Khái niệm chung về đông lực học pot

Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp - - Khái niệm chung đông lực học Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp BÀI KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC Nhiệt động học môn khoa học nghiên cứu quy luật biến đổi lượng trình vật lý, hố lý khác nhau, chủ yếu trình biến đổi nhiệt Những sỡ nhiệt động học phát minh từ kỹ XIX xuất động nhiệt Nhiệt động học xây dưng hai sở hai định luật thứ nhât định luật thứ hai nhiệt động học Định luật thứ thực chất định luật bảo tồn chuyển hố luợng ứng dung phạm vi nhiệt, đặt trưng mặt số lượng trình biến đổi năg lượng Định luật thứ hai xác định chiều hướng tiến hành trìnhtrong tự nhiên, điều kiện vàmức độ biến hoá củanăng lượng, cụ thể biến háo giai nhiệt cơng, đặt trưng cho mặt chất lượng của trình biến đổi lượng 1.2 CÁC KHÁI NIỆM VỀ Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG: 1.2.1.Cơng nhiệt lượng Khi vật tác động lẫn nhau, chúng trao đổi cho lượng Sự truyền lượng thực hai cách Thực công vật vật Lúc lượng vật tăng lên lượng lưọng vật Công nhiệt động kỹ thuật kí hiệu L qui ước công vật sinh dương, vá ngược lai công vật nhận công âm Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh chúng tiếp xúc trực tiếp với Năng lượng trao đổi dạng gọi nhiệt lượng Nhiệt lượng nhiệt động kỹ thuật ký hiệu Q qui ước nhiệt lượng vật nhận đươc nhiệt dương vật nhả âm Đơn vị đo công niệt lượng Joul (J), trước lượng đo đơn vịlà calo (cal), giửa cal va J có quan hệ sau: 1cal= 4,1868 J 1.2.2.Hệ nhiệt động Tập hợp tất vật có trao đổi nhiệt lẫn với mơi trường xung quanh gọi hệ nhiệt động Nếu hệ nhệt động khong trao đổi nhiệt với môi trương xung quanh gọi hệ đoạn nhiệt Hệ không trao đổi nhiệt công với môi trường xung quanh gọi hệ cô lập 1.2.3.Động nhiệt, bơm nhiệt máy lạnh Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp Động bơm nhiệt: loại máy nhận nhiệt sinh cơng Các máy nhận nhiệt từ nguồn nóng để biến phần nhiệt lượng thành công nhả phần nhiệt cịn lại cho nguồn lạnh Ví dụ động đốt trong, động phản lực, thiết bị động lực nước Bơm nhiệt máy lạnh: vế nguyên lý bơm nhiệt máy lạnh giống Các máy nhận công từ bên ngồi để chuyển nhiệt lượng từ mơi trường có nhiệt độ thấp đến mơi trường có nhiệt độ cao Như mục đích bơm nhiệt va máy lạnh có khác Về bơm nhiệt người ta quan tâm đến nhiệt lượng mà nguồn nóng nhận được, máy lạnh ngưới ta quan tâm lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh 1.2.4.Chất môi giới trạng thái chất mơi giới Để thực q trình chuyển hố giửa nhiệt công chuyển tải lượng hệ nhiệt động người ta phải dùng chất trung gian gọi chất môi giới Chất môi giới thường gặp kỹ thuật dạng khí hoặt hơi, ví thể khí có khả thay đổi thể tích lớn có khả sinh cơng lớn Ở điều kiện khác chất môi giới có trạng thái khác nhaubiểu thị đại lượng vật lý thường đặt trưng nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích riêng (v) Các thơng số dùng để xác định trang thái chất môi giới gọi thông số trạng thái Ở trang thái xác định thơng sốtrạng thái có giá trị xác định Ở trạng thái mà thơng số trạng thái có giá trị giống điểm tồn khối khí thí ta gọi trạng thaí cân bằng, ngược lại ta gọi trạng thái không cân 1.2.5.Các thông số trạng thái chất môi giới a Áp suất Áp suất lực tác dụng vật chất lên đơn vị diện tích thành bình chứa Áp suất ký hiệu P, đơn vị N/m2 P= F N = S m ( 1.1) Khi ta đặt vật rắn lên diện tích áp suất phân đường diện tích Khi ta chứa nước bình áp suất đáy bình áp suất thành bên giảm dần theo chiều cao cột nước Khi nén khí (hoặc hơi) vào bình kín, tác dụng lên phía bình với giá trị áp suất giống Trong kỹ thuật có số khái niệm áp suất sau: áp suất khí quyển, áp suất chân không, áp suất dư áp suất tuyệt đối Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp p Pd (áp suất dư) Ptd (as tuyệt đối) Pck as chân không P0 (as khí quyển) • Áp suất khí (P0): đo Barometer atm vật lý biểu thị qua cột thuỷ ngân Baromer cao 760mmHg, diện tích ống đo 1cm (Baromer đặt mặt nứơc biển 0oC) Trọng lượng thủy ngân: 13,6x0,076 = 1,033kg Vậy áp suất khí Po = atm = 1,033 kg/cm3 (atmosphe vật lý) • Áp suất chân không (Pck): áp suất đo Vacummeter, Trị số áp kế nhỏ áp suất khí Pck < Po • Áp suất dư (Pd): áp suất đo Manometer, trị số áp kế lớn áp suất khí Pd > Po • Áp suất tuyệt đối: khơng đo đạt mà tính tốn đựơc từ áp suất khí quyển, áp suất chân không Ptd = Po + Pd Ptd = Po – Pck b Nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý, biểu thị mức độ nóng lạnh vật chất Nhiệt độ mức độ vận động rung động trung bình phân tử nội vật chất thời điểm Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,15 oC tất rung động phân tử biến Nhiệt độ t = -273.15oC gọi “nhiệt độ không tuyệt đối” Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng nhiệt độ bách phân (Celcius) nhiệt độ Kelvin oK làm đơn vị đo nhiệt độ • Thang nhiệt độ Celcius xây dựng sở lấy điểm nước đá tan oC nước sôi 100oC điều kiện chuẩn (P = 1atm = 760mmHg) • Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiệt độ Kelvin oK oK ứng với nhiệt độ không tuyệt đối 0oK = -273.15oC Do đó: T0K = toC +273.15 • Hệ đơn vị Anh – Mỹ sử dụng nhiệt độ Fahrenheit ( oF) Quan hệ nhiệt độ t oF toC sau: o toC = 5/9(toF – 32) toF = 32 + 9/5toC • Thể tích riêng Một khí có khối lượng G kg chống thể tích V m3, thể tích riêng cùa khối khí đươc định nghĩa sau: Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp V v= m3/ kg G G Ta có khối lượng riêng là: ρ = = kg/m3 ( 1.2 ) V v 1.3 KHÍ LÝ TƯỞNG ,PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 1.3.1.Định nghĩa khí lí tưởng Một chất khí tập hợp vô số phần tử, phân tử ln có lực tương tác, thân phân tử có thể tích định Nhưng chất khí ta bỏ qua lực tương tác phân tử bỏ qua thể tích thân chúng gọi khí lí tưởng 1.3.2.Phương trình trạng thái khí lí tưởng • phương trình viết cho kg pv = RT ( 1.3 ) • Phương trình viết cho kilomol khí pVm = RmT = 8314 T Trong đó: Vm : Thể tích kilomol Rm = 8314 J/kmol.0 K Vm = n m (m3/kmol) 1.4.CÁC Q TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG: 1.4.1.Q trình đẳng tích Q trình đẳng tích q trình xảy thể tích khơng thay đổi V = Const + Quan hệ nhiệt độ áp suất T2 p = T1 p1 ( 1.4 ) + Cơng thay đổi thể tích l12 = + Cơng kỹ thuật lkt = -í(p2 – p1) = í(p1 – p2) + Nhiệt trình 1.4.2.Quá trình đẳng áp Quá trình đẳng áp trình xảy áp suất không thay đổi p = const số mũ đa biến n = 0, nhiệt dung riêng q trình Cp Trong q trình có quan hệ sau + Quan hệ nhiệt độ thể tích: T2 T1 ν ν =2 (1.5 ) + Cơng thay đổi thể tích: l12 = p(n2 – n1) + Công kỹ thuật lkt = 1.4.3 Quá trình đẳng nhiệt Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Cơng Nghiệp Q trình đẳng nhiệt q trình xảy nhiệt độ q trình khơng thay đổi T = Const số mũ đa biến n = Nhiệt dung riêng trình C = ¥ Trong q trình có quan hệ sau: + Quan hệ áp suất thể tích p2 p1 v =1 v2 (1.6 ) + Công thay đổi thể tích cơng kỹ thuật l12 = l kt = RT ln v2 p = RT ln (1.7) v1 p2 1.4.4 Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt q trình xảy khơng khí trao đổi nhiệt với môi trường q = dq = 0, số mũ đa biến n = k, Entropi q trình khơng đổi S = const nhiệt dung riêng trình C = Trong trình ta có quan hệ sau: + Quan hệ nhiệt độ, áp suất thể tích p v1 = p1 v (1.8 ) 1.4.5 Quá trình đa biến Quá trình đa biến trình xảy nhiệt dung riêng q trình khơng đổi C n = Const xác định biểu thức C n = Cv n−k n −1 ( 1.9 ) Trong q trình ta có quan hệ sau: + Quan hệ nhiệt độ, áp suất thể tích p  v1  =  p1  v    n ( 1.10 ) 1.5 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.5.1.Định luật nhiệt động học a Phát Biểu: Định luật nhiệt động thứ thực chất định luật bảo toàn chuyển hoá lượng ứng dụng cho tượng nhiệt phát biểu sau: Năng lượng khơng khơng tự sinh ra, biến đổi từ dạng sang dạng khác q trình vật lý hố học khác Nói cách khác, tổng số dạng lượng hệ cô lập không đổi Trong phạm vi nhiệt động, lượng nhiệt sinh lượng xác định ngược lại Định luật nhiệt động1 phát biểu: Nhiệt lượng cấp vào cho hệ phần dùng để thay đổi nội năng, phần dùng để sinh công: dq = du + dl (1.11 ) Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp - ý nghĩa định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động cho phép ta viết phương trình cân lượng cho trình nhiệt động b.Các dạng biểu thức định luật nhiệt động Định luật nhiệt động viết nhiều dạng khác sau: Trong trường hợp tổng quát: dq = du + dl (1-12) Đối với kg môi chất: ∆q = ∆u + l (1-13) Đối với G kg môi chất: ∆Q = ∆U + L (1-14) c.Nội chất khí Bất kỳ hệ nhiệt động bao gồm nhiều vật tác dụng lên có lượng tổng E Năng lượng tổng bao gồm động toàn hệ E đ đặc trưng cho chuyển động toàn hệ, toàn hệ E t đặc trưng cho vị trí tồn hệ trường lực ( ví dụ trọng trường, điện trường….) nội toàn hệ đặt trưng cho lượng phân tử nhỏ bé cấu tạo nên vật Nội bao gồm hai thành phần chính: • Nội động Uđ: động chuyển động tịnh tiến chuyển động quay phân tử lượng dao dộng nguyên phân tử Theo thuyết động học phân tử, nội động phụ thuộc vào nhiệt độ tăng lên nhiệt độ tăng • Nội Ut: thề lực liên kết giửa phân tử Nội phụ thuộc vào khoảng cách giửa phân tử, nghỉa phụ thuộc vào thể tích riêng khối khí Khi thể tích riêng củakhối khí thay đổi, khoảng cách giửa phân tử thay đổi, nội Ut thay đổi 1.5.2 Định luật nhiệt động học 1.5.2.1.Một vài cách phát biểu định luật nhiệt động - Nhiệt lượng khơng thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao Muốn thực trình phải tiêu tốn phần lượng bên ngồi (chu trình ngược chiều) - Khi nhiệt độ T1 = T2 = T hiệu suất ηct = 0, nghĩa nhận công từ nguồn nhiệt Muốn biến nhiệt thành công động nhiệt phải làm việc theo chu trình với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác Trong nguồn cấp nhiệt cho mơi chất nguồn nhận nhiệt mơi chất nhả Điều có nghĩa khơng thể biến đổi tồn nhiệt nhận từ nguồn nóng thành cơng hồn tồn, mà ln phải đị lượng nhiệt thải cho nguồn lạnh Có thể thấy điều vì: T1 < ∞ T2 > 0, η ct < ηctCarno < 1, nghĩa khơng thể biến hồn tồn nhiệt thành cơng - Chu trình Carnot chu trình có hiệu suất cao nhất, Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Cơng Nghiệp - Hiệu suất nhiệt chu trình khơng thuận nghịch nhỏ hiệu suất nhiệt chu trình thuận nghịch ΗKTN < ηTN 1.5.2.2.Chu trình carnot: a.khái niệm định nghĩa chu trình nhiệt động: Khái niệm chung Trong chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành cơng cần có mơi chất để làm chất tải nhiệt cho môi chất dãn nở để sinh công Mơi chất dãn nở kích thước thiết bị có hạn Vì vậy, cho mơi chất dãn nở đến trạng thái đó, người ta lại nén mơi chất để trở lại trạng thái ban đầu tiếp tục cho dãn nở nén lặp lại lần đầu, trình lặp lặp lại Khi môi chất thay đổi trạng thái cách liên tục lại trở trạng thái ban đầu, ta nói mơi chất thực chu trình hay q trình kín Hình 1-1 đồ thị p-v chu trình Hình 1-2 đồ thị p-v chu trình carnot thuận nghịch thuận chiều carnot thuận nghịch ngợc chiều * Trên đồ thị trạng thái, chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ gọi chu trình thuận chiều (hình 1-1) chu trình mơi chất nhận nhiệt sinh cơng, nên cơng có dấu dương (1 >0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình gọi động nhiệt * Nếu chu trình tiến hành theo chiều ngược chiều kim đồng hồ gọi chu trình ngược chiều (hình 1-2 ) chu trình mơi chất tiêu hao cơng nhận lượng khác, cơng có dấu âm (1 < 0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình gọi máy lạnh bơm nhiệt b.Chu trình thuận nghịch khơng thuận nghịch Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Cơng Nghiệp Cơng chu trình cơng mà mơi chất sinh nhận vào thực chu trình Cơng chu trình ký hiệu L tính cho 1kg mơi chất Theo định luật nhiệt động q = ∆u + l, mà ∆u = 0, nên chu trình ta ln có: (1-15) c Chu trình thuận chiều * Định nghĩa: Chu trình thuận chiều chu trình mà mơi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng nhả cho nguồn lạnh biến phần nhiệt thành cơng, cịn gọi chu trình sinh cơng Qui ước: cơng chu trình thuận chiều l > Đây chu trình áp dụng để chế tạo động nhiệt * Đồ thị: Trên đồ thị hình 1-1, chu trình thuận chiều có chiều chiều kim đồng hồ * Hiệu chu trình: Để đánh giá hiệu biến đổi nhiệt thành cơng chu trình thuận chiều, người ta dùng hệ số ηct, gọi hiệu suất nhiệt chu trình Hiệu suất nhiệt chu trình tỷ số cơng chu trình sinh với nhiệt lượng mà môi chất nhận từ nguồn nóng (1-16) đây: q1 nhiệt lượng mà mơi chất nhận từ nguồn nóng, q2 nhiệt lượng mà môi chất nhả cho nguồn lạnh l cơng chu trình sinh ra, hiệu nhiệt lượng mà mơi chất trao đổi với nguồn nóng nguồn lạnh Theo (1-16) ta có: ( 1.17) d Chu trình ngược chiều * Định nghĩa: Chu trình ngược chiều chu trình mà mơi chất nhận cơng từ bên ngồi để lấy nhiệt từ nguồn lạnh nhả cho nguồn nóng, cơng tiêu tốn qui ước công âm, l < * Đồ thị: Trên đồ thị hình 1-2, chu trình ngược chiều có chiều ngược chiều kim đồng hồ * Hệ số làm lạnh: Để đánh giá hiệu biến đổi lượng chu trình ngược chiều, người ta dùng hệ số ε, gọi hệ số làm lạnh chu trình Hệ số làm lạnh chu trình tỷ số nhiệt lượng mà môi chất nhận từ nguồn lạnh với công tiêu tốn cho chu trình Trang Giáo trình kỹ thuật lạnh dùng cho sinh viên ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp (1-18 ) đó: q1 nhiệt lượng mà mơi chất nhả cho nguồn nóng, q2 nhiệt lượng mà mơi chất nhận từ nguồn lạnh, l công chu trình tiêu tốn, (1.19 ) e Chu trình carnot thuận nghịch Chu trình carnot thuận nghịch Chu trình lý tưởng, có khả biển đổi nhiệt lượng với hiệu cao Tuy nhiên, áp dụng vào thực tế có nhược điểm khác giá thành hiệu suất thiết bị, xét tổng thể hiệu kinh tế khơng cao Chính khơng áp dụng thực tế mà làm mục tiêu để hồn thiện chu trình khác mặt hiệu nhiệt, nghĩa người ta phấn đấu thực chu trình gần với chu trình Carnot hiệu chuyển hố nhiệt cao Chu trình carnot thuận nghịch làm việc với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác T1 T2, nhiệt độ nguồn nhiệt không thay đổi suốt q trình trao đổi nhiệt Mơi chất thực trình thuận nghịch liên tiếp nhau: hai trình đẳng nhiệt hai trình đoạn nhiệt tiến hành xen kẽ Sau ta xét hai chu trình Carnot thuận nghịch gọi tắt chu trình Carnot thuận chiều chu trình carnot ngược chiều f Chu trình carno thuận nghịch thuận chiều Đồ thị p-v T-s chu trình Carnot thuận chiều biểu diễn hình 1-3 ab trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; bc q trình dãn nở đẳng nhiệt, mơi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 khơng đổi nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng q1 = T1(sc - sb); cd trình dãn nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2; da trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T1 khơng đổi nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng q2 = T2(sa - sd) 10 Trang ... ngành Điện lạnh Điện Công Nghiệp BÀI KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC Nhiệt động học môn khoa học nghiên cứu quy luật biến đổi lượng... Nghiệp BÀI CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH NHÂN TẠO 2.1 Khái niệm chung: Con người biết sử dụng lạnh cách lâu Về mùa đông người ta trữ băng tuyết hang đông để bảo quản thực phẩm vào mùa hè Người cổ Ai... nhiệt chu trình thuận nghịch ΗKTN < ηTN 1.5.2.2.Chu trình carnot: a .khái niệm định nghĩa chu trình nhiệt động: Khái niệm chung Trong chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành cơng cần có mơi chất