Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chuong 2: Định luật nhiệt động thứ nhất

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 2 ĐỊNH LUẬÄT NHIỆÄT ĐỘÄNG THỨÙ NHẤÁT 1. CÔNG 1.1 KHÁI NIỆM - Công cơ học W được xem là tích số giữa lực F và đoạn đường dịch chuyển dx theo chiều tác động của lực: ]m].[N[]J[ FdxW  2 1 F dx - Công không phải là thông số trạng thái, tức là không thể nói tại một trạng thái nào đó công có giá trị là bao nhiêu mà công chỉ xuất hiện khi chất môi giới tiến hành một quá trình nào đó. - Qui ước dấu: công > 0 : sinh công công < 0 : nhận công 1.2 CÔNG TRONG HỆ KÍN - Dưới tác động của áp suất chất môi giới, bề mặt ranh giới sẽ bị dịch chuyển làm tăng (giảm) thể tích chất môi giới ta gọi đó là công giản nở (nén). - Hai loại công này đều làm thay đổi thể tích của khối chất môi giới vậy gọi chung là công do sự thay đổi thể tích wtt Môi chất F=p.A dx dV Gọi A: tiết diện pittông p: áp suất của môi chất V: thể tích Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2-   2 1 V V tt tt pdVWhay pdVpAdxFdxW Viết cho 1 kg:  2 1 v v tt pdvw 1.2 CÔNG TRONG HỆ HỞ - Như đã trình bày trong chương trước, hệ hở là hệ mà chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ như các thiết bị: máy nén, tuabin, quạt, - Công trong hệ hở w gồm hai thành phần: + Công kỹ thuật wkt: là công có thể sử dụng trong kỹ thuật như công liên quan đến trục quay, công do sự dịch chuyển của bề mặt ranh giới, vdpwhayvdpw ttkt   2 1 p , dp , wkt  p , dp , wkt  p = const, dp = 0, wkt = 0 + Công lưu động wlđ: là thành phần công có liên quan đến áp suất của chất môi giới tác động lên bề mặt ranh giới ở đầu vào và đầu ra của hệ. 2. NHIỆT LƯỢNG - Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ. - Cũng như công, khái niệm nhiệt lượng tại một trạng thái là hoàn toàn vô nghĩa, nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi tiến hành một quá trình nào đó.  Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng: Trong chương trình phổ thông chúng ta đã học công thức tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Q = Gc t hay q=c t Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- Xét trong quá trình vô cùng bé thì cdtq   Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entrôpi: Entrôpi là gì ? Entropi s (kJ/kg.K) như đã đề cập trong mục 2 chương 1, entropi là một thông số trạng thái của chất môi giới mà lượng biến đổi của nó dùng để lượng hoá mức độ không thuận nghịch của các quá trình thực tế. Đối với quá trình thuận nghịch Tdsq T q ds    3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT - ĐLNĐ I là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng trong phạm vi nhiệt động: “Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi, nó chỉ biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác” - Trong nhiệt động lực học, phương trình biểu diển mối quan hệ giữa công, nhiệt lượng và các dạng năng lượng khác được gọi là định luật nhiệt động thứ nhất. 3.1 ĐLNĐ I VIẾT CHO HỆ KÍN Q W Xét hệ kín như hình vẽ, giả sử ban đầu hệ mang năng lượng E1, cấp nhiệt lượng Q vào hệ, khi đó hệ có năng lượng E2 và sinh công W. Theo định luật bảo toàn năng lượng: E1 + Q = E2 + W Hay Q = E2 – E1 + W = E + W Trong phạm vi nhiệt động lực học thì E = U + KE + PE Trong đó U = m(u2 – u1): nội năng Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- KE = )VV(m 2 1 2 2 2 1  : động năng PE = mg(h2 – h1): thế năng Trong hệ nhiệt kín, do sự thay đổi các thành phần động năng và thế năng không đáng kể nên Q = U + W phương trình này gọi là phương trình ĐLNĐ thứ nhất viết cho hệ kín. Viết lại dưới dạng ứng với một biến đổi vô cùng bé chất môi giới và khối lượng chất môi giới là 1 kg: wduq  Do là hệ kín nên pdvww tt  Suy ra pdvduq  (*) Đối với khí lý tưởng: dT du c v  nên pdvdTcq v  3.1 ĐLNĐ I VIẾT CHO HỆ HỞ Từ (*) q = du + pdv = du + pdv + vdp – vdp = du + d(pv) – vdp = d(u + pv) – vdp Đặt i = u + pv, i gọi là entanpi (kJ/kg, kcal/kg) là một thông số trạng thái dẫn suất và được tính theo biểu thức giữa u và tích số pv. Suy ra q = di – vdp Mặt khác kt w = -vdp Nên q = di + kt w phương trình này gọi là phương trình ĐLNĐ thứ nhất viết cho hệ hở (khi bỏ qua lượng biến đổi động năng và thế năng) Đối với khí lý tưởng: dT di c p  nên vdpdTcq p  Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- Tóm tắt Đối với mọi chất môi giới pdvduq  q = di – vdp Đối với khí lý tưởng pdvdTcq v  vdpdTcq p 