R   8314 J/kg.K  phaân töû löôïng cuûa chaát khí, kg/kmol T- nhieät ñoä tuyeät ñoái, K v- theå tích rieâng, m 3 /kg 4. HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG Laø söï hoøa troän giöõa hai hay nhieàu khí lyù töôûng theo kieåu cô hoïc, khoâng xaûy ra phaûn öùng hoùa hoïc. Hoãn hôïp khí lyù töôûng cuõng laø khí lyù töôûng. 4.1. ÑÒNH LUAÄT GIBBS- DALTON p, V, T x x x V, T V, T pA pB x x x Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -8- Khi mỗi thaønh phaàn chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp vaø ôû ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp thì aùp suaát cuûa hoãn hôïp thì aùp suaát cuûa hoãn hôïp baèng toång caùc phaân aùp suaát cuûa caùc thaønh phaàn    n i i pp 1 p- aùp suaát hoãn hôïp pi- phaân aùp suaát (aùp suaát rieâng phaàn) cuøa thaønh phaàn thöù i 4.2. ÑÒNH LUAÄT AMAGAT p, V, T x x x p, T p, T VA VB x x x Theå tích cuûa hoãn hôïp baèng toång caùc theå tích rieâng phaàn cuûa caùc thaønh phaàn khi caùc thaønh phaàn ñoù ôû ñieàu kieän aùp suaát vaø nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.    n i i VV 1 V- theå tích hoãn hôïp Vi- theå tích rieâng phaàn (phaân theå tích) cuûa thaønh phaàn thöù i 4.3. THAØNH PHAÀN HOÃN HÔÏP a) Thaønh phaàn khoái löôïng   i ii i G G G G g  1ig Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -9- G- khoái löôïng hoãn hôïp Gi- khoái löôïng thaønh phaàn thöù i gi- thaønh phaàn khoái löôïng b) Thaønh phaàn theå tích   i ii i V V V V r  1ir V- theå tích hoãn hôïp Vi- theå tích rieâng phaàn gi- thaønh phaàn theå tích 4.4. PHAÂN TÖÛ LÖÔÏNG VAØØ HAÈNG SOÁ CHAÁT KHÍ CUÛA HOÃN HÔÏP - Phaân töû löôïng cuûa hoån hôïp:        n i iin i i i hh r g 1 1 1 - Haèng soá chaát khí hh R   8314 4.5. NHIEÄT DUNG RIEÂNG CUÛA HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG Laø nhieät löôïng caàn thieát cung caáp cho moät ñôn vò (khoái löôïng, theå tích, kmol) chaát khí taêng leân moät ñoä theo moät quaù trình naøo ñoù. Trong nhieät ñoäng löïc hoïc ta quan taâm ñeán hai loaïi nhieät dung rieâng laø: + Nhieät dung rieâng ñaúng aùp    n i piip cgc 1 [kJ/kg.K] + Nhieät dung rieâng ñaúng tích    n i viiv cgc 1 [kJ/kg.K] Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -10- v = const m = 1kg cv = 3,12kJ/kg.K 3,12kJ p = const m = 1kg c p = 5,2kJ/kg.K 5,2kJ (1) (2) Minh hoïa nhieät dung rieâng ñaúng tích vaø ñaúng aùp cuûa heâli Nhieät dung rieâng cuûa caùc khí lyù töôûng Khí lyù töôûng kcal/kmol.K kJ/kmol.K k cv cp cv cp Khí 1 nguyeân töû (Khí trô: Ar, Xe, He, ) 3 5 12,6 20,9 1,66 Khí 2 nguyeân töû (Khoâng khí, O2, N2, CO, H2, ) 5 7 20,9 29,3 1,4 Khí 3 nguyeân töû trôû leân (CO2, CmHn, ) 7 9 29,3 37 1,3 VD: Khí CO2 Nhieät dung rieâng ñaúng tích: kg/kJ , kg/kcal c c p p 44 329 44 7     Nhieät dung rieâng ñaúng aùp: kg/kJkg/kcal c c v v 44 37 44 9     KT 1 KT 1 Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -11- TOAØN CAÛNH NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC KYÕ THUAÄT NHIEÄT NAÊNG CÔ NAÊNG ÑOÄNG CÔ NHIEÄT MAÙY LAÏNH, BÔM NHIEÄT ÑC ÑOÁT TRONGTB ÑOÄNG LÖÏC HÔI NÖÔÙC TUABIN KHÍ CHAÁT THUAÀN KHIEÁT KHÍ LYÙ TÖÔÛNG LÖU ÑOÄNG QUAÙ TRÌNH NEÙN KHÍ VAØ HÔI CHAÁT THUAÀN KHIEÁT KHOÂNG KHÍ AÅMTIEÁT LÖU MAÙY NHIEÄT ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: : : T H E F I R S T L A W : : T H E S E C O N D L A W : : T H E F I R S T L A W :: T H E S E C O N D L A W :: : : T H E F I R S T L A W : : T H E S E C O N D L A W : : T H E F I R S T L A W :: T H E S E C O N D L A W ::