Sách tham khảo “nhiệt kỹ thuật” này được biên soạn theo đề cương chi tiết học phần nhiệt kỹ thuật dùng cho sinh viên các chuyên ngành về kỹ thuật. Nội dung của sách gồm 7 chương, trong đó chương 1, 2, 3 giới thiệu về những khái niệm cơ bản, những thuật ngữ sử dụng trong lĩnh vực nhiệt động học và giới thiệu định luật nhiệt động 1 là định luật quan trọng thể hiện quá trình bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, tiếp theo chương 4, 5, 6, 7 giới thiệu về định luật nhiệt động 2 cũng như các dạng môi chất thường sử dụng trong hệ nhiệt động, các dạng chu trình ứng dụng trong thực tế.
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Hệ thống nhiệt động
1.1.1 Hệ nhiệt động và môi trường ngoài Để việc nghiên cứu thuận tiện, thường phải tách đối tượng nghiên cứu ra khỏi các vật khác Phần đối tượng được cô lập để xem xét, nghiên cứu về mặt nhiệt động, gọi là hệ nhiệt động (Hệ) Phần còn lại gọi là môi trường ngoài
Hệ và môi trường được ngăn cách bởi một mặt kín, được gọi là ranh giới hay biên giới Ranh giới này có thể là thực như trong trường hợp xét quá trình biến đổi năng lượng của khối khí chứa trong buồng đốt động cơ, hoặc cũng có thể là tưởng tượng hay di động như khi xét một đoạn không khí di chuyển trong đường ống.
Hình 1.1 Ranh giới có thật Hình 1.2 Ranh giới tưởng tượng
Hệ và môi trường có thể tương tác lẫn nhau thông qua trao đổi năng lượng hay vật chất Sự tương tác này có thể được phân loại dựa trên nội dung của tương tác, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa hệ và môi trường.
Hệ kín và hệ hở
Hệ kín là hệ thống chỉ trao đổi năng lượng (nhiệt và công) với môi trường xung quanh, mà không có sự trao đổi về khối lượng môi chất Điều này có nghĩa là khối lượng môi chất trong hệ kín luôn không đổi và không có môi chất nào vượt qua mặt ranh giới giữa hệ thống và môi trường Các ví dụ điển hình của hệ kín bao gồm máy làm lạnh và bơm nhiệt, nơi chất công tác không thể vào hoặc ra khỏi hệ thống trong quá trình hoạt động.
Hệ nhiệt động hở là hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng lẫn khối lượng, cho phép môi chất xuyên qua một ranh giới để vào hoặc ra khỏi hệ thống và khối lượng môi chất có thể thay đổi Ví dụ về hệ nhiệt động hở bao gồm turbin hơi hoặc khí, động cơ đốt trong, máy nén khí và các hệ thống khác tương tự.
Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt là hai hệ thống có điểm chung là khối lượng môi chất trong hệ không đổi Tuy nhiên, hai hệ này có sự khác biệt cơ bản về trao đổi năng lượng với môi trường Cụ thể, hệ cô lập không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào với môi trường, trong khi hệ đoạn nhiệt có thể có sự trao đổi công nhưng không có trao đổi nhiệt với môi trường.
Tuy nhiên, cùng một hệ thống có thể được phân loại khác nhau tùy thuộc vào cách chọn ranh giới hoặc quan điểm khảo sát Ví dụ, hệ thống nhiệt động hở như động cơ đốt trong có thể được xem là hệ kín nếu xét bề mặt ranh giới là tưởng tượng và chuyển động cùng với môi chất công tác Ngoài ra, khi cần xét sự tương tác giữa các vật thể, chúng ta có thể gộp chúng lại thành một hệ và xem các vật thể khác như môi trường của hệ.
Trong hệ nhiệt động, môi chất đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác Môi chất là những chất trung gian giúp biến đổi năng lượng một cách hiệu quả, chủ yếu là chuyển hóa nhiệt năng sang các dạng năng lượng khác Về cơ bản, môi chất là chất có khả năng tích trữ năng lượng, cho phép chúng ta lấy năng lượng khi cần thiết.
Một số ví dụ điển hình về môi chất công tác bao gồm sản phẩm cháy của nhiên liệu trong động cơ đốt trong và turbin khí, hơi nước trong động cơ hơi nước, và chất làm lạnh như fréon hoặc amoniac (NH3) trong máy lạnh.
Môi chất có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm chất rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, phần lớn môi chất thường được sử dụng ở thể khí hoặc các chất lỏng dễ hóa hơi Các môi chất ở thể khí được ưa chuộng hơn cả do dễ nén và dãn nở, cho phép trao đổi công lớn Trong số đó, không khí và hơi nước là hai môi chất phổ biến nhất do có sẵn, giá thành rẻ và an toàn cho môi trường.
Khi hệ nhiệt động hoạt động, trạng thái môi chất sẽ thay đổi để truyền tải nhiệt lượng từ nguồn nhiệt này sang nguồn nhiệt khác, thường được gọi là nguồn nóng và nguồn lạnh Tuy nhiên, khái niệm nóng và lạnh của nguồn nhiệt chỉ mang tính chất quy ước, không phản ánh giá trị tuyệt đối của nhiệt độ.
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động cơ nhiệt Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh
Trong một hệ thống nhiệt động lực học, nguồn nhiệt độ cao hơn được gọi là nguồn nóng, trong khi nguồn nhiệt độ thấp hơn được gọi là nguồn lạnh Ví dụ điển hình là động cơ nhiệt, nơi sản phẩm cháy của nhiên liệu đóng vai trò là nguồn nóng, còn môi trường không khí xung quanh đóng vai trò là nguồn lạnh.
Một nguồn nhiệt có thể đóng vai trò là nguồn nóng hoặc nguồn lạnh tùy thuộc vào hệ thống tham chiếu Ví dụ, đối với động cơ nhiệt, môi trường không khí xung quanh được coi là nguồn lạnh, trong khi đối với các loại máy lạnh, nó lại trở thành nguồn nóng Điều này cho thấy rằng vai trò của nguồn nhiệt phụ thuộc vào hệ thống và mục đích sử dụng cụ thể.
1.1.4 Trạng thái - trạng thái cân bằng
Trạng thái của hệ là sự tồn tại của hệ ở mỗi thời điểm xác định, được xác định thông qua các đại lượng vật lý của môi chất, gọi là thông số trạng thái Khi hoạt động, các thông số trạng thái của hệ thay đổi và không hoàn toàn giống nhau tại mọi điểm trong hệ Để giảm khó khăn trong việc nghiên cứu hệ qua nhiều trạng thái khác nhau, nhiệt động học đã đặt nền tảng dựa vào trạng thái cân bằng, chỉ khảo sát sự biến đổi trạng thái của chất môi giới từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác.
Trong cơ học, cân bằng của một vật được hiểu là tình trạng tồn tại của vật đó dưới tác động của các lực đối nghịch bằng nhau Trong nhiệt động học, một hệ được xem là ở trạng thái cân bằng khi không chỉ cân bằng lực tác động mà còn thỏa mãn các điều kiện khác, đảm bảo trạng thái ổn định của hệ.
- Giá trị của các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ
- Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian
Thông số trạng thái
Trong nhiệt động học, môi chất có nhiều thông số trạng thái, bao gồm cả các thông số cơ bản như nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng, có thể được xác định trực tiếp thông qua đo đạc Ngược lại, các thông số khác như nội năng, entropy và entanpy không thể đo trực tiếp mà phải được xác định thông qua các thông số trạng thái cơ bản này, thường được gọi là hàm trạng thái.
Một số thông số trạng thái cơ bản được định nghĩa như sau:
Là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất, ký hiệu v, xác định bằng biểu thức: v = V
Trong đó: V - Thể tích của hệ hay môi chất, m³
Khối lượng của môi chất, ký hiệu là G, được đo bằng đơn vị kilogram (kg) Đại lượng nghịch đảo của thể tích gọi là khối lượng riêng (hay mật độ), ký hiệu là 𝜌, đại diện cho khối lượng của một đơn vị thể tích.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý quan trọng, thể hiện mức độ nóng lạnh của một vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ biểu thị giá trị động năng trung bình của các phân tử chuyển động tịnh tiến, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của nhiệt độ và mối quan hệ của nó với chuyển động của các phân tử.
Trong đó: T - nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát, K k - hằng số Boltzmann, J/độ; (k = 1,3805.10 -23 J/độ)
M - khối lượng của 1 phân tử chất khí, kg/kmol ω = căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ các phân tử, m/s
Nhiệt độ có thể được đo trực tiếp dựa trên nguyên tắc của định luật nhiệt động thứ không Định luật này nêu rõ rằng nếu hai vật hoặc hệ có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật hoặc hệ thứ ba, thì có thể kết luận rằng t1 bằng t2 Điều này cho phép chúng ta đo nhiệt độ một cách trực tiếp và chính xác.
Nếu chọn một vật có những tính chất thay đổi theo nhiệt độ làm chuẩn so sánh, gọi là nhiệt biểu, và cho nhiệt biểu này tiếp xúc và cân bằng nhiệt với các vật khác nhau, ta có thể xác định và so sánh nhiệt độ của các vật đó một cách chính xác.
Nếu qui ước lấy một đại lượng đặc trưng nào đó của vật làm nhiệt biểu
Một thang nhiệt độ, còn được gọi là nhiệt giai, là một hệ thống đo lường nhiệt độ dựa trên các đại lượng vật lý như độ dài, thể tích hoặc áp suất Mỗi giá trị của đại lượng này tương ứng với một giá trị nhiệt độ cụ thể, tạo thành một thang đo nhiệt độ nhất quán Ví dụ, nhiệt giai của nhiệt biểu thủy ngân hoặc nhiệt biểu khí là những hệ thống đo lường nhiệt độ phổ biến, trong đó mỗi giá trị của áp suất thủy ngân hoặc thể tích khí tương ứng với một giá trị nhiệt độ cụ thể.
Hiện tại, thường dùng phổ biến hai loại thang đo nhiệt độ sau:
Nhiệt độ bách phân, còn gọi nhiệt độ Celcius, ký hiệu t, đơn vị °C Được xác định dựa trên 2 điểm chuẩn: nhiệt độ nước đá đang tan ứng với
0°C và nhiệt độ nước đang sôi ứng với
100°C, tất cả xảy ra ở áp suất tiêu chuẩn
1 atm Trong thang nhiệt độ này nhiệt độ có thể âm, bằng 0 hoặc dương, nhiệt độ thấp nhất là -273 °C
Nhiệt độ xác định theo nhiệt giai này được dùng phổ biến trong đời sống và trong kỹ thuật
Nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin, ký hiệu là T và đơn vị là K, được xây dựng dựa trên cơ sở định luật nhiệt động hai Đây là đơn vị nhiệt độ thường được sử dụng trong khoa học do sự đơn giản của các công thức Quan hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối T (K) và nhiệt độ t (0C) được thể hiện qua biểu thức.
Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động năng của các phân tử Khi các phân tử ngừng chuyển động, vật chất đạt đến trạng thái có nhiệt độ thấp nhất, được gọi là không độ tuyệt đối 0 K Đây là nhiệt độ ứng với trạng thái vật chất mà tại đó động năng của các phân tử gần như bằng không.
Từ quan hệ (1.4), ta có: 0 K - 273 0 C
Rõ ràng, nhiệt độ tuyệt đối Kelvin không giá trị âm (lý do gọi là nhiệt độ tuyệt đối)
Ngoài ra, nhiều nước như Anh, Mỹ, Úc … còn sử dụng thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine, ký hiệu º R và thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu º F
Quan hệ giữa các nhiệt độ K, º C, °R và ºF theo minh họa như hình (1.5), cho thấy:
- Điểm không của nhiệt độ Rankine trùng với điểm không của nhiệt độ Kelvin
- Về giá trị, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nước sôi và nước đá đang tan của 2 nhiệt độ K và 0 C là
100 đơn vị, còn của 2 nhiệt độ °R và 0 F là 180 đơn vị
Chuyển đổi giữa các nhiệt độ trên, có thể sử dụng các công thức sau: t ( 0 C) = T(K) – 273,15 (1.5) t ( 0 R) = 1,8 x T(K) (1.6) t ( 0 F) = t( 0 R) - 459,67 (1.7)
Hình 1.5 Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ t ( 0 C) = 5/9 (t(°F) - 32) (1.8)
Trong nhiệt động kỹ thuật, áp suất thường được nghiên cứu và hiểu là lực tác dụng của các phân tử chất khí và chất lỏng lên một đơn vị diện tích của bề mặt ranh giới theo phương tuyến với bề mặt đó, phản ánh áp lực của các phân tử lên bề mặt tiếp xúc.
Việc xác định chính xác giá trị áp suất là một quá trình phức tạp, thường được xem xét kỹ trong phạm vi môn học Cơ lưu chất Tuy nhiên, với sai số cho phép, chúng ta có thể xem khối khí đang khảo sát không chuyển động, và giá trị áp suất có thể được xác định theo công thức tương ứng.
Trong đó: F - lực tác dụng phân tử khí hoặc chất lỏng, N
Trong hệ SI (System International), đơn vị tiêu chuẩn của áp suất được xác định là N/m2 hay Pascal (Pa), đồng thời có nhiều đơn vị đo áp suất khác nhau được sử dụng.
Khi sử dụng các đơn vị đo áp suất tuyệt đối, cần lưu ý tránh viết sai đơn vị Thay vì sử dụng kg/cm 2 hoặc lb/in 2, người dùng nên viết đúng là kgf/cm 2 hoặc lbf/in 2 Sự khác biệt này là rất quan trọng và có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả đo.
Trong thực tế, áp suất thường được thể hiện theo nhiều cách khác nhau:
Áp suất khí quyển, ký hiệu pkq, là áp suất của cột không khí đè trên mặt đất, được đo bằng Barometre, còn gọi là phong vũ biểu Thông thường, áp suất khí quyển được lấy bằng 10^5 N/m^2 với độ chính xác vừa phải, giúp thuận tiện cho việc tính toán và áp dụng trong nhiều trường hợp thực tế.
- Áp suất dư, ký hiệu pd, là sai biệt lớn hơn giữa áp suất đo được so với áp suất khí quyển, được đo bằng Manometre (hình 1.6b)
- Độ chân không, ký hiệu P ck , là sai biệt nhỏ hơn giữa áp suất đo được so với áp suất khí quyển, được đo bằng Vacaumetre (hình 1.6c)
Áp suất tuyệt đối được ký hiệu là p và được tính bằng tổng áp suất khí quyển và áp suất đo được, hoặc bằng hiệu giữa áp suất khí quyển và áp suất chân không Công thức tính áp suất tuyệt đối là p = p kq + p d hoặc p = p kq - p ck, với đơn vị đo là N/m 2 Ngoài ra, các thiết bị như Manometre và Vacaumetre cũng được sử dụng để đo áp suất, với chất lỏng sử dụng có thể là nước, thủy ngân hoặc dầu hỏa, như thể hiện trong sơ đồ nguyên lý ở hình 1.6b và 1.6c.
- Chỉ có áp suất tuyệt đối p mới được xem là thông số trạng thái
Từ biểu thức (1.10) và dựa trên cơ sở vật lý, áp suất chênh lệch (p d) có thể được biểu diễn bằng công thức p d = p - p kq = 𝜌gh, với đơn vị N/m 2 (1.12) Trong đó, 𝜌 là khối lượng riêng của chất lỏng sử dụng trong Manometre, g là gia tốc trọng trường và h là chênh lệch chiều cao của cột chất lỏng.
Nếu chất lỏng sử dụng trong áp kế là thủy ngân, khi cần độ chính xác cao, thường qui đổi chiều cao h về 0 °C, theo công thức sau: h 0 = h (1 - 0,000172 t) (1.13)
Trong đó: h 0 - chiều cao cột thủy ngân ở 0 0 C, m h - chiều cao cột thủy ngân ở t 0 C, m t - nhiệt độ cột thủy ngân, 0 C
Đồ thị trạng thái
1.3.1 Đô thị trạng thái - Phương trình trạng thái
Nhiệt động học là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý, giúp chúng ta hiểu rõ về trạng thái của các hệ Theo lý luận và thực tiễn, để xác định một trạng thái của hệ, chỉ cần biết hai thông số trạng thái độc lập nào đó của chất môi giới Điều này có nghĩa là khi các thông số trạng thái của chất môi giới được xác định hoàn toàn, hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng, và nhiệt động học chủ yếu tập trung vào việc khảo sát các hệ ở trạng thái này.
Mỗi trạng thái cân bằng của hệ có thể được biểu diễn bằng một điểm trên đồ thị, trong đó hai trục tương ứng với hai thông số trạng thái độc lập bất kỳ của chất môi giới, giúp mô tả hệ một cách rõ ràng và chính xác.
Trong nhiệt động kỹ thuật thường dùng các hệ trục p-v, T-s, i-s gọi là các đồ thị trạng thái của hệ (hình 1.7a, 1.7b và 1.7c)
Phương trình trạng thái của hệ là biểu thức biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của chất môi giới Đối với chất khí, phương trình trạng thái thường được thể hiện qua mối quan hệ giữa các thông số cơ bản áp suất (p), thể tích (v) và nhiệt độ (T), được biểu diễn bằng phương trình f (p, v, T) = 0.
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý dụng cụ đo áp suất
Phương trình trạng thái là biểu diễn toán học của mối quan hệ giữa áp suất (p), thể tích (v) và nhiệt độ (T) của một hệ thống nhiệt động Trong nhiệt động học, phương trình trạng thái thường được sử dụng để mô tả các hệ thống khí lý tưởng hoặc khí thực, giúp thể hiện mối quan hệ phức tạp giữa ba thông số này.
Khi hệ trao đổi năng lượng với môi trường, các thông số trạng thái của hệ sẽ thay đổi, dẫn đến trạng thái cân bằng hiện tại bị phá vỡ và hệ chuyển sang trạng thái cân bằng mới Quá trình này được gọi tắt là quá trình nhiệt động, diễn tả sự chuyển đổi trạng thái của hệ từ cân bằng cũ sang cân bằng mới thông qua trao đổi năng lượng với môi trường.
Thứ tự liên tiếp các trạng thái mà hệ đi qua trong quá trình nhiệt động gọi là đường cong quá trình
Ví dụ: quá trình đẳng áp, quá trình đẳng tích (hình 1.7)
Khi một hệ trải qua nhiều quá trình rồi lại trở về trạng thái ban đầu, người ta gọi đó là một quá trình kín hay một chu trình Chu trình này thường được biểu diễn trên đồ thị dưới dạng một đường cong kín, thể hiện sự hoàn thiện và trở lại điểm xuất phát ban đầu.
1.1 Ống hút của bơm nước có độ chân không là 5 mH 2 O Biết áp suất khí trời nơi đặt bơm là 765 mmHg Hỏi áp suất tuyệt đối của ống hút
1.2 Xác định áp suất tuyệt đối của khí trong bình chứa có nhiệt độ 170°C, nếu Manometre chỉ 500 mmHg, áp suất khí trời đo bằng Barometre chỉ 760 mmHg ở nhiệt độ 30 0 C trong 2 trường hợp: a Xem chiều cao của cột thủy ngân trong áp kế không đổi theo nhiệt độ b Xem chiều cao cột thủy ngân h phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ: h 0 = h (1 – 0,000172t) Ở đây h 0 là chiều cao cột thủy ngân ở 0°C
1.3 Một bình B có gắn Vacaumètre thủy ngân được đặt trong phòng A có gắn Manometre H 2 O, và có các trị số đọc được như hình (a)
Hãy xác định áp suất tuyệt đối của khí trong bình B, nếu biết áp suất khí trời Pa được đo bằng Barometre đã qui về 0°C là 755 mmHg
Hình 1.7: Đồ thị trạng thái của hệ
1.4 Trên đường khói ra của lò hơi có đặt quạt hút như hình (b) Để đo áp suất của khói người ta dùng áp kế nghiêng 20 º , chất lỏng sử dụng có khối lượng riêng 0,8 kg/lít Chiều dài cột chất lỏng trong áp kế chỉ
L = 200 mm Biết áp suất khí trời ở 0°C là 750 mmHg Xác định áp suất tuyệt đối của khói
1.5 Một bình kín hình trụ, phần trên chứa không khí có chiều cao là 1 m, áp suất bằng áp suất khí quyển = 1 bar Phần dưới là nước có chiều cao 2,24 m Cho nước chảy ra từ lỗ nhỏ dưới đáy bình, hỏi chiều cao cột nước sẽ là bao nhiêu khi nước không thể chảy ra khỏi đáy bình nữa Giả thiết nhiệt độ không khí giữ nguyên không đổi.
TÍNH CHẤT CỦA KHÍ
Khái niệm về khí lý tưởng
2.1.1 Khi lý tưởng và khí thực
Sự khác biệt cơ bản giữa vật chất ở các trạng thái rắn, lỏng và khí nằm ở khoảng cách và lực tương tác giữa các phân tử Trong khi các chất rắn và lỏng có khoảng cách phân tử tương đối gần nhau và lực tương tác mạnh mẽ, thì chất khí lại có khoảng cách phân tử lớn nhất và lực tương tác nhỏ nhất so với hai trạng thái còn lại Điều này giải thích tại sao chất khí có tính chất và hành vi khác biệt đáng kể so với chất rắn và lỏng.
Trong giới hạn mà lực tương tác giữa các phân tử trở nên quá nhỏ để bỏ qua và khoảng cách giữa chúng trở nên quá lớn để xem thể tích của từng phân tử gần như bằng không, vật chất tồn tại trong trạng thái này được gọi là khí lý tưởng.
Vậy, để được gọi là khí lý tưởng, chất khí phải thỏa mãn hai điều kiện:
- Thể tích của bản thân các hạt cấu tạo nên chất khí bằng không
- Không có lực tương tác giữa các hạt
Trong thực tế, không có khí lý tưởng, mà chỉ có khí thực, là những khí không đáp ứng đầy đủ các tính chất của khí lý tưởng Tuy nhiên, ở những điều kiện nhất định về áp suất, nhiệt độ, thể tích riêng, , có khá nhiều chất khí gần giống với khí lý tưởng.
- Các khí O 2 , N 2 , H 2 , Argon, Helium ở áp suất khí quyển và nhiệt độ bình thường khác khí lý tưởng rất ít
- Hơi nước trong không khí ẩm hay trong sản phẩm cháy có phân áp suất rất nhỏ nên cũng có thể xem là khí lý tưởng
- Khí thực khi khá loãng cũng có các tính chất gần giống với khí lý tưởng
Việc xây dựng khái niệm khí lý tưởng giúp giảm thiểu tính phức tạp trong nghiên cứu, cho phép áp dụng lý luận và các công cụ toán học để giải quyết các bài toán nhiệt động liên quan đến chất môi giới có tính chất gần giống với khí lý tưởng, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí thực nghiệm.
Sự phân biệt giữa trạng thái khí và hơi của một chất khí chỉ mang tính tương đối, vì giữa chúng không có ranh giới rõ ràng Trên thực tế, phân biệt hai trạng thái này thường dựa vào một số dấu hiệu cụ thể.
Hơi thường được sử dụng đối với các chất có nhiệt độ tới hạn tương đối cao, dễ hóa lỏng ở điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường, chẳng hạn như nước, amoniac Điều này cho phép chúng có thể được hóa lỏng và sử dụng một cách hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Khí thường được định nghĩa là những chất có nhiệt độ tới hạn tương đối thấp, khiến chúng khó hóa lỏng trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thông thường Các chất khí phổ biến như oxy và nitơ là những ví dụ điển hình, thường đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ thấp và áp suất cao để có thể hóa lỏng.
Quá trình khảo sát vật chất ở trạng thái khí thường tương đối đơn giản do dựa vào các qui luật và công thức đã được xác định rõ ràng Tuy nhiên, khi vật chất ở trạng thái hơi, việc tính toán trở nên phức tạp hơn, thường đòi hỏi phải tham khảo các bảng dữ liệu hoặc đồ thị đã được lập sẵn để đảm bảo độ chính xác.
Phương trình trạng thái chất khí
2.2.1 Khái niệm kmol - Định luật Avogadro kmol: Ký hiệu 𝜇, là một lượng vật chất có khối lượng tính bằng kg, bằng với phân tử lượng hay nguyên tử lượng của chất đó Ví dụ: 𝜇 𝐶0 2 = 44 kg/kmol; 𝜇 𝑁2 = 28 kg/kmol Định luật Avogadro nêu rằng: Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn (p = 1 atm, T = 273 K), 1 kmol của bất kỳ khí lý tưởng nào đều chiếm thể tích bằng nhau và bằng 22,4143 m 3 /kmol
2.2.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Ngay từ đầu, phương trình trạng thái khí lý tưởng được rút ra từ các kết quả thực nghiệm:
Năm 1662, R.Boyle và năm 1676, E.Mariotte đã thực hiện các thí nghiệm để khám phá mối quan hệ giữa thể tích riêng và áp suất tuyệt đối trong điều kiện nhiệt độ không đổi Kết quả của các thí nghiệm này đã được gọi là định luật Boyle-Mariotte, thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và thể tích qua phương trình pv = const, với điều kiện nhiệt độ không đổi (T = const).
Năm 1802, nhà khoa học J.L.Gaylussac đã phát hiện ra mối liên hệ giữa thể tích riêng và nhiệt độ tuyệt đối khi áp suất không đổi, được gọi là định luật Gay-Lussac Định luật này được diễn tả bởi phương trình thể hiện mối quan hệ trực tiếp giữa thể tích và nhiệt độ của một chất khí khi áp suất không đổi.
Ngày nay, dựa trên thuyết động học phân tử, người ta đã chứng minh được rằng các chất khí gần giống với khí lý tưởng đều tuân theo phương trình trạng thái cơ bản, gọi là phương trình trạng thái (PTTT) của khí lý tưởng: pV = GRT (2.1).
Trong đó: p = áp suất tuyệt đối, N/m 2
G = khối lượng khối khí, kg
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho khối chất có khối lượng G được biểu diễn bằng công thức, trong đó R là hằng số chất khí và có đơn vị là J/kg Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hằng số R có giá trị khác nhau đối với các loại khí khác nhau, điều này cần được xem xét khi áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
- Phương trình trạng thái viết cho 1 kg chất khí:
Chia cả hai vế của phương trình (2.1) cho G kg ta có: pv = RT (2.2)
- Phương trình trạng thái viết cho 1 Kmol chất khí
Nhân hai vế phương trình (2.2) cho k, ta có: pvμ = μRΤ Hay: pV μ = R μ T (2.3)
Trong đó : v μ = V μ = thể tích của 1 kmol khí lí tưởng, m 3 /kmol μ R = R μ = hằng số phổ biến của các loại khí lý tưởng, J/kmol.K
R μ được xác định từ các điều kiện chuẩn (p = 1,013.10 5 N/m 2 ; T = 273,15 K);
Có R μ , ta có thể tính R của bất kỳ loại khí nào khi đã biết được μ của nó, ví dụ:
Phương trình (2.1) còn có thể được biểu diễn dưới dạng tương đương khác, đó là pV = G μ μRT hoặc pV = mR μ T (2.4), trong đó m = G μ đại diện cho số kmol khí lý tưởng chứa trong thể tích V.
Ví dụ 1: Tính thể tích riêng của 1kg không khí khô (có μ = 29) ở 1 atm và 30 o C
Giải: Không khí khô ở điều kiện trên có thể xem là KLT, ta có phương trình trạng thái: pv = RΤ Trong đó: p = 1 atm = 1,013.10 5 N/m 2
2.2.3 Phương trình trạng thái của khí thực Đối với khí thực, do tồn tại thể tích bản thân các hạt và lực tương tác giữ chúng nên các phương trình (2.1), (2.2), (2.3), và (2.4) không còn nghiệm đúng Tỉ số Z = pv/RT có thể nhỏ hoặc lớn hơn 1, phụ thuộc từng loại chất khí và áp suất, nhiệt độ của nó
Mặc dù chưa tìm được phương trình trạng thái chính xác cho mọi chất khí thực ở mọi trạng thái, nhưng các nhà khoa học đã phát triển được các phương trình gần đúng cho từng chất khí hoặc nhóm chất khí cụ thể trong khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định Những phương trình trạng thái khí thực này đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và dự đoán hành vi của chất khí trong nhiều ứng dụng thực tế khác nhau.
Phương trình Vander Waals, được đưa ra vào năm 1871, là một trong những phương trình khí thực có độ chính xác cao và được áp dụng rộng rãi Phương trình này cung cấp một mô hình toán học để mô tả hành vi của khí thực, giúp dự đoán và tính toán các thông số như áp suất, nhiệt độ và thể tích của khí.
Trong phương trình trạng thái của khí thực, hệ số a và b đóng vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh áp suất và thể tích Hệ số a là hệ số hiệu chỉnh lực tương tác giữa các hạt, khiến áp suất khí thực đo được nhỏ hơn áp suất khí lý tưởng ở cùng điều kiện nhiệt độ và thể tích riêng Sự sai biệt áp suất này tỉ lệ với 1/v μ 2 thông qua hệ số a, như được đề xuất bởi Vander Waals Trong khi đó, hệ số b là hệ số hiệu chỉnh thể tích bản thân các hạt, giúp tính toán chính xác hơn trạng thái của khí thực.
Cả a và b đều được xác lập từ thực nghiệm và có giá trị riêng như bảng 2.1
Bảng 2.1: Giá trị hệ số a và b của vài chất khí thông dụng
Phương trình (2.5) cho thấy, khi áp suất thấp và nhiệt độ cao thì thể tích riêng v rất lớn, do đó a/v 2
→ min và (v – b) → v, khi đó (2.5) trở thành phương trình trạng thái của KLT
Ví dụ 2: Xác định thể tích riêng của khí CO 2 tại áp suất 70 bar, nhiệt độ 40 o C
- Nếu xem CO 2 là khí lí tưởng, sử dụng phương trình (2.2), ta có: v = RT p = R μ T μ CO 2 p = 8314 × (40 + 273)
- Nếu xem CO 2 là khí thực, sử dụng phương trình (2.5), với a và b tra từ bảng 2.1: a = 3,647 bar ( m 3 kmol)
Giải phương trình nhận được v μ = 0,23 m 3 /kmol hay v = 0,523.10 -2 m 3 /kg
Hỗn hợp khí lý tưởng
Trong thực tế, phần lớn thiết bị nhiệt động sử dụng chất môi giới là hỗn hợp của nhiều chất khí, chẳng hạn như không khí - một hỗn hợp gồm O2, N2, CO2, H2, H2O và các chất khác Điều này có nghĩa là sản phẩm cháy của nhiên liệu với không khí cũng sẽ là một hỗn hợp phức tạp của nhiều chất khí khác nhau.
Hỗn hợp khí lý tưởng là một hỗn hợp cơ học trong đó mỗi thành phần được xem là khí lý tưởng, không có phản ứng hóa học với nhau Do đó, hỗn hợp này có thể được xem là một khí lý tưởng đồng nhất, tuân theo các định luật và phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
Phần này sẽ tập trung vào việc xác định các đại lượng tương đương của hỗn hợp trên cơ sở các đại lượng và tỷ lệ hỗn hợp của các chất khí thành phần, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách tính toán và áp dụng các đại lượng này trong thực tế.
2.3.1 Các đại lượng riêng phần của hỗn hợp
Nhiệt độ của các khí thành phần, ký hiệu T1, bằng với nhiệt độ của hỗn hợp T:
Thể tích của các khí thành phần, ký hiệu Vi, bằng với thể tích của hỗn hợp V:
Khối lượng G của hỗn hợp bằng tổng khối lượng của các khí thành phần Gi:
G = ∑ G i (2.8) Áp suất riêng phần của các khí thành phần, còn gọi là phân áp suất, ký hiệu pi:
Áp suất riêng phần của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp là áp suất mà chất khí đó tạo ra khi chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ của hỗn hợp Định luật Gibbs-Dalton cho phép chúng ta tính toán áp suất riêng phần của mỗi thành phần khí trong hỗn hợp.
Trong đó: p - áp suất của hỗn hợp KLT pi - phân áp suất của chất khí thành phần thứ i
Thể tích riêng phần của các khí thành phần, còn gọi là phân thể tích, ký hiệu Vi:
Thể tích riêng phần của một chất khí trong hỗn hợp là thể tích mà chất khí đó chiếm chỗ khi được tách riêng ra khỏi hỗn hợp, vẫn giữ nguyên nhiệt độ của hỗn hợp (T i = T) và tăng áp suất lên bằng áp suất của hỗn hợp (p i = p).
Trong đó: V i - thể tích riêng phần của chất khi thành phần thức
V - thể tích của hỗn hợp khí
Phương trình trạng thái đối với hỗn hợp: pV = GRT (a) Phương trình trạng thái đối với khí thành phần thứ trong hỗn hợp có p i , T i =T, V i =V: p i V = G i R i T (b)
Phương trình trạng thái đối với khí thành phần thứ i khi tách ra nó khỏi hỗn hợp và có phân thể tích
Từ (b) và (c) ta có: p i V = pV i
2.3.2 Cách biểu thị thành phần của hỗn hợp
Thành phần của 1 hỗn hợp có thể biểu thị dưới dạng khối lượng, thể tích hay số kmol a) Thành phần khối lượng:
Thành phần khối lượng của chất khí thứ i trong hỗn hợp, kí hiệu g i , định nghĩa như sau: g i = G i
G = Khối lượng chất khí thành phần thứ i (kg)
Khối lượng hỗn hợp (kg) (2.11)
Thành phần thể tích của chất khí thứ i trong hỗn hợp, kí hiệu r i , định nghĩa qua biểu thức: r i =V i
V = Thể tích riêng phần của chất khí thành phần thứ i (m 3 )
Thành phần mol của một chất trong hỗn hợp, định nghĩa qua biểu thức:
M =Số kmol của chất khí thành phần thứ i
Tổng số kmol của hỗn hợp (2.15)
Kí hiệu thành phần mol của chất mol của chất khí trong hỗn hợp vẫn 𝑟 𝑖 , vì :
V μi = Thể tích riêng phần của chất khí thành phần thứ i
Thể tích của 1 kmol chất khí thành phần thứ i
V μ = Thể tích của hỗn hợp Thể tích của 1 kmol hỗn hợp
Mà theo định luật Avogadro V μi = V μ nên M i
V = r i d) Quan hệ giữa các thành phần 𝒈 𝒊 và 𝒓 𝒊
2.3.3 Các đại lượng đặc trưng của hỗn hợp
Khi tính toán, hỗn hợp khí được xem là một chất khí tương đương và áp dụng các phương trình tương tự như đối với khí đơn Để thực hiện điều này, cần xác định các đại lượng tương đương của hỗn hợp, bao gồm phân tử lượng 𝝁 (hay kmol) của hỗn hợp khí.
Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượng
- Theo thành phần thể tích:
- Theo thành phần khối lượng:
(2.19) b) Hằng số chất khí của hỗn hợp
Từ phương trình trạng thái của chất khí thành phần trong hỗn hợp (có p i , T i =T, V i =V): p i V = G i R i T
(2.20) Hằng chất khí μ của hỗn hợp còn được tính theo công thức (2.18) hoặc (2.19)
Trong đó khí μ được xác định theo (2.18) hoặc (2.19) c) Thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp v = V
Áp suất p của hỗn hợp khí lý tưởng thường không thể đo trực tiếp, do đó cần thiết lập biểu thức để xác định các giá trị áp suất riêng phần dựa trên áp suất của hỗn hợp khí.
P i V = G i R i T và pV = GRT Chia theo vế:
Ta đã biết: R μ = μR = μ i R i = 8314 J Kmol độ⁄
Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng là đại lượng đo lượng nhiệt cần cung cấp để tăng nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên 1 độ trong một quá trình nhất định Đồng thời, nó cũng thể hiện lượng nhiệt mà một đơn vị vật chất tỏa ra khi nhiệt độ giảm đi 1 độ trong cùng một quá trình.
Nhiệt dung riêng của một chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, áp suất và đặc tính của môi chất, cũng như đặc điểm của quá trình và đơn vị đo lường Điều này có nghĩa là nhiệt dung riêng của một chất có thể được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể.
2.4.2 Phân loại nhiệt dung riêng
Người ta có các cách phân loại nhiệt dung riêng như sau:
Theo đơn vị đo lường vật chất, ta có :
- Nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu C (J/kg-độ), khi đơn vị đo lường là khối lượng (kg)
- Nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu C’ (J/m 3 tc-độ), khi đơn vị đo là thể tích (m 3 tiêu chuẩn)
- Nhiệt dung riờng mol, ký hiệu Cà (J/kmol-độ), khi đơn vị đo vật chất là 1 kmol
Giữa 3 loại nhiệt dung riêng này có mối quan hệ sau:
Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất, ta có:
Nhiệt dung riêng đẳng áp, ký hiệu Cp, là đại lượng đo lường khả năng hấp thụ nhiệt của một chất khi quá trình thay đổi nhiệt độ diễn ra ở điều kiện áp suất không đổi Trong đó, Cp, C’p và Càp lần lượt đại diện cho nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp và nhiệt dung riêng kmol đẳng áp, giúp mô tả sự thay đổi nhiệt lượng của chất ở các điều kiện khác nhau.
Nhiệt dung riêng đẳng tích, ký hiệu Cv, là đại lượng đo lường sự thay đổi nhiệt năng của một vật khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình đẳng tích Đối với các đơn vị đo khác nhau, ta có các khái niệm nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích (Cv), nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích (C'v) và nhiệt dung riêng kmol đẳng tích (Càv), mỗi đại lượng này đều mô tả sự thay đổi nhiệt năng của vật trong điều kiện đẳng tích.
Giữa hai loại nhiệt dung này có mối quan hệ như sau:
Hoặc theo công thức Mayer: C p − C v = R (2.28)
2.4.3 Nhiệt dung riêng trung bình và nhiệt dung riêng thực
Do nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của nhiệt độ, nên người ta thường sử dụng hai khái niệm quan trọng là nhiệt dung riêng trung bình và nhiệt dung riêng thực để đánh giá chính xác hơn Nhiệt dung riêng trung bình được tính toán dựa trên sự thay đổi nhiệt độ trung bình, trong khi nhiệt dung riêng thực phản ánh giá trị nhiệt dung riêng tại một nhiệt độ cụ thể.
- Nhiệt dung riêng trung bình:
Nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từ T1 đến T2 được định nghĩa là nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường (q) chia cho sự thay đổi nhiệt độ của môi chất (t2 - t1) Đây là một đại lượng quan trọng trong việc tính toán và phân tích các quá trình nhiệt động lực học.
Nếu cho ∆t = t 2 − t 1 → 0, giới hạn của (2.29) gọi là nhiệt dung riêng thực tại nhiệt độ tương ứng
Sự phụ thuộc C = f(t) thường là quan hệ phi tuyến nhưng để đơn giản trong tính toán, người ta thường xác định theo biểu thức:
Trong đó: a, b là các hệ số thực nghiệm t là nhiệt độ bách phân (°C) Trong nhiều tính toán thực tế, thường dùng các phương pháp sau:
- Khi không cần độ chính xác cao, hay nhiệt độ thay đổi không lớn, có thể xem nhiệt dung riêng là hằng số, xác định như sau:
Giỏ trị Cà được tra ở cỏc bảng Nhiệt dung riờng hằng số (Phụ lục 2)
Trong trường hợp yêu cầu độ chính xác cao hoặc khi nhiệt độ biến thiên lớn, nhiệt dung riêng có thể được xem xét phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ đường thẳng Điều này giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và đảm bảo độ chính xác cần thiết trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.
C| 0 t 1 và C| 0 t 2 là nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 0 – t1 và từ
0 – t2 (tra tại các bảng nhiệt dung riêng trung bình phụ thuộc nhiệt độ -phụ lục
Ví dụ 3: Tính nhiệt dung riêng trung bình khối lượng đẳng áp của khí N2 từ 200°C đến 800 °C Giải: Từ phụ lục 3, nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ (0 – 1500 °C), ta có:
2.4.4 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp
Xét hỗn hợp có thành phần gi, để đưa 1 kg hỗn hợp lên 1 độ, cần cung cấp lượng nhiệt là:
Trong đó: q i = g i C i = lượng nhiệt cần để đưa thành phần thứ i lên 1 độ
Xét tương tự ta có:
2.1 Xác định thể tích riêng của khí Nitơ ở điều kiện tiêu chuẩn và ở điều kiện có áp suất bằng 0,2 at; nhiệt độ 127°C Biết áp suất khí quyển ở 0°C là 780 mmHg
2.2 Khí CO2 được bơm thêm vào bình chứa có thể tích V = 3 m 3 bằng máy nén Số đọc của áp kế trước và sau khi nén là 0,3 atm và 3 atm; nhiệt độ tăng từ t1 = 45 0 C đến t2 = 70°C Xác định lượng khí CO, đã bơm vào bình chứa nếu áp suất khí trời đo bằng chiều cao cột thủy ngân đã quy về 0°C là 700 mm
2.3 Một bình có thể tích 200 lít, chứa 0,2 kg khí N2 Biết áp suất khí quyển nơi đặt bình là
1 bar ở 0 °C Xác định chỉ số áp kế (lắp trên nắp bình) trong 2 trường hợp: a Nhiệt độ trong bình là 7°C b Nhiệt độ trong bình là 127 °C
2.4 Một bình có thể tích 0,5 m 3 , chứa không khí ở áp suất 2 bar, nhiệt độ 20 °C Tính lượng không khí cần thoát ra là bao nhiêu để áp suất trong bình có độ chân không 420 mmHg, trong điều kiện nhiệt độ trong bình xem như không đổi Biết áp suất khí quyển là 768 mmHg ở 18 0 C
2.5 Cho một hệ thống piston – xylanh như hình vẽ Ở vị trí ban đầu không khí trong xylanh có áp suất 5 bar, thể tích 0,8 m 3 Hỏi piston sẽ dịch chuyển một đoạn là bao nhiêu để áp suất trong xylanh tăng lên 8 bar, ở điều kiện nhiệt độ không đổi Biết xylanh có đường kính d = 0,6 m
2.6 Một khinh khí cầu có thể tích 1000 m 3 chứa khí
Hydro được thả vào khí quyển Biết áp suất và nhiệt độ của không khí và khí cầu bằng 1 bar và 27°C Xác định lực nâng khinh khí cầu lên
2.7 Một bình có thể tích 2 m 3 , chứa không khí khô ở áp suất 3 kgf/cm 2 và nhiệt độ 20°C a- Tính khối lượng của không khí khô chứa trong bình b- Cần thêm bao nhiêu kg Nitrogen để áp suất trong bình tăng lên 4 kgf/cm 2 Biết μ kkk = 29 và μ Nitrogen = 28
2.8 Một kg không khí khô (gồm O2 và N2) có thành phần khối lượng g N 2 = 76,8% và g O 2 23,2% Xác định thành phần thể tích, phân tử lượng tương đương, hằng số chất khí và phân áp suất của các khí thành phần của hỗn hợp Biết áp suất khí quyển là 760 mmHg
2.9 Sản phẩm cháy (không chứa hơi nước) có thành phần thể tích như sau: CO2 = 12,3%;
O2 = 7,2%; N2 = 80,5% Tính phân tử lượng tương đương, hằng số chất khí, thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp Biết p = 750 mmHg và T = 800 °C
2.10 Một bình có thể tích 125 m 3 chứa khí đốt có thành phần theo thể tích là H2 = 46%, CH4
Để tính lượng khí đốt đã tiêu thụ, chúng ta cần dựa vào thông tin về thành phần khí đốt và các điều kiện áp suất và nhiệt độ trước và sau khi tiêu thụ Thành phần khí đốt được cho là CH4 chiếm 32%, CO chiếm 15% và N2 chiếm 7% Trước khi tiêu thụ, áp suất dư của khí đốt là 3,92 bar và nhiệt độ là 18 °C Sau khi tiêu thụ, áp suất dư giảm xuống còn 3,04 bar và nhiệt độ giảm xuống còn 12 °C.
Biết áp suất khí quyển là 760 mmHg ở 0 °C.
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 1
Năng lượng – công – nhiệt năng
Năng lượng của một hệ đặc trưng cho mức độ vận động của hệ đó, với mỗi trạng thái tương ứng một dạng vận động xác định Khi trạng thái của hệ thay đổi, năng lượng cũng biến đổi theo Điều này cho thấy năng lượng là một hàm của trạng thái Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị cơ bản để đo năng lượng là Jun (J), ngoài ra còn có các đơn vị khác như Calo.
1 kWh = 3,6.10 6 J Trường hợp tổng quát, sự biến đổi năng lượng của một hệ bao gồm các thành phần:
- Động năng, do sự chuyển động của toàn bộ hệ thống
- Thế năng, do sự chuyển đổi vị trí của hệ thống
- Nội năng, do sự biến đổi các dạng năng lượng bên trong của hệ thống
Khi bỏ qua sự thay đổi động năng và biến thiên thế năng của hệ trong trường lực, lượng biến đổi năng lượng của hệ trong quá trình nhiệt động chủ yếu tập trung vào sự biến đổi nội năng.
Nội năng, thường được ký hiệu là U, đại diện cho toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của một vật, bao gồm nội nhiệt năng và các dạng năng lượng khác như hóa năng, năng lượng nguyên tử Trong hệ nhiệt động, do thường không xảy ra các phản ứng hóa học hoặc phản ứng hạt nhân, nên các dạng năng lượng khác bên trong hệ thường được xem như bằng không Vì vậy, nội năng của hệ nhiệt động thường được hiểu là nội nhiệt năng.
- Nội động năng: do chuyển động của các phân tử, nguyên tử nên phụ thuộc nhiệt độ
Nội thế năng của một vật phụ thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên nó, và do đó, nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách trung bình giữa các phân tử Khoảng cách này lại liên quan trực tiếp đến thể tích riêng hay mật độ của vật Điều này có nghĩa là nội thế năng của vật có thể thay đổi tùy thuộc vào mật độ của nó.
Vậy, nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích riêng, u = f(T,v)
Đối với KLT, nội năng chỉ bao gồm nội động năng và phụ thuộc vào nhiệt độ, được biểu diễn dưới dạng u = f(T) Quan hệ giữa biến thiên nội năng du và biến thiên nhiệt độ dT trong mọi quá trình được thể hiện qua đẳng thức du = C v dT, trong đó C v là nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi.
Và ∆u = u 2 − u 1 = C v (T 2 − T 1 ) (3.2) Với Cv : nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
Khi hệ tương tác với môi trường, quá trình trao đổi năng lượng sẽ diễn ra, tạo ra hai hình thức trao đổi năng lượng chính.
Quá trình trao đổi nhiệt lượng là một ví dụ điển hình về chuyển động hỗn loạn của các phần tử vi mô trong hệ, gắn liền với sự thay đổi nhiệt độ của hệ Khi nhiệt độ của hai vật khác nhau, chẳng hạn như tách cà phê nóng và phòng lạnh, sẽ xảy ra quá trình truyền nhiệt năng giữa chúng Nhiệt năng này xuất hiện do sự chênh lệch về mức độ chuyển động hỗn loạn của các phần tử vi mô bên trong các vật, và quá trình trao đổi nhiệt lượng sẽ kết thúc khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau.
- Cách thứ hai liên quan đến sự tác động có hướng của các phần tử vĩ mô của hệ, đó là quá trình trao đổi công
Khí dãn nở trong xy lanh sẽ tạo ra chuyển động của piston, qua đó truyền năng lượng cho piston tương đương với công sinh ra khi piston di chuyển.
Công và nhiệt lượng không phải là những tính chất nội tại của hệ, chúng chỉ xuất hiện khi có quá trình trao đổi năng lượng Do đó, chúng ta chỉ có thể nói về công và nhiệt lượng được truyền trong một quá trình cụ thể nào đó, chứ không thể xác định công hay nhiệt lượng của một trạng thái cụ thể Điều này có nghĩa là nhiệt và công là các hàm của quá trình, phụ thuộc vào cách thức và trình tự thực hiện quá trình đó.
Thường ký hiệu L (G kg môi chất công tác) hay l (1 kg môi chất công tác) và có cùng đơn vị với năng lượng
Qui ước: L > 0: nếu bản thân hệ sinh công
L < 0: nếu đó là công mà hệ nhận vào
Trong nhiệt động kỹ thuật, thường quan tâm đến các loại công sau: a) Công dãn nở
Công thay đổi thể tích, còn được gọi là công dãn nở, là lượng công mà môi chất trong hệ sinh ra khi dãn nở (công dương) hoặc nhận được khi bị nén (công âm), thường được ký hiệu là L hoặc l.
Chúng ta hãy xem xét một khối chất khí có khối lượng G kg, áp suất p và chiếm thể tích V trong một xi lanh được làm kín bằng piston có tiết diện F.
Hình 3.1: Sơ đồ tính công dãn nở và biểu diễn trên đồ thị p – v
Khi thể tích khối khí thay đổi một lượng nhỏ dV, piston sẽ di chuyển một đoạn vô cùng nhỏ dx Trong khoảng thể tích này, áp suất có thể được xem là không đổi, do đó công dãn nở sẽ bằng dL = pFdx = pdV Khi chia cả hai vế của đẳng thức này cho G, ta có công thức l = pdv.
Công dãn nở sinh ra trong quá trình biến đổi trạng thái của môi chất có thể được tính toán dựa trên sự thay đổi thể tích từ trạng thái 1 có thể tích v1 đến trạng thái 2 có thể tích v2.
Nếu biểu diễn quá trình này trên đồ thị pv (hình 3.1), ta có:
Từ biểu thức (3.3), do áp suất tuyệt đối p luôn luôn dương, nên: dv > 0 → l > 0 → hệ dãn nở thì sinh công dv < 0 → l < 0 →hệ chịu nén thì nhận công
Công dãn nở phụ thuộc vào quá trình thực hiện, điều này được chứng minh qua việc biểu diễn trên đồ thị pv, nơi công sinh ra khác nhau khi thực hiện các quá trình khác nhau nhưng có cùng điểm đầu và điểm cuối Đây là bằng chứng cho thấy công là hàm của quá trình, phụ thuộc vào cách thức thực hiện quá trình đó.
Công Lld, ký hiệu của công sinh ra do môi chất chuyển động khi có thay đổi về áp suất, là công được tạo ra để khắc phục các trở lực khi môi chất di chuyển, giúp quá trình di chuyển của môi chất trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Định luật nhiệt động 1
3.2.1 Dạng tổng quát Định luật nhiệt động 1
Xét hệ nhiệt động có G kg môi chất, trong quá trình biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái
Trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, hệ có thể trao đổi nhiệt lượng Q12 với môi trường và thực hiện công ngoài Ln12 Ở mỗi trạng thái, hệ có năng lượng toàn phần tương ứng là U1 và U2, phản ánh tổng năng lượng của hệ tại mỗi thời điểm.
U2 thì theo Định luật bảo toàn biến hóa năng lượng ta có phương trình cân bằng:
Nếu xét trong quá trình vô cùng nhỏ, ta có: dQ = dU + dL n12 (3.16)
Hoặc xét cho 1 kg chất môi giới trong quá trình vô cùng nhỏ: dq = du + dl n (3.17)
Các đẳng thức (3.15), (3.16) và (3.17) đại diện cho dạng phương trình tổng quát của Định luật nhiệt động 1, áp dụng cho cả khí thực và khí lý tưởng cũng như các hệ kín và hệ hở, đảm bảo tính chính xác và phổ quát trong nhiều trường hợp khác nhau.
Như vậy nội dung của Định luật nhiệt động 1 có thể phát biểu như sau:
Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ các dạng năng lượng khác sang dạng khác Quá trình chuyển hóa này tuân theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng, nghĩa là một lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng khác, và ngược lại, một lượng năng lượng khác có thể chuyển hóa thành nhiệt năng.
3.2.2 Các trường hợp riêng của Định luật nhiệt động 1 a) Đối với hệ kín , do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường, công ngoài trong trường hợp này chính là công dãn nở, ta có: dl n = dl = pdv
Do đó, với hệ kín phương trình định luật nhiệt động 1 có dạng: dq = du + pdv (3.18)
Biến đổi bằng cách thêm vdp và –vdp vào (3.18), ta có: dq = du + pdv + vdp − vdp = du + d(pv) − vdp = d(u + pv) − vdp
Nếu đặt i = u + pv, ta có: dq = di − vdp (3.19)
• Tổng i= u + pv, có đơn vị (J/kg), rất thường gặp trong quá trình tính toán, được gọi là entanpy, và đây là một thông số trạng thái mới
Mọi hệ đều có năng lượng hay nội năng Khi hệ tương tác với môi trường xung quanh, để đạt được trạng thái cân bằng, hệ cần có thêm phần năng lượng bằng với thế năng mà môi trường tác động lên hệ, phần này được ký hiệu là pv Khi đó, tổng năng lượng của hệ được tính bằng công thức u + pv, trong đó u là nội năng của hệ và pv là phần năng lượng bổ sung để hệ đạt được trạng thái cân bằng với môi trường.
Năng lượng của hệ có tương tác với môi trường được ký hiệu là i, trong khi năng lượng của hệ cô lập được ký hiệu là u Đối với hệ hở, do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường, môi chất phải tiêu tốn công lưu động, và chỉ có thể sử dụng phần còn lại Vì vậy, công ngoài trong trường hợp này xấp xỉ bằng công kỹ thuật dễ dàng, ký hiệu là dl n ≈ dl kt.
Theo (3.8) ta có: dl kt = −vdp Đối chiếu với (3.19) ta được: dq = dl + dl kt (3.20)
Nếu công kỹ thuật chỉ làm thay đổi động năng chất môi giới, ta có: dl kt = dω 2 ⁄2
Đối với khí lý tưởng, các nhà khoa học đã chứng minh được mối quan hệ giữa biến thiên nội năng (du) và nhiệt dung riêng tại áp suất không đổi (Cv) hoặc nhiệt dung riêng tại thể tích không đổi (Cp) thông qua các phương trình du = Cv.dT và di = Cp.dT Từ đó, các biểu thức định luật nhiệt động lực học (ĐLNĐ) 1 cho khí lý tưởng có thể được biểu diễn dưới dạng dq = Cv.dT + pdv hoặc dq = Cp.dT - vdp.
Các quá trình nhiệt động cơ bản của chất khí
Trong các thiết bị năng lượng và quá trình nhiệt động, sự thay đổi trạng thái của chất môi giới thường tuân theo những quy luật xác định Đặc điểm chung của các quá trình này là tỷ số giữa lượng biến đổi nội năng và nhiệt lượng trao đổi giữa môi chất và môi trường luôn là một hằng số, được ký hiệu là α (∆u/q = α) Giá trị của α thay đổi tùy theo quá trình cụ thể, và việc khảo sát các quá trình này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa nội năng và nhiệt lượng trao đổi trong các hệ thống năng lượng.
• Tìm quy luật của quá trình, thể hiện bằng các phương trình quá trình
• Tìm quan hệ ràng buộc giữa các thông số của quá trình
Khi khảo sát quá trình xảy ra, chúng ta cần tính toán các kết quả về mặt năng lượng Để đơn giản hóa, chúng ta chỉ xem xét chất môi giới là khí lý tưởng và giả định rằng các quá trình đều đạt trạng thái cân bằng và có tính thuận nghịch.
3.3.1 Tìm phương trình quá trình
Phương trình quá trình là mối quan hệ giữa các thông số đặc trưng cho quá trình đó, thường được áp dụng trong kỹ thuật Trong đó, có 4 quá trình cơ bản thường gặp, bao gồm quá trình đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt Tuy nhiên, những quá trình này chỉ là những trường hợp riêng của một quá trình tổng quát hơn, đó là quá trình đa biến, bao hàm cả 4 quá trình trên.
Quá trình đa biến là quá trình xảy ra chỉ với một ràng buộc duy nhất là nhiệt dung riêng của quá trình không đổi
Nếu gọi Cn là nhiệt dung riêng trong quá trình đa biến, từ cách tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ ta có: dq = C n dT
Từ các phương trình định luật nhiệt động 1 của hệ kín và hệ hở đối với khí lý tưởng, chúng ta có thể rút ra hai mối quan hệ quan trọng Đối với hệ kín, sự thay đổi nội năng (Cn) phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, thể hiện qua phương trình (Cn - Cp)dT = -vdp Trong khi đó, đối với hệ hở, sự thay đổi nội năng lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích, được mô tả qua phương trình (Cn - Cv)dT = pdv.
Chia theo vế hai đẳng thức này:
Với khí lý tưởng, có thể xem Cn, Cp, Cv là các hằng số, nên giá trị n = const
Từ phương trình ban đầu -vdp/pdv = n = const, ta có thể biến đổi thành vdp + npdv = 0 Khi chia cả hai vế của phương trình này cho tích pv, ta được dp/p + ndv/v = 0 Sau khi lấy tích phân của cả hai vế, ta có lnp + n.lnv = const, từ đó suy ra lnpv^n = const Cuối cùng, phương trình biểu diễn quá trình đa biến được biểu diễn dưới dạng pv^n = const (3.25).
Phương trình (3.25) cũng có thể viết dưới dạng: p 1 ⁄ n v = const (3.26)
Chỉ số n trong các phương trình (3.25) và (3.26) được gọi là chỉ số đa biến, có giá trị xác định tương ứng với từng quá trình đa biến cụ thể Trong một số trường hợp, quá trình đa biến có thể được xem xét dưới dạng các trường hợp riêng, giúp đơn giản hóa việc phân tích và tính toán.
Từ phương trình của quá trình đa biến pv n = const hay p 1 ⁄ n v = const ta có:
• Khi n = 0, ta có p = const, đây là quá trình đẳng áp Vậy quá trình đẳng áp là quá trình đa biến có n = 0, và phương trình biểu diễn có dạng p = const
Quá trình đẳng nhiệt là một dạng quá trình đa biến đặc biệt, trong đó số biến n bằng 1 Khi đó, áp suất và thể tích của hệ thống tuân theo mối quan hệ pv = const, đồng thời thỏa mãn điều kiện pv = RT, dẫn đến nhiệt độ T không đổi Do đó, phương trình biểu diễn quá trình đẳng nhiệt có dạng pv = const, thể hiện mối quan hệ cân bằng giữa áp suất và thể tích của hệ thống trong điều kiện nhiệt độ không đổi.
• Khi n = ∞, ta có p 1 ⁄ n v = const, nên n = ∞ →v = const, đây là quá trình đẳng tích Vậy quá trình đẳng tích là quá trình đa biến có n = ∞, và phương trình của nó là 𝐯 = 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭
Khi n bằng C p chia cho C v, rõ ràng là có C n bằng 0, nghĩa là dq bằng C n dT bằng 0, đây là quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt là quá trình đa biến có n bằng k, với k được gọi là số mũ đoạn nhiệt, và phương trình của quá trình đoạn nhiệt được biểu diễn dưới dạng 𝐩𝐯 𝐤 = 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭.
3.3.2 Biểu diễn phương trình quá trình trên đồ thị:
Từ phương trình quá trình đa biến : pv n = const
Ta có thể viết: lnp + n lnv = const
Lấy vi phân 2 vế: dp p + n.dv v = 0
Suy ra: tgα =dp dv= −np v (3.27)
Biểu thức (3.27) thể hiện độ dốc của đường biểu diễn phương trình pv n = const, đồng thời cũng cho thấy độ dốc của các đường biểu diễn quá trình nhiệt động cơ bản trên đồ thị pv.
- Đối với quá trình đẳng áp, do n = 0 → tgα = 0
Trên đồ thị pv, đường biểu diễn là đường thẳng song song với trục hoành
- Đối với quá trình đẳng tích, do n = ±∞ → tgα = ±∞
Trên đồ thị pv, đường biểu diễn là đường song song trục tung, đóng vai trò chia đồ thị thành hai khu vực rõ ràng Ở phía phải đường n = ±∞, giá trị dv lớn hơn 0, tương ứng với l lớn hơn 0 Ngược lại, ở phía trái đường n = ±∞, giá trị dv nhỏ hơn 0, tương ứng với l nhỏ hơn 0.
- Đối với quá trình đẳng nhiệt, do n =1
Phương trình tgα = −p v cho thấy mối quan hệ giữa áp suất và thể tích, với dạng đường biểu diễn là một hyperbol Do p và v luôn luôn dương, nên giá trị tgα luôn luôn âm, dẫn đến độ dốc âm và đường biểu diễn luôn lồi về phía trục hoành.
Đối với quá trình đoạn nhiệt, do n = k > 1, đường biểu diễn cũng có dạng hyperpol và phần lồi hướng về phía trục hoành Điều này cho thấy độ dốc của quá trình đoạn nhiệt lớn hơn độ dốc của quá trình đẳng nhiệt ở các điểm tương ứng, thể hiện sự khác biệt cơ bản giữa hai quá trình này.
Đối với quá trình đa biến, do n có thể có các giá trị không đổi bất kỳ, nên đường biểu diễn của quá trình này phụ thuộc vào trị số cụ thể của n và tạo thành các đường khác nhau.
3.3.3 Liên hệ giữa các thông số cơ bản trong các quá trình
Khi đã xác định được các thông số cơ bản ở trạng thái đầu của một quá trình (ký hiệu chỉ số 1), bước tiếp theo là xác lập mối quan hệ giữa chúng với các thông số cơ bản ở trạng thái cuối (ký hiệu chỉ số 2) Điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự thay đổi và tương tác giữa các thông số trong quá trình đa biến, từ đó có thể dự đoán và kiểm soát quá trình một cách hiệu quả.
- Quan hệ giữa áp suất và thể tích riêng:
Từ phương trình đa biến pv n = const, có thể viết p 1 v 1 n = p 2 v 2 n Nên ta có: p 2 p 1 = (v 2 v 1 )
- Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hoặc nhiệt độ và thể tích riêng:
Từ phương trình trạng thái pv = RT, có thể viết: p 1 v 1 = RT 1 , và p 2 v 2 = RT 2 Chia theo vế hai đẳng thức trên ta có:
Thế (3.29) vào đẳng thức (a), ta được:
Hoặc thế (3.28) vào đẳng thức (a), ta được:
(3.31) b) Liên hệ giữa các thông số trong các quá trình khác
Từ phương trình trạng thái : p 1 v 1 = RT 1 ; p 2 v 2 = RT 2
Từ phương trình đoạn nhiệt pv k = const, bằng những suy xét tương tự, ta được:
3.3.4 Các kết quả về mặt năng lượng a) Tính công dãn nở:
Theo biểu thức tổng quát xác định công dãn nở (3.4), ta có:
Từ phương trình đa biến 𝑝𝑣 𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, đặt 𝑝𝑣 𝑛 = 𝐴 → 𝑝 = 𝐴𝑣 −𝑛 , thế vào biểu thức tích phân (b), ta được:
Từ phương trình đa biến, cũng có thể viết A = p 2 v 2 n = p 1 v 1 n , thế vào (c) ta có:
Từ phương trình trạng thái pv = RT, có thể viết: p 1 v 1 = RT 1 p 2 v 2 = RT 2 Thay các đẳng thức này vào (d), nhận được kết quả:
1 − n(T 2 − T 1 ) hay 𝑙 = R n − 1(T 1 − T 2 ) (3.37) Bằng các suy luận tương tự, ta tìm được biểu thức tính công dãn nở các quá trình còn lại:
Theo biểu thức tổng quát xác định công kỹ thuật (3,9), ta có:
Bằng các lập luận và tính toán tương tự, ta có các kết quả:
- Quá trình đẳng tích: l kt12 = v(p2 – p1) (3.46) -Quá trình đoạn nhiệt: l kt12 = k.l 12 (3.47) c) Tính nhiệt lượng:
Nhiệt lượng tham gia trong quá trình nhiệt động biến tính có thể được tính toán thông qua biểu thức q = Cn (T2 – T1) Trong đó, Cn là nhiệt dung riêng, có thể được suy ra từ chỉ số đa biến n = c n − c p c n − c v và chỉ số đoạn nhiệt k = c p c v Quan hệ giữa Cn và các đại lượng khác được thể hiện qua phương trình Cn (n - 1) = Cv (n - k), giúp chúng ta tính toán nhiệt dung riêng một cách chính xác.
Thay vào (c) ta được: q = C v n − k n − 1 (T 2 − T 1 ) (3.49) Lần lượt thay giá trị n ứng với các quá trình còn lại vào(3.48), ta nhận được kết quả:
- Quá trình đẳng áp: (n = 0) → qp = Cp (T2-T1) (3.50)
- Quá trình đẳng tích: (n = ∞) → qv = Cv (T2-T1) (3.51)
- Quá trình đẳng nhiệt: (n = 1) → qT = l12 (3.52)
Như đã nói, trong các quá trình nhiệt động, trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường có thể diễn tả tỷ số:
- Với quá trình đẳng áp, do n = 0 → α = 1/k => q = k u
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2
Chu trình nhiệt động
Trong các thiết bị năng lượng và quá trình nhiệt động, việc chuyển hóa liên tục nhiệt năng và các dạng năng lượng khác đòi hỏi thực hiện các chu trình Những chu trình này liên quan đến môi chất thay đổi liên tục từ trạng thái ban đầu qua nhiều trạng thái trung gian và cuối cùng trở về trạng thái ban đầu, tạo thành một vòng tuần hoàn.
Trong các máy nhiệt, việc chuyển đổi nhiệt thành công đòi hỏi môi chất phải trải qua quá trình dãn nở Để nhận được công suất liên tục, môi chất cần phải dãn nở liên tục, nhưng điều này không thể thực hiện được do kích thước máy có giới hạn Vì vậy, để đạt được công suất liên tục, môi chất phải được nén lại để trở về trạng thái ban đầu, sau đó tiếp tục dãn nở, nén lại lần thứ hai, và cứ tiếp tục như vậy, tạo thành các quá trình khép kín hay chu trình.
Chu trình thuận nghịch là một quá trình nhiệt động lực học đặc biệt, chỉ diễn ra qua các trạng thái cân bằng và có thể đảo ngược qua tất cả các trạng thái đã qua mà không làm thay đổi môi chất và môi trường xung quanh Ngược lại, những chu trình không đáp ứng các điều kiện này được gọi là chu trình không thuận nghịch, có nghĩa là chúng không thể đảo ngược mà không gây ra thay đổi nào cho môi chất và môi trường.
4.1.3 Chu trình thuận chiều – Động cơ nhiệt
Chu trình thuận chiều là một quá trình biến đổi trạng thái của môi chất được biểu diễn trên đồ thị p-v, tạo thành đường cong khép kín theo chiều kim đồng hồ Khi đó, các trạng thái biến đổi của môi chất được thể hiện một cách tuần hoàn và liên tục, tạo thành một vòng tròn khép kín Điều này giúp cho quá trình thuận chiều được dễ dàng nhận biết và phân tích trên đồ thị p-v.
Các thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình thuận chiều được gọi chung là động cơ nhiệt, bao gồm các loại động cơ đốt trong, thiết bị động lực hơi nước, turbin hơi hoặc khí, và chúng đều có sơ đồ nguyên lý chung.
Trong mỗi chu trình, nhiệt lượng QH được lấy từ nguồn nhiệt độ TH và chuyển hóa thành công có ích L, đồng thời thải ra nhiệt lượng QL cho nguồn nhiệt độ thấp hơn TL Quá trình này cho thấy mối quan hệ giữa công và nhiệt lượng trong chu trình thuận chiều, nơi năng lượng được chuyển đổi từ dạng nhiệt sang dạng cơ học.
Công của chu trình được tính bằng tổng công của các quá trình trong chu trình
Trong đó: L i = công thay đổi thể tích của quá trình thứ i
L kti = công kỹ thuật của quá trình thứ i
Trên đồ thị pv (hình 4.1), công của chu trình thể hiện bằng diện tích bao bọc bởi những đường quá trình: Ở quá trình 1a2: L 1a2 = ∫ 𝑝𝑑𝑣
= diện tích (1a22′1′1) > 0 (vì v2 > v1) Ở quá trình 2b1: L 2b1 = ∫ 𝑝𝑑𝑣
Tổng hợp, ta có công của chu trình 1a2b:
Từ phương trình định luật nhiệt động 1, ta có:
Do lượng biến đổi nội năng của chu trình U = 0, nên ta có:
Vậy, trong mỗi chu trình, công toàn phần mà hệ thực hiện bằng với lượng nhiệt trao đổi
Và đặc điểm của chu trình thuận chiều hay động cơ nhiệt là nhận nhiệt và sinh công b) Hiệu suất chu trình thuận chiều:
Mục đích chính của động cơ nhiệt là chuyển đổi nhiệt lượng lấy từ nguồn nhiệt QH thành công hữu ích một cách tối đa Hiệu suất nhiệt t được sử dụng để đánh giá kết quả này, và nó được tính bằng tỉ số giữa công thực hiện trong một chu trình và nhiệt lượng mà động cơ hấp thụ trong mỗi chu trình.
- Hiệu suất t của chu trình thuận chiều (động cơ nhiệt) luôn nhỏ hơn 1, t chỉ bằng 1 khi không có nhiệt lượng thải cho nguồn nhiệt ở nhiệt độ thấp
Hiệu suất nhiệt của một chu trình quyết định mức độ hoàn thiện của nó Trong số các loại động cơ, động cơ phản lực có hiệu suất nhiệt thấp nhất, chỉ khoảng 4%, trong khi động cơ hơi nước đạt hiệu suất khoảng 10% Ngược lại, turbin khí và động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt cao hơn nhiều, đạt khoảng 50%.
4.1.4 Chu trình ngược chiều - Máy lạnh – Bơm nhiệt
Chu trình ngược chiều là quá trình biến đổi trạng thái của môi chất thể hiện bằng đường cong khép kín theo chiều ngược kim đồng hồ trên đồ thị p-v Các thiết bị năng lượng điển hình như máy lạnh và bơm nhiệt thường hoạt động theo chu trình này, với sơ đồ nguyên lý chung thể hiện rõ ràng quá trình biến đổi trạng thái của môi chất.
Trong mỗi chu trình của một hệ thống nhiệt động, nhiệt lượng Q L được hấp thụ từ nguồn nhiệt độ thấp T L, đồng thời một công L nhất định được thực hiện trên hệ thống do tác động của một tác nhân bên ngoài Tổng năng lượng chuyển đổi dưới dạng nhiệt và công được kết hợp lại và cuối cùng được thải ra dưới dạng nhiệt lượng Q H cho nguồn nhiệt độ cao T H, nơi T H luôn lớn hơn T L.
Máy lạnh và bơm nhiệt đều hoạt động theo chu trình ngược chiều, nhưng phạm vi hoạt động của chúng có sự khác biệt Máy lạnh có chức năng chuyển nhiệt lượng từ không gian cần làm lạnh, nơi có nhiệt độ thấp hơn môi trường xung quanh, đến môi trường xung quanh Ngược lại, bơm nhiệt chuyển nhiệt lượng từ môi trường xung quanh đến không gian cần gia nhiệt, chẳng hạn như buồng sấy, nơi có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh.
Sự khác biệt giữa máy lạnh và bơm nhiệt còn nằm ở mục đích sử dụng khác nhau Đối với máy lạnh, yếu tố quan trọng là lượng nhiệt Q L mà môi chất hấp thụ từ nguồn lạnh, trong khi đó, đối với bơm nhiệt, vấn đề chính là lượng nhiệt Q H mà môi chất truyền đến nguồn nóng.
Khi đánh giá hiệu quả của các thiết bị có chu trình hoạt động ngược chiều, chúng ta thường gặp phải những khác biệt về tiêu chí đánh giá Điều này là do các thiết bị này có thể hoạt động theo nhiều chu trình khác nhau, dẫn đến việc cần có những phương pháp đánh giá hiệu quả riêng biệt Một trong những tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả của các thiết bị này là công và nhiệt lượng chu trình ngược chiều.
Xét chu trình ngược chiều 1a2b1 (hình 4.3), công của chu trình tính tương tự như sau: Ở quá trình 1a2: L 1a2 = ∫ pdv
Vậy đặc điểm của chu trình ngược chiều là nhận công và chuyển nhiệt lượng b) Hiệu suất chu trình ngược chiều
Mục đích chính của các thiết bị làm việc theo chu trình ngược chiều là chuyển năng lượng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp sang nguồn có nhiệt độ cao một cách hiệu quả, đồng thời tối thiểu hóa công thực hiện trên hệ thống Để đánh giá mức độ hoàn thiện của các thiết bị này, người ta sử dụng khái niệm hiệu suất làm lạnh ε R cho máy lạnh hoặc hiệu suất làm nóng ε HP cho bơm nhiệt, được tính bằng tỉ số giữa thông số đặc trưng cho mục đích của chu trình và công cần thiết để thực hiện chu trình đó.
- Hiệu suất làm nóng: ε HP =|Q H |
|Q H | − |Q L | (4.7) Lưu ý, từ biểu thức (4.6), có thể viết: ε HP =|Q H |
Trong các biểu thức trên:
QH = nhiệt lượng môi chất nhả ra môi trường nóng
QL = nhiệt lượng môi chất nhận từ nguồn lạnh
Lo = công cần phải cung cấp cho chu trình.
Chu trình Carnot — định luật nhiệt động 2
4.2.1 Chu trình Carnot thuận chiều
Động cơ Carnot thuận chiều hoạt động giữa hai nguồn nhiệt TH và TL, với TH lớn hơn TL, được trình bày qua sơ đồ ở hình 4.7 Trong mỗi chu trình, môi chất thực hiện hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt, thể hiện rõ ràng trên đồ thị pv ở hình 4.8.
- AB: Môi chất nhận nhiệt lượng QH của nguồn nóng ở nhiệt độ không đổi TH, thực hiện quá trình dãn nở, sinh công → dãn nở đẳng nhiệt
Môi chất được cô lập với nguồn nhiệt và môi trường, tiếp tục dãn nở và sinh công Trong quá trình này, nhiệt độ của môi chất hạ dần từ nhiệt độ cao TH xuống đến nhiệt độ thấp TL của nguồn lạnh, tạo ra quá trình dãn nở đoạn nhiệt.
- CD: Môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ không đổi TL, chịu nén, nhận công và thải nhiệt lượng QL cho nguồn lạnh → nén đẳng nhiệt
- DA: Môi chất được cô lập, tiếp tục chịu nén và nhận công để trở về trạng thái ban đầu → nén đoạn nhiệt
Kết quả của chu trình là hệ sinh công L, và theo (4.3) ta có:
Và hiệu suất nhiệt của chu trình là: η t = 1 − |Q H |
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot được xác định bởi hai cặp quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt, giúp biểu thức tính hiệu suất nhiệt được thể hiện dưới dạng khác.
Xét 2 quá trình đẳng nhiệt AB:
Và CD: Q L = G R T L lnv D v C Chia hai phương trình này, ta có:
Xét 2 quá trình đoạn nhiệt BC:
Chia hai phương trình này ta được: v B k−1 v A k−1 = v C k−1 v D k−1 ⇔ v B v A = v C v D (c)
Kết hợp (b) và (c) ta suy ra:
Hiệu suất động cơ Carnot được xác định bởi nhiệt độ của hai nguồn nhiệt mà giữa chúng động cơ hoạt động Điều này có nghĩa là tất cả các chu trình Carnot hoạt động giữa hai nguồn nhiệt có cùng nhiệt độ sẽ đạt được hiệu suất tương đương.
- Không có chu trình thuận chiều nào có hiệu suất cao hơn chu trình Carnot khi chúng cùng hoạt động giữa hai nguồn nhiệt như nhau
4.2.2 Chu trình Carnot ngược chiều
Trong chu trình này, các quá trình được tiến hành ngược lại:
- AD: Chất môi giới dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm từ TH đến TL
- DC: Môi chất nhận nhiệt lượng từ nguồn lạnh có nhiệt độ TL
- CD: Môi chất nhận công từ bên ngoài và thực hiện tích đoạn nhiệt
- DA: Môi chất tiếp tục nhận công và đến hành quá trình thải nhiệt đẳng nhiệt cho nguồn nóng TH
Hiện tại, hiệu suất của chu trình Carnot ngược chiều đã được chứng minh chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của hai nguồn nhiệt, được biểu diễn bởi công thức ε R = T L.
Biểu thức giải tích định luật nhiệt động 2
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều đã được chứng minh là giá trị giới hạn cho tất cả các hệ số làm lạnh của các chu trình ngược chiều, khẳng định vị trí quan trọng của nó trong lĩnh vực nhiệt động lực học.
4.2.3 Phát biểu định luật nhiệt động II
Từ công thức (4.10), có thể rút ra một số nhận định sau:
- Khi TH = TL thì ηt = 0 → L = 0 (dù QH có lớn thế nào đi nữa)
Vậy: - Không thể tạo ra công từ một nguồn nhiệt duy nhất
- Do đó động cơ luôn hoạt động giữa 2 nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau: nguồn nóng và nguồn lạnh
- Vì TL ≠ 0 và TH có giới hạn, nên ta có:
T H ≠ 0 → η t < 1 hay L < Q Vậy: - Nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công, mà bao giờ cũng bị mất một lượng nhiệt cho nguồn lạnh
Không thể biến đổi nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không có một sự biến đổi nào khác xảy ra, điều này cũng là một dạng phát biểu của nội dung Định luật nhiệt động II.
4.3 BIỂU THỨC GIẢI TÍCH CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
Khi xét chu trình Carnot, đã chứng minh được biểu thức (4.9), có thể viết lại như sau:
Nếu bỏ dấu giá trị tuyệt đối và chú ý trong cả hai trường hợp thuận chiều và ngược chiều, qH và qL luôn có dấu đại số trái nhau, do đó đẳng thức trên có thể được viết lại thành qH = -qL.
T= 0 (4.13) Điều này có nghĩa tổng đại số đại lượng 𝒒
⁄𝑻 trong 1 chu trình Carnot sẽ bằng không
Phần sau đây sẽ lập luận, suy rộng điều vừa tìm được cho các chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch bất kỳ
4.3.1 Chu trình thuận nghịch bất kỳ
Xét chu trình thuận nghịch bất kỳ, được chồng lên họ các đường đẳng nhiệt thể hiện như hình (4.11)
Thực hiện liên kết các đường đẳng nhiệt kề nhau bằng các đường đoạn nhiệt thích hợp, giúp chia nhỏ chu trình thuận nghịch phức tạp Quá trình này cho phép phân tích và hiểu rõ hơn về chu trình, đồng thời giúp chuyển đổi thành tập hợp các chu trình Carnot thuận nghịch vi cấp.
Với chu trình thuận nghịch vi cấp thứ i, biểu thức có thể được viết lại dựa trên lập luận tương tự như trên, bỏ dấu giá trị tuyệt đối và chú ý đến chiều của qH và qL trong cả hai trường hợp thuận chiều và ngược chiều, luôn đảm bảo qH và qL có dấu đại số trái nhau.
T L (i) = 0 Với: ∆q (i) H , ∆q L (i) là lượng nhiệt trao đổi của chu trình thứ 1, lần lượt có dấu (+) và (-)
T H (i) , T L (i) là nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình thứ i
Nếu xét cho n chu trình ta có n biểu thức tương tự:
Cộng tất cả biểu thức này ta được: ∑∆q (i) H
Tổng quát hơn có thể viết: ∑∆𝑞
Kết quả (4.14) đạt được hoàn toàn giống với biểu thức (4.13) được thiết lập khi xét các chu trình Carnot thuận nghịch bất kỳ, điều này có thể quan sát rõ ràng thông qua các chu trình Carnot vi cấp ở cạnh nhau, như được minh họa ở hình 4.12.
Hai hệ thống này có chung đường đẳng nhiệt, nhưng chúng di chuyển theo chiều ngược nhau, dẫn đến sự bù trừ lẫn nhau về cả nhiệt lượng trao đổi và công thực hiện.
Khi số lượng chu trình Carnot vì cấp được xây dựng theo cách trên là vô cùng lớn, tổng các chu trình này sẽ tiến dần đến chu trình thuận nghịch bất kỳ đang xét, tạo nên một quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả và ổn định.
Về mặt toán học, khi n → ∞ biểu thức (4.14) trở thành: ∮d q
Biểu thức (4.15) được xem là biểu diễn toán học của ĐLNĐ 2 ứng với một chu trình thuận nghịch bất kỳ, còn gọi là đẳng thức Clausius hay tích phân Clausius thứ nhất, thể hiện mối quan hệ quan trọng trong nhiệt động lực học.
4.3.2 Chu trình không thuận nghịch bất kỳ
Hiệu suất của chu trình không thuận nghịch bất kỳ luôn nhỏ hơn hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch khi chúng có cùng giới hạn nhiệt độ Điều này có nghĩa là η t KTN < η t TN, và có thể được biểu diễn bằng công thức 1 −|q L | Sự khác biệt này cho thấy chu trình Carnot thuận nghịch luôn có hiệu suất cao hơn so với chu trình không thuận nghịch, ngay cả khi chúng hoạt động trong cùng điều kiện nhiệt độ.
Bằng cách lập luận tương tự, ta cũng có được kết quả: ∶ ∮d q
Và bất đẳng thức (4.16) được gọi là biểu thức toán học của định luật nhiệt động 2 cho một chu trình không thuận nghịch bất kỳ
4.3.3 Entropy a) Quá trình thuận nghịch bất kỳ :
Hình 4.13 minh họa trạng thái 1 và 2 của một hệ trên đồ thị X-Y, trong đó X và Y đại diện cho hai thông số trạng thái cụ thể của hệ Quá trình chuyển đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 diễn ra theo đường Ra, trong khi quá trình ngược lại từ trạng thái 2 về trạng thái 1 diễn ra theo các đường Rb.
Rc đều là quá trình thuận nghịch Áp dụng biểu thức tích phân vòng (4.15) cho 2 quá trình thuận nghịch Ra, Rb của chu trình
(1 – Ra – 2 – Rb – 1) hình (4.13), ta có:
Và cho 2 quá trình thuận nghịch Ra, Rc của chu trình (1 – Ra – 2 – Rc – 1):
So sánh hai đẳng thức (a) và (b), ta được:
Do các đường Rb, Rc được chọn ngẫu nhiên, tích phân của dq/T trong một quá trình thuận nghịch bất kỳ chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc vào đường đi cụ thể.
Nghĩa tích phân vòng (4.15) sẽ không phụ thuộc vào dạng của đường lấy tích phân, điều này có nghĩa biểu thức dưới dấu tích phân phải là vi phân toàn phần của một hàm nào đó của hệ.
Hàm mới này được ký hiệu là s và được gọi là entropy , đơn vị là J/K
Như vậy ta có: ds = dq
Và ứng với một quá trình bất kỳ (1-2) nào đó trong chu trình thuận nghịch, ta luôn có:
= s 2 – s 1 (4.18) b) Quá trình không thuận nghịch bất kỳ: Áp dụng bất đẳng thức (4.16) cho chu trình không thuận nghịch gồm quá trình thuận nghịch
(1 - 2) và quá trình không thuận nghịch (2 - 1) như hình (4.12), ta có:
= s 2 – s 1 (4.19) Điều này cho thấy, giá trị của tích phân dq/T trong quá trình không thuận nghịch bất kỳ từ
1 đến 2, luôn nhỏ hơn so với quá trình thuận nghịch bất kỳ từ 1 đến 2
Tổng hợp (4.18) và (4.19) ta có:
Tương tự (4.15) và (4.16), biểu thức (4.20) cũng được xem là một cách phát biểu của định luật nhiệt động 2
- (4.15) và (4.16) áp dụng cho chu trình, còn (4.20) sử dụng cho bất cứ quá trình nào có điểm đầu và điểm cuối khác nhau
- Dấu (=) cho quá trình thuận nghịch và (-) cho quá trình không thuận nghịch
Sự xuất hiện của entropy mở ra một phương pháp xác định nhiệt lượng mới, bên cạnh cách xác định nhiệt lượng thông qua thay đổi nhiệt độ đã biết, giúp chúng ta có thêm công cụ để phân tích và đánh giá các quá trình nhiệt động lực học.
Từ biểu thức định nghĩa entropy (4.17), ta có: dq = T ds Khi quá trình là hữu hạn, nhiệt lượng q trao đổi trong quá trình từ trạng thái 1 đến trạng thái
2 nào đó xác định theo công thức: q = ∫ Tds
Về mặt toán học, có thể biểu diễn nhiệt lượng q từ công thức (4.21) bằng diện tích tương ứng trên đồ thị với hai trục tọa độ là T & s như hình (4.15)
Như vậy, hoàn toàn có thể sử dụng đồ thị T-s 1 để khảo sát lượng nhiệt trao dổi giữa môi chất và môi trường trong một quá trình nào đó
Mỗi điểm trên đồ thị T-s đại diện cho một trạng thái cân bằng, trong khi một đường cong thể hiện một quá trình cụ thể Khi đường cong này kín, nó tạo thành một chu trình, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa các trạng thái cân bằng và quá trình xảy ra.
- Nhiệt độ sử dụng trong biểu thức xác định nhiệt lượng (4.21) phải là nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (hay Rankine)
HƠI NƯỚC VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CỦA HƠI NƯỚC
Hóa hơi đẳng áp của nước
Hóa hơi là quá trình chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi, có thể thực hiện theo 2 cách:
Quá trình bay hơi là hiện tượng chuyển đổi trạng thái của nước từ dạng lỏng sang dạng hơi trên bề mặt thoáng của nước Hiện tượng này xảy ra khi các phân tử nước trên bề mặt có động năng lớn, vượt qua sức căng bề mặt và thoát ra ngoài Cường độ của quá trình bay hơi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng, áp suất và nhiệt độ của môi trường xung quanh.
Sôi là quá trình hóa hơi xảy ra trên bề mặt và bên trong chất lỏng, đặc biệt tại các bọt hơi Quá trình này chỉ xảy ra ở nhiệt độ xác định, được gọi là nhiệt độ sôi, phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và áp suất Nhiệt độ sôi là một giá trị quan trọng, xác định bởi áp suất đã cho, và nó thay đổi tùy theo loại chất lỏng.
5.1.1 Quá trình hóa hơi đẳng áp
Hệ thống xy lanh-piston được xét trong thí nghiệm này chứa 1 kg nước và được thiết kế để piston có thể dịch chuyển tự do trong xy lanh Đồng thời, piston có khối lượng nhất định để duy trì áp suất không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm, đảm bảo điều kiện ổn định cần thiết cho việc thu thập dữ liệu chính xác.
Quá trình hóa hơi đẳng áp của nước trong xy lanh có thể được chia thành 3 giai đoạn chính, bao gồm ab, bcd và de Ở giai đoạn đầu tiên ab, nước được cung cấp nhiệt lượng và bắt đầu quá trình hóa hơi Tiếp theo, giai đoạn bcd thể hiện sự tăng nhiệt độ và áp suất của hơi nước Cuối cùng, giai đoạn de cho thấy sự hoàn thành quá trình hóa hơi và chuyển sang trạng thái hơi nước hoàn toàn.
Giai đoạn (a-b) là quá trình cung cấp nhiệt lượng cho nước, dẫn đến sự tăng dần của nhiệt độ Khi đạt đến điểm sôi, ký hiệu là ts, nước bắt đầu sôi và những giọt nước đầu tiên hóa hơi Điểm sôi này được thể hiện trên đồ thị và nhiệt độ tại đây được gọi là nhiệt độ sôi, là ngưỡng quan trọng đánh dấu sự chuyển pha của nước từ lỏng sang khí.
Trên đồ thị T-s, (a-b) là đoạn dốc vì cả T và s đều tăng
Trên đồ thị p-v, (a-b) là đoạn nằm ngang vì p = const, v tăng theo nhiệt độ,
Giai đoạn (b-c-d) là quá trình tiếp tục cung cấp nhiệt lượng, dẫn đến sự tăng lên của lượng nước bốc hơi, song nhiệt độ nước vẫn được giữ nguyên Trong giai đoạn này, bên trong xy lanh xuất hiện hai pha đồng thời: lỏng đang sôi và hơi bão hòa khô, thường được gọi chung là hơi bão hòa ẩm.
Trên cả 2 đồ thị, (b-c-d) là đoạn nằm ngang, vì toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp trong giai đoạn này chỉ để hoá hơi nước
Quá trình tiếp diễn cho đến khi giọt nước cuối cùng trong xy lanh cũng hóa hơi, tại thời điểm đó bên trong xy lanh chỉ còn chứa hơi bão hòa khô Điểm này được gọi là điểm trạng thái bão hòa khô, đánh dấu kết thúc của quá trình hóa hơi.
Trong giai đoạn từ d đến e, nếu nhiệt lượng vẫn tiếp tục được cung cấp, nhiệt độ hơi nước trong xy lanh sẽ tăng lên đồng thời với sự gia tăng thể tích riêng của nó, thể hiện mối quan hệ trực tiếp giữa nhiệt độ và thể tích của hơi nước trong quá trình này.
- Trên đồ thị t-s quá trình diễn biến theo đường dốc de
- Trên đồ thị p-v nó dịch chuyển theo đường ngang de
Người ta gọi hơi nước ở giai đoạn này là hơi quá nhiệt và có nhiệt độ t > ts
Nếu thực hiện lại thí nghiệm với việc thay đổi khối lượng piston, điều này tương đương với việc thay đổi áp suất của quá trình, chúng ta sẽ thu được các điểm và đường có ý nghĩa tương tự, cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa áp suất và khối lượng piston trong thí nghiệm.
Trên đồ thị t-s và đồ thị p-v, đường giới hạn dưới được tạo thành từ tập hợp các điểm b, b’, b” thể hiện điểm sôi ở các áp suất khác nhau, trong khi đường giới hạn trên được tạo thành từ tập hợp các điểm d, d’, d” thể hiện trạng thái hơi bão hòa khô ở các áp suất khác nhau Hai đường giới hạn này gặp nhau tại điểm K và tạo thành đường cong bão hòa, có hình dạng giống như quả chuông Đường cong bão hòa đóng vai trò quan trọng trong việc chia đồ thị thành ba vùng riêng biệt.
- Vùng nước chưa sôi: bên trái quả chuông
- Vùng hơi bão hòa ẩm: bên trong quả chuông
Vùng hơi quá nhiệt nằm ở bên phải của quả chuông, nơi có điểm tới hạn được gọi là điểm K Tại điểm này, không có sự khác biệt giữa chất lỏng đang sôi và hơi bão hòa khô, và trạng thái của hệ thống được gọi là trạng thái tới hạn Các thông số ứng với trạng thái tới hạn này được biết đến như các thông số tới hạn.
Ví dụ: với nước pk = 221 bar; tk = 374 0 C; vk = 0,00326 m 3 /kg
Ở một áp suất nhất định, nước sẽ bắt đầu sôi ở một nhiệt độ xác định tương ứng Điều đáng lưu ý là trong suốt quá trình hóa hơi, nhiệt độ này vẫn được giữ nguyên và không thay đổi.
Những đặc điểm và kết quả nhận được từ quá trình hóa hơi của nước trên đây có thể suy rộng tương tự cho một số chất lỏng khác
Trên đồ thị t-s, quá trình chuyển đổi từ trạng thái sôi (điểm b) sang trạng thái bão hòa khô (điểm d) diễn ra ở nhiệt độ không đổi (ts) đối với một áp suất nhất định Điều này là do nhiệt lượng cung cấp vào chỉ được sử dụng để biến đổi pha của nước, còn được gọi là nhiệt hóa hơi.
Trong đó: s’ - entropy của nước sôi s” - entropy của hơi bão hòa khô
Trên đồ thị T-s, giá trị r được thể hiện bằng diện tích dưới đường cong bão hòa Khi áp dụng phương trình định luật nhiệt động 1 vào quá trình trên, ta có thể xác định mối quan hệ giữa các đại lượng nhiệt động Cụ thể, phương trình dq = di – vdp có thể được đơn giản hóa thành dq = di, do áp suất p được giữ không đổi trong quá trình này.
Trong đó: i' - enthalpy của nước lỏng đang sôi i” - enthalpy của hơi bão hòa khô
Các giá trị này có thể tra từ các bảng nước và hơi nước bão hòa (Phụ lục 7 & 8)
Bảng hơi nước
5.2.1 Bảng “Nước sôi và hơi bão hòa khô”
Bảng "Nước và hơi nước trên đường bão hòa" cung cấp thông số quan trọng của nước và hơi nước nằm trên đường giới hạn dưới (x = 0) và đường giới hạn trên (x = 1), giúp người dùng hiểu rõ hơn về trạng thái của nước và hơi nước trong các điều kiện khác nhau.
- Theo nhiệt độ: ứng với một nhiệt độ nào đó ta sẽ xác định được giá trị áp suất tương ứng để nước sôi và bốc hơi (Phụ lục 7)
Áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nhiệt độ sôi của một chất Cụ thể, đối với một áp suất nhất định, sẽ có một nhiệt độ sôi tương ứng xác định (Phụ lục 8) Các thông số trạng thái khác như thể tích (v), áp suất (p), enthalpy (i), nhiệt độ (t) và entropy (s) của nước sôi sẽ được ký hiệu thêm dấu “ ” để phân biệt với trạng thái ban đầu.
“ ” ứng với trạng thái của hơi bão hòa khô
Khi có được các thông số của nước sôi và hơi bão hòa khô, việc xác định các thông số của hơi bão hòa ẩm sẽ trở nên dễ dàng hơn nhờ vào các công thức từ (5.4) đến (5.8), giúp tính toán và phân tích chính xác hơn.
Ví dụ 4 : Xác định thể tích riêng, enthalpy, entropy, nội năng của lượng hơi bão hòa ẩm có áp suất p = 2 bar, độ khô x = 0,9
Giải: Từ bảng “nước và hơi nước bão hòa” theo áp suất, với p = 2 bar ta được: v' = 0,0010605 m 3 /kg v" = 0,8854 m 3 /kg i' = 504,8 kJ/kg i" = 2707 kJ/kg s' = 1,5302 kJ/kg.độ s" = 7,127 kJ/kg.độ
Từ các công thức (5.4), (5.5) và (5.6), ta tính được: vx = x (v'' - v') + v' = 0,9 (0,8854 - 0,0010605) + 0,0010605 = 0,797 m 3 /kg ix = x(i"- i') + i' = 0,9 (2707-504,8) + 504,8 = 2486,8 kJ/kg sx = x (s"- s') + s' = 0,9 (7,127 - 1,5302) + 1,5302 = 6,567 kJ/kg
Từ biểu thức định nghĩa enthalpy ta có: ux = ix – p vx = 2486,8.103-(2.105 x 0,797) = 2326,6 kJ/kg
5.2.2 Bảng “Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt”
Trong các vùng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt, việc xác định trạng thái đòi hỏi phải biết trước hai thông số độc lập Thông thường, áp suất và nhiệt độ là hai thông số được lựa chọn để xác định trạng thái của nước Vì vậy, bảng trạng thái của nước được trình bày với cột đầu tiên thể hiện các giá trị áp suất và hàng đầu tiên thể hiện các giá trị nhiệt độ, giúp người dùng dễ dàng tra cứu và xác định trạng thái của nước trong các điều kiện khác nhau.
Mỗi hàng trong bảng sẽ tương ứng với một áp suất nhất định, trong khi mỗi cột sẽ tương ứng với một nhiệt độ nhất định Khi đã biết trước áp suất (p) và nhiệt độ (t), người dùng có thể tra cứu giá trị của các thông số trạng thái khác như thể tích (v), entanpi (i) và entropi (s) trong các ô tương ứng.
Trong bảng có một đường bậc thang đậm nét là ranh giới chia làm hai vùng khác nhau:
- Bên trái là vùng nước chưa sôi
- Bên phải là vùng hơi quá nhiệt
Để xác định lượng nhiệt cần cung cấp, ta cần tính toán dựa trên trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hơi bão hòa ẩm Với áp suất không đổi p = 6 bar và độ khô x = 0,6, ta có thể tính toán lượng nhiệt cần cung cấp để chuyển 20 kg hơi bão hòa ẩm sang trạng thái hơi quá nhiệt có nhiệt độ 400 độ C Lượng nhiệt cần cung cấp sẽ được tính dựa trên sự chênh lệch nhiệt dung riêng của hơi bão hòa ẩm và hơi quá nhiệt tại nhiệt độ và áp suất cho trước.
Giải: Nhiệt lượng cần cung cấp để hơi bão hòa ẩm chuyển sang hơi quá nhiệt có nhiệt độ
Q = G∆i = G (i- ix) Ở đây: ix = x (i”−i’)+ i’ (enthalpy của hơi bão hòa ẩm, tính tương tự như trên)
= 0,6 (2757-670,5) + 670,5 = 1922,4 kJ/kg i = 3270 kJ/kg (enthalpy của hơi quá nhiệt, tra từ bảng "Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt" với áp suất p = 6 bar, t = 400 0 C) → Q = 20 (3270- 1922,4) = 26952 kJ
Đồ thị hơi nước
Sử dụng bảng để xác định các thông số của hơi nước có nhiều ưu điểm so với phương pháp giải tích, nhưng vẫn đòi hỏi nhiều bước tính toán Tuy nhiên, trong kỹ thuật, khi cần tính nhanh với độ chính xác cho phép, người ta thường sử dụng các đồ thị hơi nước lập sẵn để tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả.
Từ các đồ thị, người dùng có thể xác định nhanh chóng các thông số trạng thái đầu và cuối của quá trình, giúp tiến hành các phân tích cần thiết hoặc biểu diễn trực quan các quá trình biến đổi trạng thái một cách hiệu quả.
Hai dạng đồ thị hiện được dùng khá phổ biến là đồ thị T-s và i-s
5.3.1 Đồ thị i - s của hơi nước:
Trong quá trình đẳng áp, nhiệt được tính bằng hiệu của entanpy, thể hiện qua công thức dq = di – vdp = di hay q = ∆i = i2 – i1 Điều này cho thấy đồ thị i-s đóng vai trò quan trọng và rất thuận tiện cho việc tính toán hơi nước, đặc biệt là trong các thiết bị sinh hơi, nơi mà quá trình đẳng áp thường xuyên xảy ra.
Trên đồ thị i - s, người ta xây dựng đường cong bão hòa và họ các đường x, p, v, t;
- Đường cong bão hòa cũng có đường giới hạn dưới AK với x = 0, và đường giới hạn trên
KB với x = 1 Điểm tới hạn K không nằm trên đỉnh như các đồ thị T - s hay p - v
- Họ các đường x = const nằm trong vùng giới hạn bởi đường x = 0, x = 1 và bắt đầu từ điểm tới hạn K
- Trong vùng hơi bão hòa ẩm, các đường p = const và t = const trùng nhau Chúng là các đường thẳng nghiêng, có độ dốc tăng theo giá trị của áp suất
Trong vùng hơi quá nhiệt, các đường p = const có dạng cong với bề lồi hướng xuống và các đường t= const là các đường cong lồi về phía trên
Trong vùng ứng với pha lỏng, các đường p = const rất sát nhau và hầu như trùng với đường x = 0, nên không cần thể hiện trên đồ thị
Khi biết trước hai thông số (trừ áp suất p và thể tích v đối với hơi bão hòa ẩm), ta có thể xác định điểm biểu diễn trạng thái trên đồ thị, từ đó xác định được các thông số còn lại của hệ thống.
Trong thực tế, các quá trình nhiệt động hơi nước thường xảy ra trong vùng hơi quá nhiệt và một phần vùng hơi bão hòa ẩm có độ khô lớn, dẫn đến việc đồ thị i −s thường chỉ được thể hiện một phần để đơn giản hóa.
5.3.2 Đồ thị T- s của hơi nước
Trên đồ thị T - s, đường cong bão hòa và các đường x, p, v được xây dựng Đường giới hạn dưới AK của đường bão hòa bắt đầu tại điểm trên trục tung, tương ứng với nhiệt độ 273 K, vì entropy của pha lỏng tại điểm này được định nghĩa là bằng không.
Họ các đường x = const nằm trong vùng hơi bão hòa ẩm, giới hạn bởi 2 dường x = 0, x = 1, tất cả bắt đầu từ điểm tới hạn
Các đường p = const trong vùng nước chưa sôi gần như trùng với đường giới hạn dưới x = 0, trong khi đó, các đoạn thẳng nằm ngang xuất hiện trong vùng hơi bão hòa ẩm và các đường cong đi lên được quan sát thấy trong vùng hơi quá nhiệt.
Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước
ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HƠI NƯỚC
Khảo sát các quá trình nhiệt động của hơi nước thường dựa vào các đồ thị i - s, T - s kết hợp với tra bảng và sử dụng phương trình định luật nhiệt động 1 dùng cho khí thực Để tính toán các quá trình này, cần xác định các thông số trạng thái đầu và cuối của quá trình, bao gồm công, lượng nhiệt trao đổi, sự biến đổi nội năng, enthalpy và entropy Quá trình tính toán thường được thực hiện qua các bước cụ thể để đảm bảo độ chính xác và đầy đủ thông tin.
- Dựa vào số liệu đã cho, xác định điểm biểu diễn trạng thái đầu của quá trình (chỉ cần 2 thông số độc lập)
Để xác định điểm biểu diễn trạng thái cuối, chúng ta cần dựa vào đặc điểm của quá trình nhiệt động lực học, chẳng hạn như đẳng tích, đẳng áp hoặc đẳng nhiệt, và kết hợp với một thông số cụ thể của trạng thái cuối, từ đó có thể xác định chính xác điểm biểu diễn trạng thái cuối trên đồ thị.
Dựa trên đồ thị, kết hợp tra bảng hơi nước và áp dụng định luật nhiệt động lực học đầu tiên, chúng ta có thể xác định các thông số cần thiết còn lại của quá trình một cách chính xác và hiệu quả.
U, i và s là các hàm trạng thái, có nghĩa là sự biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình, không phụ thuộc vào đường đi cụ thể của quá trình.
Ngoài ra, trong quá trình đẳng nhiệt của khí thực ∆u ≠ 0 và ∆i ≠ 0, điều này hoàn toàn khác với khí lý tưởng, chúng luôn bằng không
Quá trình đẳng tích của hơi nước được thể hiện rõ ràng trên đồ thị T - s và i - s ở Hình 5.6 Khi biết hai thông số của trạng thái ban đầu, chẳng hạn như p1 và x1, vị trí điểm 1 có thể được xác định một cách dễ dàng Tiếp đó, nếu trạng thái cuối được xác định bởi thông số t2, điểm 2 sẽ nằm tại giao điểm của đường đẳng nhiệt t2 const và đường đẳng tích v1 = const, giúp xác định chính xác trạng thái cuối của quá trình.
- Công thay đổi thể tích của quá trình:
- Công kỹ thuật của quá trình:
Lượng nhiệt trao đổi: nhiệt cấp vào chỉ có tác dụng làm biến đổi nội năng của hơi nước, ta có: q12 = ∆u12 = u2 - u1 = i2 -i1 - v (p2 - p1) (5.12)
Trong quá trình đẳng áp, việc xác định điểm 2 trên đồ thị trở nên dễ dàng khi biết áp suất ban đầu p1, thể tích x1 và nhiệt độ cuối t2 Bằng cách tìm giao điểm của đường đẳng nhiệt t2 = const và đường đẳng áp p = p1 = const, ta có thể xác định chính xác điểm 2 trên đồ thị.
- Công thay đổi thể tích:
- Lượng biến đổi nội năng
- Nhiệt lượng trao đổi của quá trình: q12 = ∆u12 + i12 = i2 -i1 (5.15)
Trong quá trình đẳng nhiệt, trạng thái đầu của hệ thống được xác định bởi các thông số độ khô x1 và nhiệt độ t1 Khi đó, điểm 2 sẽ được xác định nếu biết áp suất p2, và nó sẽ là giao điểm của đường đẳng nhiệt t2, thể hiện mối quan hệ giữa các thông số nhiệt động lực học trong quá trình đẳng nhiệt.
= const và đường đẳng áp p2 = const
- Công dãn nở của quá trình (suy từ phương trình ĐLNĐ1: q = ∆u+l ): l12 = q12 - ∆u12 (5.16)
- Công kỹ thuật của quá trình (suy từ phương trình ĐLNĐ1: q = ∆i + Ikt: lkt12 = q12- ∆i12 (5.17)
- Lượng biến đổi nội năng
Quá trình đoạn nhiệt là một quá trình nhiệt động lực học đặc biệt, trong đó không có trao đổi nhiệt xảy ra Điều này dẫn đến entropy của hệ thống không đổi, được ký hiệu là s = const, hay còn gọi là quá trình đẳng entropy Trên các đồ thị T - s và i - s, quá trình đoạn nhiệt được biểu diễn bằng đường thẳng đứng, thể hiện sự không đổi của entropy trong suốt quá trình.
- Nhiệt lượng trao đổi của quá trình: q12 = T ∆s = 0 (5.20)
- Lượng biến đổi nội năng:
- Công thay đổi thể tích của quá trình (suy từ định luật nhiệt động 1: q = ∆u +1 = 0): l12 = - ∆u12 (5.22)
- Công kỹ thuật của quá trình (suy từ định luật nhiệt động 1: q = ∆i + lkt12 =0): lkt12= - ∆i12 = i1 - i2 (5.23)
5.1 Một bình kín có thể tích V = 0,035 m 3 , chứa 5 kg hơi bão hòa ẩm ở nhiệt độ 310°C Xác định độ khô, lượng hơi bão hòa khô và lượng nước sôi trong bình
5.2 Xác định lượng nhiệt cần cấp cho 20 kg hơi nước bão hòa ẩm có độ khô x = 0,6 ở áp suất không đổi p = 6 bar, trong 2 trường hợp: a Đến trạng thái hơi bão hòa khô b Đến trạng thái hơi quá nhiệt có nhiệt độ 400°C
5.3 Người ta đốt nóng 1 kg hơi nước ở áp suất p = 10 bar từ nhiệt độ t = 240°C đến nhiệt độ t2 = 350°C trong điều kiện áp suất không đổi Xác định lượng nhiệt mà hơi nhận được, công thay đổi thể tích và lượng thay đổi nội năng của hơi
5.4 Một bình kín đựng nước ở áp suất p = 12 bar và nhiệt độ 300°C, được làm nguội đến
50 °C Tính lượng nhiệt đã trao đổi
5.5 Một kg hơi nước ở áp suất 20 bar, độ khô bằng 0,85, tiến hành quá trình đẳng áp đến nhiệt độ 300°C Hãy: a Biểu diễn quá trình trên đồ thị (T-s) và (i-s) b Xác định các thông số v, i, s, u ở trạng thái đầu và trạng thái cuối c Xác định lượng biến đổi ∆u, ∆i, ∆s
5.6 Một kg hơi bão hòa khô có áp suất tuyệt đối 0,15 bar, tiến hành quá trình đẳng tích đến nhiệt độ bằng 160 0 C a Xác định các thông số ở trạng thái đầu và trạng thái cuối b Tính ∆u, ∆i, ∆s, q, l và lkt
5.7 Hơi nước ở trạng thái đầu p1 =8 bar, t1 = 240°C, giãn nở đoạn nhiệt đến p2 = 2 bar Hãy xác định độ khô của hơi nước sau khi giản nở, công kỹ thuật và công thay đổi thể tích của quá trình.
KHÔNG KHÍ ẨM
Khái niệm về không khí ẩm
6.1.1 Thành phần không khí ẩm
Không khí ẩm là hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước, cụ thể như sau:
Hơi nước trong không khí ẩm chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ, khoảng 1%, với phân áp suất khá bé, tương đương 1/100 atm Ở nhiệt độ khí quyển, hơi nước thường ở trạng thái hơi quá nhiệt Theo công thức hóa học, phân tử lượng của hơi nước được xác định là μh = 2.1,01 + 1.16 = 18,02, có thể làm tròn là 18 kg/kmol.
Không khí khô là một hỗn hợp cơ học của nhiều chất khí thành phần, bao gồm N2, O2, CO2, H2 và Ar, với hàm lượng theo thể tích lần lượt là 78,03%, 20,99%, 0,03%, 0,01% và 0,94% Hai thành phần cơ bản là N2 và O2 luôn ở trạng thái rất xa bão hòa, khiến chúng rất khó ngưng tụ Phân tử lượng của không khí khô được xác định theo công thức tương đương, tính toán dựa trên tỷ lệ phần trăm của từng thành phần, và kết quả là khoảng 28,97 kg/kmol.
Trong thực tế, không khí ẩm thường được sử dụng ở áp suất thấp và nhiệt độ không cao, cho phép xem nó như một hỗn hợp khí lý tưởng gồm hai thành phần chính là không khí khô và hơi nước Không khí khô được coi là khí lý tưởng đồng nhất với phân tử lượng khoảng 29 và số nguyên tử khí trong phân tử là 2, do đó có thể áp dụng các định luật của khí lý tưởng trong quá trình tính toán.
G, Gk, Gh : khối lượng của KKA, không khí khô và hơi nước p,V,t : áp suất,thể tích và nhiệt độ của khối KKA đang khảo sát pk, Vk, tk :phân áp suất, thể tích và nhiệt độ của lượng KKK trong KKA ph, Vh, th :phân áp suất, thể tích và nhiệt độ của lượng HN trong KKA
Ta có các quan hệ:
Các thành phần cơ bản của không khí khô có nhiệt độ tới hạn thấp hơn so với giá trị nhiệt độ thường gặp của không khí ẩm, khiến không khí khô luôn tồn tại ở thể khí trong mọi quá trình biến đổi trạng thái Trong khi đó, hơi nước có nhiệt độ tới hạn cao hơn giá trị nhiệt độ thường gặp của không khí ẩm, dễ dàng chuyển từ hơi quá nhiệt sang bão hòa khô hoặc ngược lại trong quá trình biến đổi trạng thái Sự khác biệt này giải thích tại sao hơi nước, dù chiếm tỷ lệ nhỏ, lại có ảnh hưởng lớn đến tính chất và đặc điểm của không khí ẩm.
6.1.2 Các loại không khí ẩm
Tùy thuộc trạng thái của hơi nước trong không khí ẩm, thường chia không khí ẩm thành 3 loại (hình 6.1):
- Không khí ẩm chưa bão hòa:
Không khí ẩm còn khả năng hấp thụ thêm hơi nước, và trạng thái của hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa luôn là hơi quá nhiệt, với áp suất riêng phần nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa ở cùng nhiệt độ.
- Không khí ẩm bão hòa:
Không khí ẩm đạt mức bão hòa là trạng thái mà lượng hơi nước đã đạt đến giới hạn tối đa, và bất kỳ lượng hơi nước thêm vào nào cũng sẽ dẫn đến sự ngưng tụ tương ứng Ở trạng thái này, hơi nước trong không khí ẩm bão hòa được gọi là hơi bão hòa khô, với phân áp suất bằng với phân áp suất hơi bão hòa ở cùng nhiệt độ.
- Không khí ẩm quá bão hòa:
Không khí ẩm là không khí chứa một phần hơi nước ngưng tụ, thường ở trạng thái quá bão hòa Trạng thái hơi nước trong không khí ẩm quá bão hòa được gọi là hơi bão hòa ẩm, bao gồm hơi bão hòa khô có chứa các hạt nước bão hòa khi nhiệt độ trên 0 độ C hoặc hơi bão hòa khô có chứa tuyết khi nhiệt độ dưới 0 độ C.
Không khí ẩm quá bão hòa là trạng thái không bền vững và thường không tồn tại lâu dài Khi hơi nước bị ngưng tụ, nó sẽ tách khỏi không khí ẩm, khiến không khí ẩm quá bão hòa nhanh chóng trở lại trạng thái không khí ẩm bão hòa.
Để biến không khí ẩm chưa bão hòa thành không khí ẩm bão hòa, kỹ thuật đòi hỏi phải chuyển hơi nước từ trạng thái hơi quá nhiệt sang trạng thái hơi bão hòa khô Quá trình này thường được thực hiện theo hai cách chính.
Một cách để đạt trạng thái bão hòa trong không khí ẩm là giữ nguyên nhiệt độ và tìm cách tăng thêm lượng hơi nước trong không khí ẩm Điều này có nghĩa là tăng phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm cho đến khi đạt trạng thái bão hòa, nơi không khí ẩm không thể chứa thêm hơi nước.
Trên đồ thị p-v (hình 6.1), quá trình diễn biến theo đường 1-2
Tại điểm 2, trạng thái hơi nước trong không khí ẩm là hơi bão hòa khô, và áp suất tại điểm
2 là phân áp suất cao nhất của hơi nước có thể đạt được ứng với nhiệt độ tại trạng thái 1 của không khí ẩm
Quá trình xác định nhiệt độ đọng sương của không khí ẩm được thực hiện bằng cách giữ nguyên phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm (ph = const) và hạ dần nhiệt độ không khí ẩm đến khi đạt trạng thái bão hòa, tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tượng đọng sương Trên đồ thị pv, quá trình này diễn biến theo đường 1-3, và nhiệt độ tại điểm 3 được gọi là nhiệt độ đọng sương (tđs) của không khí ẩm ứng với phân áp suất hơi nước ph tại trạng thái 1 của không khí ẩm.
Trong kỹ thuật, quá trình tiến hành theo đường 1 - 2 thường gọi là quá trình “cấp hơi đẳng nhiệt” và theo đường 1 - 3 là quá trình “làm lạnh đẳng áp”.
Các thông số của không khí ẩm
Để xác định trạng thái không khí ẩm, ngoài các đại lượng thông thường, còn có các thông số sau:
6.2.1 Áp suất hơi – Áp suất hơi bão hòa Áp suất hơi, ký hiệu ph, là áp suất riêng phần của các phân tử hơi nước trong không khí ẩm Áp suất hơi bão hòa, ký hiệu pbh, là áp suất hơi khi không khí ẩm ở trạng thái bão hòa hơi nước Giá trị pbh và ph, có thể tra từ bảng “Nước và hơi nước bão hòa” nếu biết nhiệt độ t và nhiệt độ đọng sương tđs của không khí ẩm (vì ph chính là áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ đọng sương tđs và pbh chính là áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ t của không khí ẩm)
Ví dụ: t = 20 °C → pbh = 0,0234 bar t = 40 °C → pbh = 0,0738 bar tđs = 10 °C → ph = 0,0123 bar tđs = 15 °C → ph =0,0170 bar
Là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí ẩm:
V = Lượng hơi nước chứa trong KKA Thể tích khối KKA đang khảo sát kg/m 3 (6.5)
Ở một nhiệt độ xác định, không khí chỉ có thể mang một lượng hơi nước cực đại, được gọi là độ bão hòa hơi nước (Gbh) Đây là trạng thái mà không khí chứa lượng hơi nước tối đa mà nó có thể giữ được tại nhiệt độ đó.
Trong lĩnh vực chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm, khi sử dụng không khí ẩm làm tác nhân tải nhiệt và ẩm, điều quan tâm hàng đầu là khả năng hấp thụ hơi nước của nó Tuy nhiên, thông số này không được thể hiện rõ ràng qua công thức định nghĩa Vì vậy, trong các tính toán thường sử dụng độ ẩm tương đối thay vì độ ẩm tuyệt đối để đảm bảo độ chính xác và tiện lợi.
6.2.3 Độ ẩm tương đối a) Độ ẩm tương đối: Là tỷ số giữa lượng hơi nước có trong khối không khí ẩm đang khảo sát và lượng hơi nước tối đa mà không khí ẩm đó có thể chứa được ở cùng điều kiện nhiệt độ φ = G h
Do không khí khô và hơi nước trong không khí ẩm đều được xem là khí lý tưởng, nên ta có: phV = GhRhT pbhV = Gbh RhT
Chia 2 phương trình này theo vế và từ biểu thức định nghĩa (6.7) ta được:
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa phân áp suất của hơi nước có trong không khí ẩm đang xét và phân áp suất của hơi nước khi không khí ẩm đó đạt trạng thái bão hòa ở cùng điều kiện nhiệt độ, giúp đánh giá mức độ ẩm trong không khí.
Ngoài ra, dựa theo định nghĩa độ ẩm tuyệt đối, thực hiện phép chia 2 biểu thức (6.5) và (6.6), ta có thể viết lại công thức định nghĩa (6.7) như sau:
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm đang xét và độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hòa có cùng điều kiện nhiệt độ Để xác định độ ẩm tương đối, người ta thường sử dụng các dụng cụ đo chuyên dụng.
Dụng cụ này đơn giản nhưng có độ chính xác khá cao Gồm 2 nhiệt kế giống nhau:
- Nhiệt kế khô, chỉ nhiệt độ môi trường không khí cần đo, ký hiệu t
- Nhiệt kế ướt, tương tự nhiệt kế khô nhưng ở bầu bọc vải bông ướt (bầu ướt) nên chỉ nhiệt độ kế ướt, ký hiệu tư
Khi không khí xung quanh chưa đạt độ ẩm bão hòa, quá trình bốc hơi nước từ vải bọc diễn ra, sử dụng nhiệt lượng từ bầu ướt Kết quả là nhiệt độ của bầu ướt giảm xuống thấp hơn so với nhiệt độ đo được từ nhiệt kế khô.
Hiệu số ∆t = t - tư phụ thuộc vào ẩm độ tương đối p của không khí Khi ẩm độ tương đối giảm, hiệu số ∆t tăng lên do tốc độ bốc hơi tăng, dẫn đến nhiệt độ tự của nhiệt kế ướt giảm.
Dựa vào giá trị nhiệt độ (t) và hiệu số nhiệt độ (∆t = t - tư), chúng ta có thể xác định được giá trị ẩm độ tương đối (phụ lục) Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tốc độ bốc hơi cũng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của không khí xung quanh bầu ướt, và nó chỉ ổn định khi vận tốc này khoảng 3 m/s Để đảm bảo độ chính xác, thường bố trí một quạt hút không khí qua ẩm kế với tốc độ yêu cầu.
Loại cảm biến đo độ ẩm này có thiết kế gọn nhẹ, tiện dụng và cho phép đọc giá trị φ trực tiếp Nó bao gồm các sợi dây kim loại được xử lý đặc biệt, có độ co giãn thay đổi khi hấp thu hơi nước trong môi trường, và được liên kết với kim chia độ Khi độ ẩm không khí thay đổi, sức căng trên dây cũng thay đổi, làm kim di chuyển và hiện thị giá trị cần đo Tuy nhiên, loại cảm biến này có nhược điểm là không thể sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cao hơn 60 °C.
Hoạt động của thiết bị đo độ ẩm dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở, điện dung hoặc các thông số điện khác khi độ ẩm không khí biến đổi Các tín hiệu thay đổi này được khuếch đại và truyền vào bộ xử lý để tính toán và chỉ thị giá trị độ ẩm tương ứng Loại thiết bị này đang trở nên phổ biến nhờ sự phát triển của kỹ thuật số hiện đại.
Còn gọi là độ chưa ẩm hay tỷ lệ ẩm, ký hiệu là d (hoặc x), định nghĩa như sau: d =G h
G k = Lượng HN chứa trong khối KKA đang khảo sát
Lượng KKK có trong khối KKA đó 𝑘𝑔/𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘 (6.9) Nếu lấy Gk = 1 kg → d = Gh Nên có thể nói: d = lượng hơi nước trong không khí ẩm có chứa 1 kg không khí khô
Liên hệ giữa độ chứa hơi d và phân áp suất của hơi nước ph: Từ phương trình trạng thái viết cho hơi nước và không khí khô:
PhV = Gh Rh T và Pk Gk T = Gk Rk T
Từ giá trị phân tử lượng của không khí khô và hơi nước đã biết, ta có:
28,97= 0,622 Kết hợp với (6.2: p = pk +ph ), ta có thể viết lại biểu thức (6.9) như sau: d = 0,622 p h p − p h 𝑘𝑔/𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘 (6.10)
Liên hệ giữa độ chứa hơi d và độ ẩm tương đối φ được thể hiện thông qua công thức (6.11), trong đó độ ẩm tương đối φ và các biểu thức khác được kết hợp để tính toán độ chứa hơi d Công thức này được viết lại từ các biểu thức (6.7), (6.8), (6.9) và công thức (6.10), cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa độ chứa hơi và độ ẩm tương đối.
Công thức (6.11) thường được ưu tiên sử dụng trong tính toán vì giá trị pbh có thể dễ dàng tìm thấy trực tiếp trên đồ thị không khí ẩm hoặc tra cứu từ các bảng hơi nước, giúp tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác.
6.2.5 Entanpy của không khí ẩm
Enthalpy của không khí ẩm là tổng enthalpy của không khí khô và hơi nước chứa trong không khí ẩm đang xét Công thức tính enthalpy cho một lượng không khí ẩm chứa 1 kg không khí khô được biểu thị bằng: i = ik + d.ih kJ/kgkkk, trong đó i là enthalpy của không khí ẩm, ik là enthalpy của không khí khô và d.ih là enthalpy của hơi nước.
Trong đó: ik = enthalpy của 1 kg không khí khô ih = enthalpy của lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm d = độ chứa hơi
Nếu nhiệt độ chuẩn được chọn làm gốc là 0°C, hơi nước trong không khí ẩm ở trạng thái hơi quá nhiệt (hay bão hòa khô), các giá trị ik và ih có thể xác định theo công thức tương ứng là ik = 1,006.t kJ/kg.°C và ih = 2500,77 + 1,84.t kJ/kg.°C Từ đó, ta có thể tính toán giá trị Vài bằng cách kết hợp hai giá trị này theo công thức Vài = 1,006 t + (2500,77 + 1,84 t) d kJ/kg.
Hoặc để thuận tiện, với độ chính xác cho phép, có thể tính theo công thức i = t + (2500 + 2 t) d kJ/kgkkk (6.14)
Đồ thị không khí ẩm
Giản đồ nhiệt động của KKA là biểu đồ thể hiện mối quan hệ nhiệt động giữa các thông số quan trọng của hệ thống Dù được trình bày dưới nhiều dạng khác nhau tùy theo tác giả, nhưng về cơ bản, các giản đồ này đều mang nội dung và chức năng tương đồng, giúp người dùng hiểu rõ hơn về mối quan hệ nhiệt động của KKA.
Đồ thị Carrier, được thành lập vào năm 1911, còn được gọi là đô thị Carrier, là một biểu đồ quan trọng trong lĩnh vực điều hòa không khí Biểu đồ này bao gồm hai trục chính: trục hoành thể hiện nhiệt độ (°C) và trục tung thể hiện độ chứa hơi hay tỷ lệ ẩm kg/kg Đồ thị Carrier bao gồm ba loại đường chính: các đường thẳng vuông góc với trục hoành thể hiện giá trị nhiệt độ không đổi (t = const), các đường thẳng song song với trục hoành thể hiện giá trị độ chứa hơi không đổi (d = const), và các đường thẳng hợp với trục hoành một góc 135° thể hiện giá trị entanpy không đổi (i = const).
= const là các đường cong có hệ số góc thay đổi và tăng dần
Ngoài ra, trên giản đồ còn thể hiện các giá trị nhiệt độ thiệt kế ướt tư (°C), nhiệt độ đọng sương tđs (°C), các họ đường thể tích riêng v (m 3 /kgkkk)
Đồ thị Mollier được giới thiệu lần đầu vào năm 1923, có cấu tạo và đặc tính nổi bật như sau: các đường x = const là những đường thẳng vuông góc với trục hoành, trong khi đó các đường i = const tạo thành góc 45° với trục hoành Đặc biệt, các đường t = const là những đường thẳng nằm nghiêng với hệ số góc tăng dần theo từng mức độ.
Các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa và nhiệt độ có thể được chia thành hai đoạn riêng biệt Đoạn nhiệt độ dưới 100°C cho thấy đường cong đi lên, trong khi đoạn nhiệt độ trên 100°C lại gần như song song với trục tung, cho thấy sự thay đổi nhỏ trong giá trị nhiệt độ.
Tương tự, trên giản đồ i - d còn thể hiện các giá trị nhiệt độ nhiệt kế ướt tư (°C), nhiệt độ đọng sương tđs (°C), mật độ không khí (kg/m 3 )
6.3.3 Ứng dụng giản đồ không khí ẩm a) Xác định các thông số của không khí ẩm
Tại thời điểm và địa điểm cụ thể, việc xác định hai thông số của không khí ẩm cho phép chúng ta xác định điểm biểu diễn trạng thái trên đồ thị Từ đó, chúng ta có thể xác định được các thông số còn lại của không khí ẩm, bao gồm các yếu tố quan trọng khác.
Ví dụ: Biết không khí ẩm có t 30°C, = 60%, xác định được điểm trạng thái A trên đồ thị Carrier, các thông số còn lại xác định như sau:
Từ A kẻ // đường d = const, tìm được d = 16 g/kgkkk, và đường // đường i
= const tìm được i = 71,5 kJ/kgkkk
Từ giao điểm 2 đường = 100% và d = const qua A, kẻ đường t = const cắt trục hoành, tìm được nhiệt độ đọng sương tđs
Từ giao điểm của hai đường = 100% và i = const qua A, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ nhiệt kế ướt tư là khoảng 23,7 °C bằng cách đọc giá trị này ngay trên đường ẩm độ bảo hòa = 100%.
Một ứng dụng quan trọng khác của giản đồ không khí ẩm là phân tích nhanh các quá trình nhiệt động cơ bản của không khí ẩm Khi áp dụng, người dùng có thể xác định nhanh chóng các thông số của quá trình và phân tích các diễn biến từng giai đoạn một cách trực quan trên đồ thị.
Các quá trình nhiệt động cơ bản của không khí ẩm
6.4.1 Quá trình làm nóng và làm lạnh không khí ẩm a) Quá trình làm nóng
Khi không khí ẩm được cấp nhiệt để chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, trong khi lượng hơi nước trong không khí ẩm vẫn không đổi (d = const), quá trình này sẽ được biểu diễn trên đồ thị Carrier theo đường nằm ngang (1-2), với điều kiện d2 = d1 và t2 > t1.
Nhiệt lượng cần cho quá trình gia nhiệt từ t1 đến t2 tính theo công thức:
Hình 6.3: Xác định thông số KKA trên đồ thị Carrier
Với G là lượng không khí ẩm tham gia quá trình, i1 & i2 là enthalpy ở trạng thái 1 & 2, có thể tìm trực tiếp trên đồ thị
Quá trình gia nhiệt với độ ẩm không đổi (d = const) chỉ xảy ra khi không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa không khí ẩm và tác nhân gia nhiệt, chẳng hạn như khi sử dụng Calorifer hoặc bộ trao đổi nhiệt loại vách ngăn Trong trường hợp ngược lại, việc xem độ ẩm không đổi trong quá trình gia nhiệt chỉ là gần đúng, vì quá trình trao đổi nhiệt có thể kèm theo trao đổi ẩm.
Không khí ẩm có thể được làm lạnh bằng cách thổi qua dàn lạnh (bộ ngưng tụ) của một thiết bị lạnh, quá trình này được minh họa rõ ràng trong sơ đồ hình (6.6) và biểu diễn chi tiết trên đồ thị Carrier hình (6.7), cho thấy sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của không khí trong quá trình làm lạnh.
Hình 6.6: Sơ đồ làm lạnh không khí ẩm Hình 6.7: Quá trình làm lạnh không khí ẩm
Trong thực tế, có thể xảy ra các trường hợp sau:
Khi không khí ẩm được làm lạnh nhưng chưa đạt đến nhiệt độ điểm sương, quá trình này sẽ diễn ra với độ ẩm tương đối không đổi (d = const) Trên đồ thị biểu diễn, quá trình này được thể hiện bằng một đường nằm ngang, ví dụ như quá trình (1-2), tại đó nhiệt độ giảm từ t1 xuống t2 nhưng độ ẩm tương đối vẫn giữ nguyên (d2 = d1 = const).
Nhiệt lượng thải ra trong quá trình làm lạnh tương tự như quá trình làm nóng Khi không khí ẩm được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ điểm sương, quá trình này sẽ diễn biến theo hướng cụ thể trên đồ thị Carrier, ví dụ khi nhiệt độ giảm xuống đến mức t4.
Trước tiên, không khí được làm lạnh theo đoạn (1-3), với: t3 = tđs d3 = d1 = const
Tiếp đến, không khí được làm lạnh theo đoạn (3-4), với: t4 < tđs d4 < d3 (do hiện tượng ngưng tụ hơi nước)
Hình 6.6: Quá trình làm nóng không khí ẩm
Trong kỹ thuật, quá trình làm lạnh KKA dưới nhiệt độ điểm sương còn gọi là quá trình làm lạnh có tách ẩm
Quá trình làm lạnh từ 3 đến 4 về lý thuyết diễn ra theo đường = 100%, nhưng điều này chỉ đúng khi hệ thống không xảy ra hiện tượng "lọt gió" từ bên ngoài vào.
Nếu sau khi làm lạnh có tách ẩm, không khí khô tuyệt đối (KKA) ở trạng thái (t4, d4, 4 = 100%) sẽ tiếp tục được gia nhiệt theo sơ đồ hình (6.8), quá trình này diễn biến theo đường nằm ngang (4-5) trên đồ thị Carrier (hình 6.9), kết quả là KKA có nhiệt độ tăng (t5 > t4), độ ẩm tuyệt đối không đổi (d5 = d4 = const) và độ ẩm tương đối giảm (5 ).
Mức độ giảm thấp của 5 phụ thuộc vào nhiệt độ mong muốn cuối cùng t5 Trong thực tế, quá trình này thường được ứng dụng trong kỹ thuật điều tiết không khí, điều hòa nhiệt độ và các thiết bị như máy hút ẩm, máy sấy dịu, giúp kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ hiệu quả.
Hình 6.8: Sơ đồ tách ẩm – gia nhiệt Hình 6.9: Diễn biến QT tách ẩm – gia nhiệt
Khi cần tạo ra môi trường không khí có nhiệt độ và ẩm độ cần thiết, bộ xử lý ẩm với buồng công tác được cách nhiệt tốt là lựa chọn phổ biến Hệ thống này cho phép thực hiện quá trình tạo ẩm đoạn nhiệt, đồng thời tích hợp hệ thống phun nước tạo sương để đạt được điều kiện môi trường mong muốn.
Hình 6.9: Sơ đồ thiết bị xử lý ẩm Hình 6.10: Các kết quả có thể có sau xử lý ẩm
Tùy thuộc vào nhiệt độ của nước cung cấp và các yêu cầu cần thiết của môi trường, ta có thể gặp các trường hợp sau:
- tw > tA (1) t , d , nhiệt lượng cần cho quá trình bay hơi do chính bản thân nước cung cấp
- tw = tA (2) d, t không đổi, là quá trình tạo ẩm đẳng nhiệt, nhiệt lượng cần cho quá trình bay hơi do chính bản thân nước cung cấp
- tưA < tw < tA (3) d, t, nhiệt lượng cần cho quá trình bay hơi lấy một phần từ không khí và một phần từ nước
Quá trình tạo ẩm đoạn nhiệt là một quá trình quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau TưA (4) d, t, mô tả quá trình này như một quá trình trùng với đường i = const, với độ chính xác cho phép Trong quá trình này, nhiệt lượng cần cho quá trình bay hơi được lấy từ không khí, giúp tạo ẩm một cách hiệu quả.
- tđsA < tw < tưA (5) d, t, một phần nhiệt lượng lấy từ không khí dùng cho quá trình bay hơi và làm nóng nước
- tw = tđsA (6) t, d không đổi, quá trình tương tự làm lạnh không khí đề cập ở mục 6.4.1 (làm lạnh không khí trên nhiệt độ điểm sương)
- tw < tđsA (7) d, t, quá trình tương tự như quá trình làm lạnh không khí đề cập ở mục 6.4.1 (làm lạnh không khí dưới nhiệt độ điểm sương)
6.4.3 Quá trình hòa trộn không khí ẩm
Quá trình hòa trộn dòng KKA 1 và dòng KKA 2 tạo ra dòng KKA 3 được minh họa như hình (6.11) Dựa trên sơ đồ này, chúng ta có thể thiết lập phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng cho cả không khí và hơi nước.
Hình 6.11: Sơ đồ hòa trộn không khí
Từ 3 đẳng thức này có thể lập được các quan hệ:
Nếu xem nhiệt dung riêng của không khí khô là hằng số, các thông số của dòng KKA sau hòa trộn được xác lập như sau: t 3 =G kk1 t 1 + G kk2 t 2
Các thông số của dòng không khí sau hòa trộn có thể xác định trực tiếp bằng đồ thị như sơ đồ hình (6.12)
Trong đó điểm trạng thái 3 của dòng không khí sau khi hòa trộn nằm trên đoạn thẳng nối điểm 1
& 2, là các điểm trạng thái của các dòng không khí 1
Vị trí điểm 3 trên đoạn (1-2) xác định dựa vào tỷ lệ hòa trộn n, theo quan hệ:
Khi tính toán, dựa vào các quan hệ hình học đã xác lập, việc xác định các thông số của quá trình sẽ rất đơn giản
Hình (6.13) hướng dẫn cách xác định từ đồ thị các thông số của hỗn hợp không khí được hòa trộn từ:
1 kg không khí ở trạng thái (t = 20 °C; d1 = 10 g/kgkkk) và 3 kg không khí ở trạng thái 2 (2 = 60%; d2 = 24 g/kgkkk)
Hình 6.12: Xác định trạng thái không khí sau hòa trộn bằng đồ thị
Từ điểm trạng thái 3, xác định được: i3 85,5 kJ/kgkkk
Các kết quả này sai biệt không nhiều so với tính toán bằng các công thức đã được nêu: t 3 =G kk1 t 1 + G kk2 t 2
Quá trình hòa trộn khí thường được ứng dụng trong kỹ thuật điều tiết không khí, nơi dòng khí tuần hoàn hồi từ phòng hòa trộn được kết hợp với không khí tươi từ ngoài vào để tạo ra hỗn hợp khí đạt tiêu chuẩn mong muốn Ngoài ra, trong các hệ thống sấy, quá trình hòa trộn cũng đóng vai trò quan trọng khi kết hợp dòng khí nóng từ bộ cấp nhiệt với dòng khí trời do quạt mang đến, nhằm tạo ra dòng khí có ẩm độ và nhiệt độ cần thiết cho quá trình sấy.
Quá trình sấy là phương pháp làm giảm độ ẩm của một vật bằng cách cho nó tiếp xúc với tác nhân sấy, thường là không khí ẩm chưa bão hòa có khả năng tiếp nhận thêm hơi nước Quá trình này giúp nước trong vật sấy thoát ra và được mang đi thông qua các phương thức đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức.
Sơ đồ một hệ thống sấy đơn giản dùng tác nhân sấy là không khí được minh họa như hình (6.14)
Quá trình sấy gồm 2 giai đoạn:
Không khí ban đầu ở trạng thái 1 với thông số nhiệt độ t1, độ ẩm d1, entanpy i1 và độ chứa hơi 1 được đưa qua bộ gia nhiệt Quá trình này làm tăng nhiệt độ và entanpy của không khí, đồng thời giảm độ ẩm tương đối Tuy nhiên, độ chứa hơi của không khí vẫn được giữ nguyên trong suốt quá trình gia nhiệt.
Hình 6.13: Xác định trạng thái không khí sau hòa trộn
Hình 6.14: Sơ đồ hệ thống sấy đơn giản
A – Bộ gia nhiệt B – Buồng sấy
Như vậy ở trạng thái 2, không khí có các thông số t2 > t1, d2 = d1, i2 > i1 và 2 < 1
Trên đồ thị đó là đoạn (1-2) thẳng đứng song song trục hoành
Không khí nóng ở trạng thái 2 được đưa vào buồng sấy, nơi nó làm nóng và bốc hơi nước ra khỏi vật sấy, sau đó mang hơi nước này thoát ra bên ngoài Kết quả là nhiệt độ không khí giảm xuống ở trạng thái 3, trong khi độ chứa hơi và độ ẩm tương đối tăng lên Điều đáng chú ý là entanpy của không khí vẫn không đổi do quá trình trao đổi nhiệt với vật sấy và hơi nước.
Trên đồ thị, quá trình thể hiện bằng đoạn (2-
CHU TRÌNH THIẾT BỊ NHIỆT ĐỘNG
Chu trình động cơ đốt trong
7.1.1 Khái niệm và phân loại Động cơ đốt trong là loại máy nhận nhiệt - sinh công và cả hai quá trình xảy ra trong cùng một không gian, có đặc điểm chung là dùng sản phẩm cháy làm chất môi giới và thông qua cơ cấu xylanh - piston để chuyển công ra bên ngoài
Có nhiều cách để phân loại động cơ đốt trong, tùy theo tiêu chuẩn lựa chọn:
Động cơ nhiệt động được phân loại dựa trên số hành trình cần thiết để hoàn thành một chu trình nhiệt động Có hai loại động cơ chính: động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ Động cơ 4 kỳ yêu cầu 4 hành trình để thực hiện một chu trình nhiệt động, trong khi động cơ 2 kỳ chỉ cần 2 hành trình để hoàn thành chu trình này Sự khác biệt này ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của từng loại động cơ.
Động cơ đốt trong được phân loại dựa trên cách đốt cháy nhiên liệu, bao gồm động cơ cháy cưỡng bức như động cơ xăng và động cơ dùng khí ga, và động cơ tự cháy như động cơ diesel.
- Theo tính chất của quá trình nhận nhiệt (quá trình cháy của nhiên liệu), có loại cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp
7.1.2 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích
Thường gặp ở các động cơ đốt trong cháy cưỡng bức như động cơ xăng hoặc động cơ sử dụng khí ga
Hình 7.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích a) Diễn biến của chu trình:
- Nạp (0-1): Piston đi từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, supap nạp mở, supap xả đóng, chất môi giới (không khí + nhiên liệu) được hút vào xylanh
- Nén (1-2): Piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên, supap nạp và supap xả đều đóng, hỗn hợp được nén theo quá trình đoạn nhiệt
Quá trình cháy trong động cơ diễn ra rất nhanh và có thể được xem là quá trình đẳng tích, nghĩa là thể tích của hỗn hợp nhiên liệu và không khí gần như không thay đổi trong suốt quá trình cháy Khi bugi đánh lửa, hỗn hợp này bốc cháy và tạo ra áp suất và nhiệt độ tăng đột biến, thường được gọi là quá trình cháy nén Quá trình này xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn, chỉ khoảng 2-3 giây, và là giai đoạn quan trọng trong chu trình hoạt động của động cơ.
Quá trình dãn nở (3-4) là giai đoạn sản phẩm cháy tạo ra áp suất và nhiệt độ cao, dẫn đến sự dãn nở đoạn nhiệt Trong giai đoạn này, piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, thực hiện công có ích đồng thời tạo ra chuyển động quay cho trục khuỷu Cả supap nạp và supap xả vẫn đóng trong suốt quá trình này, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Khi piston đạt đến điểm chết dưới, supap xả mở ra, khiến áp suất trong xy lanh giảm đột ngột xuống mức áp suất môi trường Sự giảm áp suất này tạo điều kiện cho piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, qua đó đẩy sản phẩm cháy ra ngoài môi trường.
Khi xem xét chu trình thực, cần lưu ý rằng các quá trình nạp và thải sản phẩm cháy không xét về mặt nhiệt động do công lưu động khi nạp và xả triệt tiêu nhau Nhiệt lượng thải trong quá trình 4-1 tương đương hiệu số giữa nhiệt năng của hỗn hợp khí mang vào và nhiệt năng của sản phẩm cháy Điều này cho phép chúng ta xây dựng một chu trình kín thay thế, bao gồm 2 quá trình đẳng tích và 2 quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau Thông số đặc trưng của chu trình này là ε = V1, giúp đánh giá hiệu suất và đặc tính của chu trình.
Chu trình nhiệt có thể được mô tả thông qua các thông số như thể tích môi chất, tỷ số nén và tăng áp Cụ thể, thể tích môi chất đầu quá trình nén được ký hiệu là V2, trong khi thể tích môi chất cuối quá trình nén được xác định bằng tỷ số nén Áp suất cuối quá trình cấp nhiệt và áp suất đầu quá trình cấp nhiệt cũng được liên hệ với tỷ số tăng áp Hiệu suất của chu trình nhiệt được tính toán dựa trên nhiệt lượng cấp vào và thải ra môi trường, với công thức ηt = 1 - Cv(T4 - T1), trong đó Cv là nhiệt dung riêng, T1, T2, T3 và T4 là các nhiệt độ đặc trưng trong chu trình.
Các nhiệt độ T2, T3 và T4 có thể biểu thị qua T1 như sau:
(1-2): Nén đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
(2-3): Cháy đẳng tích v = const, ta có:
T 2 =p 3 p 2 = λ ⇒ T 3 = λ T 2 ⇒ T 3 = λ ε k−1 T 1 (3-4): Dãn nở đoạn nhiệt dq = 0, ngoài ra v3 = v2 và v4 = v1, ta có:
⟶ T 4 = T 3 1 ε k−1 = λ ε k−1 T 1 1 ε k−1 ⇒ T 4 = λ T 1 Thay các nhiệt độ T2, T3 và T4 vào (a) ta được: η t = 1 − λ T 1 − T 1 λ ε k−1 T 1 − ε k−1 T 1 = 1 − λ − 1
Nhận xét: t không phụ thuộc vào tỷ số tăng áp
Hiệu suất động cơ tăng khi hệ số nén tăng và tỷ lệ truyền k tăng Tuy nhiên, việc tăng hệ số nén có giới hạn nhất định vì khi tỷ số nén quá cao có thể dẫn đến hiện tượng tự bốc cháy trước khi bộ phận đánh lửa hoạt động, điều này có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến chế độ làm việc của động cơ.
Do không cao (6 9) nên ), của các loại động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích tương đối thấp
7.1.3 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp
Ở động cơ cấp nhiệt đẳng tích, muốn tăng hiệu suất nhiệt t, cần phải tăng tỷ số nén , tuy nhiên điều này bị giới hạn do hiện tượng tự bốc cháy của hỗn hợp Để khắc phục hạn chế này, kỹ sư người Đức Diesel đã nghiên cứu và phát triển một giải pháp mới vào năm 1892.
1898) đã đưa ra kiểu động cơ cấp nhiệt đẳng áp
Hình 7.2: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp a) Diễn biến của chu trình:
Nạp (0-1): Piston đi từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, chỉ nạp không khí
Quá trình nén đoạn nhiệt diễn ra khi piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, tạo ra áp suất không khí khá lớn khoảng 30 - 40 bar và nhiệt độ cao khoảng 600 - 800ºC, cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu.
Quá trình cháy đẳng áp (2-3) xảy ra khi piston đạt điểm chết trên, tại đó nhiên liệu được máy nén khí phun vào và tự bốc cháy khi gặp không khí có áp suất và nhiệt độ cao Quá trình này bắt đầu khi piston vượt qua điểm chết trên và tiếp diễn khi piston di chuyển xuống, kết thúc tại điểm 3, do đó có thể xem quá trình cháy (2-3) diễn ra trong điều kiện áp suất không đổi (p=const).
Dãn nở là giai đoạn thứ ba và thứ tư của chu trình, tại đó piston tiếp tục di chuyển xuống dưới, tạo ra quá trình dãn nở và sinh công Quá trình này sẽ được lặp lại tương tự như chu trình trên Các thông số đặc trưng cho chu trình này bao gồm tỷ số nén ε, được tính bằng thể tích ban đầu V1 và thể tích cuối cùng V2, thể hiện mức độ nén của hỗn hợp khí trong xy lanh.
V 2 = Thể tích môi chất Đầu quá trình nén Thể tích môi chất Cuối quá trình nén = Tỷ số nén ρ =V 3
V 2 = Thể tích Cuối quá trình cấp nhiệt đẳng áp
Hiệu suất của chu trình nhiệt được xác định bởi công thức ηt = 1 - q2/q1, trong đó q1 là nhiệt lượng cấp vào cho chu trình, tính bằng Cp(T3 - T2), và q2 là nhiệt lượng thải ra môi trường, tính bằng Cv(T4 - T1).
Các nhiệt độ T2, T3 và T4 có thể biểu thị qua T1 như sau:
(1-2): nén đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
(2-3): chảy đẳng áp p = const, ta có:
T 2 = v 3 v 2 = ρ ⇒ T 3 = ρ T 2 ⇒ T 3 = ρ ε k−1 T 1 (3-4): dãn nở đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
⇒ T 4 = ρ k T 1 Thay các nhiệt độ T2, T3 và T4 vào (b) là được:
Khi tăng, k tăng và giảm thì t tăng
Động cơ diesel có ưu điểm nổi bật là khả năng tách nhiên liệu ra khỏi không khí, cho phép nâng tỷ số nén khá cao (trên 20) và sử dụng những nhiên liệu nặng, rẻ tiền hơn như mazut, dầu hỏa.
7.1.4 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp
Chu trình turbin khí
7.2.1 Chu trình turbin khí cấp nhiệt đẳng áp
Sơ đồ turbin khí cấp nhiệt đẳng áp như hình (7.4), hoạt động của chu trình như sau:
Hình 7.4: Sơ đồ turbin khí cấp nhiệt đảng áp
A- Bơm nhiên liệu, B- Máy nén khí, C- Buồng đốt, C’- Ống tăng tốc, D- Turbin
Khi hệ thống hoạt động, turbin sẽ kéo máy nén B và bơm nhiên liệu A hoạt động đồng thời, cung cấp không khí nén và nhiên liệu cho buồng đốt C, tạo nên quá trình nén đoạn nhiệt quan trọng trong chu trình vận hành.
(2-3): Hỗn hợp nhiên liệu và không khí bốc cháy trong buồng đối C, quá trình xảy ra trong điều kiện đẳng áp
Sản phẩm khí cháy có nhiệt độ và áp suất cao đi vào ống tăng tốc C’, tạo ra quá trình dẫn nở đoạn nhiệt, khiến nhiệt độ giảm xuống đồng thời tốc độ và động năng tăng lên Khi đi qua các cánh của turbin D, khí cháy này tạo ra chuyển động quay, sinh công và làm quay trục turbin.
Quá trình cháy của sản phẩm thải ra môi trường q2 trong điều kiện đẳng áp là một phần quan trọng của chu trình Trong đó, tỷ số tăng áp trong quá trình nén được ký hiệu là β, được tính bằng công thức β = p2/p1, phản ánh sự thay đổi áp suất trong quá trình nén.
=v 3 v 2 = Tỷ số dãn nở sớm ε = v 1 v 2 = Tỷ số nén b) Hiệu suất của chu trình: η t = 1 −q 2 q 1 = 1 −C p (T 4 − T 1 )
1-2: Quá trình đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
3-4: Qui trình đoạn nhiệt dq = 0, mặt khác ta có p2= p3 và p1 = p4, nên:
T 2 Ngoài ra, theo tính chất của tỷ lệ thức ta có:
7.2.2 Chu trình turbin khí cấp nhiệt đẳng tích
Turbin khí cấp nhiệt đẳng tích có cấu tạo tương tự loại cấp nhiệt đẳng áp, nhưng khác biệt ở cấu tạo buồng đốt Ngoài ra, nó còn được trang bị thêm các van nhiên liệu, van không khí và van tải để đưa sản phẩm cháy vào turbin, đồng thời có bộ phận đánh lửa để duy trì quá trình cháy.
(1-2): Khi bắt đầu, van 4 đóng, van 2 và 3 mở, nhiên liệu và không khí nén được nạp vào buồng đốt, đây là quá trình nên đoạn nhiệt đầu
(2-3): Tiếp đến cả 3 van đều đóng, bộ phận đánh lửa hoạt động, quá trình cháy bắt và được xem như cháy trong điều kiện đẳng tích
Kết thúc quá trình cháy, van 4 mở, cho phép sản phẩm cháy có áp suất và nhiệt độ cao đi qua ống tăng tốc, nơi nó dãn nở và tạo ra động năng Động năng này sau đó được chuyển đổi thành công cơ học khi sản phẩm cháy đập vào các cánh của turbin, tạo ra quá trình dãn nở đoạn nhiệt hiệu quả.
(4-1): Sản phẩm cháy được thải ra môi trường, chu trình được lập lại tương tự
Hình 7.5: Sơ đồ turbin khí cấp nhiệt đẳng tích
A- Bơm nhiên liệu, B- Máy nén khí, C- Buồng đốt,
Các yếu tố chính của chu trình bao gồm ống tăng tốc và turbin Các thông số của chu trình bao gồm tỷ số tăng áp trong quá trình nén (β = p2/p1) và tỷ số tăng áp trong quá trình cháy (λ = p3/p2) Hiệu suất của chu trình được tính bằng công thức ηt = 1 - q2/q1 = 1 - Cp(T4 - T1), phản ánh mối quan hệ giữa hiệu suất và các thông số nhiệt động của chu trình.
Bằng cách thể hiện T2, T3 và T4 theo T1, lần lượt như sau:
(1-2): Nén đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
(2-3): Cấp nhiệt đẳng tích v = const, ta có:
T 2 = p 3 p 2 = λ ⇒ T 3 = λ T 2 (3-4): Dãn nở đoạn nhiệt dq = 0, ta có:
Thay T2, T2 và T4 vào (e) ta được: η t = 1 − k (T 1 λ 1 k − T 1 )
Nhận xét: Khi k là hằng số, của turbin khí cấp nhiệt đẳng tích tỷ lệ với tỷ số và .
Chu trình nhiệt động máy nén khí
Máy tăng áp suất chất lỏng thường được gọi là bơm, trong khi máy tăng áp suất của chất khí hoặc hơi được phân loại thành máy nén (áp suất trên 2 bar) hoặc quạt (áp suất dưới 2 bar) Máy nén hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau, giúp phân loại chúng thành hai nhóm chính.
Máy nén thể tích hoạt động dựa trên cơ chế tăng áp suất bằng cách giảm thể tích chất khí, giúp tạo ra áp suất lớn nhưng đồng thời có năng suất nén thấp, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu áp suất cao Do dòng khí nén tạo ra không liên tục, máy nén thể tích thường đi kèm với bình chứa để đảm bảo cung cấp khí nén ổn định Một số loại máy nén thể tích phổ biến bao gồm máy nén piston, máy nén bánh răng và máy nén cánh gạt.
Máy nén ly tâm là thiết bị tăng áp suất chất khí qua hai giai đoạn chính, bao gồm truyền động năng cho chất khí nhờ lực ly tâm và hãm dòng khí để giảm tốc độ và tăng áp suất trong ống tăng áp Đặc điểm nổi bật của loại máy này là năng suất nén lớn, mặc dù áp suất không cao Các ví dụ phổ biến của máy nén ly tâm bao gồm máy nén hướng trục, giúp đáp ứng nhu cầu nén khí trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Mặc dù hai nhóm này khác nhau về cấu tạo và nguyên lý làm việc, chúng lại có điểm tương đồng khi phân tích các quá trình về mặt nhiệt động Vì vậy, chúng ta sẽ tập trung vào khảo sát loại máy nén piston, vốn có cấu tạo đơn giản và đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Máy nén khí piston 1 cấp có cấu tạo tương tự như động cơ đốt trong, bao gồm các bộ phận chính như xylanh, piston, supap nạp và supap xả Chu trình làm việc của máy nén khí 1 cấp bao gồm các giai đoạn nạp khí, nén khí và xả khí, tạo ra áp lực khí nén cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp.
Hút (a-1): Piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên, supap nạp mở, supap xả đóng, khí được hút vào xy lanh có áp suất không đổi p1
Quá trình nén trong động cơ xảy ra khi piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, đồng thời cả hai supap (xupap nạp và xupap xả) đều đóng kín Trong giai đoạn này, không khí bị nén chặt, dẫn đến áp suất tăng từ p1 lên p2 Quá trình nén có thể diễn ra theo ba điều kiện khác nhau: đẳng nhiệt (1-2), đa biến (1-2’) hoặc đoạn nhiệt (1-2").
Xả (2-b): Khi áp suất khí đạt giá trị nhất định, supap xả mở, khí được nạp vào bình chứa với áp suất p2 = const
Quá trình nạp và xả trong máy nén khí tương tự như động cơ đốt trong, nhưng không phải là các quá trình nhiệt động Đối với máy nén 1 cấp, công chi phí cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 7.6: Sơ đồ và chu trình máy nén piston một cấp
Máy nén khí được xem là một hệ hở, xét trong điều kiện khí lý tưởng Quá trình nén khí trong máy được coi là thuận nghịch, với tốc độ khí vào và ra khỏi xylanh là bằng nhau Điều này có nghĩa là không có sự thay đổi đáng kể về động năng của dòng khí Do đó, công tiêu thụ của máy nén khí bằng tổng công kỹ thuật của các quá trình xảy ra trong máy.
Trong đó : Lkta1= 0 và Lkt2b = 0 vì áp suất không đổi
Công của máy nén chính bằng công kỹ thuật của quá trình nén Khi tính toán công tiêu hao để nén 1 kg khí, ta có công thức l mn = l kt12 = ∫ −vdp p 2 p 1 Đây là phương trình quan trọng giúp xác định công tiêu hao trong quá trình nén khí.
Tùy theo đặc điểm quá trình nén, công tiêu hao khi nén có giá trị khác nhau:
Nén theo quá trình đẳng nhiệt (n = 1)
Xảy ra khi quá trình nên được làm mát triệt để
Từ phương trình trạng thái KLT: pv = RT
→ v =RT p thay vào (f) ta được: l = ∫ −vdp = − ∫ RT.dp p p 2 p 1 p 2 p 1
Suy ra: l = −RT lnp 2 p 1 = −p 1 v 1 lnp 2 p 1 = −p 2 v 2 lnp 2 p 1 (7.6)
Trên đồ thị (p-v), quá trình nén đẳng nhiệt biểu diễn bằng đoạn (1-2) và công tiêu hao được thể hiện bằng diện tích (a12b)
Nén theo quá trình đoạn nhiệt (n = k)
Xảy ra khi thực hiện bọc cách nhiệt hoàn toàn máy nén
Từ phương trình của quá trình đoạn nhiệt pv k = const, ta có thể viết: pv k = p1v1 k =const
→ v = v 1 p 1 1 k p −1 k Thay vào (f) ta được: l = − ∫ vdp = − ∫ v 1 p 1 1 k p −1 k 𝑑𝑝 = −v 1 p 1 1 k p 2 p 1
Trên đồ thị (p-v), quá trình nén đoạn nhiệt biểu diễn bằng đường (1-2”) và công tiêu hao thể hiện bằng diện tích (a12”b)> dt (a12b)
Nén theo quá trình đa biến (1 < a < k)
Từ phương trình của quá trình đa biến pv n = const, ta có thể viết: pv n = p1v1 n =const
→ v = v 1 p 1 1 n p −1 n Thay vào (f) ta được: l = − ∫ vdp = − ∫ v 1 p 1 n 1 p −1 n dp = −v 1 p 1 1 n p 2 p 1
Trên đồ thị (p-v), quá trình nén đa biến thực hiện theo đường (1-2’) và công tiêu hao thể hiện bằng diện tích (a12’b) > dt (a12b)
- Công chi phí cao nhất ứng với quá trình nén đoạn nhiệt và thấp nhất cho trường hợp nén đẳng nhiệt
- Để có quá trình nén đẳng nhiệt, cần phải làm mát triệt để, điều này làm cấu tạo máy rất phức tạp, khó thực hiện
- Thực tế các máy nén piston thường hoạt động với quá trình nén đa biến có chỉ số đa biến trung bình 1 < n < k (tốt nhất 1,2 < n < 1,5)
7.3.3 Ảnh hưởng của dung tích thừa trong máy nén piston
Trong động cơ đốt trong (ĐCT), đỉnh piston không thể áp sát hoàn toàn vào nắp xylanh, mà luôn tồn tại một khoảng không gian nhất định gọi là dung tích đệm V0 Khoảng không gian này không mang lại lợi ích về mặt nhiệt động, điều này có thể thấy rõ khi phân tích quá trình nén trên đồ thị áp suất-thể tích (p-v).
Do tồn tại V0, quá trình đẩy khí chỉ thực hiện đến điểm 3, ở V0 vẫn còn một lượng khí nén có áp suất p2
Khi piston rời ĐCT đến ĐCD để nạp khí lần tiếp theo, phần khí còn lại trong dung tích thừa
V0 sẽ dãn nở đến khi áp suất trong xylanh giảm bằng áp suất hút p1 (điểm 4)
Sau đó khí từ ngoài mới được hút vào xylanh theo quá trình (4-1) Như vậy:
Lượng khí thực sự nạp vào xylanh hiện tại là V1−V4, thấp hơn đáng kể so với lượng khí lý thuyết nếu không có dung tích thừa V0 Sự chênh lệch này dẫn đến giảm hiệu suất thể tích của máy nén, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của thiết bị.
Khi tăng áp suất cuối quá trình nén (p2' > p2), thể tích khí nạp sẽ giảm, cụ thể là V1 – V4’ < V1 – V4 Điều này cho thấy sự tồn tại của V0 hạn chế áp suất tối đa mà máy nén có thể đạt được Để đánh giá ảnh hưởng của V0 đến lượng khí nạp vào máy nén, người ta sử dụng khái niệm hiệu suất thể tích , được định nghĩa là λ = V.
Thể tích ứng với một hành trình của piston (7.11) Với các định nghĩa: n = Chỉ số đa biến c =V 0
V h = Hệ số thể tích thừa x =p 2 p 1 = Tỷ số nén
Công thức (7.12) cho thấy rằng, hệ số giảm (tương ứng với lượng khí hút thực giảm) sẽ giảm khi hệ số thể tích thừa c tăng, tỷ số nén x tăng và chỉ số đa biến n có giá trị nhỏ Điều này giải thích tại sao việc sử dụng máy nén piston 1 cấp để nén khí đến áp suất cao không mang lại lợi ích đáng kể, và thông thường, quá trình nén chỉ được thực hiện đến áp suất 10 - 12 bar.
7.3.4 Máy nén piston nhiều cấp
Hình 7.7: Ảnh hưởng của V, đến quá trình nén
Máy nén piston 1 cấp thường gặp hạn chế khi tăng tỷ số nén do ảnh hưởng của dung tích thừa V0 Ngoài ra, ngay cả khi áp dụng các biện pháp làm mát, quá trình nén đẳng nhiệt để đạt công suất thấp nhất cũng rất khó đạt được.
Máy nén piston nhiều cấp là giải pháp hiệu quả giúp hạn chế tác hại của V0 và đưa quá trình nén gần với quá trình nén đẳng nhiệt Quá trình nén được chia thành nhiều cấp, sau mỗi cấp máy sẽ được làm mát, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của V0 Chu trình làm việc của máy nén nhiều cấp được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng, mang lại hiệu quả cao hơn cho quá trình nén khí.
Trên đồ thị (Hình 7.8) các quá trình diễn ra như sau:
(a-1): Khi có các thông số ban đầu p1T1 được nạp vào xylanh cấp 1
(1-2) khi được nén trong xy lanh cấp 1, sau nén (điểm 2) khí có giá trị p2T2
Hình 7.8: Chu trình máy nén piston nhiều cấp
(2-b) Quá trình đẩy khí vào bình làm mát 1
(b-3): Sau làm mát, khí có giá trị p2T2 (= p2T1) được nạp tiếp vào xylanh cấp 2
(3-4): Quá trình nén đa biến cấp 2 với thông số ban đầu p3T3 (= p2T1)
Chu trình thiết bị lạnh
Nguyên tắc làm lạnh là quá trình lấy nhiệt từ không gian cần làm lạnh và thải ra bên ngoài môi trường xung quanh, giúp giảm nhiệt độ xuống thấp hơn so với nhiệt độ môi trường Quá trình này không xảy ra tự nhiên, mà cần thiết bị hoạt động theo chu trình ngược chiều, tiêu tốn công để truyền nhiệt lượng.
Một trong những cách hiệu quả để làm lạnh là sử dụng thiết bị lạnh dựa trên nguyên tắc nén hơi, còn được gọi là chất làm lạnh hay môi chất lạnh.
- Dùng môi chất lạnh lỏng có nhiệt độ sôi thấp đưa vào vùng cần làm lạnh, nó sẽ lấy nhiệt ở vùng này để hóa hơi
Để giảm nhiệt độ sôi của môi chất lạnh, van tiết lưu được sử dụng để hạ áp suất, giúp hạ nhiệt độ sôi tương ứng trước khi môi chất lạnh đi vào nơi cần làm lạnh Đây là nguyên tắc làm lạnh cơ bản và phổ biến thường thấy ở các thiết bị lạnh thông dụng như tủ lạnh, máy lạnh và điều hòa nhiệt độ.
Môi chất lạnh thường được sử dụng trong các thiết bị lạnh là NH3 và fréon (R-11, R-12, R-22 ), những chất có nhiệt độ sôi thấp trong điều kiện áp suất khí quyển, giúp chúng phù hợp với các ứng dụng làm lạnh sử dụng hơi.
7.4.2 Chu trình thiết bị lạnh dùng hơi nén a) Chu trình hoạt động
Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng hơi nén như hình (7.9), tóm tắt hoạt động như sau:
(1-2) Quá trình nén đoạn nhiệt: môi chất lạnh ở trạng thái hơi bão hòa khô (x=1) từ buồng lạnh D có T1 p1, được nén đoạn nhiệt ở máy nén A đến T2 p2
Hình 7.9: Sơ đồ nguyên lý và chu trình máy lạnh dùng hơi nén
Quá trình ngưng tụ đẳng áp là giai đoạn quan trọng trong chu trình làm lạnh, nơi môi chất lạnh từ máy nén được đưa vào bình ngưng và thực hiện quá trình ngưng tụ ở áp suất không đổi (p2 = const) Trong quá trình này, môi chất lạnh sẽ thải nhiệt q1 cho môi trường xung quanh và dần dần hóa lỏng, đạt trạng thái lỏng hoàn toàn (x = 0) tại điểm cuối của quá trình ngưng tụ.
Quá trình tiết lưu là giai đoạn quan trọng trong chu trình làm lạnh, tại đây môi chất lạnh ở trạng thái lỏng đi vào van tiết lưu C Tại đây, môi chất lạnh sẽ giảm áp suất và nhiệt độ xuống T1 p1, đồng thời hóa hơi một phần Kết quả là khi ra khỏi van C, môi chất lạnh sẽ có trạng thái của hơi bão hòa ẩm, sẵn sàng cho giai đoạn tiếp theo của chu trình làm lạnh.
Quá trình bốc hơi là bước đầu tiên quan trọng trong chu trình làm lạnh, diễn ra tại bộ bốc hơi D Ở đây, môi chất lạnh ở trạng thái hơi bão hòa ẩm với nhiệt độ T1 và áp suất p1 sẽ đi vào bộ bốc hơi và nhận nhiệt q2 từ không gian cần làm lạnh Nhờ quá trình này, môi chất lạnh sẽ bốc hơi thành hơi bão hòa khô, sẵn sàng cho các bước tiếp theo trong chu trình làm lạnh hiệu quả.
Sau đó hơi bão hòa khô vào máy nén A, quá trình lập lại tương tự b) Nhiệt lượng trao đổi của chu trình:
Từ phương trình Định luật nhiệt động 1 viết cho hệ kín, chúng ta có thể rút ra mối quan hệ giữa lượng nhiệt trao đổi và biến đổi entanpi của môi chất lạnh Cụ thể, phương trình dq = di - vdp cho thấy lượng nhiệt trao đổi giữa môi chất lạnh và môi trường (dq) bằng lượng biến đổi entanpi của môi chất lạnh (di) trừ đi tích của thể tích (v) và áp suất (p).
Vì quá trình bốc hơi và ngưng tụ, xảy ra với p = const, nên vdp = 0, vì vậy ta có:
Lượng nhiệt lấy đi được ở bộ bốc hơi là: q2 = i1 - i4 (7.17)
Lượng nhiệt tỏa ra ở bộ ngưng tụ là: q1 = i3 - i2 (7.18) c) Công tiêu hao của chu trình
Xét quá trình nén (1-2), vì nén xảy ra trong điều kiện đoạn nhiệt, phương trình định luật 1 viết lại như sau: dq = di – vdp = 0
Ta đã biết - vdp = dlkt = dlmn
Vậy công của máy nén là: l mn = ∫ −di = i 1 − i 2 i 2 i 1
7.1 Một động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng tích, sử dụng không khi làm chất môi giới, có các thông số sau: p1 = 1 bar; t1 = 20°C; = 3,6; = 3,33 Tính: a- Các thông số trạng thái tại các điểm đặc biệt b- Lượng nhiệt cấp và thải c- Công và hiệu suất nhiệt của chu trình
7.2 Một động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt đảng áp, có tỷ số nén = 15, tỷ số dãn nở sớm = 2, nhiệt độ đầu t1 = 27°C Tính công và hiệu suất nhiệt của chu trình với 1kg không khí
7.3 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp có các thông số sau: p1=1 bar; t1 = 30°C;
= 7; = 2; = 1,2 Xác định: a- Các thông số cơ bản tại các điểm đặc biệt b- Công và hiệu suất của chu trình với 1 kg không khí
7.4 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp có = 7; = 2; = 1,2; môi chất sử dụng là không khí Biết nhiệt cấp cho chu trình là 1090 kJ/kg Tính: a- Hiệu suất nhiệt của chu trình b- Công và nhiệt thải của chu trình
7.5 Một động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, sử dụng môi chất là không khí Cho biết p1 = 0,9 bar; t1 = 67 °C; = 10; p3 = 45 bar Tính a- Nhiệt cấp qv và qp của chu trình b- Nhiệt độ tại điểm 4.