1 Chương 1 Những khái niệm cơ bản Mục đích ■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến; ■ Định nghĩa các kh[.]
Chương Những khái niệm Mục đích ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Làm quen với thuật ngữ tảng nhiệt động lực học hệ thống đơn vị SI (hệ mét) hệ Anh sử dụng phổ biến; Định nghĩa khái niệm nhiệt động lực học Hệ thống, trạng thái, cân bằng, trình, chu trình; Khái niệm mơi chất, tính chất (thơng số môi chất); Khái niệm nhiệt độ, thang nhiệt độ; Khái niệm áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp suất môi trường, đo áp suất; Sự truyền lượng, tương tác Công-Nhiệt Giới thiệu kỹ thuật giải vấn đề hệ thống nhiệt động lực học 1 Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu nhiệt động học Nhiệt động KT nghiên cứu gì? ■ Định luật bảo tồn lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh hay đi, mà biến đổi từ dạng sang dạng khác (Energy cannot be created or destroyed, it transforms) Nhiệt động KT nghiên cứu gì? ■ Năng lượng có thuộc tính số lượng chất lượng (Nhiệt truyền theo chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động (2nd law)) Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and Microscopic Views of Thermodynamics) ■ ■ Vật chất tạo thành từ phân tử Tính chất vật chất phụ thuộc vào chất ứng phân tử Áp suất khí bình kín tổng hợp lực va đạp phân tử lên thành bình: ■ ■ ■ Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên diện tích vơ bé thành bình để xác định áp suất Thay vào đó, gắn vào áp kế (xác định lực tác dụng trung bình lên diện tích thành bình) để xác định áp suất Đây quan điểm vĩ mơ Nhiệt độ biểu thị nóng lạnh vật chất tỷ lệ với tốc độ chuyển động phân tử: ■ ■ Áp kế Quan điểm vi mơ, tính nhiệt độ (thuyết động học phân tử); Thay vào cần nhiệt kế để đo nhiệt độ Nhiệt động học nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô Hệ thống (nhiệt), Hệ kín, Hệ hở, Hệ lập Hệ thống nhiệt (Thermodynamic systems) ■ ■ ■ ■ Trong kỹ thuật, bước quan trọng nghiên cứu xác định rõ đối tượng nghiên cứu Trong học, chuyển động vật nghiên cứu, cần xác định vật trạng thái tự do, sau xác định lực tác động Cuối áp dụng Định luật Newton Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system) dùng để đối tượng nghiên cứu (ví dụ, coffee cốc) Một hệ thống định nghĩa, tương quan với hệ thống khác xác định Khi đó, định luật vật lý quy luật phù hợp áp dụng để nghiên cứu Hệ thống nhiệt thứ muốn nghiên cứu Nó đơn giản cốc coffee hay phức tạp tổ hợp hóa chất lọc dầu Chúng ta quan tâm nghiên cứu vật chất bên bình kín, hay chất khí lưu chuyển đường ống dẫn khí ■ Mọi thứ bên ngồi hệ thơng gọi Môi trường (surroundings) ■ Hệ thống phân biệt với môi trường Ranh giới (boundary) Ranh giới cố định di động ■ Việc xác định xác ranh giới có ý nghĩa quan trọng nghiên cứu ■ Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu: - Hệ thống kín (closed systems): Khơng trao đổi chất với môi trường - Hệ thống hở (control volumes): Có trao đổi chất với mơi trường Các dạng biến thể khác: Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường); Hệ thống cô lập (khơng trao đổi điều gì) Hệ thống kín (closed system/control mass) ■ Là HT có lượng vật chất hệ thống không đổi ■ ■ ■ ■ ■ Được sử dụng có số lượng định vật chất nghiên cứu; Khơng có trao đổi vật chất qua ranh giới; Hệ thống gồm khí chứa cylinder piston phía (giả thiết kín tuyệt đối) Ranh giới hệ thống bề mặt cylinder piston (đường nét đứt) Khi đun nóng, khí bên tăng nhiệt, giãn nở, đẩy piston lên, phần ranh giới phía piston dịch chuyển lên: ■ ■ Khơng có lượng vật chất khỏi hệ thống Có lượng (nhiệt) truyền qua ranh giới với môi trường Hệ thống hở (control volume) ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Là phần lựa chọn nghiên cứu không gian Thường bao gồm thiết bị liên quan đến dòng chảy ống phun (nozzle), bơm/quạt/máy nén (pump/fan/compressor), động tuabin (turbine) Khi nghiên cứu dòng chảy, người ta chọn phần thiết bị Cả vật chất (mass) lượng (energy) trao đổi qua ranh giới chọn Khơng có quy luật cố định chọn ranh giới cho hệ thống hở Việc chọn đem lại kết nghiên cửu xác dễ dàng Ranh giới hệ thống hở gọi mặt ranh giới (boundary surface) Mặt ranh giới thực tưởng tượng Hệ thống hở cố định kích thước, hình dáng, có ranh giới thay đổi Open Systems (continued) ■ Hệ thống kín mà khơng có trao đổi lượng qua ranh giới gọi gì? Open systems Open systems Phạm vi ứng dụng ■ ■ ■ Hệ thống kín: Trong chu trình động đốt coi trình nạp thải động triệt tiêu (khí nạp nhiên liệu cháy sinh cơng, thải khí cháy ngồi mơi trường) Hệ thống hở: Q trình lưu động dịng môi chất đường ống, thiết bị Tiêu biểu ống phun (nozzles) tầng cánh động turbines Hệ thống cô lập: Hiếm ứng dụng Chất mơi giới, Tính chất, Sự cân bằng, Trạng thái, Q trình Chất mơi giới (Working medium) ■ ■ ■ Chất môi giới (môi chất) dùng hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa dạng lượng (chủ yếu Nhiệt-Cơng) Mơi chất thường vật chất thể lỏng, thể khí, hay có biến đổi pha lỏng Ví dụ: ■ ■ ■ Khí cháy (khơng khí + nhiên liệu) động đốt trong, turbine khí; Nước+hơi nước nhà máy nhiệt điện; Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) hệ thống làm lạnh, điều hòa khơng khí Chất mơi giới Tính chất (thơng số) hệ thống (Properties) ■ ■ ■ ■ ■ Để mơ tả hệ thống dự đốn ứng xử nó, cần kiến thức tính chất mối quan hệ chúng Tính chất hệ thống đặc tính vĩ mơ Một số tính chất phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể tích (volume-V) khối lượng (mass-m) Các thông số mô tả trạng thái hệ thống hệ thống trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state) Không phải tất thông số độc lập Mật độ hay khối lượng riêng (density-) thuộc tính độc lập với áp suất nhiệt độ Mật độ thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo Mật độ thuộc tính ■ ■ Mật độ/Khối lượng riêng khối lượng/đơn vị thể tích; = mass/volume (kg/m3) ■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): tỷ số mật độ chất với mật độ chất tiêu chuẩn điều kiện định (thường lấy nước oC) ■ Thể tích riêng (specific volume) thể tích đơn vị khối lượng = Volume/mass, (m3/kg) = 1/ ■ ■ Water Gases Liquids P T 10 ... vĩ mô Nhiệt độ biểu thị nóng lạnh vật chất tỷ lệ với tốc độ chuyển động phân tử: ■ ■ Áp kế Quan điểm vi mơ, tính nhiệt độ (thuyết động học phân tử); Thay vào cần nhiệt kế để đo nhiệt độ Nhiệt. .. or destroyed, it transforms) Nhiệt động KT nghiên cứu gì? ■ Năng lượng có thuộc tính số lượng chất lượng (Nhiệt truyền theo chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động (2nd law)) Quan điểm... Nhiệt động học nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô Hệ thống (nhiệt) , Hệ kín, Hệ hở, Hệ lập Hệ thống nhiệt (Thermodynamic systems) ■ ■ ■ ■ Trong kỹ thuật, bước quan trọng nghiên cứu xác định rõ đối tượng