Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của khí lý tưởng - Nguyễn Thị Minh Trinh

1MÔN HỌC: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 2CHƢƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 3Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản 1. HỆ THỐNG NHIỆT ĐỘNG  Gắn liền với 3 yếu tố: Nguồn nóng Chất môi giới Nguồn lạnh  Và trao đổi với môi trƣờng xung quanh: Nhiệt lƣợng Công CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 4Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản Hệ thống nhiệt động hở Hệ thống nhiệt động kín Thiết bị bay hơi Thiết bị ngƣng tụ Máy nén Van tiết lƣu CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 5Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt Là hệ thống nhiệt động không trao đổi nhiệt lƣợng với môi trƣờng xung quanh Q = 0 Hệ thống nhiệt động cô lập Q = 0 W = 0 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 6Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản 2. TRẠNG THÁI Cân bằng Không cân bằng 3. QUÁ TRÌNH -Tập hợp 1 số trạng thái làm việc theo cùng một nguyên tắc. - Trạng thái đầu và cuối là cân bằng Thuận nghịch Không thuận nghịch CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 7Chƣơng 1 Thông số trạng thái  Các đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của chất môi giới đƣợc gọi là thông số trạng thái  Các thông số trạng thái thƣờng dùng là:  Nhiệt độ: T  Áp suất: p  Thể tích riêng: v  Nội năng: u  Entanpy: i  Entropy: s Thông số trạng thái cơ bản CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 8Chƣơng 1 Thông số trạng thái 1. NHIỆT ĐỘ  Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của vật.  Dụng cụ đo: nhiệt kế  Nhiệt kế thủy ngân: Dựa trên sự giãn nở của chất lỏng  Nhiệt kế điện trở: Dựa trên sự thay đổi điện trở  Thermocouple: Dựa trên sự thay đổi dòng điện  Nhiệt kế hồng ngoại: Dựa trên hiệu ứng bức xạ nhiệt dƣới dạng hồng ngoại của vật nóng CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 9Chƣơng 1 Thông số trạng thái  Trong kỹ thuật thƣờng dùng các thang nhiệt độ sau: Thang nhiệt độ Celcius:  Ký hiệu: t  Đơn vị: 0C Thang nhiệt độ Kelvin: (Nhiệt độ tuyệt đối)  Ký hiệu: T  Đơn vị: K Thang nhiệt độ Fahrenheit:  Ký hiệu: t  Đơn vị: 0F Thang nhiệt độ Rankine: (Nhiệt độ tuyệt đối)  Ký hiệu: T  Đơn vị: 0R CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 10 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 0 - 273 0 K e l v i n C e l c i u s R a n k i n e Möùc khoâng cuûa thang nhieät ñoä tuyeät ñoái Ñieåm ñoùng baêng cuûa nöôùc Ñieåm soâi cuûa nöôùc 273 0 491 373 100 671 0 0 RCK - 459 F a h r e n h e i t 32 F 0 212 Mối quan hệ giữa các thang nhiệt độ: K = 0C + 273 0R = 1,8 K 0F = 1,8 0C + 32 Chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái Chú ý CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 11 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 2. ÁP SUẤT  Có các loại áp suất sau:  Áp suất khí quyển: pkq  Áp suất dƣ: pd  Áp suất chân không: pck  Áp suất tuyệt đối: ptđ  Là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phƣơng pháp tuyến với bề mặt đó. A F p  ,N/m2 Xác định bằng dụng cụ đo CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 12 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Ví dụ về áp suất 2 1 2 1 21 A A F F pp  CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 13 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất khí quyển: pkq  Là áp lực của không khí tác động lên các vật thể nằm trong nó và lên bề mặt trái đất.  Giá trị trung bình của pkq tại mực nƣớc biển là 760 mmHg  Trong tính toán kỹ thuật cho phép lấy pkq = 1 bar  Dụng cụ đo: Barometer CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 14 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất dƣ: pd  Khi áp suất môi trƣờng khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất môi trƣờng đó với áp suất khí quyển là áp suất dƣ.  Dụng cụ đo: Manometer CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 15 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất chân không: pck  Khi áp suất môi trƣờng khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất môi trƣờng đó với áp suất khí quyển là áp suất chân không.  Dụng cụ đo: Vacumeter CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 16 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất tuyệt đối: ptđ Chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái Chú ý  Khi ptđ > pkq: ptđ = pkq + pd  Khi ptđ < pkq: ptđ = pkq – pck 1bar = 105 N/m2 = 750 mmHg 1at = 0,981 bar = 1 kgf/cm2 = 10 mH2O 1 N/m2 = 1 Pa 1 psi = 6895 N/m2 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 17 Chƣơng 1 Thông số trạng thái CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM A Ùp s u a át t u y e ät ñ o ái AÙp suaát dö AÙp suaát khí quyeån AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt lôùn hôn aùp suaát khí quyeån Ñoä chaân khoâng AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån AÙp suaát tuyeät ñoái Chaân khoâng tuyeät ñoái 18 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 3. THỂ TÍCH RIÊNG  Thể tích riêng: G V v   Khối lƣợng riêng: v 1 V G  Trong đó: G – Khối lƣợng của khối chất môi giới đang khảo sát, kg V – Thể tích choán chỗ của khối chất môi giới đó, m3 Chỉ có thể tích riêng mới là thông số trạng thái Chú ý CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 19 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 4. NỘI NĂNG  Tổng độ biến thiên năng lƣợng của một hệ thống: UEEE tđ   Trong phạm vi nhiệt động lực học, hệ thống hầu nhƣ không có sự thay đổi vị trí  E = U  Trong phạm vi vi mô của hệ thống: tđ UUU   Nếu G = 1 kg: tđ uuu  CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 20 Chƣơng 1 Thông số trạng thái  Trong bài toán về nhiệt động với chất môi giới là khí lý tƣởng, độ biến thiên nội năng của hệ thống đƣợc xác định nhƣ sau: - Khi G = 1 kg:  12v TTcu  , kJ/kg - Khi G ≠ 1 kg:  12v TTGcu.GU  , kJ Trong đó: cv – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng tích, kJ/kgK T1,T2 – Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình khảo sát, K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 21 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 5. ENTANPY  Entanpy đƣợc định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv  Trong bài toán về nhiệt động với chất môi giới là khí lý tƣởng, độ biến thiên entanpy của hệ thống đƣợc xác định nhƣ sau: - Khi G = 1 kg:  12p TTci  , kJ/kg - Khi G ≠ 1 kg:  12p TTGci.GI  , kJ Trong đó: cp – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp, kJ/kgK T1,T2 – Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình khảo sát, K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 22 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 6. ENTROPY  Entropy đƣợc định nghĩa bằng biểu thức: T q ds   , kJ/kgK  Khi G ≠ 1 kg: , kJ/K T Q dS   hoặc ds.GdS , kJ/K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 23 Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng KHÍ LÝ TƢỞNG Một chất khí đƣợc xem là khí lý tƣởng nếu nó thỏa 2 điều kiện sau:  Thể tích bản thân các phân tử bằng không  Lực tƣơng tác giữa các phân tử bằng không  Những chất khí không phải là khí lý tƣởng đƣợc gọi là khí thực CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 24 PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng - Khi G = 1 kg: RTpv  - Khi G ≠ 1 kg: GRTpV  p – áp suất tuyệt đối của khối khí, N/m2 v – thể tích riêng của khối khí, m3/kg V – thể tích khối khí, m3 G – Khối lƣợng khối khí, kg T – Nhiệt độ tuyệt đối của khối khí, K Trong đó: CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 25 PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI (tt) Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng Và R – hằng số chất khí , J/kgK      8314R R Rμ – hằng số phổ biến của chất khí , J/kmolK μ – phân tử lƣợng của chất khí, kg/kmol Định luật Avogadro: Ở cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn (p = 101,325kPa và T = 273,15K) thể tích 1 kmol của tất cả các khí lý tƣởng đều bằng nhau và bằng 22,4 m3 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 26 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Hỗn hợp khí lý tƣởng:  Các khí lý tƣởng đƣợc trộn lẫn theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học với nhau.  Hỗn hợp của các khí lý tƣởng đƣợc xem là một khí lý tƣởng tƣơng đƣơng.  Có thể sử dụng phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng cho hỗn hợp khí lý tƣởng. Mỗi thành phần khí lý tƣởng trong hỗn hợp đều có nhiệt độ của hỗn hợp và chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 27 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng PHÂN ÁP SUẤT (Áp suất riêng phần)  Khi một thành phần của hỗn hợp choán toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất tƣơng ứng của thành phần đó trong hỗn hợp đƣợc gọi là phân áp suất của nó. a b a a a a a a a b b b b b b p, V, T V, Tp a pb p ab a a aa a a a a b bb bb b b ba ppp  Định luật Dalton:    n 1i ipp CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 28 PHÂN THỂ TÍCH (Thể tích riêng phần)  Phân thể tích là thể tích choán chỗ của một thành phần khí lý tƣởng khi thành phần đó ở áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp. a b a a a a a a a b b b b b b aaa aaa aa bb bb bb b p, V, T p, TVa Vb Vab ba VVV  Định luật Amagat:    n 1i iVV Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 29 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng THÀNH PHẦN KHỐI LƢỢNG - gi G G g i i  G – Khối lƣợng hỗn hợp khí Gi – Khối lƣợng của chất khí thứ i trong hỗn hợp 1gg...gg n 1i in21       n 1i in21 GG...GGG Trong đó: CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 30 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng THÀNH PHẦN THỂ TÍCH - ri V V r ii  V – Thể tích hỗn hợp khí Vi – Phân thể tích của chất khí thứ i trong hỗn hợp 1rr...rr n 1i in21       n 1i in21 VV...VVV Trong đó: CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 31 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Tính hằng số chất khí của hỗn hợp khí lý tƣởng , J/kgK n n 3 3 2 2 1 1 hh g ... ggg 1         nn332211hh r...rrr  , kg/kmol , kg/kmol hhhh n 1i iihh 8314R RgR        CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 32 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Mối quan hệ giữa thành phần khối lƣợng và thành phần thể tích hh ii i r. g    Xác định giá trị phân áp suất của từng khí trong hỗn hợp ii r.pp  p – Áp suất của hỗn hợpTrong đó: CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 33 Hết chƣơng 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM