Chương 1 khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học

Trong quá trình biến đổi trạng thái, chất làm việc tạo ra sự trao đổi nhiệt lượng và công giữa hệ thống và môi trường.. Chất làm việc hay còn gọi là chất môi giới môi chất, ta khảo sát

LỜI NÓI ĐẦU

''Nhiệt động lực học '' là một môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật cơ sở; môn học trang bị cho sinh viên ngành năng lượng nhiệt, ngành kỹ thuật cơ khí, ngành động lực những kiến thức sâu hơn

về nhiệt động lực học trên cơ sở đã nắm được kiến thức về vật lý phổ thông, vật lý đại cương, kỹ thuật nhiệt

Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác Cơ sở nhiệt động đã được xây dựng từ thế kỷ XIX, khi xuất hiện các động cơ nhiệt.

Môn nhiệt động được xây dựng trên cơ sở hai định luật cơ bản: định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai.

Những kết quả đạt được trong lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng cơ sở lí thuyết cho các động cơ nhiệt và tìm ra phương pháp đạt được công có ích lớn nhất trong các thiết bị năng lượng nhiệt.

Cuốn bài giảng đã được biên soạn với sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo Viện nhiệt -lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội và tham khảo một số tài liệu nước ngoài khác Vì là biên soạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên nên không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn tôi rất mong được bạn đọc tham khảo và đóng góp ý kiến Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Trường Đại học KTCN Thái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên.

Các tác giả

Chương 1 Khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học

1.1 Khái niệm về nhiệt động lực học và các ứng dụng

Lĩnh vực nghiên cứu: Môn học nghiên cứu sự chuyển hóa năng lượng chủ yếu giữa nhiệt lượng

và công xoay quanh đại lượng vật lý trung tâm là nhiệt độ.

→ Cần phân biệt sự khác nhau giữa nhiệt đo và nhiệt lượng

Đối tượng nghiên cứu: Đó là sự biến đổi trạng thái của các chất làm việc trong hệ thống Trong

quá trình biến đổi trạng thái, chất làm việc tạo ra sự trao đổi nhiệt lượng và công giữa hệ thống và môi trường Nhiệt lượng và công trao đổi phụ thuộc vào trạng thái bắt đầu và trạng thái cuối của môi chất làm việc, phụ thuộc hoàn toàn vào các trạng thái trung gian giữa và Tập hợp

các trạng thái trung gian tạo thành đường cong liên tục gọi là quá trình nhiệt động.

Chất làm việc hay còn gọi là chất môi giới ( môi chất), ta khảo sát 3 nhóm:

Chất khí→ khí lý tưởng hay khí thực;

Chất thuần khiết→ đại biểu gần gũi là nước tinh khiết;

Không khí ẩm→ có kể đến sự có mặt, sự ảnh hưởng của hơi nước trong không khí;

Mục đích: Xác định được giá trị trao đổi của nhiệt lượng và công (và các đại lượng khác) trong

một quá trình Hiểu được sự biến đổi năng lượng trong một hệ thống Có khả năng cải tiến các

điều kiện làm việc để nâng cao hiệu quả của sự biến đổi năng lượng trong các chu trình.

Nền tảng của môn học:

Môn học được xây dựng trên nền tảng là hai định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai:

Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật về bảo toàn năng lượng được phát biểu theo

“kiểu” nhiệt động lực học;

Định luật nhiệt động thứ hai: nền tảng suy luận chuyên sâu về biến đổi năng lượng

trong nhiệt động và các hệ quả;

Các kiến thức của nhiệt động lực học kỹ thuật cần thiết cho các lĩnh vực sau:

Điều hòa không khí;

Nhà máy nhiệt điện;

Trong các nhà máy đông lạnh (hải sản hay nông sản);

Bảo quản nông sản (quá trình sấy giảm lượng nước trong nông sản để tăng thời gian bảo quản) …

1.2 Hệ thống nhiệt động

Đó là một khoảng không gian chứa một lượng nhất định chất môi giới được khảo sát bằng các

biện pháp nhiệt động

Hệ thống nhiệt động là đối tượng cụ thể trong đó diễn ra quá trình chuyển biến nhiệt lượng và công

(thông thường giữa hệ thống và môi trường).

Hệ thống nhiệt động cũng có thể đơn giản là tách cà phê nóng đang tỏa nhiệt hay hệ thống

cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời;

Thêm một số ví dụ về hệ thống nhiệt động

Nhiệt lượng là phương thức năng lượng truyền đi giữa hai nơi có sự chênh lệch nhiệt độ

(theo một quá trình nào đó);

Như vậy, hệ thống nhiệt động phải bao gồm 3 phần:

Chất môi giới;

Hai nguồn nhiệt (để trao đổi nhiệt)

Môi trường: là không gian trực tiếp bao xung quanh hệ thống.

→ đặc điểm cơ bản của môi trường là nhiệt độ luôn giữ ổn định cho dù có trao đổi năng lượng với hệ thống

→ thông thường, môi trường là một trong hai nguồn nhiệt trong hệ thống nhiệt động

Bề mặt ranh giới: là mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường

→ có thể là bề mặt thật hay bề mặt tưởng tượng

Hệ thống nhiệt động về cơ bản phân thành các hệ cơ bản sau:

1.2.1 Hệ kín

Là hệ mà trong quá trình làm việc chất môi giới không đi xuyên qua bề mặt ranh giới (hay

khối lượng chất môi giới ít bị biến đổi);

Năng lượng (nhiệt lượng hay công) có thể truyền qua bề mặt ranh giới

Ví du: tủ lạnh, máy điều hòa không khí …

1.2.2 Hệ hở

Trong quá trình làm việc chất môi giới luôn đi xuyên qua bề mặt ranh giới, chất môi giới trong

hệ luôn luôn biến đổi

Ví du: động cơ xe máy, tuabine hơi, máy nén khí, ống tăng tốc, …

Nhận xét: Trong cả 2 hệ kín và hở, bề mặt ranh giới có thể đứng yên hoặc dịch chuyển.

1.2.3 Hệ đoạn nhiệt

Là hệ mà trong quá trình hoạt động, giữa chất môi giới và môi trường không có sự trao đổi nhiệt lượng (có thể có sự trao đổi công)

1.2.4 Hệ cô lập

Là hệ không có sự trao đổi năng lượng (nhiệt lượng và công) với môi trường

1.3 Nguồn nhiệt

Bao gồm nguồn nóng và nguồn lạnh, trong cùng một hệ:

Nguồn có nhiệt độ cao hơn→ nguồn nóng

Nguồn có nhiệt độ thấp hơn→ nguồn lạnh

Lưu y: Khái niệm nóng lạnh của nguồn nhiệt chỉ có ý nghĩa tương đối, một nguồn có thể là

nguồn nóng đối với hệ này nhưng lại là nguồn lạnh đối với hệ khác Ví dụ: môi trường

1.4 Chất môi giới

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển hóa năng lượng trong các hệ thống nhiệt động;

→ chính sự biến đổi trạng thái của chất môi giới là cơ sở cho sự trao đổi năng lượng giữa hai nguồn nhiệt;

→ dựa vào quy luật thay đổi trạng thái của chất môi giới để xác định giá trị nhiệt lượng và công trao đổi;

→ cần xác định được quy tắc thay đổi trạng thái của chất môi giới trong quá trình theo từng nhóm làm việc cụ thể;

i Chất khí: quy tắc thay đổi trạng thái cho theo phương trình;

ii Chất thuần khiết: trạng thái được xác định từ các bảng số liệu cho kèm theo từng loại môi chất – sử dụng kết hợp với các diễn biến trên đồ thị (p-v, t-s, ….);

iii Không khí ẩm : hỗn hợp của hai nhóm trên, trạng thái được xác định theo các công thức tính toán hoặc có thể tra theo đồ thị;

Lưu ý:

Tất cả các chất làm việc đều là chất thuần khiết;

Khi chất môi giới được xếp vào nhóm “chất thuần khiết” thì các quá trình nhiệt động khảo sát làm việc ở điều kiện gần vùng có biến đổi pha của vật chất (rắn – lỏng – hơi); Khi chất môi giới được xếp vào nhóm “chất khí” thì trong quá trình biến đổi nó vẫn luôn giữ là trạng thái khí;

Theo lưu ý trn, chất môi giới có thể ở trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi;

→ trong thực tế thì thường sử dụng chất môi giới ở thể khí hay thể hơi vì chúng có khả năng co giãn lớn, thuận tiện cho việc trao đổi công;

→ trong trường hợp cần trao đổi năng lượng ở dạng nhiệt thì thường sử dụng chất môi giới ở trạng thái lỏng;

→ quá trình biến đổi pha kèm theo trao đổi nhiệt lượng lớn (cường độ lớn hơn của lưu chất lỏng) nên cũng được sử dụng trong các thiết bị có trao đổi nhiệt lượng;

Một hệ thống nhiệt động có thể có một hay nhiều hơn một chất môi giới

Ví du: R22, NH3 trong các máy lạnh có máy nén hơi

Dung dịch H2O-LiBr, NH3-H2O trong các hệ thống máy lạnh hấp thụ

Trong trường hợp chất môi giới ở trạng thái khí, người ta đưa ra khái niệm khí lý tưởng (để

thuận tiện cho việc nghiên cứu bằng lý luận);

Khí lý tưởng với 2 giả thuyết:

Lực tương tác giữa các phân tử bằng không;

Thể tích bản thân các phân tử bằng không;

Lưu y: Thực tế không có khí lý tưởng, tuy nhiên có trạng thái tiến tới gần trạng thái của khí lý

tưởng

Khí thực: với chất môi giới được xem là khí thực thì các thông số trạng thái của nó được xác

định thông qua một trong ba cách sau:

Trên cơ sở phương trình trạng thái của khí lý tưởng nhưng đưa vào các hệ số hiệu chỉnh lại 2 giả thuyết trên (cho phù hợp với số liệu thực nghiệm thực tế);

Sử dụng giản đồ biểu diễn hệ số nén

Các thông số trạng thái của các chất môi giới cụ thể được cho trong các bảng (thường gặp là các bảng của các chất thuần khiết: nước, R22, R134a, …)

1.5 Trạng thái và trạng thái cân bằng

Trạng thái

Là thuật ngữ chỉ tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý của chất môi giới tại một thời điểm nào đó và

ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động

→ rắn, lỏng, khí (hơi), plasma

Trạng thái cân bằng

Là trạng thái ổn định của hệ thống khi cách ly ra khỏi môi trường của nó (và đương nhiên giả thuyết giá trị của các thông số trạng thái bằng nhau ở tất cả các vị trí)

Các thông số trạng thái của trường hợp chất khí phải thỏa mãn phương trình trạng thái ở điều kiện cân bằng (phương trình khí lý tưởng hoặc khí thực tùy đối tượng đang xem xét)

1.6 Quá trình và chu trình

Quá trình

Tập hợp một số trạng thái theo quy luật biến đổi nào đó

Có trạng thái bắt đầu và trạng thái kết thúc quá trình

Biến đổi trạng thái giữa hai trạng thái đầu và cuối cho trước có thể đi theo nhiều quá trình khác nhau

Chu trình: Bao gồm một số quá trình khép kín.

→ chu trình là quá trình có trạng thái bắt đầu và kết thúc trùng với nhau

1.7 Đơn vị đo lường

Trong hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị của các đại lượng vật lý được dẫn từ đơn vị của 7 đại lượng vật lý cơ bản sau

Ví dụ, đơn vị của lực được xác định theo định luật II của Newton:

a m

F = ⋅ ; (1-1)

Từ phương trình 1-1, đơn vị của lực N được dẫn ra như sau

( ) ( 1 kg 1 m s2) 1 kg m s2

N

Ví dụ, vật có khối lượng 1 kg trong trường trọng lực thì có trọng lượng

( ) ( 1 kg 9 , 80665 m s2) 9 , 80665 kg m s2

kgf

Và sự dịch chuyển của lực mang tính chất năng lượng, đó chính là công, sẽ được đề cập chi tiết trong chương có liên quan

Bảng dưới đây cho ta đơn vị của một số đại lượng vật lý qui dẫn:

Bảng dưới đây cho ta bội số mở rộng hoặc

thu nhỏ đơn vị

Lưu ý về chuyển đổi đơn vị - Hệ số chuyển

đổi đơn vị

Ví dụ từ phương trình 1-2 ta có hệ số chuyển

đơn vị từ kg ⋅ m s → N

2

2 2

s m kg

N 1

s m kg 1 s m 1 kg 1

N

1

⋅

=

→

⋅

=

×

=

Do đó có thể chuyển đổi 1kgf ở biểu thức 1-3

sang đơn vị Newton như sau:

N 80665 ,

9 s

m kg

N s

m kg 80665 ,

9

s m kg 80665 ,

9 kgf

1

2 2

2

=









⋅

×











=

⋅

=

1.8 Thông số trạng thái

→ Tập hợp các thông số dùng để xác định trạng thái của chất môi giới (tại từng thời điểm, vị trí trong hệ thống)

Để xác định trạng thái của chất môi giới cần phải biết ít nhất hai thông số trạng thái độc lập nhau.

Các thông số trạng thái bao gồm:

Nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng);

Nội năng, entanpi, entropi và exergy;

Trong đó nhóm đầu được gọi là nhóm thông số trạng thái cơ bản bởi vì có thể trực tiếp dùng

dụng đo để xác định

1.8.1 Nhiệt độ

- Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật;

- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt;

Nhiệt độ của một vật hiển nhiên có thể tăng lên vô hạn nhưng nó không thể hạ thấp vô hạn

Dụng cụ đo: nhiệt kế

Đơn vị:

Trong hệ thống đơn vị SI (System International)

a Thang nhiệt độ bách phân Celcius t( o C)

Thang đo này được xây dựng trên cơ sở 2

điểm mốc: điểm nước đá đang tan và điểm nước

sôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,32kPa),

nhiệt độ tương ứng của 2 điểm này được chọn là

0oC và 100oC

Trong khoảng từ 0oC đến 100oC được chia

đều làm 100 vạch, mỗi vạch ứng với 1oC

b Thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin

T(K)

Thang đo này được xây dựng trên cơ sở

định luật nhiệt động thứ II

Là nhiệt độ cơ sở trong các phép tính nhiệt

động

Giới hạn thấp nhất của nhiệt độ là không

độ của nhiệt giai Kelvin

Năm 1989, trong phòng thí nghiệm người ta đã

tạo ra được mức nhiệt độ là: 0,000 000 002 K

Trong hệ thống đơn vị IS (Imperial system

hay English System)

c Thang nhiệt độ Fahrenheit t( o F)

Thang đo này thành lập trong điều kiện giống như khi xây dựng thang đo Celcius nhưng nhiệt

độ 2 điểm mốc tương ứng là 32oF và 212oF chia làm 180 vạch, mỗi vạch ứng với 1oF

d Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine T(R)

Thành lập tương ứng như thang đo tuyệt đối Kelvin, là cơ sở tính toán nhiệt động trong hệ IS

Lưu y: chỉ có thang đo nhiệt độ tuyệt đối là thông số trạng thái

Quan hệ giữa các thang đo nhiệt đo:

( ) ( )

( ) ( ) ( )F 1,8 t( )C 32 t

67 , 459 R T F t

K T 8 , 1 R T

15 , 273 K T C t

o o

o o

+

×

=

−

=

×

=

−

=

⇒

( )F 1,8 t( )C t

K T 8 , 1 R T

R T F t

K T C t

o o

o o

∆

×

=

∆

∆

×

=

∆

∆

=

∆

∆

=

∆

; (1-4)

1.8.2 Áp suất

Áp suất là áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt đó

A A '

F p

A

lim→  

=  

 ;Pascal ; (1-5) Trong đó

A: diện tích

A’: điểm

Một số đơn vị bội số thường dùng

2 6

2 5

2 3

2

m N 10 MPa 1

m N 10 Bar 1

m N 10 kPa 1

m N 1 Pascal 1

=

=

=

=

; (1-6)

Dụng cụ đo: áp kế

Thông thường, đặc điểm của áp kế là đo độ chênh lệch áp suất giữa hệ thống và môi trường

Tùy thuộc vào độ lớn tương quan giữa áp suất tuyệt đối ở nơi cần đo và áp suất tuyệt đối của môi trường mà ta có tên gọi các dụng cụ đo áp suất khác nhau

Gọi pkq – áp suất tuyệt đối của môi trường (của khí quyển);

tñ

p – áp suất tuyệt đối của nơi cần đo;

a Trường hợp ptñ >pkq

Trường hợp này áp kế có tên gọi là Manomet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi là áp suất dư

d

p :

d tñ kq

p (gage) p (absolute) p (absolute)

b Trường hợp ptñ < pkq

Trường hợp này áp kế có tên gọi là Vacummet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi là áp suất chân không (độ chân không) pck:

) absolute (

p ) absolute (

p ) vacuum (

p

p p p

tñ kq

ck

tñ kq ck

−

=

−

=

; (1-8)

Dưới đây là hình ảnh trực quan biểu thị mối quan hệ giữa các loại áp suất

Dụng cụ đo áp suất:

Độ chân không tuyệt

đối

b

a

Áp suất tuyệt đối nơi

cần đo

kq

p

tñ

p

tñ

p

tñ kq

kq tñ

Áp suất tuyệt đối nơi

cần đo

Áp suất môi trường

Ví dụ về đo áp suất dư bằng chênh lệch chiều cao chất lỏng:

Theo phương trình thủy tĩnh:

L g p

p− atm =ρ⋅ ⋅ ; (1-9)

Trong đó:

ρ- khối lượng riêng của chất lỏng trong

ống chữ U

g- gia tốc trọng trường

L- chênh lệch chiều cao cột chất lỏng

trong 2 nhánh chữ U

Nhiệt độ của hệ thống được chọn thích hợp sao cho phần ở trên cột chất lỏng trong ống là chân không thì rõ ràng chiều cao cột chất lỏng thể hiện áp suất tuyệt đối của môi trường so với độ chân không tuyệt đối:

h g

patm = ρ ⋅ ⋅ ; (1-10)

Đơn vị: một số đơn vị thường dùng đo áp suất như sau

2 2

2

4 2 5 2

2 2

5 2 5

2

m N 807 , 9 m kgf 1 mmAq 1

MPa 4443 , 15 in tonf 1

mmAq 10

m N 10 9807 , 0 at 1 cm kgf 1

m N 76 , 6894 psi

1

Pa 807 , 9 O mmH 1

Pa 322 , 133 torr 1 mmHg 1

mmHg 760

atm 1

mmHg 750

Pa 10 m N 10 Bar 1

O mH 10 mmHg 5

, 735 Bar 9807 , 0 at 1

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

; (1-11)