Bài giảng nhiệt kỹ thuật pps

GIỚI THIỆU MÔN HỌC 1. Mục đích môn học: − Trang bị kiến thức về các vấn đề biến đổi năng lượng của vật chất có liên quan đến năng lượng nhiệt. − Ứng dụng có hiệu quả các quy luật biến đổi nhiệt năng vào trong kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của các thiết bị nhiệt. 2. Nội dung môn học: gồm 3 phần − Sự thay đổi các đặc tính cơ bản của vật chất dưới tác dụng của nhiệt năng − Quy luật biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. − Các quá trình nhiệt động xảy ra trong các thiết bị nhiệt. 3. Vị trí môn học: − Là môn học cơ sở quan trọng để nghiên cứu các quá trình và thiết bị có liên quan đến năng lượng nhiệt như động cơ nhiệt, máy lạnh, máy sấy, máy điều hoà không khí, máy chế biến thực phẩm, − Phục vụ rộng rãi cho nhiều ngành kỹ thuật như cơ khí, luyện kim, hoá chất, giao thông vận tải, công nghệ chế biến lương thực, thực phẩm, kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí. − Là một trong những môn học kỹ thuật cơ sở có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong quá trình phát triển kinh tế, kỹ thuật và nâng cao đời sống nhân dân. - 1 - Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.1.1. Thiết bị nhiệt Thiết bị nhiệt là những thiết bị dùng để thực hiện quá trình chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng ở 2 nguồn nhiệt : nguồn nóng có nhiệt độ T 1 và nguồn lạnh có nhiệt độ T 2 . Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt. Động cơ nhiệt là những thiết bị dùng để biến nhiệt năng của nhiên liệu bị đốt cháy thành cơ năng (động cơ đốt trong, động cơ phản lực, tuốc bin ). Máy lạnh là những thiết bị tiêu hao công để truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ thấp (buồng lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao hơn (môi trường ngoài). Bơm nhiệt là những thiết bị sử dụng nhiệt để sưởi ấm, sấy vật ướt. 1.1.2. Hệ thống nhiệt động Hệ nhiệt động là một hoặc nhiều vật thể được tách riêng ra để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài hệ được gọi là môi trường. Bề mặt ranh giới giữa hệ với môi trường có thể là bề mặt thật như vách xilanh hoặc pittông, cũng có thể là bề mặt tưởng tượng, bề mặt ranh giới có thể cố định hoặc di động. Tùy theo điều kiện tách hệ thống ta có thể chia hệ nhiệt động thành nhiều loại: Hệ thống nhiệt động kín là hệ trong đó trọng tâm của hệ không chuyển động hoặc có chuyển động nhưng với vận tốc rất nhỏ mà ta hoàn toàn có thể bỏ qua động năng của nó. Khối lượng của hệ không đổi và môi chất trong hệ không đi qua bề mặt ranh giới giữa hệ và môi trường. Ví dụ: chất khí chứa trong bình kín, hơi nước trong chu trình động lực hơi nứơc của nhà máy nhiệt điện là những hệ thống nhiệt động kín. Hệ thống nhiệt động hở là hệ trong đó trọng tâm của hệ chuyển động, khối lượng của hệ thay đổi và môi chất đi qua bề mặt ranh giới giữa hệ và môi trường. Ví dụ động cơ đốt trong kiểu pittông, tuốc bin, máy nén khí là những hệ thống nhiệt động hở. Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường. Hệ thống nhiệt động cô lập là hệ không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào với môi trường xung quanh. Trong thực tế không tồn tại các hệ nhiệt động hoàn toàn cô lập hoặc hoàn toàn đoạn nhiệt mà chỉ có những trường hợp gần đúng. 1.1.3. Trạng thái nhiệt động Trạng thái của hệ thống nhiệt động là sự tồn tại của hệ ở một thời điểm nhất định. Ở mỗi trạng thái hệ được xác định bằng những đại lượng vật lý nhất định gọi là - 2 - thông số trạng thái. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ thuộc vào quá trình. Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái không có sự tương tác giữa các vật trong hệ và giữa hệ với môi trường. Chỉ có ở trạng thái cân bằng, các thông số trạng thái của hệ mới có giá trị đồng đều tại mọi điểm trong hệ và do đó mới có thể được biểu thị bằng cùng một giá trị. Trong thực tế không tồn tại trạng thái cân bằng tuyệt đối. Tuy nhiên, việc nghiên cứu những trạng thái cân bằng sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu các trạng thái thực tế của hệ thống nhiệt động. 1.1.4. Quá trình nhiệt động Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi trạng thái của hệ một cách liên tục. Quá trình nhiệt động được sinh ra là do có sự trao đổi năng lượng giữa các phần tử thuộc hệ hoặc giữa hệ với môi trường làm cho ít nhất một thông số trạng thái của hệ thay đổi. Quá trình nhiệt động được phân thành: quá trình cân bằng và không cân bằng, quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch Quá trình cân bằng là quá trình được tạo bởi các trạng thái cân bằng. Nói cách khác, quá trình cân bằng là quá trình được tiến hành từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối qua các trạng thái trung gian đều là những trạng thái cân bằng. Quá trình không cân bằng là quá trình được tạo thành bởi các trạng thái mà trong đó ít nhất có một trạng thái không cân bằng. Thực tế không tồn tại các quá trình cân bằng vì khi chuyển từ trạng thái cân bằng trước sang trạng thái cân bằng tiếp theo thì trạng thái cân bằng trước bị phá vỡ, không còn cân bằng. Tuy vậy, nếu quá trình xảy ra một cách vô cùng chậm, có thể coi thông số trạng thái của các điểm thuộc hệ ở cùng một thời điểm là như nhau và à quá trình đó được coi là quá trình cân bằng. Quá trình cân bằng được biểu diễn bằng một đường trên đồ thị. Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng mà khi thực hiện theo chiều ngược lại từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu, hệ sẽ lần lượt đi qua tất cả các trạng thái trung gian mà quá trình thuận đã đi qua (từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối) mà không làm thay đổi trạng thái của hệ và điều kiện môi trường. Quá trình không thuận nghịch là quá trình không thoả mãn với điều kiện của quá trình thuận nghịch. Trong thực tế không tồn tại các quá trình thuận nghịch. Tuy nhiên, trong phạm vi môn học này chỉ nghiên cứu các quá trình thuận nghịch. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc khảo sát các quá trình thực. 1.1.5. Môi chất và các thông số trạng thái Môi chất là chất trung gian để thực hiện quá trình chuyển hóa giữa nhiệt và công trong các thiết bị nhiệt. Môi chất có thể tồn tại ở một trong 3 thể cơ bản: thể rắn, thể lỏng và thể khí. Trong các thiết bị nhiệt thường thấy môi chất tồn tại ở thể khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng trao đổi công lớn. - 3 - Mỗi môi chất đều có những thông số trạng thái sau đây : 1.1.5.1. Thể tích riêng Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng môi chất, ký hiệu v, đơn vị m 3 /kg và được xác định theo công thức : V v =  (m 3 /kg) (1.1) G Với : V(m 3 ) - thể tích của vật; G(kg) - khối lượng của vật. Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng gọi là khối lượng riêng ρ : 1 G ρ =  =  (kg/m 3 ) (1.2) v V 1.1.5.2. Áp suất Áp suất tuyệt đối của một chất khí (hoặc chất lỏng) là lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích bình chứa. Đơn vị đo áp suất là N/m 2 hay còn gọi là Pascal (Pa), bội số của nó là kilopascal (1 kPa = 10 3 Pa), bar (1 bar = 10 5 Pa) và megapascal (1MPa = 10 6 Pa). Ngoài ra trong kỹ thuật còn dùng các đơn vị đo áp suất khác như atmốtphe (at) và chiều cao các cột chất lỏng: mmHg (còn gọi là Torricelli - Tor) và mH 2 O. Quan hệ giữa các đơn vị như sau : 1 at = 0,98bar = 735,6 mmHg = 10 mH 2 O 1 bar = 750mmHg 1 Tor = 133,32 Pa. 1 1 1 1 Pa = 10 -5 bar =  mmH 2 O =  mmHg =  × 10 -5 at 9,81 133,32 0,981 Các qui đổi trên đúng cho trường hợp khi chiều cao cột chất lỏng được đo ở 0 o C. Nếu chiều cao cột chất lỏng đo ở nhiệt độ t ≠ 0 o C cần phải hiệu chỉnh chiều cao cột chất lỏng về 0 o C. Đối với thủy ngân hiệu chỉnh theo công thức : h o = h t (1 - 0,000172t) (1.3) với: h t - chiều cao cột thủy ngân đo được ở nhiệt độ t o C; h o - chiều cao cột thủy ngân quy về 0 o C. Thông thường ở nhiệt độ không lớn ta có thể bỏ qua sự hiệu chỉnh này. Áp suất tuyệt đối được ký hiệu là p, đây là thông số trạng thái và có thể đo trực tiếp được nhưng người ta thường đo gián tiếp thông qua áp suất khí trời (ký hiệu là p kt ) và phần chênh lệch của áp suất tuyệt đối so với áp suất khí trời. Phần áp suất của môi chất lớn hơn áp suất khí trời gọi là áp suất thừa, ký hiệu p t . Phần áp suất của môi chất nhỏ hơn áp suất khí trời gọi là áp suất chân không, ký hiệu p ck . - 4 - p > p kt p kt p t p < p kt p ck Hình 1.1. Biểu thị các loại áp suất Dụng cụ để đo áp suất gọi chung là áp kế. Có nhiều loại áp kế: áp kế chất lỏng, áp kế lò xo Áp kế dùng để đo áp suất khí trời gọi là Barômet, áp kế đo áp suất thừa là Manômet, áp kế đo áp suất chân không gọi là chân không kế. Khi áp suất của môi chất lớn hơn áp suất khí trời nó được tính theo công thức : p = p kt + p t (1.4) Khi áp suất của môi chất nhỏ hơn áp suất khí trời : p = p kt - p ck (1.5) 1.1.5.3. Nhiệt độ Nhiệt độ là thông số biểu thị cho trạng thái nhiệt (mức độ nóng, lạnh) của vật chất. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ biểu thị cho tốc độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử trong nội bộ vật chất. Dụng cụ đo nhiệt độ được gọi là nhiệt kế. Có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau, trong kỹ thuật thường dùng hai loại thang đo nhiệt độ là nhiệt độ bách phân (còn gọi là nhiệt độ Celcius)và nhiệt độ tuyệt đối (hay nhiệt độ Kelvin). Nhiệt độ bách phân (còn gọi là nhiệt độ Celcius) ký hiệu là t, đơn vị o C. Trong đó 0 o C là nhiệt độ của băng đang tan và 100 o C là nhiệt độ của nước sôi ở áp suất 760 mmHg. Từ 0 o C đến 100 o C được chia thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần ứng với 1 o C. Thang nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin), ký hiệu T, đơn vị o K. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động năng chuyển động tịnh tiến trung bình của các phân tử : BT = m 2 2 ω Trong đó: m - khối lượng phân tử; ω - tốc độ chuyển động tịnh tiến trung bình của các phân tử; B - hệ số tỷ lệ. Từ công thức trên ta thấy T = 0 o K khi ω = 0, đó là trạng thái lý tưởng của vật không thể có được, vì vậy 0 o K gọi là không độ lý tưởng. Theo thang nhiệt độ tuyệt đối thì nhiệt độ của băng đang tan là 273,15 0 C , độ không tuyệt đối sẽ bằng - 273,15 o C. Do đó ta có mối liên hệ giữa 2 thang nhiệt độ : T = t + 273,15 (1.6) Ngoài ra, ở một số nước còn sử dụng thang nhiệt độ Farenheit, đơn vị o F và nhiệt độ Rankin ( o R). Trong đó 0 o C tương ứng với 32 o F và 462 o R, 100 o C tương ứng với 212 o F. Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ như biểu diễn trên hình 1.2. Như vậy, độ lớn của 1 0 C và 1 0 K bằng nhau và bằng 1% khoảng cách giữa hai điểm mốc, độ lớn của 1 o F và 1 0 R bằng nhau và bằng 1/180 khoảng cách giữa hai điểm mốc, còn độ lớn của 1 o C và 1 0 F khác nhau và được qui đổi như sau : - 5 - -273 0 - 460 0 tuyệt đối 0 273 32 100 373 212 đá tan nước sôi 0 C 0 K 0 F Hình 1.2. Quan hệ giữa các thang nhiệt độ FC oo 5 9 100 32212 1 = − = Vậy: t 0 C = T 0 K - 273,15 = 9 5 (t 0 F - 32) t 0 F = 5 9 t 0 C + 32 Ví dụ: 30 0 C ứng với 303,15 0 K hoặc 86 0 F 1.1.5.4. Nội năng Nội năng là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật. Theo thuyết động học phân tử, chuyển động của các phân tử khí tạo thành nội động năng. Vận tốc chuyển động của các phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ nên nội động năng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ : u đ = f(T) Mặt khác, vì giữa các phân tử có lực tương tác nên tạo thành một thế năng gọi là nội thế năng. Nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử tức là phụ thuộc vào thể tích riêng v : u t = f(v) Tổng nội động năng và nội thế năng gọi là nội năng của chất khí : u = u đ + u t Ở mỗi trạng thái xác định thì T và v có những trị số xác định nên nội năng u cũng có trị số xác định. Vậy u là hàm của trạng thái và được xác định bằng hai thông số độc lập: u = f(T,v). Riêng đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ là hàm của nhiệt độ : u = f(T) vì khí lý tưởng không có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng 0. Vì trong các quá trình nhiệt động ta chỉ cần biết giá trị biến đổi nội năng ∆u mà không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng nên ta có thể chọn điểm gốc tùy ý mà tại đó nội năng có giá trị bằng 0. Ví dụ, đối với nước theo quy ước quốc tế người ta chọn u 0 = 0 ở điều kiện có áp suất 0,0062 at và nhiệt độ 0,01 o C (điểm ba của nước). 1.1.5.5. Năng lượng đẩy (Thế năng áp suất) Năng lượng đẩy (hay thế năng áp suất), ký hiệu d(J/kg) và D(J). Chúng ta biết rằng khi dòng khí (hoặc chất lỏng) chuyển động thì ngoài động năng và thế năng còn một năng lượng nữa để giúp đẩy khối khí dịch chuyển, đó chính là năng lượng đẩy. Người ta đã chứng minh được năng lượng đẩy có biểu thức: d = p.v ; D = G.d = p.V (1.7) Các biểu thức trên ở dạng vi phân sẽ là : d(d) = d(pv) ; d(D) = d(pV) (1.8) Năng lượng đẩy chỉ có trong hệ hở và cũng là một thông số trạng thái. 1.1.5.6. Entanpi Trong tính toán nhiệt thường gặp biểu thức (u + pv), để đơn giản người ta đặt biểu thức này là i và gọi là entanpi. Đối với 1 kg môi chất ta có: i = u + pv (J/kg) (1.9) Đối với G kg môi chất: I = G.i = U + pV (J) (1.10) - 6 - Vì u, p, v đều là thông số trạng thái nên i cũng là thông số trạng thái. Đơn vị của i cũng như của u và thường chỉ cần tính ∆u nên có thể chọn một trạng thái thích hợp nào đó làm mốc như đối với ∆u. Thường chọn u o = 0 tại điều kiện tiêu chuẩn. 1.1.5.7. Entrôpi Entrôpi cũng là một thông số trạng thái, ký hiệu là s (J/kg. o K) cho 1 kg và S (J/kg o K) cho G kg môi chất, có vi phân được tính theo công thức: ds = T dq (1.11) với dq là nhiệt lượng vô cùng nhỏ trao đổi với môi trường khi nhiệt độ tuyệt đối của môi chất bằng T o K. Entrôpi không đo trực tiếp được. Trong tính toán cũng chỉ cần tính ∆s nên có thể chọn trạng thái mốc bất kỳ, thường lấy cùng mốc để tính u và i. 1.1.5.8. Execgi Execgi của một môi chất ở một trạng thái nào đó là năng lượng có ích tối đa có thể nhận được khi cho môi chất tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài. Đây là một thông số trạng thái tương đối mới, ký hiệu e (J/kg) hoặc E(J). Execgi chỉ là phần năng lượng tối đa có thể sử dụng được trong điều kiện môi trường xung quanh còn phần năng lượng tiềm ẩn trong môi chất nhưng không thể sử dụng được trong điều kiện môi trường xung quanh gọi là anecgi. Execgi cũng không đo trực tiếp được mà phải tính theo công thức: e = (i - i o ) - T(s - s o ) (1.12) E = G.e = (I - I o ) - T(S - S o ) (1.13) Trong đó : i o /I o , T o , s o /S o - entanpi, nhiệt độ tuyệt đối, entrôpi của môi chất ở trạng thái cân bằng với môi trường; i/I, T, s/S - entanpi, nhiệt độ tuyệt đối, entrôpi của môi chất ở trạng thái cần xác định. 1.1.6. Nhiệt dung riêng 1.1.6.1. Khái niệm về nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị môi chất để nâng nhiệt độ của nó lên một độ trong một quá trình nhiệt động nào đó. Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ và áp suất. Thông thường có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất tới nhiệt dung riêng của chất khí vì sự ảnh hưởng này là không đáng kể ở những áp suất không quá lớn. 1.1.6.2. Các loại nhiệt dung riêng Theo sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ có thể phân ra nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình. Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng tại một giá trị nhiệt độ nào đó. Ta có biểu thức: dt dq C = (1.14) - 7 - Từ đó: ∫ = 2 1 t t Cdtq (1.15) Nhiệt dung riêng trung bình là giá trị nhiệt dung riêng trong khoảng nhiệt độ ∆t = t 2 - t 1 nào đó và được tính theo biểu thức: t q tt q CC t t tb ∆ = − == 12 2 1 (1.16) Khi thay biểu thức (1.15) vào (1.16) ta có: ∫ ∆ = 2 1 1 2 1 t t t t Cdt t C (1.17) Theo đơn vị đo lượng môi chất ta có 3 loại nhiệt dung riêng sau: Nhiệt dung riêng khối lượng: Khi đơn vị đo lượng môi chất là kilôgam ta có nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu C, đơn vị đo là J/kg. 0 K. Nhiệt dung riêng thể tích: Nếu đơn vị đo lượng môi chất là mét khối tiêu chuẩn (m 3 tc ) ta có nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu C', đơn vị đo J/m 3 tc . 0 K. Nhiệt dung riêng kilômol: Nếu đơn vị đo lượng khí là kilômol (kmol) thì nhiệt dung riêng được gọi là nhiệt dung riêng kilômol, ký hiệu C µ , đơn vị đo J/kmol. 0 K. Các loại nhiệt dung riêng trên có mối quan hệ với nhau biểu thị bằng các công thức sau: C µ C = (1.18) µ C µ C ' = = C.ρ t c (1.19) 22,4 C µ = µ.C = 22,4.C' (1.20) Theo điều kiện tiến hành quá trình có nhiệt dung riêng đẳng tích và nhiệt dung riêng đẳng áp. Nhiệt dung riêng đẳng tích của môi chất là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị môi chất (1kg, 1m 3 tc hoặc 1kmol) để nâng nhiệt độ của nó lên một độ trong điều kiện thể tích của môi chất không thay đổi. Nhiệt dung riêng đẳng tích được ký hiệu thêm chỉ số v. Vậy có 3 loại nhiệt dung riêng đẳng tích: C v - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích, đơn vị J/kg. 0 K ; C' v - nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích, đơn vị J/m 3 tc . 0 K; C µ v - nhiệt dung riêng kilômol đẳng tích, đơn vị J/kmol. 0 K. - Nhiệt dung riêng đẳng áp của môi chất là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị môi chất (1kg, 1m 3 tc hoặc 1kmol) để nâng nhiệt độ của nó lên một độ trong điều kiện áp suất của môi chất không thay đổi. Nhiệt dung riêng đẳng áp được ký hiệu thêm chỉ số p. Ta cũng có 3 loại nhiệt dung riêng đẳng áp: - 8 - C p - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, đơn vị J/kg. 0 K; C’ p - nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp, đơn vị J/m 3 tc . 0 K; C µ p - nhiệt dung riêng kilômol đẳng áp, đơn vị J/kmol. 0 K. So sánh về tính chất quá trình thì giá trị của nhiệt dung riêng đẳng áp bao giờ cũng lớn hơn nhiệt dung riêng đẳng tích. Đối với khí lý tưởng, quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích được biểu thị bằng công thức Mayer : C p - C v = R (1.21) và : C p  = k (1.22) C v Trong đó: k là số mũ đoạn nhiệt. Đối với khí lý tưởng, trị số k chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử chứa trong một phân tử khí. Khí 1 nguyên tử có k = 1,67, khí 2 nguyên tử có k = 1,4; khí có từ 3 nguyên tử trở lên có k = 1,3. Từ 2 công thức trên có thể rút ra công thức tính C p và C v của khí lý tưởng theo k và R : R C v =  (1.23) k - 1 k C p =  R (1.24) k - 1 1.1.6.3. Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ − Đối với khí lý tưởng, nhiệt dung riêng không phụ thuộc nhiệt độ và được xác định theo bảng sau. Bảng 1. Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí Trị số k Kcal/kmol. 0 K KJ/kmol. 0 K C µ v C µ p C µ v C µ p Khí 1 nguyên tử 1,67 3 5 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 1,4 5 7 20,9 29,3 Khí 3 và nhiều nguyên tử 1,3 7 9 29,3 37,7 Ví dụ 1: Xác định nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích của khí O 2 Áp dụng công thức C v = C µ v /µ Tra bảng 1: O 2 là khí 2 nguyên tử → C µ v = 20,9 kJ/kmol. 0 K; Khối lượng kilômol của O 2 : µ O2 = 32 kg/kmol Vậy: NDR khối lượng đẳng tích của khí O 2 là: C v = 20,9/32 = 0,65 kJ/kg. 0 K Ví dụ 2: Xác định nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khí CO 2 Áp dụng công thức C p = C µ p /µ - 9 - Tra bảng 1: CO 2 là khí 3 nguyên tử → C µ p = 37,7 kJ/kmol. 0 K; Khối lượng kilômol của CO 2 : µ CO2 = 44 kg/kmol Vậy: NDR khối lượng đẳng áp của khí CO 2 là: C p = 37,7/44 = 0,86 kJ/kg. 0 K − Đối với khí thực: NDR phụ thuộc vào nhiệt độ Khi không yêu cầu độ chính cao, có thể coi NDR phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình bậc nhất: C = a o + a 1 t Trong đó: t - nhiệt độ ( 0 C) a o , a 1 - các hệ số xác định bằng thực nghiệm; Khi yêu cầu độ chính xác cao, có thể lấy theo phương trình bậc 2 hoặc cao hơn nữa: Phương trình bậc hai: C = a 0 + a 1 t + a 2 t 2 1.2. NHIỆT VÀ CÔNG Nhiệt và công là hai hình thức thể hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các vật thể trong hệ hoặc giữa hệ với môi trường trong một quá trình nhiệt động. Khi trao đổi năng lượng bằng công thì bao giờ cũng kèm theo một sự thay đổi vĩ mô, còn khi trao đổi năng lượng bằng nhiệt thì bao giờ cũng tồn tại sự chênh lệch về nhiệt độ. 1.2.1. Nhiệt lượng và các phương pháp xác định Khi cho hai vật thể có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau thì năng lượng từ vật nóng sẽ truyền sang vật lạnh. Phần năng lượng được truyền từ vật nóng sang vật lạnh mà không có mặt của công và không làm thay đổi điều kiện môi trường gọi là nhiệt. Quy ước: nhiệt lượng mà vật nhận được là dương, nhiệt lượng vật thải ra là âm. Có nhiều phương pháp tính nhiệt lượng, thường gặp trong kỹ thuật nhiệt là phương pháp tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng và theo sự thay đổi entrôpi. 1.2.1.1. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Từ biểu thức định nghĩa về nhiệt dung riêng (1.22) ta có thể tính được nhiệt lượng cung cấp cho 1 kg khí trong quá trình bất kỳ : dq = Cdt (1.43) Vậy nhiệt lượng tham gia vào một quá trình thay đổi trạng thái của một đơn vị môi chất làm nhiệt độ của nó thay đổi từ t 1 đến t 2 sẽ là : ∫ ∫ == 2 1 12 2 1 t t Cdtdqq (1.44) Tùy theo quan hệ giữa nhiệt dung riêng C và nhiệt độ t mà ta tính q 12 : Nếu coi nhiệt dung riêng là hằng số C = const, ta được : q 12 = C (t 2 - t 1 ) (1.45) - 10 - [...]... phần rất nhỏ so với công kỹ thuật Vậy từ (1.63) đối với các loại thiết bị kỹ thuật này ta có: ln = lkt (1.64) Biểu thức (1.64) cho thấy ý nghĩa của công kỹ thuật, đó là công hữu ích lấy ra được từ dòng khí (hệ hở) thông qua một thiết bị kỹ thuật (turbin, ) 1.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.3.1 Phương trình định luật nhiệt động I 1.3.1.1 Dạng tổng quát của phương trình định luật nhiệt động I Giả sử môi... Hình 1.3 Xác định nhiệt lượng trên đồ thị T-s 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 kỹ thuật thường gặp các loại công: công giãn nở, công lưu động, công kỹ thuật và ngoại công - 11 - 1.2.2.1 Công thay đổi thể tích Công thay đổi thể tích là công do môi chất thực hiện khi có sự thay đổi thể tích của hệ Xét một hệ nhiệt động gồm 1 kg... số âm nếu áp suất trong quá trình tăng (dp > 0) Trên đồ thị p - v, công kỹ thuật của 1 kg dòng khí được biểu thị bằng diện tích 12p2p1 (hình 1.6) Từ đồ thị cho thấy công p2 2 kỹ thuật là hàm số của quá trình và chỉ có trong hệ hở 0 v 1.2.2.4 Công ngoài Hình 1.6 Đồ thị xác định Công ngoài là phần công mà hệ trao đổi với công kỹ thuật môi trường, ký hiệu ln (J/kg) hoặc L(J) Đây chính là công có ích mà... dlld = d(pv) (1.53) Vậy lld là một thông số trạng thái 1.2.2.3 Công kỹ thuật Công kỹ thuật là công của dòng môi chất chuyển động (hệ hở) thực hiện được khi áp suất của môi chất thay đổi, ký hiệu lkt (J/kg) hoặc Lkt (J), và được định nghĩa bằng biểu thức: dlkt = - vdp (1.54) 1 1 Từ đó: p2 p p1 lkt = ∫ dl kt = ∫ − vdp (1.55) 1 p1 Công kỹ thuật có trị số dương nếu áp suất trong quá trình giảm (dp < 0) và... Từ đó: (1.62) 2 ω 2 − ω 22 l n = l kt + 1 + g (h1 − h2 ) (1.63) 2 Biểu thức (1.63) cho thấy rằng công ngoài của hệ hở là tổng công kỹ thuật (do giảm áp suất của môi chất trong hệ), công do sự giảm ngoại động năng (giảm tốc độ của dòng khí) và giảm ngoại thế năng Trong kỹ thuật, ví dụ đối với turbin hoặc máy nén, dòng khí (hoặc hơi) chuyển động qua turbin hoặc máy nén là hệ hở Công của turbin hoặc máy...Nếu coi nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ bậc nhất C = a 0 + a1t thì : t +t   q12 =  a0 + a1 1 2 ( t 2 − t1 ) (1.46) 2   Thực tế tính toán thường lấy nhiệt dung riêng trung bình theo công thức (1.27) Khi đó ta có : t2 q12 = C (t2 - t1) (1.47) t1 t2 Hoặc : q12 = t1 ∫ Cdt − ∫ Cdt 0 (1.48) 0 t2 t1 = C t 2 - C t1 0 0 1.2.1.2 Tính nhiệt lượng theo entrôpi Từ biểu... trình định luật nhiệt động I đúng cho hệ hở vì công kỹ thuật chỉ có trong hệ hở Bây giờ nếu thay dl kt = -vdp vào (1.73) ta sẽ có biểu thức (1.71): dq = di - vdp Ngược lại, nếu trong biểu thức trên thay i = u + pv hay di = du + pdv ta lại có biểu thức (1.70): dq = du + pdv + vdp - vdp = du + pdv Vậy ta đã chứng minh được rằng các dạng (1.69), (1.70) và (1.71) của phương trình định luật nhiệt động I đúng... trong những cách phát biểu của định luật nhiệt động I: " Giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác như cơ năng, điện năng, có thể chuyển hoá lẫn nhau và khi một lượng nhiệt năng xác định bị tiêu hao tất sẽ được một lượng xác định năng lượng khác tương ứng, còn tổng năng lượng của môi chất không thay đổi " Định luật này là cơ sở quan trọng để xây dựng lý thuyết môn nhiệt động học - 16 - ... giá trị rất nhỏ so với nội động năng và entanpi nên thường được bỏ qua ( g∆h ≈ 0) Vậy phương trình định luật nhiệt động I cho dòng khí sẽ là: q = ∆w = ∆i + q = ∆i + ∆ω 2 2 (1.76) ω2 dq = di + d( ) (1.77) 2 Chú ý: Phương trình (1.71) vẫn đúng cho dòng khí chuyển động với điều kiện trong công kỹ thuật dlkt = - vdp không có thành phần công ngoài (dln = 0, ln = 0) 1.3.2 Phát biểu định luật Nội dung của định... ta có các dạng phương trình định luật nhiệt động I dùng cho hệ kín và hệ hở của khí lý tưởng: dq = CvdT + pdv (1.74) dq = CpdT - vdp (1.75) 1.3.1.3 Phương trình định luật nhiệt động I viết cho dòng khí hoặc hơi Dòng khí chuyển động trong các ống dẫn là một hệ hở khi không thực hiện công ngoài với môi trường (ln = 0) Từ dạng tổng quát của phương trình định luật nhiệt động I (1.68) và theo (1.75) ta . cụ đo nhiệt độ được gọi là nhiệt kế. Có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau, trong kỹ thuật thường dùng hai loại thang đo nhiệt độ là nhiệt độ bách phân (còn gọi là nhiệt độ Celcius)và nhiệt. gọi là nhiệt. Quy ước: nhiệt lượng mà vật nhận được là dương, nhiệt lượng vật thải ra là âm. Có nhiều phương pháp tính nhiệt lượng, thường gặp trong kỹ thuật nhiệt là phương pháp tính nhiệt. lớn. 1.1.6.2. Các loại nhiệt dung riêng Theo sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ có thể phân ra nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình. Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng