Chương 1 khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học

LỜI NÓI ĐẦU ''Nhiệt động lực học '' môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật sở; môn học trang bị cho sinh viên ngành lượng nhiệt, ngành kỹ thuật khí, ngành động lực kiến thức sâu nhiệt động lực học sở nắm kiến thức vật lý phổ thông, vật lý đại cương, kỹ thuật nhiệt Nhiệt động lực học môn học nghiên cứu qui luật biến đổi lượng có liên quan đến nhiệt trình nhiệt động, nhằm tìm phương pháp biến đổi có lợi nhiệt dạng lượng khác Cơ sở nhiệt động xây dựng từ kỷ XIX, xuất động nhiệt Môn nhiệt động xây dựng sở hai định luật bản: định luật nhiệt động thứ định luật nhiệt động thứ hai Những kết đạt lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng sở lí thuyết cho động nhiệt tìm phương pháp đạt cơng có ích lớn thiết bị lượng nhiệt Cuốn giảng biên soạn với đóng góp ý kiến thầy giáo Viện nhiệt lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội tham khảo số tài liệu nước ngồi khác Vì biên soạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Ngun nên khơng tránh khỏi thiếu sót, nhầm lẫn mong bạn đọc tham khảo đóng góp ý kiến Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: Trường Đại học KTCN Thái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên Các tác giả Chương Khái niệm nhiệt động lực học 1.1 Khái niệm nhiệt động lực học ứng dụng Lĩnh vực nghiên cứu: Môn học nghiên cứu chuyển hóa lượng chủ yếu nhiệt lượng công xoay quanh đại lượng vật lý trung tâm nhiệt độ → Cần phân biệt khác nhiệt đo nhiệt lượng Đối tượng nghiên cứu: Đó biến đổi trạng thái chất làm việc hệ thống Trong trình biến đổi trạng thái, chất làm việc tạo trao đổi nhiệt lượng công hệ thống môi trường Nhiệt lượng công trao đổi phụ thuộc vào trạng thái bắt đầu trạng thái cuối mơi chất làm việc, phụ thuộc hồn tồn vào trạng thái trung gian Tập hợp trạng thái trung gian tạo thành đường cong liên tục gọi trình nhiệt động Chất làm việc hay cịn gọi chất mơi giới ( mơi chất), ta khảo sát nhóm: Chất khí → khí lý tưởng hay khí thực; Chất khiết → đại biểu gần gũi nước tinh khiết; Khơng khí ẩm → có kể đến có mặt, ảnh hưởng nước khơng khí; Mục đích: Xác định giá trị trao đổi nhiệt lượng công (và đại lượng khác) trình Hiểu biến đổi lượng hệ thống Có khả cải tiến điều kiện làm việc để nâng cao hiệu biến đổi lượng chu trình Nền tảng mơn học: Mơn học xây dựng tảng hai định luật nhiệt động thứ thứ hai: Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật bảo toàn lượng phát biểu theo “kiểu” nhiệt động lực học; Định luật nhiệt động thứ hai: tảng suy luận chuyên sâu biến đổi lượng nhiệt động hệ quả; Các kiến thức nhiệt động lực học kỹ thuật cần thiết cho lĩnh vực sau: Điều hịa khơng khí; Nhà máy nhiệt điện; Trong nhà máy đông lạnh (hải sản hay nông sản); Bảo quản nơng sản (q trình sấy giảm lượng nước nông sản để tăng thời gian bảo quản) … 1.2 Hệ thống nhiệt động Đó khoảng khơng gian chứa lượng định chất môi giới khảo sát biện pháp nhiệt động Hệ thống nhiệt động đối tượng cụ thể diễn q trình chuyển biến nhiệt lượng cơng (thơng thường hệ thống môi trường) Hệ thống nhiệt động đơn giản tách cà phê nóng tỏa nhiệt hay hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng lượng mặt trời; Thêm số ví dụ hệ thống nhiệt động Nhiệt lượng phương thức lượng truyền hai nơi có chênh lệch nhiệt độ (theo q trình đó); Như vậy, hệ thống nhiệt động phải bao gồm phần: Chất môi giới; Hai nguồn nhiệt (để trao đổi nhiệt) Môi trường: không gian trực tiếp bao xung quanh hệ thống → đặc điểm môi trường nhiệt độ giữ ổn định cho dù có trao đổi lượng với hệ thống → thông thường, môi trường hai nguồn nhiệt hệ thống nhiệt động Bề mặt ranh giới: mặt ngăn cách hệ thống môi trường → bề mặt thật hay bề mặt tưởng tượng Hệ thống nhiệt động phân thành hệ sau: 1.2.1 Hệ kín Là hệ mà q trình làm việc chất mơi giới không xuyên qua bề mặt ranh giới (hay khối lượng chất mơi giới bị biến đổi); Năng lượng (nhiệt lượng hay cơng) truyền qua bề mặt ranh giới Ví du: tủ lạnh, máy điều hịa khơng khí … 1.2.2 Hệ hở Trong q trình làm việc chất môi giới xuyên qua bề mặt ranh giới, chất môi giới hệ luôn biến đổi Ví du: động xe máy, tuabine hơi, máy nén khí, ống tăng tốc, … Nhận xét: Trong hệ kín hở, bề mặt ranh giới đứng yên dịch chuyển 1.2.3 Hệ đoạn nhiệt Là hệ mà trình hoạt động, chất mơi giới mơi trường khơng có trao đổi nhiệt lượng (có thể có trao đổi cơng) 1.2.4 Hệ lập Là hệ khơng có trao đổi lượng (nhiệt lượng công) với môi trường 1.3 Nguồn nhiệt Bao gồm nguồn nóng nguồn lạnh, hệ: Nguồn có nhiệt độ cao → nguồn nóng Nguồn có nhiệt độ thấp → nguồn lạnh Khái niệm nóng lạnh nguồn nhiệt có ý nghĩa tương đối, nguồn nguồn nóng hệ lại nguồn lạnh hệ khác Ví dụ: mơi trường Lưu y: 1.4 Chất môi giới Là chất trung gian thực biến đổi chuyển hóa lượng hệ thống nhiệt động; → biến đổi trạng thái chất môi giới sở cho trao đổi lượng hai nguồn nhiệt; → dựa vào quy luật thay đổi trạng thái chất môi giới để xác định giá trị nhiệt lượng công trao đổi; → cần xác định quy tắc thay đổi trạng thái chất môi giới q trình theo nhóm làm việc cụ thể; i Chất khí: quy tắc thay đổi trạng thái cho theo phương trình; ii Chất khiết: trạng thái xác định từ bảng số liệu cho kèm theo loại môi chất – sử dụng kết hợp với diễn biến đồ thị (p-v, t-s, ….); iii Không khí ẩm : hỗn hợp hai nhóm trên, trạng thái xác định theo cơng thức tính tốn tra theo đồ thị; Lưu ý: Tất chất làm việc chất khiết; Khi chất mơi giới xếp vào nhóm “chất khiết” trình nhiệt động khảo sát làm việc điều kiện gần vùng có biến đổi pha vật chất (rắn – lỏng – hơi); Khi chất mơi giới xếp vào nhóm “chất khí” q trình biến đổi ln giữ trạng thái khí; Theo lưu ý trn, chất mơi giới trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi; → thực tế thường sử dụng chất mơi giới thể khí hay thể chúng có khả co giãn lớn, thuận tiện cho việc trao đổi công; → trường hợp cần trao đổi lượng dạng nhiệt thường sử dụng chất mơi giới trạng thái lỏng; → trình biến đổi pha kèm theo trao đổi nhiệt lượng lớn (cường độ lớn lưu chất lỏng) nên sử dụng thiết bị có trao đổi nhiệt lượng; Một hệ thống nhiệt động có hay nhiều chất mơi giới Ví du: R22, NH3 máy lạnh có máy nén Dung dịch H2O-LiBr, NH3-H2O hệ thống máy lạnh hấp thụ Trong trường hợp chất mơi giới trạng thái khí, người ta đưa khái niệm khí lý tưởng (để thuận tiện cho việc nghiên cứu lý luận); Khí lý tưởng với giả thuyết: Lực tương tác phân tử khơng; Thể tích thân phân tử khơng; Lưu y: Thực tế khơng có khí lý tưởng, nhiên có trạng thái tiến tới gần trạng thái khí lý tưởng Khí thực: với chất mơi giới xem khí thực thơng số trạng thái xác định thơng qua ba cách sau: Trên sở phương trình trạng thái khí lý tưởng đưa vào hệ số hiệu chỉnh lại giả thuyết (cho phù hợp với số liệu thực nghiệm thực tế); Sử dụng giản đồ biểu diễn hệ số nén Các thông số trạng thái chất môi giới cụ thể cho bảng (thường gặp bảng chất khiết: nước, R22, R134a, …) 1.5 Trạng thái trạng thái cân Trạng thái Là thuật ngữ tổng hợp tất đặc trưng vật lý chất môi giới thời điểm vị trí hệ thống nhiệt động → rắn, lỏng, khí (hơi), plasma Trạng thái cân Là trạng thái ổn định hệ thống cách ly khỏi môi trường (và đương nhiên giả thuyết giá trị thông số trạng thái tất vị trí) Các thơng số trạng thái trường hợp chất khí phải thỏa mãn phương trình trạng thái điều kiện cân (phương trình khí lý tưởng khí thực tùy đối tượng xem xét) 1.6 Quá trình chu trình Quá trình Tập hợp số trạng thái theo quy luật biến đổi Có trạng thái bắt đầu trạng thái kết thúc trình Biến đổi trạng thái hai trạng thái đầu cuối cho trước theo nhiều trình khác Chu trình: Bao gồm số q trình khép kín → chu trình q trình có trạng thái bắt đầu kết thúc trùng với 1.7 Đơn vị đo lường Trong hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị đại lượng vật lý dẫn từ đơn vị đại lượng vật lý sau Ví dụ, đơn vị lực xác định theo định luật II Newton: F = m ⋅a ; (1-1) Từ phương trình 1-1, đơn vị lực N dẫn sau N = (1 kg)× (1 m s2 ) = kg ⋅ m s2 ; (1-2) Ví dụ, vật có khối lượng kg trường trọng lực có trọng lượng kgf = (1 kg)× (9,80665 m s2 ) = 9,80665 kg ⋅ m s2 ; (1-3) Và dịch chuyển lực mang tính chất lượng, cơng, đề cập chi tiết chương có liên quan Bảng cho ta đơn vị số đại lượng vật lý qui dẫn: Bảng cho ta bội số mở rộng thu nhỏ đơn vị Lưu ý 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 N = (1 kg )× (1 m s2 ) = kg ⋅ m s2 N →1= kg ⋅ m s2 Do chuyển đổi 1kgf biểu thức 1-3 sang đơn vị Newton sau: 10 kgf = 9,80665 kg ⋅ m s2  kg ⋅ m   N   = 9,80665 N =  9,80665  ×  s   kg ⋅ m s2   1.8 Thông số trạng thái → Tập hợp thông số dùng để xác định trạng thái chất môi giới (tại thời điểm, vị trí hệ thống) Để xác định trạng thái chất mơi giới cần phải biết hai thông số trạng thái độc lập Các thông số trạng thái bao gồm: Nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng); Nội năng, entanpi, entropi exergy; Trong nhóm đầu gọi nhóm thơng số trạng thái trực tiếp dùng dụng đo để xác định 1.8.1 Nhiệt độ - Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh vật; - Là yếu tố định hướng chuyển động dòng nhiệt; Nhiệt độ vật hiển nhiên tăng lên vơ hạn khơng thể hạ thấp vơ hạn Dụng cụ đo: nhiệt kế 11 Đơn vị: Trong hệ thống đơn vị SI (System International) a Thang nhiệt độ bách phân Celcius t(oC) Thang đo xây dựng sở điểm mốc: điểm nước đá tan điểm nước sôi điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,32kPa), nhiệt độ tương ứng điểm chọn 0oC 100oC Trong khoảng từ 0oC đến 100oC chia làm 100 vạch, vạch ứng với 1oC b Thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin T(K) Thang đo xây dựng sở định luật nhiệt động thứ II Là nhiệt độ sở phép tính nhiệt động Giới hạn thấp nhiệt độ không độ nhiệt giai Kelvin Năm 1989, phịng thí nghiệm người ta tạo 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(oF) Thang đo thành lập điều kiện giống xây dựng thang đo Celcius nhiệt độ điểm mốc tương ứng 32oF 212oF chia làm 180 vạch, vạch ứng với 1oF d Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine T(R) Thành lập tương ứng thang đo tuyệt đối Kelvin, sở tính tốn nhiệt động hệ IS Lưu y: có thang đo nhiệt độ tuyệt đối thông số trạng thái Quan hệ thang đo nhiệt đo: 12 t ( o C ) = T (K ) − 273,15 T (R ) = 1,8 × T (K ) t ( o F ) = T (R ) − 459,67 ∆t ( o C ) = ∆T (K ) ⇒ t ( o F ) = 1,8 × t ( o C ) + 32 1.8.2 ∆t ( o F) = ∆T (R ) ; (1-4) ∆T (R ) = 1,8 × ∆T (K ) ∆t ( o F) = 1,8 × ∆t ( o C ) Áp suất Áp suất áp lực tác dụng lên đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt F p = lim   ;Pascal ; (1-5) A→A '  A  Trong A: diện tích A’: điểm Một số đơn vị bội số thường dùng Pascal = N m kPa = 103 N m Bar = 105 N m ; (1-6) MPa = 106 N m Dụng cụ đo: áp kế Thông thường, đặc điểm áp kế đo độ chênh lệch áp suất hệ thống môi trường Tùy thuộc vào độ lớn tương quan áp suất tuyệt đối nơi cần đo áp suất tuyệt đối môi trường mà ta có tên gọi dụng cụ đo áp suất khác Gọi pkq – áp suất tuyệt đối mơi trường (của khí quyển); p tđ – áp suất tuyệt đối nơi cần đo; a Trường hợp p tđ > p kq Trường hợp áp kế có tên gọi Manomet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi áp suất dư pd : pd = p tñ − p kq ; (1-7) pd (gage) = p tñ (absolute) − p kq (absolute) 13 b Trường hợp p tñ < p kq Trường hợp áp kế có tên gọi Vacummet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi áp suất chân không (độ chân không) pck : p ck = p kq − p tñ ; (1-8) p ck ( vacuum) = p kq (absolute) − p tñ (absolute) Dưới hình ảnh trực quan biểu thị mối quan hệ loại áp suất Áp suất tuyệt đối nơi cần đo Áp suất mơi trường a pd = ptđ − p kq pck = p kq − ptñ p tđ p kq p tđ Độ chân khơng tuyệt đối Dụng cụ đo áp suất: 14 b Áp suất tuyệt đối nơi cần đo Ví dụ đo áp suất dư chênh lệch chiều cao chất lỏng: Theo phương trình thủy tĩnh: p − p atm = ρ ⋅ g ⋅ L ; (1-9) Trong đó: ρ- khối lượng riêng chất lỏng ống chữ U g- gia tốc trọng trường L- chênh lệch chiều cao cột chất lỏng nhánh chữ U Nhiệt độ hệ thống chọn thích hợp cho phần cột chất lỏng ống chân khơng rõ ràng chiều cao cột chất lỏng thể áp suất tuyệt đối môi trường so với độ chân không tuyệt đối: p atm = ρ ⋅ g ⋅ h ; (1-10) Đơn vị: số đơn vị thường dùng đo áp suất sau at = 0,9807 Bar = 735,5 mmHg = 10 mH O Bar = 10 N m = 10 Pa = 750 mmHg atm = 760 mmHg mmHg = torr = 133,322 Pa mmH O = 9,807 Pa ; (1-11) psi = 6894,76 N m kgf cm = at = 0,9807.10 N m = 10 mmAq tonf in = 15,4443 MPa mmAq = kgf m = 9,807 N m 15 Lưu ý: có áp suất tuyệt đối thơng số trạng thái 1.8.3 Khối lượng riêng thể tích riêng v Khối lượng riêng: khối lượng đơn vị thể tích G ρ = lim   , kg V→V '  V  m ; (1-12) Trong V- thể tích; V’- điểm; Khối lượng thể tích V xác định G = ∫ ρ ⋅ dV ,kg; (1-13) V Thể tích riêng: thể tích đơn vị khối lượng v = ρ , m kg ; (1-14) Thể tích riêng kmol: thể tích kmol vµ = v ⋅ µ , m kmol ; (1-15) Trong µ - khối lượng phân tử, kg kmol 16 .. .Chương Khái niệm nhiệt động lực học 1. 1 Khái niệm nhiệt động lực học ứng dụng Lĩnh vực nghiên cứu: Môn học nghiên cứu chuyển hóa lượng chủ yếu nhiệt lượng công xoay quanh... xây dựng tảng hai định luật nhiệt động thứ thứ hai: Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật bảo toàn lượng phát biểu theo “kiểu” nhiệt động lực học; Định luật nhiệt động thứ hai: tảng suy luận... quản) … 1. 2 Hệ thống nhiệt động Đó khoảng khơng gian chứa lượng định chất môi giới khảo sát biện pháp nhiệt động Hệ thống nhiệt động đối tượng cụ thể diễn q trình chuyển biến nhiệt lượng cơng (thơng