CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG pdf

NỘI DUNG MÔN HỌC• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT • Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng • Chương 3: Định luật nhiệt độn

MÔN HỌC:

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

CBGD: PHAN THÀNH NHÂN

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

• Tên môn học: Nhiệt động lực học kỹ thuật

• Mã môn học: 210014

• Số tiết:42 tiết

• Số tín chỉ: 2

• Hình thức đánh giá:

• Kiểm tra giữa kỳ: 20%

• Kiểm tra cuối kỳ: 80%

• Tài liệu tham khảo:

• Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997

• Hoàng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001

• Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002

• Yunus A Cengel, Micheal A Boles, Thermodynamic: An engineering approach, International edition, 1994

Sơ lược về môn học

NỘI DUNG MÔN HỌC

• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT

• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai

• Chương 4: Exergy (tham khảo)

• Chương 5: Chất thuần khiết

• Chương 6: Không khí ẩm

• Chương 7: Chu trình thiết bị động lực hơi nước

• Chương 8: Chu trình thiết bị lạnh

• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong

• Chương 10: Quá trình nén khí và hơi

• Chương 11: Quá trình lưu động và tiết lưu

• Chương 12: Chu trình turbine khí và động cơ phản lực

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1 Các vấn đề chung

2 Trạng thái và thông số trạng thái

3 Phương trình trạng thái của chất khí

Nhiệt động lực học?

Quy luật biến đổi năng lượng

Nhiệt năng Cơ năng Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi

Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:

1 Các vấn đề chung

9 ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…

9 Thiết bị sử dụng hơi nước

9 Bơm, quạt, máy nén

Môi trường xung quanh

VD: Trong động cơ nhiệt: khơng khí

Trong động cơ hơi nước: hơi nước Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng + khí

Hệ kín:

9 Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường

9 Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi

Ví dụ:

Máy lạnhBơm nhiệt…

Hệ cô lập:

Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào

Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường

Hệ đoạn nhiệt:

Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh

Nguồn nhiệt ?

Nguồn nóng + nguồn lạnh ?

Máy nhiệt ?

Động cơ nhiệt, Bơm nhiệt và máy làm lạnh

9 Động cơ nhiệt:

- Máy nhiệt dùng để sinh công

- Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từnguồn nóng đến nguồn lạnh

Ví dụ:

Động cơ đốt trongĐộng cơ phản lựcThiết bị động lực hơi nướcCác loại turbine…

- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2

- W: công sinh ra

W Q

Hiệu suất ĐCN

1

2 1

2 1

Q 1

Q

Q

Q Q

= η

1

2q

q

1 −

= η

Trên 1 đơn vị khối lượng

9 Bơm nhiệt và máy làm lạnh

- Nhận công từ bên ngoài

- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược

từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng

- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2

- W: công sinh nhận

1

- Bơm nhiệt

2 1

1

q q

1 1

Q Q

Q W

Q

−

=

= ϕ

- Máy làm lạnh

2 1

2q q

q

−

= ε

Hệ số làm lạnh:

2 1

2 2

Q Q

Q W

Q

−

=

= ε

Chất môi giới

Pha và chất thuần khiết

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượngTrạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi

Khí lý tưởng

Thể tích bản thân các phân tử bằng khôngLực tương tác giữa các phân tử bằng không

Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng

Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần

hóa học

Rắn, lỏng, hơi (hay khí)

Chất thuần khiết: là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học.

Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau

2 Trạng thái và thông số trạng thái

9 Trạng thái

9 Trạng thái cân bằng

- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý của CMG tại một

thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động

- Giá trị 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

Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác

9 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

9 Quá trình

9 Thông số trạng thái?

- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG

- Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông

¾ Nhiệt độ là gì?

- Biểu thị mức độ nĩng lạnh của một vật

- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dịng nhiệt

Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng trung bình của

vơ số phân tử chuyển động tịnh tiến

k = 1,3865.10-23 J/độK, hằng số Boltzmann,

T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát

M : khối lượng của một phân tử

ω : căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ của các phân tử

2

M 2

1 T

k 2

3

ω

=

- Định luật nhiệt động thứ không:

Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì nhiệt độcủa 2 vật đó bằng nhau

t1 = t3

t2 = t3 t1 = t2

- Các thang đo nhiệt độ:

Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC) Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K) Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR

( ) K t C 273 , 15

67 , 459 R

T F

t ° = ° −

8 , 1

32 F

Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ

δ lim '

→

=

¾ Aùp suất chân không (pck) : là độ chênh áp suất khi áp suất môi trườngkhảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Đo bằng Vacummeter

¾ Aùp suất tuyệt đối (p)

p = pkq + pd

p = pkq - pck

Áp suất tuyệt đối

Chân không tuyệt đối

Áp suất môi trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Áp suất tuyệt đối

Áp suất khí quyển

Áp suất môi trường khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển

Độ chân không Áp suất dư

Mối quan hệ giữa các loại áp suất

) m / kg

( V

G v

=

= ρ

Thể tích riêng, khối lượng riêng?

) kg / m

( G

V

v = 3

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất

V: thế tích choán chỗ của khối chất môi giới (m3)G: khối lượng khối chất môi giới đang khảo sát (kg)v: thể tích riêng (m3/kg)

ρ: Khối lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m3)

Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:

- Động năng E đ : do sự chuyển động cuảa toàn bộ hệ thống

- Thế năng E t : do sự thay đổi vị trí của toàn bộ hệ thống

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong hệ thống

U E

E

E = ∆ đ + ∆ t + ∆

∆

Lượng biến đổi nội năng thực chất là lượng biến đổi nội nhiệt năng:

- Động năng: do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của các phân tử và do các dao

động trong nội bộ phân tử

- Thế năng: do lực tương tác giữa các phân tử

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong hệ thống

Đơn vị:

Kj, kcal, kWh, Btu (Bristish thermal unit), Chu (Centigrade heat unit)

1 kcal = 4,18kJ = 4,18kW.s = 1/861,24 kWh 1Btu = 1,055kJ = 0,55555Chu

Nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ và thể tích riêng

U = f(T, v)Đối với khí lý tưởng: lực tương tác giữa các phân tử được xem bằng không

Æ nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ

Entanpi i?

Khi thực hiện các bài toán về nhiệt động ta thường gặp biểu thức u + pv

Æ Kamerlingh Onnes đặt tên là Entanpi

Với khối chất môi giới khảo sát là 1kg

3 Phương trình trạng thái của khí

9 Khí là tập hợp của vô số các phân tử Ở các điều kiện thực tế, giữa các phân tử đều có một lựctương tác nhất định nào đó và bản thân mỗi phân tử đều có một thể tích nào đó

9 KLT là chất khí thỏa mãn 2 điều kiện sau :

- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 ( v = 0)

- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 ( f = 0)

Ở điều kiện áp suất khá thấp và nhiệt độ khá cao thì khí thực có thể được xem là KLT.

Trong đó :

p : áp suất tuyệt đối, N/m2

V : thể tích khối khí, m3

G : khối lượng khối khí, kg

T : nhiệt độ tuyệt đối, K

Khí lý tưởng?

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng?

) K kg / J (

8314

R R

µ

= µ

9 Hỗn hợp khí lý tưởng

- Các thành phần được trộn lẫn lại theo kiểu cơ học,

- Không xảy ra phản ứng hóa học

- Nếu mỗi thành phần trong hỗn hợp đều có thể được xem là khí lý tưởng thì hỗn hợpđược xem là hỗn hợp khí lý tưởng

Æcó thể sử dụng PTTT của KLT cho trường hợp của hỗn hợp

Ví dụ: không khí có thể được xem là hỗn hợp KLT bao gồm N2, O2, CO2, Ar, hơinước, …

Cần chú ý, mỗi thành phần trong hỗn hợp đều ở nhiệt độ của hỗn hợp và chiếm tòan bộ thể tích của hỗn hợp.

=

= n

1i

i

p p

Định luật Gibbs-Dalton:

“Khi mỗi một thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của

hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân áp suất của các thành phần và nộinăng của hỗn hợp bằng tổng nội năng của các thành phần”

i

U U

pi: áp suất riêng phầnp: áp suất hỗn hợp

Ui: nội năng của các thành phầnU: nội năng của hỗn hợp

=

= n

1i

i

V V

9 Cách biểu diễn thành phần của hỗn hợp

iG G

1 g

n

1 i

iV V

1 r

n

1 i

V

Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri

n

n

G

i i

i

n

n n

n r

i i

i i i

g

g r

Ngoài ra:

9 Xác định một số đại lượng đạc trưng của hỗn hợp

Phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượngTheo thành phần thể tích

1 g

n 1 i

µ

n

1 i

i

i rTheo thành phần khối lượng

1 i

i

G

G M

G M

i n

1 i

i

i GR

T

pV T

V p R

n

1 i

i i

i

i g R G

R

G R

µ

= 8314 R

Thế tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp

G

1

G G

1 G

V G

V v

∑

= ρ

= n1

i

g v

i i n

1 i

i i

n

1 i

i

V

r V

1 V

V

1 V

G V

Khối lượng riêng của hỗn hợp

Phân áp suất của các thành phần

GR

R G p

p GRT

T R

G pV

V

i i

i

R

R pg

Hết chương 1