CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG potx

CHƯƠNG 2ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG... Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:Nhiệt lượng Công và nhiệt lượng trao đổ

CHƯƠNG 2

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:

Nhiệt lượng

Công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới

giới bị thay đổi

Trong hệ thống nhiệt động: công là lượng năng lượng đi

qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó

m N

J Joule ( )  

Example of work crossing the boundary of a system

d x

(b ) (a)

d x

P isto n

2 (a)

A: diện tích pistonp: áp suất của chất môi giớiV: thể tích chất môi giới

Wtt = diện tích (122’1’)

Lực tác động lên bề mặt piston: F = p.ACông tạo nên khi piston dịch chuyển một đoạn dx:

dV p dx

A p dx

F

Biểu diễn trên đồ thị p-v



1

VV

tt p dV W

• Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục.Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục.

• Các thông số trạng thái của chất khí trên cùng một tiết diện ngang là như nhau

const

F

const v

Xét 2 tiết diện (I) và (II) rất gần nhau

ầXét công lưu động mà phần khí giơí hạn giữa chúng sinh ra:

Phần công khối khí phải tao ra để đẩy khối khí phía sau nó :

(p + dp).(F + dF).(  + d)Phần công mà nó nhận được từ khối khí phía trước nó :

dwlđ = d(pv)

Vậy trong một quá trình 1  2 nào đó thì

wlđ = p2v2 – p1v1

Công kỹ thuật

Trong các máy móc thiết bị, khi môi chất tạo ra

được một công dãn nở thì nó phải tiêu tốn một

công lưu động và lượng công còn lại để chúng

Tượng tự, công kỹ thuật cũng phụ thuộc vào quá trình

Dấu của wkt trái với dấu của dp

d p < 0 w kt > 0 : khi dãn nở (áp suất giảm) thì sinh công kỹ thuật.

d p 0 w kt 0 : dã ở (áp suấ g ả ) s cô g ỹ uậ

d p > 0 w kt < 0 : khi nén ép (áp suất tăng) thì nhận công kỹ thuật.

Q > 0 : nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào.

Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt

Đơn vị: Joule (J) ị ( ) Các loại trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

An example showing the difference between heat and work

An example showing the difference between heat and work.

The effects of heat addition to a system that also can give out work.

(Internal Combustion Engine)

Phương pháp tính nhiệt lượng

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropy

δq = Tds

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ

δq = Cdt

 Nhiệt dung riêng ệ g g

δq = Cdt

δq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường

Trong đó :

dt : lượng thay đổi nhiệt độ của chất môi giới

Rõ ràng dq và dt tỷ lệ qua hệ số C, được gọi là nhiệt dung riêng (NDR)

một đơn vị vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó và ngược lại

quá trình nào đó và ngược lại

Phân loại nhiệt dung riêng:

Theo đơn vị đo lường vật chất:

NDR khối lượng C (J/kg độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg)

- NDR khối lượng, C (J/kg.độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg).

- NDR thể tích, C’ (J/m3tc.độ): khi đơn vị đo vật chất là đơn vị thể tích (m3, ở đktc).

- NDR mol, C (J/kmol.độ): khi đơn vị đo vật chất là 1 Kmol.

Giữa 3 loại NDR này có mối quan hệ sau:

C=  C = 22,4.C’

Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất

- NDR đẳng áp C : khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp

- NDR đẳng áp, Cp: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp

Cp, C’p, Cp

- NDR đẳng tích, Cv: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng tích

Cv, C’v, Cv

* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :

C

k C

C

v

Với k: hệ số đoạn nhiệt

- Ở khí thực, giá trị k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất khí

- Ở KLT, k chỉ phụ thuộc bản chất (cấu tạo phân tử) của chất khí.

ố ấ Khí lý tưởng (µc) p , kcal/kmol.độ (µc) v , kcal/kmol.độ k

Khí lý tưởng (µc)p, kJ/kmol.độ (µc)v, kJ/kmol.độ k

Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp?

- Nhiệt lượng dùng để làm cho toàn bộ hỗn hợp biến đổi 1 độ bằng tổng nhiệt lượng dùng để làm cho mỗi thành phần biến đổi 1 độ

vi i vn

n 2

v 2 1

pi i pn

n 2

p 2 1

1

C

1 i

i i

C

Định luật nhiệt động thứ nhất ị ậ ệ ộ g

“ Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi mà chỉ chuyển hóa

từ các dạng năng lượng khác (hay thành những dạng năng lượng khác) Một

lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng dưới các dạng khác và ngược lại “.

Định luật bảo toàn năng lượng

W Q



Với hệ nhiệt động  E   U  U2  U1

Xét một hệ nhiệt động: ộ ệ ệ ộ g

- G kg môi chất,

- Biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 nào đó,

Có ột hiệt l Q th i ( ó thể hậ h ặ ất)

- Có một nhiệt lượng Q tham gia ( có thể nhận hoặc mất),

- Và một công ngoài W tác động vào môi trường ( có thể cho hoặc nhận)

Nếu ở trạng thái 1 và 2, hệ nhiệt động có năng lượng toàn phần tương ứng bằng U1và U2thì:

Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ta có phương trình cân bằng: ị ậ g ợ g p g g

Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ kín ị ậ ệ ộ g g ệ

Do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường:

Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ hở ị ậ ệ ộ g g ệ

Do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường nên môi chất phải tiêu tốn công lưu động và ta chỉ còn có thể sử dụng phần còn lại Tức công ngoài trong trường hợp này

ấ ằxấp xỉ bằng công kỹ thuật

dwkt = -vdpĐối chiếu với dq = di – vdp ta được:q p ợ

dq = di + dwktNếu công kỹ thuật này chỉ làm thay đổi động năng chất môi giới, ta có

2

ddw

2 kt





2

ddidq

2







Đối với khí lý tưởng

Riêng đối với KLT người ta đã chứng minh được

du = C v dT; di = C p dT

Nên các biểu thức viết cho KLT có thêm các dạng sau

dq = Cv.dT + pdv

dq = Cp.dT – vdp

Một ố á t ì h hiệt độ ơ bả ủ khí lý t ở

Một số quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

Mục đích việc khảo sát phần này nhằm:

- Tìm quy luật của quá trình, thể hiện bằng các phương trình quá trình

trình quá trình

- Tìm quan hệ ràng buộc giữa các thông số của quá trình.

- Tính các kết quả về mặt năng lượng khi quá trình xảy ra.

Chú ý: chỉ khảo sát chất môi giới là KLT, các quá trình đều là

cân bằng và đều có tính thuận nghịch.

Qúa trình đa biến

Cn = const Xác định nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng dq = Cn.dT

C

Cn v

Chia vế theo về của đẳng thức trên:

C C

pdv

vdp C

C

C C

v n

C C

v n

const

n pdv

v

n p

1 1

2

p

p v

Chia vế cho vế 2 đẳng thức trên ta có

1

2 1

2 1

v

v p

p T

pT

p T

T

1

2 1

2 1

2

p

pT

2 1

2

v

v v

v T

2

v

vT

1 1

1 tt

v

v11n

vp

1n

R



Với G kg khối khí

 1 1 2 2

tt p V p V

1n

1T

T1n

GRGw

R n

knC

knC







Các quá trình đặc biệt: Phương trình của QTĐB pvn = const hay p1n. v  const

Quá trình đẳng áp

Khi n = 0, ta có p = const, đây là quá trình đẳng áp

1

2 1

2

T

Tv

v 

, p , y q g p

Phương trình : p = const

Quan hệ giữa các thông số :

Công thay đổi thể tích :

w12 = p(v2 – v1), J/kgCông kỹ thuật :

wkt12 = 0Nhiệt của quá trình :

2

Tl



Qp = Gqp = Gcp(t2 – t1), JBiến đổi entropy :

1

2 p

Tlnc

s 



Quá trình đẳng tích

constv

2

T

T p

p 

Quan hệ giữa các thông số:

Công thay đổi thể tích:

w12 = 0Công kỹ thuật:

wkt12 = v(p2 – p1), J/kgNhiệt của quá trình:

qv = c v (t 2 – t 1 ) = u, J/kg

1

2 v 1 2

T

Tlncss

Khi n =1, ta có pv = const nhưng pv = RT  T = const

Quan hệ giữa các thông số :

2

1 1

2

v p

1 12

kt 12

v

vlnvpp

plnRTw

v ln R

s  



do qT = u + w12 = CvT + w12  qT = w12Biến đổi entropy :

2

v ln R

s  



Quá trình đoạn nhiệt

1 n

k n C

k 1

1 k 2

k 1

2 1

1 12

p

p 1 1 k

RT p

p 1 1 k

v p w

Công kỹ thuật : wkt12kt12 =k w1212 Biến đổi entropy : s = 0  s2 = s1 = const

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị p - v

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị T - s