Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: NHIỆT KỸ THUẬT NGHỀ : VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng năm 2022 Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Trang LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình NHIỆT KỸ THUẬT biên soạn theo chương trình khung nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí Vận hành nhà máy nhiệt điện Bộ Lao động – Thương binh Xã hội Giáo trình dựa tham khảo nhiều tài liệu, sách, giáo trình mơn học môn liên quan khác dành cho hệ đào tạo đại học, cao đẳng, đào tạo nghề trung học chuyên nghiệp nước Các kiến thức toàn giáo trình có mối liên hệ lơgic chặt chẽ Tuy vậy, giáo trình phần nội dung chuyên ngành đào tạo người dạy, người học cần tham khảo thêm giáo trình có liên quan ngành học để việc sử dụng giáo trình có hiệu Giáo trình “Nhiệt kỹ thuật” tài liệu bắt buộc học viên nghề, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành nhà máy nhiệt điện hệ Cao đẳng nghề Trung cấp nghề Nội dung giáo trình gồm chương: Chương 1: Một số khái niệm phương trình trạng thái vật chất thể khí Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương pháp tính nhiệt cơng Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Giáo trình biên soạn sở người học nắm vững kiến thức phần nhiệt môn vật lý phổ thông, nên không sâu vào phần lý luận mà ý nhiều đến phần ứng dụng kỹ thuật, phục vụ cho việc học môn chuyên môn Tài liệu lưu hành nội nhà Trường Trong trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong người sử dụng đồng nghiệp đóng góp nhằm làm cho giáo trình ngày hồn thiện Trân trọng cảm ơn./ Bà rịa - Vũng Tàu, tháng năm 2022 Tham gia biên soạn Chủ biên: Ths Phạm Thị Nụ Ths Nguyễn Thị Thùy Trần Thu Hằng Th.S Nguyễn Văn Hòa Ks Phạm Công Quang Trang MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ .12 1.1 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 13 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu nhiệt động học kỹ thuật 13 1.1.2 Hệ nhiệt động 14 1.1.3 Tính chất thơng số trạng thái 17 1.2 QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 19 1.2.1 Khái niệm 19 1.2.2 Các loại trình nhiệt động 20 1.3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 21 CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT VÀ CƠNG 25 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT LƯỢNG VÀ CƠNG 26 2.1.1 Nhiệt lượng 26 2.1.2 Nhiệt dung riêng 29 2.1.3 Các phương pháp tính cơng 30 2.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I 32 2.2.1 Phát biểu định luật I 32 2.2.2 Các dạng biểu thức định luật nhiệt động I 33 2.2.3 Các trình nhiệt động khí lý tưởng 35 2.2.4 Các trình có thơng số bất biến 36 BÀI TẬP CHƯƠNG 46 CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II 48 3.1 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CÁC LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 49 3.1.1 Định luật nhiệt động thứ II 49 3.1.2 Chu trình thuận chiều 50 3.1.3 Chu trình ngược chiều 51 3.2 CHU TRÌNH CARNO THUẬN NGHỊCH 52 3.2.1 Chu trình Carno thuận nghịch thuận chiều 52 3.2.2 Chu trình Carno thuận nghịch ngược chiều 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1 Q trình thay đổi trạng thái hệ nhiệt động 33 Hình 2.2 Trạng thái tiến hành trình nhiệt động .34 Hình 2.3 Biểu diễn trình nhiệt động đồ thị công a) đồ thị nhiệt b) 36 Hình 2.4 Đồ thị cơng đồ thị nhiệt q trình đẳng tích .37 Hình 2.5 Đồ thị công đồ thị nhiệt trình đẳng áp .39 Hình 2.6 Đồ thị cơng đồ thị nhiệt q trình đẳng nhiệt 40 Hình 2.7 Đồ thị cơng đồ thị nhiệt q trình đoạn nhiệt .42 Hình 3.1 Biểu diễn chu trình thuận chiều đồ thị cơng nhiệt 50 Hình 3.2 Biểu diễn chu trình ngược chiều đồ thị công nhiệt 51 Hình 3.3 Biểu diễn chu trình Carnot thuận chiều đồ thị công nhiệt 52 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Chỉ số đoạn nhiệt nhiệt dung riêng khí lý tưởng .29 Trang GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: NHIỆT KỸ THUẬT Mã mơn học: PETR63004 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: 3.1 Vị trí: Là môn học thuộc phần môn học sở chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp Môn học dạy trước môn học, mô đun chuyên môn nghề 3.2 Tính chất: Mơn học trang bị kiến thức thơng số trạng thái khí, phương pháp tính nhiệt cơng q trình nhiệt động học có liên quan đến nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp 3.3 Ý nghĩa vai trị mơn học Mục tiêu mơn học: 4.1 Về kiến thức: A1 Trình bày thơng số trạng thái phương trình trạng thái A2 Trình bày khái niệm Nhiệt, Cơng phương pháp tính tốn A3 Trình bày q trình nhiệt động, nội dung ý nghĩa định luật nhiệt động 4.2 Về kỹ năng: B1 Phân tích Chu trình nhiệt động, chu trình Carno thuận nghịch B2 Giải toán nhiệt động 4.3 Về lực tự chủ trách nhiệm: C1 Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm khả làm việc theo nhóm C2 Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trình làm việc Nội dung mơn học: 5.1 Chương trình khung Mã MH/MĐ/HP Tên môn học, mô đun Thời gian đào tạo (giờ) Trong Trang Thi/ Thực Kiểm Số hành/ Tổng Lý tra tín thí nghiệm/ số thuyết tập/ thảo luận LT TH Các môn học chung/ đại cương Giáo dục trị Pháp luật Giáo dục thể chất Giáo dục quốc phòng An ninh Tin học Tiếng Anh An tồn vệ sinh lao động Các mơn học, mô đun chuyên II môn ngành, nghề II.1 Môn học, mô đun kỹ thuật sở MECM52003 Vẽ kỹ thuật - ELEI53011 Điện kỹ thuật AUTM52111 Cơ sở điều khiển q trình PETR52002 Nhiệt kỹ thuật Mơn học, mô đun chuyên môn II.2 ngành, nghề Cơ sở trình thiết bị PETR63004 cơng nghệ hóa học PETR53005 Sản phẩm dầu mỏ PETR56107 Vận hành máy thuỷ khí I PETR64108 Vận hành máy thuỷ khí II Vận hành hệ thống đường ống PETR56109 bể chứa PETR62110 Vận hành thiết bị tách dầu khí PETR53111 Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt PETR62114 Kỹ thuật phòng thí nghiệm Vận hành phân xưởng chưng cất PETR56115 dầu thô Vận hành phân xưởng chế biến PETR56116 dầu I Vận hành phân xưởng chế biến PETR64117 dầu II Vận hành phân xưởng chế PETR56118 biến khí PETR54219 Thực tập sản xuất PETR66220 Khóa luận tốt nghiệp Tổng Cộng: I COMP64002 COMP62004 COMP62008 COMP64010 COMP63006 FORL66001 SAEN512001 23 2 465 75 30 60 75 75 120 30 183 41 18 36 15 42 26 257 29 10 51 35 58 72 17 2 0 2 0 70 1825 530 1180 36 79 2 165 45 45 45 30 93 15 36 14 28 63 28 29 3 61 1660 437 1117 30 76 45 42 3 45 150 100 42 28 28 106 66 2 14 150 28 106 13 45 75 45 14 21 13 29 50 30 1 145 42 94 6 145 42 94 100 28 66 150 36 108 4 93 195 270 2290 45 28 713 138 230 1437 53 12 87 5.2 Chương trình chi tiết mơn học Trang Thời gian (giờ) Số Tên chương, mục TT Chương Một số khái niệm Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra 11 10 11 11 30 28 phương trình trạng thái vật chất thể khí Chương Định luật nhiệt động thứ Các phương pháp tính nhiệt cơng Chương Định luật nhiệt động thứ Cộng 28 Điều kiện thực môn học: 6.1 Phòng học Lý thuyết/ Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 6.2 Trang thiết bị dạy học: Projector, máy vi tính, bảng, phấn 6.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình học tập,… 6.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế cơng tác xây dựng phương án khắc phục phịng ngừa rủi ro doanh nghiệp Nội dung phương pháp đánh giá: 7.1 Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kỹ - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập 7.2 Phương pháp: Người học đánh giá tích lũy mơn học sau: Trang 7.2.1 Cách đánh giá - Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh Xã hội Hướng dẫn thực quy chế đào tạo áp dụng Trường Cao đẳng Dầu khí sau: Điểm đánh giá + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học Trọng số 40% 60% 7.2.2 Phương pháp đánh giá Phương pháp đánh giá Phương pháp tổ chức Hình thức kiểm tra Chuẩn đầu đánh giá Số cột Thời điểm kiểm tra Thường xuyên Viết/ Tự luận/ A2, B2, Sau 21 Thuyết trình Trắc nghiệm/ C1, C2 Sau 10 Trắc nghiệm/ A3, B1, B2, C1, C2 Báo cáo Sau 30 Trắc nghiệm Sau 30 Báo cáo Định kỳ Viết/ Thuyết trình Kết thúc môn học Viết Tự luận/ A1, B2, C1, C2 A1, A2, A3 B1, B2, C1, C2 7.2.3 Cách tính điểm - Điểm đánh giá thành phần điểm thi kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (từ đến 10), làm tròn đến chữ số thập phân - Điểm môn học tổng điểm tất điểm đánh giá thành phần môn học nhân với trọng số tương ứng Điểm môn học theo thang điểm 10 làm tròn đến chữ số thập phân, sau quy đổi sang điểm chữ điểm số theo thang điểm theo quy định Bộ Lao động Thương binh Xã hội đào tạo theo tín Hướng dẫn thực mơn học 8.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Cao đẳng Dầu khí Trang 10 Tai lieu Luan van Luan an Do an Hình 2.7 Đồ thị cơng đồ thị nhiệt trình đoạn nhiệt Quá trình đa biến Từ biểu thức định luật nhiệt động thứ cơng thức tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng, ta có: dq = cpdT – νdp = cdT → (c – cp)dT = - νdp (1) dq = cνdT = pdν = cdT → (c - cν)dT = pdν (2) Chia (1) cho (2), ta được: c − cp Đặt c − c c − cp c − c =−  dp p d = n, (n Є N), cp, cν khí lý tưởng coi số trình giả thiết c = const, không thay đổi suốt trình, ta có: dp d +n =0 p  Sau biến đổi, ta được: pνn = const Đây phương trình trình đa biến với n số mũ đa biến − Phương trình trạng thái trình đa biến – 2: p1ν1n = p2ν2n p2    =  p1    n Quan hệ nhiệt độ với áp suất thể tích đầu q trình cuối q trình 2, ta viết phương trình trạng thái: p1ν1 = RT1 p2ν2 = RT2 Từ đó:   p1  =    p2  n Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt công Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 42 Tai lieu Luan van Luan an Do an p  =  T1  p1  T2 − n −1 n v  =   v2  n −1 Lượng thay đổi nội : Δu = cv (T2 - T1) − Công trình: 2 w=  pd 1 p1 1n Trong đó: p= Từ đó: w=  n 2 = p1 1n n 1 p2 n n 2 d =  p2 n 1 n Vì: p1 1n = p2 n = const Nên: w= − d R ( p1 − p2 ) = (T1 − T2 ) n-1 n −1 Nhiệt lượng trình : q1-2 = Δu + w − Hệ số biến hóa nhiệt lượng: = u = n q αn - hệ số biến hóa nhiệt lượng trình đa biến − Lượng thay đổi enthalpy : Δi = cp.(T2 - T1) Thay phương trình định luật I vào vi phân ds = ds = c dT d +R T  Hoặc: ds = c p dT dp −R T p Hoặc: ds = c p Hoặc: ds = d  + c dq , ta được: T dp p cdT T Với trình hữu hạn, ta được: Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt cơng Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 43 Tai lieu Luan van Luan an Do an s2 s =  ds = s2 − s1 = c ln s1 Hoặc: s = c p ln T2 p − R ln T1 p1 Hoặc: s = c p ln 2 p + c ln 1 p1 Hoặc: s = c ln T2  + R ln T1 1 T2 T1 Nhận xét: - n = 0, ta p = const phương trình trình đẳng áp n = 1, ta pν = const phương trình trình đẳng nhiệt - n=k = - n = ± ∞, ta ν = const phương trình q trình đẳng tích cp c , ta pνk = const phương trình trình đoạn nhiệt ❖ TÓM TẮT CHƯƠNG Trong chương này, số nội dung giới thiệu: - Các phương pháp tính nhiệt lượng - Các phương pháp tính cơng - Định luật nhiệt động I: phát biểu định luật, dạng biểu thức định luật - Các trình nhiệt động khí lý tưởng ❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG Câu hỏi 1: Trình bày phương pháp tính nhiệt lượng? Câu hỏi 2: Trình bày phương pháp tính cơng? Câu hỏi 3: Trình bày dạng biểu thức định luật nhiệt động I Câu hỏi 4: Trình bày q trình nhiệt động khí lý tưởng Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt cơng Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 44 Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt công Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 45 Tai lieu Luan van Luan an Do an BÀI TẬP CHƯƠNG Khơng khí làm lạnh từ 1000oC đến 100oC áp suất khơng đổi Xác định lượng nhiệt 1kg khơng khí tỏa Khi tính ta coi nhiệt dung riêng số phụ thuộc nhiệt độ 4m3 khí O2 áp suất dư 2at, nhiệt độ 20oC, đốt nóng đến 120oC Xác định nhiệt lượng cần cấp điều kiện áp suất không đổi coi nhiệt dung riêng số áp suất khí 1at Trong bình kín thể tích 300 lít chứa khơng khí áp suất p1 = 3at, nhiệt độ t1=20oC Xác định nhiệt lượng cần cung cấp để nhiệt độ khơng khí tăng đến 120oC Khi tính coi nhiệt dung riêng số phụ thuộc nhiệt độ Khi nén đẳng nhiệt 4kg khí metan từ áp suất 2at đến 5,4at cần thải nhiệt lượng 378kJ, biết entropi khí bình giảm 2kJ/kg.K Xác định nhiệt độ, thể tích đầu thể tích cuối khí bình Khơng khí nhận nhiệt đẳng áp (p=const), nhiệt độ tăng từ 40oC đến 240oC Xác định cơng thay đổi thể tích 1kg khơng khí 7200 kg khơng khí Chất khí có khối lượng kg, nhiệt độ 20oC , s1 = 0,2958 kJ/ kg.K, s2 = 1,0736 kJ/ kg.K Vậy nhiệt lượng cần thiết để làm thay đổi entropy chất khí bao nhiêu? 2kg khơng khí bình kín tỏa nhiệt lượng 160 kJ Khí sinh hay nhận cơng? Khơng khí nhiệt độ 0oC, áp suất 760 mmHg chứa bình kín tích 100 lít Xác định nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng khơng khí tăng lên đến 200oC Khi tính coi nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ kg khí H2 27oC, giãn nở đẳng áp, thể tích tăng gấp lần Tính cơng khí sinh q trình 10 Nén đẳng áp 3kg khí CO2 cần tiêu tốn cơng 300 kJ, thể tích giảm từ 5m3 xuống 3m3 Hỏi trình nhận hay tỏa nhiệt ? 11 10kg khơng khí nhiệt độ 27oC đốt nóng áp suất khơng đổi đến 127oC Xác định nhiệt lượng, biến đổi entanpi, biến đổi nội năng, cơng thay đổi thể tích q trình đốt nóng (coi khơng khí khí ngun tử có µ=29) 12 Để nén 3kg khí Metan người ta cần cơng 800kJ Khi nội khí tăng lên lượng 595kJ Xác định lượng nhiệt xét xem lượng nhiệt cấp vào hay thải Xác định thay đổi nhiệt độ entanpi khí nhiệt dung riêng đẳng tích µcv = 26,48 kJ/kmol.K Giải: Theo định luật bảo toàn lượng ta có: Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt cơng Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 46 Tai lieu Luan van Luan an Do an Q = W + ΔU = -800 + 595 = -205 kJ < 0, nhiệt lượng tỏa Đối với khí lý tưởng: ΔU = G.c𝑣ΔT → T = 594.16 = 120 K 26, 48.3 ΔI = G cp ΔT = G ΔT (R + C𝑣) = 120 (8314 + 26,48/16) = 782 kJ 13 Khi nén đẳng nhiệt 4kg chất khí (coi khí lý tưởng) có số chất khí R=189J/kg.oK từ áp suất 2at đến 5,4at, cần thải lượng nhiệt 378 kJ Xác định nhiệt độ trình, thể tích ban đầu thể tích cuối q trình 14 Khơng khí tích 2,48m3, nhiệt độ 15oC, áp suất 1bar, bị nén đoạn nhiệt khơng khí nhận cơng thay đổi thể tích 471kJ Xác định nhiệt cuối, biến đổi nội entanpi 15 Khơng khí nén đoạn nhiệt máy nén từ áp suất p1=1at đến áp suất p2=8at Hãy xác định thơng số trạng thái khơng khí sau nén công tiêu thụ máy nén với 1kg khơng khí Cho biết nhiệt độ khơng khí trước nén t1=15oC Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I Các phương trình tính nhiệt cơng Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 47 Tai lieu Luan van Luan an Do an CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II ❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương chương giới thiệu tranh tổng quan số nội dung định luật nhiệt động thứ 2, loại chu trình nhiệt động để người học có kiến thức kỹ thực hành giải toán nhiệt động ❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 3: Sau học xong chương này, người học có khả năng: ➢ Về kiến thức: - Trình bày định luật nhiệt động thứ II ➢ Về kỹ năng: - Phân tích chu trình nhiệt động chu trình Carno thuận nghịch - Áp dụng định luật nhiệt động thứ II vào giải toán nhiệt động khí lý tưởng ➢ Về lực tự chủ trách nhiệm - Rèn luyện tính chịu khó, cẩn thận, tỉ mỉ có tinh thần hợp tác làm việc nhóm ❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực câu hỏi thảo luận tập chương (cá nhân nhóm) - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận tập tình chương theo cá nhân nhóm nộp lại cho người dạy thời gian quy định ❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI GIẢNG CHƯƠNG - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực câu hỏi thảo luận tập chương (cá nhân nhóm) - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hồn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận tập tình chương theo cá nhân nhóm nộp lại cho người dạy thời gian quy định ❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG - Phòng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Khơng Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 48 Tai lieu Luan van Luan an Do an - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, tài liệu liên quan - Các điều kiện khác: Khơng có ❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG - Nội dung: ✓ Kiến thức: Kiểm tra đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức ✓ Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kĩ ✓ Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học + Nghiêm túc q trình học tập - Phương pháp: ✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: Không có ✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: điểm kiểm tra (hình thức: tự luận/trắc nghiệm, lý thuyết+bài tập) 3.1 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CÁC LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 3.1.1 Định luật nhiệt động thứ II Muốn chuyển hóa cách liên tục nhiệt dạng lượng khác, người ta thường phải thực chu trình Chu trình tập hợp số q trình có tính chất khép kín Trong chu trình, trạng thái chất mơi giới biến đổi từ trạng thái ban đầu đó, qua trạng thái trung gian, quay trở lại trạng thái ban đầu nói Trong nhiệt kỹ thuật chủ yếu nghiên cứu chu trình thuận nghịch, nghĩa tiến hành qua trạng thái cân tiến hành ngược lại qua trạng thái qua, mà môi chất mơi trường khơng có thay đổi Ta nghiên cứu loại chu trình: Chu trình thuận chiều chu trình ngược chiều Như nói, định luật nhiệt động thứ định luật bảo toàn biến hóa Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 49 Tai lieu Luan van Luan an Do an lượng, định luật – trình nhiệt động, dạng lượng nhiệt cơng biến đổi qua lại lẫn Tuy nhiên thấy rõ rằng, nội dung định luật hoàn toàn không đề cập đến chiều hướng trình khảo sát, khơng điều kiện cần đủ để q trình xảy ra, đồng thời không nêu lên mức độ giới hạn biến hóa lượng từ dạng sang dạng khác ngược lại Thực tế cho thấy, q trình có chiều diễn biến tự nhiên nó, muốn q trình diễn ngược với chiều tự nhiên định phải tiêu tốn lượng phải thỏa mãn số điều kiện cụ thể Ví dụ, dịng nhiệt chuyển động từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Trong hồn cảnh tự phát, dịng nhiệt khơng thể chuyển động theo chiều ngược lại Tóm lại, biến tồn cơng thành nhiệt lượng khơng thể biến tồn nhiệt lượng thành cơng Vì điều nêu trên, có nhiều nhà khoa học nghiên cứu rút số tính quy luật mà người ta gọi định luật nhiệt động thứ Cùng với định luật thứ nhất, sở để xây dựng phát triển toàn lý luận nhiệt động học Định luật nhiệt động thứ bổ sung phát triển toàn vấn đề mà định luật nhiệt động thứ chưa đề cập tới Định luật nhiệt động thứ xác định mối quan hệ tương đương nhiệt dạng lượng khác Định luật nhiệt động thứ xác định thêm điều kiện, chiều hướng mức độ chuyển hóa lượng q trình Định luật nhiệt động thứ đánh giá chu trình nhiệt động 3.1.2 Chu trình thuận chiều Là chu trình thực chuyển hóa nhiệt thành Trong chu trình thuận chiều chất mơi giới nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở sinh cơng nhả phần nhiệt lượng lại cho nguồn lạnh Trên đồ thị p – ν T – s, chu trình thuận chiều biểu diễn đường cong khép kín theo chiều quay kim đồng hồ Tất loại động nhiệt hoạt động theo chu trình thuận chiều Hình 3.1 Biểu diễn chu trình thuận chiều đồ thị cơng nhiệt Để đánh giá hiệu chu trình thuận chiều, người ta đưa khái niệm hiệu suất nhiệt, ta có: Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 50 Tai lieu Luan van Luan an Do an t = − Trong đó: Q2 W = Q1 Q1 t - hiệu suất nhiệt chu trình thuận chiều Q1 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhận từ nguồn nóng Q2 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhả cho nguồn lạnh W – công sinh 3.1.3 Chu trình ngược chiều Trong chu trình ngược chiều chất mơi giới nhận cơng từ bên để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng Trên đồ thị p – ν T – s, chu trình ngược chiều biểu diễn đường cong khép kín theo chiều quay ngược chiều kim đồng hồ Tất loại máy lạnh bơm nhiệt hoạt động theo chu trình ngược chiều Hình 3.2 Biểu diễn chu trình ngược chiều đồ thị công nhiệt Để đánh giá mức độ hồn thiện chu trình ngược chiều, người ta dùng khái niệm hệ số làm lạnh hệ số làm nóng Hệ số làm lạnh ε dùng cho máy lạnh cịn hệ số làm nóng φ dùng cho bơm nhiệt Ta có: Ta thấy: = Q2 Q2 = W Q1 − Q2 = Q1 Q1 = W Q1 − Q2 φ=ε+1 Trong đó: ε – hệ số làm lạnh để đánh giá máy lạnh φ – hệ số làm nóng để đánh giá bơm nhiệt Q1 - nhiệt lượng mà chất môi giới nhả cho nguồn nóng Q2 – nhiệt lượng mà chất mơi giới nhận vào từ nguồn lạnh Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 51 Tai lieu Luan van Luan an Do an W – công cấp vào 3.2 CHU TRÌNH CARNO THUẬN NGHỊCH Chu trình carnot chu trình có q trình, có trình đoạn nhiệt thuận nghịch trình đẳng nhiệt thuận nghịch xếp xen kẽ Về phương diện chuyển hóa lượng nhiệt với dạng lượng khác, chi trình lý tưởng, có hiệu cao xét tổng thể, có nhược điểm khác làm cho hiệu kinh tế giảm sút, nên thực tế không áp dụng trực tiếp mà làm mục tiêu để hoàn thiện chu trình 3.2.1 Chu trình Carno thuận nghịch thuận chiều Là chu trình động nhiệt làm việc với nguồn nhiệt có nhiệt dung vơ lớn với nhiệt độ T1, T2 khơng đổi suốt q trình trao đổi nhiệt Hình 3.3 Biểu diễn chu trình Carnot thuận chiều đồ thị công nhiệt Quá trình dãn nở đẳng nhiệt – 2: mơi chất nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng  q1 = RT1 ln q1 = T1 (s2 − s1 ) 1 Quá trình dãn nở đoạn nhiệt – 3: nhiệt độ giảm từ T1 xuống T2 p2ν2k = p3ν3k Quá trình nén đẳng nhiệt – 4: môi chất nhả nhiệt cho nguồn lạnh  q2 = RT2 ln q2 = T2 (s2 − s1 ) 4 Quá trình nén đoạn nhiệt – 1: nhiệt độ tăng từ T2 lên T1: p1ν1k = p4ν4k Hiệu suất chu trình Carnot: Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 52 Tai lieu Luan van Luan an Do an 3 q 4 c = − = −  q1 RT1 ln 1 RT2 ln Với trình giãn nở đoạn nhiệt – 3: T2    =  T1    k −1 (1) Với trình nén đoạn nhiệt – 1: T2    =  T1    k −1 (2) So sánh (1) (2), ta có:  1 2 3 = , đó: = 3 4 1  Như vậy, hiệu suất chu trình Carnot thuận chiều: c = − T2 T1 Từ cơng thức ta rút kết luận: - Hiệu suất chu trình Carnot phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng nhiệt độ nguồn lạnh, mà không phụ thuộc vào chất môi chất Muốn nâng cao hiệu suất chu trình Carnot phải giảm tỷ số T2/T1 3.2.2 Chu trình Carno thuận nghịch ngược chiều Là chu trình cấu tạo chu trình thuận chiều gồm trình nhiệt động, tiến hành ngược chiều kim đồng hồ.Ta có: Hệ số làm lạnh chu trình: c = q2 q2 T2 = = = w q1 − q2 T1 − T2 T1 − T2 c = q1 q1 T1 = = = w q1 − q2 T1 − T2 − T2 T1 Hệ số làm nóng: Từ hệ số làm lạnh làm nóng chu trình Carnot, ta nhận xét: - Hệ số chuyển hóa lượng phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt, mà không phụ thuộc vào chất môi chất Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 53 Tai lieu Luan van Luan an Do an - Muốn nâng cao hệ số chuyển hóa lượng cấn giảm T1/T2 ❖ TĨM TẮT CHƯƠNG Trong chương này, số nội dung giới thiệu: - Định luật nhiệt động 2: Nội dung định luật đạng biểu thức định luật - Các chu trình nhiệt động: chu trình thuận chiều, chu trình ngược chiều - Chu trình nơ thuận nghịch: chu trình nơ thuận nghịch thuận chiều, chu trình nơ thuận nghịch ngược chiều ❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG Câu Trình bày nội dung định luật nhiệt động 2? Câu Trình bày loại chu trình nhiệt động? Câu Trình bày chu trình nơ thuận nghịch thuận chiều? Câu Trình bày chu trình no thuận nghịch ngược chiều? Câu Động đốt nhận nhiệt 1300 kJ từ nguồn nóng, thải nhiệt 640 kJ cho nguồn lạnh, xác định hiệu suất nhiệt chu trình Câu Xác định hiệu suất nhiệt chu trình Carno thuận chiều biết nhiệt độ nguồn nóng t1=927oC, nhiệt độ nguồn lạnh t2=27oC Câu Xác định hệ số làm lạnh chu trình Carno ngược chiều biết nhiệt độ nguồn nóng t1=37oC, nhiệt độ nguồn lạnh t2=-3 oC Câu Một động đốt thực 95 chu trình giây Công suất động 120 hP Hiệu suất động 40% Hãy tính cơng sinh chu trình (1hP = 736 W) Câu Máy lạnh tỏa nhiệt 1250kJ cho nguồn nóng, tiêu tốn 250kJ, xác định hệ số làm lạnh? Câu 10 Một động nhiệt nhận nguồn nóng 52kcal trả cho nguồn lạnh 36kcal chu trình Tính hiệu suất động Câu 11 Bơm nhiệt không khí làm việc theo chu trình Carno, biết nhiệt độ khơng khí vào máy nén 10oC, nhiệt độ khơng khí sau nén 80oC Xác định hệ số làm nóng φ? Câu 12 Động nhiệt làm việc theo chu trình Carno, biết nhiệt độ buồng đốt động 330 oC nhiệt độ môi trường 30oC Tính hiệu suất nhiệt động Câu 13 Trong phịng có máy lạnh để trì nhiệt độ khơng gian phịng mức -5 o C Cho biết nhiệt độ khơng khí xung quanh máy lạnh 22oC Xác định hệ số làm lạnh tối đa máy lạnh Câu 14 Máy lạnh có hệ số làm lạnh ε = Nếu nhiệt độ khơng khí xung quanh dàn nóng 35oC nhiệt độ phịng làm lạnh mức cao độ? Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 54 Tai lieu Luan van Luan an Do an Câu 15 Một động nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình Carno, nhả cho nguồn lạnh 80% nhiệt lượng mà nhận từ nguồn nóng Tính cơng mà động sinh chu trình, biết nhiệt lượng mơi chất nhận chu trình 6,24 kJ Câu 16 Một động nhiệt làm việc theo chu trình Carno, có cơng suất P = 500W Nhiệt độ nguồn nóng 227oC, nhiệt độ nguồn lạnh 27oC Tính nhiệt lượng mà tác nhân nhận 5s Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Trang 55 Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn