Nhiệt động học kỹ thuật P3 doc

- 4 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. THIẾT BỊ NHIỆT Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt. Động cơ nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt nă ng thành cơ năng. Máy lạnh và bơm nhiệt có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : nhiệt từ vật cần làm lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển hoặc phòng cần làm ấm). Để thực hiện chức năng đó, máy lạnh phải được cung cấp công hoặc nhiệt từ bên ngoài. 1 3 4 2 Q out Q in W out High-temperature reservoir (T 1 ) High-temperature reservoir (T 1 ) Low-temperature reservoir (T 2 ) Heat Engine Q out Q in W out H. 1.1-1. Nguyên lý hoạt động của turbine hơi nước 1- Nồi hơi, 2- Turbine, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Bơm nước 13 4 2 Q out Q in W in Low-temperature reservoir (T 2 ) Refrigerator Q out Q in W in H. 1.1-2. Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi 1- Giàn lạnh, 2- Máy nén, 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu - 5 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.2. HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh. Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ. Hệ nhiệt độ ng được phân loại như sau : Rigid vessel System boundaries Water vapor Liquid water Cylinder System boundaries Gases Piston Electrical power in Water pump a) b) c) H. 1.2-1. Hê nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở • Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. • Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. • Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh. - 6 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.3. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHÂT CÔNG TÁC Môi chất công tác (MCCT) được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thông số trạng thái của MCCT là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của MCCT. Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái trong đó các thông số trạng thái của HNĐ có giá trị như nhau trong toàn bộ HNĐ và không đổi theo thời gian nếu như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường xung quanh. Ngược lại, trạng thái khi các thông số trạng thái có giá trị khác nhau trong HNĐ được gọi là trạng thái không cân bằng. Trạng thái của MCCT được biểu diễn bằng một điểm trên hệ trục tọa độ trạng thái gồm các trục là các thông số trạng thái độc lập bất kỳ. Trạng thái cân bằng của HNĐ đơn chất, một pha được xác định khi biế t hai thông số trạng thái độc lập bất kỳ. 1.3.1. NHIỆT ĐỘ • Khái niệm Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử . 2 . 3 m kT µ ω ⋅ = (1.3-1) trong đó : m µ - khối lượng phân tử ; ω - vận tốc trung bình của các phân tử ; k - hằng số Bonzman , k = 1,3805 . 10 5 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối • Nhiệt kế Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v. H. 1.3-1. Nhiệt kế • Thang nhiệt độ 1) Thang nhiệt độ ( 0 C) - (Anders Celsius - 1701-1744) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736) . 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 ). 4) Thang nhiệt độ Rankine (0R) - 7 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 )32( 9 5 00 −= FC ; 273 0 −= KC 32 5 9 00 +⋅= CF ; 273 0 += CK KR 5 9 0 = ; RK 0 9 5 = 0 R = 0 F + 459,67 1.3.2. ÁP SUẤT • Khái niệm Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa. A F p = Theo thuyết động học phân tử : 2 3 m pn µ ω α ⋅ =⋅⋅ (1.3-2) trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử. • Đơn vị áp suất 1) N/m 2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H 2 O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) at Pa mm H 2 O mm Hg (at 0 0 C) 1 at 1 9,80665.10 4 1.10 4 735,559 1 Pa 1,01972.10 -5 1 0,101972 7,50062.10 -3 1 mm H 2 O 1.10 -4 9,80665 1 73,5559.10 -3 1 mm Hg 1,35951.10 -3 133,322 13,5951 1 1 atm = 760 mm Hg (at 0 0 C) = 10,13 . 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft 2 ) 1 at = 2049 psf 1 psi (lbf/in 2 ) = 144 psf = 6894,8 Pa 1lbf/ft 2 (psf) = 47,88 Pa - 8 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 • Phân loại áp suất 1) Áp suất khí quyển (p 0 ) - áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất. 2) Áp suất dư (p d ) - áp suất của lưu chất so với môi trường xung quanh p d = p - p 0 3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d + p 0 4) Độ chân không (p ck ) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển. p ck = p 0 - p p p 0 p d p p 0 p ck H. 1.3-2. Các loại áp suất • Áp kế p p d p 0 p 0 Hg Vacuum a) b) H. 1.3-3. Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0 C. h 0 = h (1 - 0,000172. t) (1.3-3) trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [ 0 C] ; h 0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0 C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0 C. - 9 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.3.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG • Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó : m V v = [m 3 /kg] • Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó : V m = ρ [kg/m 3 ] 1.3.4. NỘI NĂNG Nội nhiệt năng (U) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng. Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (U d ) và nội thế năng (U p ). Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng : U = U (T, v) Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức : du = c v . dT ∆u = u 2 - u 1 = c v . ∆T 1.3.5. ENTHALPY Enthalpy (I) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : VpUI ⋅+ = Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng thay đổi enthalpy của khí lý tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu thức : di = c p . dT ∆i = i 2 - i 1 = c p . ∆T 1.3.6. ENTROPY Entropy (S) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức : dQ dS T = [J/ 0 K] - 10 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.4. CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG 1.4.1. NGOẠI THẾ NĂNG (E p ) - là năng lượng có được do vị trí của vật. H. 1.4-1 h G zGzgmE P ⋅ = ⋅⋅= trong đó : m - khối lượng [kg] ; g - gia tốc trọng trường, [m/s 2 ] ; z - độ cao so với mặt phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N]. 1.4.2. NGOẠI ĐỘNG NĂNG (E k ) - là năng lượng có được do chuyển động vĩ mô của vật. 2 2 ω ⋅= mE K ; trong đó ω là vận tốc của vật. 1.4.3. NỘI NHIỆT NĂNG (U) - (xem 1.3.4). 1.4.4. HÓA NĂNG (E C ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. 1.4.5. NGUYÊN TỬ NĂNG (E A ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các hạt tạo nên hạt nhân của nguyên tử. 1.4.6. ĐIỆN NĂNG (E E ) - dạng năng lượng được truyền vào hoặc ra khỏi vật nhờ hệ thống điện. 1.4.7. NHIỆT NĂNG 1.4.7.1. KHÁI NIỆM Nhiệt năng là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ. Đơn vị đo nhiệt năng : 1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiệt để làm nhiệt độ của 1 gram nước tă ng từ 14.5 0 C đến 15.5 0 C. 2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.5 0 F lên 60.5 0 F. 3) Joule (J) - 1 [J] 1 Ca = 4.187 J 1 Btu = 252 Ca = 1055 J - 11 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 Q c) Q b) Sun Q a) Earth H. 1.4-2. Các hình thức truyền nhiệt 1.4.7.2. NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0 . dt dQ C = [J/deg] (1.4-1) Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0 . • Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất : 1) Nhiệt dung riêng khối lượng : C c m = [J/kg .deg] (1.4-2a) 2) Nhiệt dung riêng thể tích : tc V C c = ' [J/m 3 t c .deg] (1.4-2b) 3) Nhiệt dung riêng mol : N C c = µ [J/kmol .deg] (1.4-2c) µ µ c vcc tc =⋅= ' ; 4,22 ' µ c v c c tc == (1.4-3) • Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động : 1) NDR đẳng tích : c v , c' v , c µ . 2) NDR đẳng áp : c p , c' p , c µ . • Công thức Maye : c p - c v = R (1.4-4a) c µp - c µv = R µ = 8314 [J/kmol. deg] (1.4-4b) • Chỉ số đoạn nhiệt : v p c c k = (1.4-5) Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ. Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí. - 12 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 • Quan hệ giữa c, k và R : Từ (1.4-4) và (1.4-5) ta có : R k c v ⋅ − = 1 1 ; R k k c p ⋅ − = 1 (1.4-6) • Nhiệt dung riêng của khí thực : NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động : c = f(T, p, Quá trình). Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau : c = a 0 + a 1 . t + a 2 . t 2 + + a n . t n (1.4-7) • Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng : NDR của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. • Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí ; ; (1.4-8) ∑ = ⋅= n i ii cgc 1 ∑ = ⋅= n i ii crc 1 '' ∑ = ⋅= n i ii crc 1 µµ Bảng 1.4-1. Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí k c µ v [kJ/kmol. deg] c µ p [kJ/kmol. deg] Khí 1 nguyên tử 1,6 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 1,4 20,9 29,3 Khí nhiều nguyên tử 1,3 29,3 37,4 1.4.7.2. TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH Khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t, có thể tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t 2 như sau : • NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t : (1.4-9) 001 | t caa=+⋅t • Theo định nghĩa NDR : dq c dt = • Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2 : (1.4-10a) () 2 22 11 1 21 || t tt tt t qcdtct=⋅= ⋅− ∫ t - 13 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 • Mặt khác có thể viết : ( ) () 00 1 0 2 000 12122 1 −⋅−−⋅=−= tctcqqq ttttt t 1 0 2 0 12 tctc tt ⋅−⋅= (1.4-10b) • Từ (1.4-10a) và (1.4-10b) ta có : () 21 2 1 21 00 0121 21 tt t t ctct caa tt ⋅− ⋅ ==+⋅ − tt+ (1.4-11) 1.4.7.3. CÁC CÁCH TÍNH NHIỆT LƯỢNG 1) Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng (1.4-12a) () 12 2 1 2 1 | ttcdtcq t t t t −⋅=⋅= ∫ 2) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 1 q = ∆u + w (1.4-12b) 3) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 2 (1.4-12c) ∫ ⋅= 2 1 s s dsTq 1.4.7.4. ĐỒ THỊ NHIỆT s 1 2 0 T T s 4 3 0 Q 3-4 = Q out ( - ) Q 1-2 = Q in ( + ) Đồ thị nhiệt là đồ thị biểu diễn quá trình nhiệt động trên hệ trục tọa độ T - s. Trên đồ thị nhiệt, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện nhiệt lượng tham gia trong quá trình. Nhiệt năng không phải là thông số trạng thái của MCCT. Lượng nhiệt cấp cho MCCT phụ thuộc vào đường đi của quá trình. Qui ước : Nhiệt truyền vào HNĐ mang dấu (+), nhiệt do HNĐ nhả ra mang dấu (-). H. 1.4-3. Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị nhiệt [...]... thể tích (W) - còn gọi là công cơ học - là công do MCCT sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của HNĐ Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức : dw = p dv w= v2 ∫ p ⋅ dv v1 2) Công kỹ thuật (Wkt) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức... chân không kế thủy ngân nối với bình chứa là pck = 420 mm khi nhiệt độ thủy ngân trong chân không kế là tck = 20 0C Áp suất khí trời theo barometer thủy ngân là p0 = 768 mm ở nhiệt độ t0 = 18 0C Xác định áp suất tuyệt đối (p) trong bình theo at và bar ? Bài tập 1.5 : Nhiệt dung riêng trung bình đẳng tích và đẳng áp của khí N2 trong khoảng nhiệt độ 00C ÷ 1500 0C được biểu diễn bằng các biểu thức sau... 180 mm Hg Áp suất ngoài trời là 750 mm Hg ở nhiệt độ 30 0C Xác định áp suất tuyệt đối của bình đo áp suất Bài tập 1.3 : Một bình kín có thể tích V = 625 dm3 chứa oxy có áp suất tuyệt đối p = 23 bar và nhiệt độ t = 280 0C Áp suất khí quyển p0 = 750 mmHg ở 0 0C Xác định : 1) Áp suất dư của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [N/m2], [mmHg], [mmH2O], [at] ? 2) Nhiệt độ của oxy tính theo 0F, 0R và K ? 3)... Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị công Assoc Prof Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 - 16 - BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài tập 1.1 : Áp suất của không khí trong bình có khả năng đỡ cột thủy ngân cao 500 mm (HBT.1-1) Xác định áp suất tuyệt đối trong bình Biết rằng áp suất khí quyển bằng 95 kPa, khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,6.103 kg/m3 Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều... đổi Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức : dwkt = - v dp p2 wkt = − ∫ v ⋅ dp p1 1.4.8.2 ĐỒ THỊ CÔNG p 1 W1-2 = Wout (+) 2 0 V p 4 0 W3-4 = Win (-) 3 Đồ thị công là đồ thị biểu diễn quá trình nhiệt động trên hệ trục tọa độ p - V Trên đồ thị công, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện công do HNĐ sinh... Công - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình biến đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng Về trị số, công bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển W = (F cosθ) S F θ S H 1.4-4 a) b) p F c) d) F H 1.4-5 Các hình thức thực hiện công Đơn vị Công là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng lượng Đơn vị... 1500 0C được biểu diễn bằng các biểu thức sau : cv |t0 = 0,7272 + 0,00008855 t c p |t0 = 1,0240 + 0,00008855 t [kJ/kg.deg] [kJ/kg.deg] Xác định NDR trung bình đẳng tích và đẳng áp của N2 trong khoảng nhiệt độ từ t1 = 200 0C đến t2 = 800 0C ? Assoc Prof Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 . THIẾT BỊ NHIỆT Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt. Động cơ nhiệt. (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt nă ng thành cơ năng. Máy lạnh và bơm nhiệt có chức năng chuyển nhiệt năng. trạng thái độc lập bất kỳ. 1.3.1. NHIỆT ĐỘ • Khái niệm Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử