các khái niệm cơ bản về nhiệt động học

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 thơng qua hệ nhiệt động.. Hệ nhiệt động gồm cĩ ba yếu tố cơ bản:

CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

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 thơng qua hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động gồm cĩ ba yếu tố cơ bản: nguồn nĩng, nguồn lạnh và chất mơi giới Thiếu 1 trong 3 yếu tố đĩ thì hệ thống sẽ khơng làm việc được

Khái niệm nĩng và lạnh chỉ cĩ ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào cĩ nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào cĩ nhiệt độ lớn hơn là nguồn nĩng

Chất mơi 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 mơi giới phải cĩ sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất mơi giới làm xuất hiện sự thay đổi cơng và nhiệt lượng giữa chất mơi giới và mơi trường, hoặc ngược lại, chính cơng và nhiệt lượng trao đổi giữa chất mơi giới và mơi trường làm cho trạng thái của chất mơi giới bị thay đổi

Ví dụ:

Nguồn nĩng Nguồn lạnh Chất mơi giới Động cơ đốt trong Xylanh – píttơng Khơng khí bên

ngồi

Sản phẩm cháy Máy lạnh Thiết bị ngưng tụ Thiết bị bay hơi Mơi chất lạnh

(NH3, frêon) Nhà máy nhiệt

điện

Lị hơi Bình ngưng Nước – hơi nước

Nhiệt năng

Cơ năng

Hệ nhiệt động

Cĩ 4 loại hệ nhiệt động:

Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại:

nguồn nĩng giãn nở sinh cơng W và nhả nhiệt Q2 cho

nguồn lạnh Q1 = |Q2| + W

Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt:

1 2

1

2 1

1

1 Q

Q Q

Q Q

Q







2 Máy lạnh, bơm nhiệt: chất mơi giới nhận cơng W từ

Hệ nhiệt động

Hệ kín: Không

trao đổi chất với

môi trường

Hệ hở: Có trao đổi chất với môi trường

Hệ đoạn nhiệt:

Không trao đổi nhiệt giữa chất môi giới và môi trường

Hệ cô lập: chất môi giới và môi trường không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng

nào

Nguồ

n lạnh

Nguồn nĩng

Chất môi giới

Hệ nhiệt động

NGUỒN NÓNG

NGUỒN LẠNH

ĐỘNG CƠ NHIỆT

Q1

Q2

W

bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q2 đến nguồn nĩng Q1

|Q1| = Q2 + |W|

Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta

dùng:

- Hệ số làm lạnh 

2 1

2 2

Q Q

Q W

Q







- Hệ số làm nĩng 

2 1

1 1

Q Q

Q W

Q







2 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới

Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng), nội năng, entanpi và entrôpi

Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ bản (vì đo được) Nội năng, entanpi và entrôpi gọi là thông số dẫn suất

2.1 NHIỆT ĐỘ T

Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật, dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế

Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius và Kelvin, theo hệ English có thang nhiệt độ Fahrenheit và Rankine Trong đó Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối

NGUỒN NÓNG

NGUỒN LẠNH

MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT

Q1

Q2 W

- Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, trên cơ sở ở áp suất tiêu chuẩn p = 1,013bar nước đá đang tan ở 0oC và nước sôi ở 100oC, trong khoảng này chia thành 100 vạch và mổi vạch là

1oC

- Thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin chọn nước đá đang ta là 273K và nước sôi là 373K, độ chênh giữa oC và K được chọn bằng nhau

- Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine lấy điểm không trùng với thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin Độ chênh nhiệt độ giữa điểm sôi và điểm đông đặc là 180 đơn vị

- Thang nhiệt độ Fahrenheit: ở áp suất tiêu chuẩn chọn nước đá đang tan là 32oF và nước sôi là 212oF

Lưu ý: chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái

Thang nhiệt độ

Fahrenheit (oF) Rankine (R)

Nhiệt độ tuyệt đối

Celcius (oC) Kelvin (K)

Nhiệt độ tuyệt đối

373

32 212

0

-459,67

491,67 671,67

0

100

273

0

Quan hệ giữa các thang đo;

t(oC) = T(K) - 273

T(R) = 1,8T(K)

t(oF) = T(R) – 459,67

t(oC) = (toF )

32 9

) K ( T ) C

(

t o 



) R ( T ) F

(

t o 

2.2 ÁP SUẤT

Aùp suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt theo phương pháp tuyến với bề mặt đó

Có 4 loại áp suất:

- Aùp suất khí quyển pa

- Aùp suất dư pd

- Aùp suất chân không pck

Điểm nước sôi Điểm nước đông đặc

Điểm không tuyệt đối

- Aùp suất tuyệt đối ptđ

pa

pa

pd ptđ

pa

pd

ptđ

ptđ=0

Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất dư pd = ptđ - pa

Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất chân không pck = pa - ptđ

Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái

2.3 THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng

Gọi V là thể tích, G là khối lượng thì thể tích riêng được tính:

G

V

v

Khối lượng riêng

V

G

v 



3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG

Khí lý tưởng là khí có:

- Thể tích bản thân các phân tử bằng không

- Lực tương tác giữa các phân tử bằng không

Trong thực tế không có một chất khí nào có đầy đủ các tính chất của khí lý tưởng Khái niệm khí lý tưởng để giải quyết các bài toán nhiệt động có liên

Chân không tuyệt đối

quan đến các chất môi giới có tính chất gần giống khí lý tưởng Ở trạng thái thường gặp có thể xen oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước trong không khí ẩm, … là khí lý tưởng

Phương trình trạng thái khí lý tưởng:

pV = GRT hay pv = RT Trong đó:

p- áp suất tuyệt đối của chất khí, N/m2 (=Pa)

V- thể tích của khối chất khí, m3

G- khối lượng của khối chất khí, kg

R- hằng số chất khí R ,



8314 J/kg.K



 phân tử lượng của chất khí, kg/kmol T- nhiệt độ tuyệt đối, K

v- thể tích riêng, m3/kg

4 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng

4.1 ĐỊNH LUẬT GIBBS- DALTON

p, V, T

x

x x

V, T

V, T

pA

pB

x x x

Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân áp suất của các thành phần





 n

i i

p p

1

p- áp suất hỗn hợp

pi- phân áp suất (áp suất riêng phần) cùa thành phần thứ i

4.2 ĐỊNH LUẬT AMAGAT

p, V, T

x

x x

p, T

p, T

VA

VB

x

x x

Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp





 n

i i

V V

1

V- thể tích hỗn hợp

Vi- thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i

4.3 THÀNH PHẦN HỖN HỢP

a) Thành phần khối lượng







i

i i

G G

G g

gi 1

G- khối lượng hỗn hợp

Gi- khối lượng thành phần thứ i

gi- thành phần khối lượng

b) Thành phần thể tích







i

i i

V V

V r

ri 1 V- thể tích hỗn hợp

Vi- thể tích riêng phần

gi- thành phần thể tích

4.4 PHÂN TỬ LƯỢNG VÀØ HẰNG SỐ CHẤT KHÍ CỦA HỖN HỢP

- Phân tử lượng của hổn hợp:













i i i n

i i i

1

1

- Hằng số chất khí

hh

R



8314

4.5 NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

Là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị (khối lượng, thể tích, kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó

Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là:

+ Nhiệt dung riêng đẳng áp 



 n

i i pi

p g c

c

1

[kJ/kg.K]

+ Nhiệt dung riêng đẳng tích 



 n

i i vi

v g c

c

1

[kJ/kg.K]

v = const

m = 1kg

c v = 3,12kJ/kg.K

3,12kJ

p = const

m = 1kg

cp = 5,2kJ/kg.K

5,2kJ

(1) (2)

Minh họa nhiệt dung riêng đẳng tích

và đẳng áp của hêli

Nhiệt dung riêng của các khí lý tưởng

Khí lý tưởng kcal/kmol.K kJ/kmol.K k

Khí 1 nguyên tử

(Khí trơ: Ar, Xe, He, …) 3 5 12,6 20,9 1,66 Khí 2 nguyên tử

(Không khí, O2, N2, CO, H2, …) 5 7 20,9 29,3 1,4 Khí 3 nguyên tử trở lên

VD: Khí CO2

Nhiệt dung riêng đẳng tích: c cp kcal/kg , kJ/kg

p

44

3 29 44









Nhiệt dung riêng đẳng áp: c cv kcal/kg kJ/kg

v

44

37 44









K

T 1

TOÀN CẢNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

NHIỆT NĂNG

CƠ NĂNG

ĐỘNG CƠ NHIỆT

MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT

ĐC ĐỐT TRONG

CHẤT THUẦN KHIẾT KHÍ LÝ TƯỞNG LƯU ĐỘNG

QUÁ TRÌNH NÉN

KHÍ VÀ HƠI

CHẤT THUẦN KHIẾT TIẾT LƯU KHÔNG KHÍ ẨM

MÁY NHIỆT

::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::

::TH

E FIR

ST LA W:: TH

E SECO

ND LAW:

: THE F IRST LA W:: T

HE SE COND L

AW:: T

HE FIRST LAW:

: T

HE SE COND L

AW::