Chương 2 Định luật nhiệt thứ nhất và các quá trình nhiệt cơ bản của môi chất ở pha khí

Chương 2 Định luật nhiệt thứ nhất và các quá trình nhiệt cơ bản của môi chất ở pha khí (phần 2 Kĩ thuật nhiệt)

Chương 2 - Định luật nhiệt thứ nhất và các quá trình nhiệt cơ bản của môi chất ở pha khí

Trong chương này ta nghiên cứu các quá trình tức là sự thay đổi liên tục từ một trạng thái cân bằng của môi chất đến một trạng thái khác Khi môi chất tiến hành một quá trình thì thông số trạng thái (một số hoặc tất cả) sẽ thay đổi, ngoài ra xuất hiện hai đại lượng mới rất quan trọng, đó là nhiệt lượng và công – hai đại lượng để trao đổi năng lượng

2.1 Nhiệt, công và các phương pháp xác định

Nhiệt và công là hai phương tiện mà môi chất dùng để trao đổi năng lượng khi thực hiện một quá trình Khi trao đổi năng lượng bằng công thì bao giờ cũng kèm theo một sự chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi năng lượng bằng nhiệt thì bao giờ cũng tồn tại sự chênh lệch về nhiệt độ

2.1.1 Nhiệt lượng và các phương pháp tính

Có nhiều cách tính nhiệt lượng, ở đây giới thiệu hai cách tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ (tức

là tính theo nhiệt dung riêng) và tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi

2.1.1.1 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt lượng

Khảo sát một quá trình nguyên tố, khi cấp cho môi chất một nhiệt lượng vô cùng bé dq, thì nhiệt độ của môi chất cũng thay đổi một lượng vô cùng bé dt, ta thấy:

c= dq

Ở đây c – nhiệt dung riêng của môi chất trong quá trình đó

a) Nhiệt dung riêng của môi chất c: là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ của một đơn vị môi chất tăng lên một độ theo một quá trình nào đó

Theo đơn vị đo lường của môi chất, ta chia ra: nhiệt dung riêng khối lượng nếu môi chất đo bằng kg, nhiệt dung riêng thể tích nếu đo bằng mtc3

và nhiệt dung riêng kilomol nếu đo bằng kilomol

Theo đặc điểm của quá trình, có thể chia thành nhiều loại, nhưng thường dùng hai loạ: nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích

Trong nhiệt kĩ thuật, thường gặp các loại nhiệt dung riêng sau: nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp

kmol K ) Ta cũng gặp nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích cv( kJ

kg K ), nhiệt dung riêng

k =1,3 Với khí thực k còn phụ thuộc vào nhiệt độ.

Đối với khí lí tưởng có công thức Mayer (Maye):

v( kJ kmol K ) μ cp( kJ

kmol K )

Khi yêu cầu về độ chính xác cao hơn, có thể coi nhiệt dung riêng có quan hệ bậc một (đường thẳng) với nhiệt độ theo công thức:

Từ (2-5a) ta có thể tính nhiệt lượng cần thiết để đưa một đơn vị môi chất từ nhiệt độ t1 đến t2 theo

một trong ba phương pháp sau:

Có quan hệ giữa c và t, thay vào, lấy tích phân sẽ tính được q1; 2 :

Nếu c = const, ta được: q1; 2= c (t2− t1) (2-5c)

Nếu c=ao+ a1t , ta được:

q1; 2= [ ao+ a1t1+ t2

Cũng từ 2-5b, ta cũng có thể q1; 2 bằng diện tích 1 2 t2t1 trên đường cong C(t) (H2 2-1).

(2) q1; 2= ∫

t1

t2

cdt=c [ 2 1 ( t2− t1)

Tronh đó: c [ 2 1 là nhiệt dung riêng trung bình của môi chất trong phạm vị nhiệt độ từ t1 đến t2, biểu

thị bằng chiều cao hình chữ nhật có đáy bằng t1t2 và diện tích bằng 12 t1t2.

3) Ở trên là tính cho một đơn vị môi chất, nếu khác cần nhân với số đơn vị môi chất.

2.1.1.2 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi

Cũng từ (2-7) ta thấy q1; 2 có thể được biểu thị bằng diện tích 12 s1s2, tức là diện tích giới hạn bởi đường

quá trình, trục hoành và hai đường song song với trục tung kẻ từ hai điểm mút của quá trình (H.2-2)

Ghi chú:

1) Ta thấy dq luôn cùng dấu với ds vì T dương, nghĩa là khi ds dương, tức là s tăng thì q1; 2 dương,

quy ước là môi chất nhận nhiệt Nhưng q1; 2 không phải luôn đồng dấu với dt.

2) q1; 2 không phải là thông số trạng thái mà là hàm số của quá trình, nghĩa là cùng trạng thái 1 và 2,

nếu tiến hành theo các quá trình khác nhau thì q1; 2 khác nhau.

2.1.2 Các loại công của môi chất

Về mặt cơ học, công có trị số bằng tích giữa lực với độ dời theo hướng của lực Trong nhiệt kĩ thuật thường gặp các loại công: công dãn nỡ, công lưu động, công kĩ thuật, … và ngoại công.

Từ (2-9) ta thấy có thể tính l theo phương pháp tính q1; 2 nghĩa là thay p bằng hàm số của v rồi lấy tích

phân hoặc biểu thị bằng diện tích 12 v2v1 trên đồ thỉ pv (H.2-3).

Ghi chú:

1) Công dãn nở không phải là thông số trạng thái mà là hàm số quá trình

2) dl và dv luôn cùng dấu, nghĩa là dv dương, thể tích tăng thì công dãn nở là dương, quy định là công do môi chất thực hiện

3) Khi dãn nở, thể tích tăng còn áp suất thì có thê tăn, giảm hoặc không đổi

2.1.2.2 Ngoại công: Là phần công dãn nở dùng để thỏa mãn các phụ tải bên ngoài Trong hệ thống kín,

nếu không có ma sát thì ngoại công có thể bằng công dãn nở do môi chất tạo ra Còn trong hệ thống hở thì môi chất bắt buộc phải thay đổi vị trí, cần tiêu hao một lượng công gọi là công lưu động, cho nên ngoại công trong trường hợp này thường gọi là công kĩ thuật, bằng công dãn nở trừ công lưu động

Đối với 1kg môi chất, công lưu động chứng minh được bằng:

Và công kĩ thuật bằng: dlkt= dl−dlld= pdv−d ( pv )=−vdp (2-11)

Từ các công thức (2-10), (2-11) ta thấy công lưu động là một thông số trạng thái, dlld= d ( pv) là vi phân toàn phần, còn công kĩ thuật thì không phải là thông số trạng thái, là hàm số quá trình Đối với một quá trình hữu hạn, công kĩ thuật có thể tính được theo:

2.2.1 Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động thứ nhất

Đây là một torng những định luật nhiệt cơ bản nhất, thực chất đó là định luật về bảo toàn về chuyển hóanăng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, có thể phát biểu như sau: “giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác như cơ năng, điện năng v.v… có thể biến hóa lẫn nhau và khi một lượng nhiệt năng xác định

bị tiêu hao tất cả sẽ được một lượng xác định năng lượng khác tương ứng, còn tổng năng lượng hoặc năng lượng toàn phần của môi chất không thay đổi” Nội dung của định luật là duy nhất, nhưng trong từng trường hợp cụ thể có thể có những cách phất biểu và biểu thức khác nhau

2.2.2 Biểu thức của định luật nhiệt động thứ nhất

Theo tinh thần đã nói ở trên, khi môi chất tiến hành một quá trình có trao đổi năng lượng với môi trường, ta có thể viết:

Năng lượng môi chất nhận = năng lượng nhả + năng lượng tăng thêm, hoặc: Năng lượng toàn phần ban đầu = năng lượng toàn phần cuối + năng lượng trao đổi Năng lượng toàn phần bằng tổng ngoại động năng Wd ', ngoại thế năng Wt, nội năng U, trong hệ hở còn có thế năng áp suất hoặc năng lượng đẩy pV

Nhưng ngoại động năng và ngoại thế năng thay đổi rất ít, có thể bỏ qua, do vậy có thể lấy năng lượng toàn phần của hệ kín bằng nội năng U và của hệ hở bằng entanpi I=U + pV

Khảo sát 1kg môi chất, khi cung cấp cho nó một nhiệt lượng là dq, ta thấy nhiệt độ môi chất thay đổi dT

và thể tích thay đổi dv Nhiệt độ thay đổi, chứng tỏ nội động năng thay đổi và môi chất thực hiện công dãn nở Điều đó có thể biểu thị bằng phương trình:

Nếu thay pdv=d ( pv )−vdp và thay i=u+ pv, được

dq=di−vdp (2-14a)

Các phương trình (2-13a), (2-13b), (2-14a), (2-14b) có thể dùng được cho cả hệ thống kín lẫn hệ thống

hở, cả khí lí tưởng lẫn khí thực Riêng đối với khí lí tưởng, có thể chứng minh được được du=cvdT vàdi=cpdT, nên định luật nhiệt thứ nhất có thể biểu thị:

2.3 Các quá trình cơ bản của khí lí tưởng

Các điểu kiện hạn chế trong phần này:

- Môi chất phải là khí lí tưởng;

- Quá trình phải là thuận nghịch, tất cả trạng thái trong quá trình phải là cân bằng;

- Chỉ cần nghiên cứu một số quá trình cơ bản, có sự hạn chế thể hiện bằng một trong các điều kiện: hoặcnhiệt dung riêng khôngthay đổi trong cả quá trình hoặc tỷ số α= ∆ u

q không thay đổi hoặc một thông số

trạng thái nào đó không thay đổi trong cả quá trình, thí dụ như nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng hoặc entropi

Ta sẽ nghiên cứu các quá trình cơ bản qua các bước:

- VIết phương trình quá trình và biểu diễn các quá trình trên đồ thị

- Xác định quan hệ giữa các thông số cơ bản ở các trạng thái khác nhau

- Xác định lượng thay đổi của một số thông số trạng thái thường dùng

- Tính công và nhiệt lượng trao đổi giữa môi chất và môi trường

2.3.1 Viết phương trình quá trình và biểu diễn trên đồ thị

Trước hết viết cho một quá trình tổng quát – quá trình đa biến, và sau đó suy ra các quá trình cơ bản.2.3.1.1 Phương trình quá trình đa biến

Từ biểu thức định luật nhiệt thứ nhất và công thức tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng, ta có:

Chia vế theo vế được: c−cp

c−cv= n, nó là hằng số (0 ± ∞) ; cp, cv của khí lí tưởng có thể coi là hằng số và trong quá trình cơ

bản đả giả thiết c = hằng số, không thay đổi trong suốt quá trình nên ta có:

cv ta được p v

k

= const 16c) là phương trình quá trình đoạn nhiệt; với n=± ∞, ta được v = const (2-16d) là phương trình quá trình đẳng tích

(2-2.3.1.2 Biểu diễn các quá trình trên đồ thị p – v và T – s

Một trạng thái, một quá trình, một chu trình của môi chất đơn một pha có thể biểu diễn trên đồ thị tọa

độ do hai thông số độc lập với nhau tạo thành Thường dùng nhất là đồ thị p –v và T – s vì diện tích trên

đồ thị p –v và T – s có thể biểu diễn công và nhiệt lượng trao đổi giữa môi chất với môi trường

Trên đồ thị p –v, quá trình đa biến với phương trình p vn= const được biểu thị bằng một họ đường cong

- Với quá trình đẳng, n = 0, tanβ=0, ta được đường thằng song song với trục hoành v (H.2-4)

- Với quá trình đẳng tích, n=± ∞, tan β=± ∞, ta được đường thẳng song song với trục tung

- Với quá trình đẳng nhiệt, n=1, tan β= p

v , được một đường hypecbon đối xứng.

- Với quá trình đoạn nhiệt có n=k = cp

cv> 1, ta cũng được một đường hypebol có độ dốc lớn hơn độ dốc

của đường đẳng nhiệt

- Với quá trình đa biến bất kì, nếu n > 0, các đường biểu diễn nằm trong khu vực II và IV, nếu n < 0 , các đường biểu diễn nằm trong khu vực I và III

Trên đồ thị T – s, ta tìm dT

ds để xác định hệ số góc của đường biểu diễn.

- Với quá trình đẳng nhiệt, n=1 nên dT

ds = 0, đường biểu diễn là một đường thẳng song song với trục

hoành (H.2-5)

- Với quá trình đoạn nhiệt n=k nên dT

ds = ∞, đường biểu diễn là một đường thẳng song song với trục

tung

- Với quá trình đẳng áp, n=0 nên dT

ds =

T

cp, đường biểu diễn là một đường cong có hệ số góc

tăng dần theo nhiệt độ, mặt lồi quay xuống dưới

- Với quá trình đẳng tích, n=± ∞, nên dT

2.3.2 Quan hệ giữa các thông số cơ bản của các trạng thái

Từ phương trình quá trình đa biến, ta có:

- Với quá trình đẳng áp, n=0, được p2= p1

2.3.3 Lượng thay đổi các thông số trạng thái

2.3.3.1 Lượng thay đổi nội năng

Từ trạng thái 1 có u1 đến trạng thái 2 có u2, nếu thay đổi theo bất cứ quá trình nào thì ta cũng có:

2.3.3.2 Lượng thay đổi entanpi

Cũng lí luận tương tự đối với nội năng, ta thấy: từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, tiến hành theo bất cứ quá trình nào, ta cũng có:

2.3.3.3 Lượng thay đổi entropi

Thay phương trình định luật I vào vi phân ds= dq

T , ta được:ds=dvdT

2.3.3.4 Lượng thay đổi execgi

Từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, tiến hành theo bất kì quá trình nào cũng có:

Có thể tính nhiệt lượng theo một trong các cách sau:

Từ công thức (2-5a), tính q theo các công thức (2-5b, c, d, đ, e), nhưng cần lưu ý là vì c=cvn−k

- Có thể tính theo: q=∆u+l (2-24); với quá trình đẳng tích có

lv= ∫

v1

v2

pdv=0, nên qv= ∆u (2-24a)

- Có thể tính theo: q=∆i+lkt (2-24b), với quá trình đẳng áp có

lkt= ∫

p2

p1

vdp=0 nên qp= ∆i (2-24c)

- Với quá trình đoạn nhiệt (thuận nghịch) có thể dùng công thức (2-7a), trong đó s1= s2 nên qs= 0

- Với quá trình đẳng nhiệt có ∆ u=∆ i=0

pdv để tính l bằng diện tích 12 v2v1 trên đồ thị pv hoặc thay quan hệ

giữa p với v vào rồi lấy tích phân

Với quá trình đa biến có p1v1k

l=q−∆ u (2-25c); với quá trình đẳng nhiệt ∆ u=0 nên l=q=T (s2− s1); với quá trình đoạn nhiệt có thể dùng công thức (2-25a, b) hoặc dùng l=−∆ u, vì q=0.

c Tính công kĩ thuật Có thể tính theo công thức (2-12) tức là lkt= ∫

p2

p1

vdp Thay quan hệ giữa v và p vào

ta được: lkt= nl, (2-26a)

Ta thấy khi n=1, ta có lkt= l, còn với các giá trị khác của mũ đa biến n, có thể thay vào giá trị tương ứng,

với quá trình đẳng tích có lvkt= v ( p2− p1), với quá trình đẳng áp lpkt=0 Cũng có thể từ biểu thức định

luật I được lkt= q−∆i, nên với quá trình đẳng nhiệt có lTkt= q, với quá trình đoạn nhiệt lkt=− ∆i.

Nhiệt và công trong quá trình cũng có thể tính bằng diện tích trên đồ thị T – s và p – v

2.4 Các quá trình cơ bản của khí thực

Ta cũng chỉ giới hạn nghiên cứu các quá trình cơ bản và thuận nghịch: đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt Các bước cơ bản tiến hành tương tự, chỉ khác bước đầu tiên là không viết phương trình quá trình và không dùng được phương trình trạng thái của khí lí tưởng, cụ thể các bước như sau:

2.4.1 Biểu diễn các quá trình trên đồ thị và xác định thông số ở các trạng thái bằng đồ thị và bảngThường dùng đối với khí lí thực là đồ thị p-v và T-s và i-s Trên các đồ thị thường có các đường đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt, đôi khi có đường đẳng entanpi và đẳng entropi Thường cho trạng thái 1 theo 2 thông số độc lập, thí dụ p1 và t1, hoặc p1, v1; p1, i1 v.v… và một thông số của trạng thái thứ 2 Trạng thái

1 được xác định bởi giao điểm của 2 đường đã cho, thí dụ p1 và t1 (H.2-7a, b, c), từ giao điểm đó xác

định được các thông số khác trên đồ thị Trạng thái 2 được xác định bằng giao điểm giữa đường quá trình (thí dụ t2= t1 trong quá trình đẳng nhiệt) và đường biểu thị thông số đã cho của trạng thái thứ hai,

thí dụ như p2.

Từ điểm 1 và 2 trên đồ thị, ta xác định được p1, v1, t1, i1, s1, x1 (nếu là hơi bão hòa ẩm) và p2, v2, t2, i2,

s2 và có thể có x2.

Nếu dùng bảng, thì trước hết phải xác định dùng bảng một pha hay hai pha Khi cho p1 và t1, ta so sánh

t1 với nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất p1; nếu t1> t(pl ) có hơi quá nhiệt, nếu t1< t(pl ) có nước chưa sôi,

cả hai trường hợp đó dùng bảng hai pha, tìm được trong bảng các thông số v1, i1, s1 Nếu t1= t(pl), ta

phải dùng bảng bão hòa, lúc đó chỉ tìm được thông số của nước sôi và hơi bão hòa khô Nếu là hơi bõa hòa ẩm thì phải biết thêm một thông số khác, tốt nhất là độ khô x1; sau đó tính được

2.4.2 Xác định lượng thay đổi các thông số trạng thái

Khi xác định được trạng thái đầu và trạng thái cuối, ta có:

∆ i=i2− i1 ; ∆ s=s2− s1 ;

∆ u=u2− u1= ( i2− i1) − ( p2v2− p1v1) ;

∆ e= ( i2− i1) − To( s2− s1).

Cần chú ý là đối với khí thực, trong quá trình đẳng nhiệt ∆ u và ∆ i không phải bằng 0 như đối với khí lí tưởng

2.4.3 Tính nhiệt lượng và công

Về nguyên tắc, có thể dùng phương pháp tương tự như đối với khí lí tưởng Cụ thể là khi tính nhiệt dùng:

- Công thức (2-7a) đối với quá trình đẳng nhiệt: qT= T (s2− s1), xuất phát từ công thức (2-7):

q1; 2= ∫

s1

s2

Tds;

Cũng từ đây có thể xác định nhiệt lượng bằng điện tích 12 s2s1 trên đồ thị T-s.

- Có thể dùng công thức (2-24): q=∆u+1, đặc biệt hay dùng công thức (2-24a): qv= ∆u đối với quá

trình đẳng tích

- Có thể dùng công thức (2-24b) q=∆i+lkt, đặc biệt hay dùng đối với quá trình đẳng áp qp= ∆i.

- Ít dùng công thức dq=cdt, vì c thay đổi rất nhiề; đặc biệt trong quá trình hóa hơi, ngưng tụ nhiệt độ không đổi có c=±∞ nên không dùng được