Phần 1 nhiệt động học kỹ thuật

NHIỆT KỸ THUẬT Phần Nhiệt động học kỹ thuật KS Ngô Phi Mạnh Giảng viên khoa CN Nhiệt – Điện lạnh PN: 0905.560.171 Email: manhnguyen4188@gmail.com Giáo trình Nhiệt Kỹ Thuật – NXB Giáo dục Tác giả: PGS.TS Nguyễn Bốn; PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng  Giáo trình sở kỹ thuật nhiệt  Tác giả: Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú  Bài tập sở kỹ thuật nhiệt Tác giả: Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú PHẦN I : NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Nghiên cứu qui luật biến đổi lượng liên quan đến nhiệt nhằm tìm qui luật biến đổi có lợi nhiệt PHẦN II : TRUYỀN NHIỆT Nghiên cứu qui luật phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt vật có nhiệt độ khác Nhiệt kỹ thuật Phần I Nhiệt động học (14 giờ) Phần II Truyền nhiệt ( 16 ) Hình thức đánh giá Chuyên cần Kiểm tra kỳ Thi cuối kỳ Điểm danh danh,, chuẩn bị giải BT 20% 30% 50% 30 câu trắc nghiệm Phần I 30 câu trắc nghiệm Phần I, II CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu ◦ Đối tượng:  NC qui luật biến đổi NL (Nhiệt-công) ➠ tối ưu Nhà máy nhiệt điện, động đốt trong,…  = max Nhiệt Đối tượng nghiên cứu Công  =  max Máy lạnh  Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết, thực nghiệm kết hợp 1.1.2 Hệ nhiệt động a Môi chất: Chất trung gian để thực trình biến đổi Công ⇒ Nhiệt ngược lại b Định nghĩa Hệ nhiệt động (HNĐ): Tập hợp vật thể hay không gian có liên hệ với nhiệt => HNĐ c Phân loại HNĐ: + Hệ cô lập + Hệ đoạn nhiệt + Hệ kín + Hệ hở 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.3 Trạng thái thông số trạng thái HNĐ Trạng thái:    Tập hợp thông số xác định tính chất vật lý HNĐ thời điểm t Các thông số trạng thái bản: p, t, v Các hàm trạng thái: u, i, s Các thông số trạng thái a Áp suất tuyệt đối: Áp suất tuyệt đối p Lực mà môi chất ( chất khí hay chất lỏng ) F vuông góc lên đơn vị diện tích tác dụng tiếp xúc S Đơn vị: Pa ( Pascal); N/m2 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Áp suất khí Kí hiệu:pk pk = 760mmHg ( áp suất khí chuẩn) Thay đổi theo độ cao, điều kiện thời tiết Dụng cụ đo: Baromet Áp suất dư Nếu p> pk: pd = p-pk Trong thực tế thiết bị đo áp suất thể áp suất Áp suất chân không Nếu p< pk: pck = pk – p Dụng cụ đo: Chân không kế Những đơn vị đo áp suất thông dụng bar = 105 Pa = 105 N/m2 atm =101,325 kPa =1,01325 bar at = 9,807.104 Pa = 0,9807 bar 760mmHg = atm = 101,325 kPa = 10,3 mH2O 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN b Nhiệt độ tuyệt đối (T) - Nhiệt độ T = f(tốc độ chuyển động tịnh tiến  phân tử nguyên tử) m. T 3.k Trong : T - Nhiệt độ tuyệt đối vật, oK m - Khối lượng phân tử, kg  - Vtốc ch.động tịnh tiến trung bình p.tử k - Hằng số Bônzman, k = 1,3805.10-23, J/oK - Thang đo nhiệt độ: + Bách phân: t [0C] + Kenvin: T [0K] + Thang nhiệt độ Farenheit: tF[0 F]  Mối liên hệ:  T = t + 273,15 tF = 1,8.t +32 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN c Thể tích riêng khối lượng riêng - Thể tích riêng: thể tích 1kg khối lượng vật chất V v = G , [m3/kg] Trong đó: G - khối lượng vật, [kg] V - thể tích vật, [m3] - Khối lượng riêng: đại lượng nghịch đảo thể tích riêng G  =v  V , [kg/m3] Chú ý: Thông thường  = f(p, T), với chất lỏng, rắn (không chịu nén), thay đổi khối lượng riêng (thể tích riêng) theo áp suất nhiệt độ nhỏ bỏ qua Ví dụ: Nước 200C có khối lượng riêng 998 kg/m3 atm 1003 kg/m3 100 atm, thay đổi khối lượng riêng 0,5% Ở áp suất atm, khối lượng riêng nước thay đổi từ 998 kg/m3 200C đến 975 kg/m3 750C, thay đổi 2,3% - kỹ thuật sai số chấp nhận 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN d Nội - ĐN: Toàn dạng lượng bên vật (nội nhiệt năng, nội hóa năng, lượng nguyên tử…) - Trong nhiệt động: Nội = Nội nhiệt = Nội động + Nội U = Ud + Ut = f(T, v) • Đối với khí lí tưởng: Ut = => U = Ud = f (T) du = Cv.dT Trong đó: => Δu = Cv(T2 – T1) Cv – Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN e Entanpi, i - ĐN: i = u + pv - Đối với KLT: di = d(u+pv) di = du + d(pv) = CvdT + RdT => Trong đó: Cp – Nhiệt dung riêng đẳng áp di = Cp.dT f Entropi, s - ĐN: => Δi = Cp(T2 – T1) ds = q/T 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.4 Quá trình chu trình nhiệt động Quá trình nhiệt động: - ĐN: Là thay đổi liên tục hay nhiều thông số trạng thái từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối - Phân loại: + Quá trình cân + Quá trình không cân + Quá trình thuận nghịch Chu trình nhiệt động - Là trình có trạng thái đầu trạng thái cuối trùng 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.5 Nhiệt Công Nhiệt, q [kJ/kg]: - ĐN: Quá trình truyền nội vật có nhiệt độ khác - Kí hiệu: Q (J) q (J/kg) - Qui ước: q > ➠ Nhận nhiệt  q < ➠ Nhả nhiệt 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.5 Nhiệt Công Công, l [kJ/kg] - ĐN: Đại lượng đặc trưng cho trao đổi NL MC môi trường có chuyển động  Kí hiệu: L (J) l (J/kg)  Qui ước: l > ➠ Vật sinh công l < ➠ Vật nhận công 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1.1.5 Nhiệt Công Các loại công, a Công giãn nở:  l  pdv v2 l  pdv  S (12 v v11) v1 b Công kỹ thuật: lkt  vdp p2 lkt    vdp  S (12 p2 p11) p1 1.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT Khí lý tưởng (KLT) khí thực - ĐN: khí tích thân phân tử bé lực tương tác phân tử = Ngược lại, khí thực - Ở điều kiện bình thường xem khí H2, O2, N2… KLT Phương trình trạng thái khí lý tưởng (Claperon) a Viết cho 1kmol khí ◦ p.Vμ = Rμ.T Trong đó: p - Áp suất tuyệt đối môi chất, [N/m2] T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0k] Vμ - Thể tích kmol khí ĐKTC, [m3/kmol] Rμ = 8314 J/kmol độ - Hằng số phổ biến với chất khí 1.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT b Viết cho 1kg khí ◦ p.v = R.T Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0K] v - Thể tích riêng chất khí, [m3/kg] R= 8314 - Hằng số chất khí, [J/kg.độ]  μ – khối lượng phân tử chất [kmol] c Viết cho G kg khí, thể tích V m3 ◦ p.V = G.R.T 1.3 Nhiệt dung riêng chất khí Nhiệt dung riêng a Định nghĩa: nhiệt lượng cần để làm tăng nhiệt độ đơn vị đo lường vật chất lên độ trình t2 C = f(bản chất, T, p) q C b Phân loại:  Theo đơn vị đo: dt  q   C.dt t2 Q C  Nhiệt dung riêng khối lượng G.dt  Q  Nhiệt dung riêng thể tích: C' V dt  Nhiệt dung riêng mol: C  Q   Theo trình: G, V, M khối lượng [kg], thể tích tiêu chuẩn[m3], khối lượng mol[kmol] M dt  NDR Khối lượng đẳng áp Cp, [J/kg.độ]  NDR Khối lượng đẳng tích Cv, [J/kg.độ]  Theo nhiệt độ:  NDR thực : NDR nhiệt độ  NDR trung bình : NDR khoảng nhiệt độ 1.3 Nhiệt dung riêng chất khí Quan hệ Cp, Cv cách tính a Quan hệ Cp Cv: Đối với khí lý tưởng ta có: Cp – Cv = R Cp/Cv = k (*) (**) Cv  R k 1 Cp  k  R k 1 b Cách tính Cv Cp:   Cách 1: tính theo công thức Cách 2: Theo bảng sau: Cv  Cp  Cv  Cp  BÀI TẬP THỰC HÀNH The basic barometer can be used to measure the height of a building If the barometric readings at the top and at the bottom of a building are 730 and 755 mmHg, respectively, determine the height of the building Assume an average air density of 1.18 kg/m Intravenous infusions are usually driven by gravity by hanging the fluid bottle at sufficient height to counteract the blood pressure in the vein and to force the fluid into the body The higher the bottle is raised, the higher the flow rate of the fluid will be (a) If it is observed that the fluid and the blood pressures balance each other when the bottle is 1.2 m above the arm level, determine the gage pressure of the blood (b) If the gage pressure of the fluid at the arm level needs to be 20 kPa for sufficient flow rate, determine how high the bottle must be placed Take the density of the fluid to be 1020 kg/m3 Năng lượng nguyên tử nuclear power When a uranium-235 atom absorbs a neutron and splits during a fission process, it produces a cesium-140 atom, a rubidium-93 atom, neutrons, and 3,2 10 11J of energy In practical terms, the complete fission of kg of uranium-235 releases 6,73 1010 kJ of heat, which is more than the heat released when 3000 tons of coal are burned EXAMPLE 2–1 A Car Powered by Nuclear Fuel An average car consumes about L of gasoline a day, and the capacity of the fuel tank of a car is about 50 L Therefore, a car needs to be refueled once every 10 days Also, the density of gasoline ranges from 0.68 to 0.78 kg/L choose 0.75 kg/L, and its lower heating value is about 44,000 kJ/kg (that is, 44,000 kJ of heat is re leased when kg of gasoline is completely burned) Suppose all the problems associated with the radioactivity and waste disposal of nuclear fuels are re solved, and a car is to be powered by U-235 If a new car comes equipped with 0.1-kg of the nuclear fuel U-235, determine if this car will ever need refueling under average driving conditions Solution: 1) Calculate the mass flow a day 2) Amount of heat energy consume a day [kJ/day] 3) Amount of heat energy release from 0,1 kg U-235[kJ] 4) Proportion between 3/2 [day refuel] [...]... chuyển động  Kí hiệu: L (J) và l (J/kg)  Qui ước: l > 0 ➠ Vật sinh công l < 0 ➠ Vật nhận công 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1. 1.5 Nhiệt và Công 3 Các loại công, a Công giãn nở:  l  pdv v2 l  pdv  S (12 v 2 v 11) v1 b Công kỹ thuật: lkt  vdp p2 lkt    vdp  S (12 p2 p 11) p1 1. 2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT 1 Khí lý tưởng (KLT) và khí thực - ĐN: khí có thể tích bản thân các phân tử bé và lực tương... trạng thái cuối trùng nhau 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1. 1.5 Nhiệt và Công 1 Nhiệt, q [kJ/kg]: - ĐN: Quá trình truyền nội năng giữa 2 vật có nhiệt độ khác nhau - Kí hiệu: Q (J) và q (J/kg) - Qui ước: q > 0 ➠ Nhận nhiệt  q < 0 ➠ Nhả nhiệt 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1. 1.5 Nhiệt và Công 2 Công, l [kJ/kg] - ĐN: Đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi NL giữa MC và môi trường khi có chuyển động  Kí hiệu: L (J)... đó: Cp – Nhiệt dung riêng đẳng áp di = Cp.dT f Entropi, s - ĐN: => Δi = Cp(T2 – T1) ds = q/T 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1. 1.4 Quá trình và chu trình nhiệt động 1 Quá trình nhiệt động: - ĐN: Là sự thay đổi liên tục của một hay nhiều thông số trạng thái từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối - Phân loại: + Quá trình cân bằng + Quá trình không cân bằng + Quá trình thuận nghịch 2 Chu trình nhiệt động -.. .1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN b Nhiệt độ tuyệt đối (T) - Nhiệt độ T = f(tốc độ chuyển động tịnh tiến  của các phân tử và nguyên tử) m. 2 T 3.k Trong đó : T - Nhiệt độ tuyệt đối của vật, oK m - Khối lượng phân tử, kg  - Vtốc ch .động tịnh tiến trung bình của p.tử k - Hằng số Bônzman, k = 1, 3805 .10 -23, J/oK - Thang đo nhiệt độ: + Bách phân: t [0C] + Kenvin: T [0K] + Thang nhiệt độ Farenheit:... khí, thể tích V m3 ◦ p.V = G.R.T 1. 3 Nhiệt dung riêng của chất khí 1 Nhiệt dung riêng a Định nghĩa: là nhiệt lượng cần để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó t2 C = f(bản chất, T, p) q C b Phân loại:  Theo đơn vị đo: dt  q   C.dt t2 Q C  Nhiệt dung riêng khối lượng G.dt  Q  Nhiệt dung riêng thể tích: C' V dt  Nhiệt dung riêng mol: C  Q ... lượng riêng (thể tích riêng) theo áp suất và nhiệt độ là rất nhỏ và có thể bỏ qua Ví dụ: Nước 200C có khối lượng riêng 998 kg/m3 ở 1 atm và 10 03 kg/m3 ở 10 0 atm, như vậy sự thay đổi khối lượng riêng chỉ 0,5% Ở áp suất 1 atm, khối lượng riêng của nước thay đổi từ 998 kg/m3 ở 200C đến 975 kg/m3 ở 750C, thay đổi 2,3% - trong kỹ thuật thì sai số này chấp nhận được 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN d Nội năng - ĐN:... năng - ĐN: Toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật (nội nhiệt năng, nội hóa năng, năng lượng nguyên tử…) - Trong nhiệt động: Nội năng = Nội nhiệt năng = Nội động năng + Nội thế năng U = Ud + Ut = f(T, v) • Đối với khí lí tưởng: Ut = 0 => U = Ud = f (T) du = Cv.dT Trong đó: => Δu = Cv(T2 – T1) Cv – Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN e Entanpi, i - ĐN: i = u + pv - Đối... (Claperon) a Viết cho 1kmol khí ◦ p.Vμ = Rμ.T Trong đó: p - Áp suất tuyệt đối của môi chất, [N/m2] T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0k] Vμ - Thể tích của 1 kmol khí ở ĐKTC, [m3/kmol] Rμ = 8 314 J/kmol độ - Hằng số phổ biến với mọi chất khí 1. 2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT b Viết cho 1kg khí ◦ p.v = R.T Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0K] v - Thể tích riêng của chất khí, [m3/kg] R= 8 314 - Hằng số của chất... lượng đẳng tích Cv, [J/kg.độ]  Theo nhiệt độ:  NDR thực : là NDR tại một nhiệt độ nào đó  NDR trung bình : là NDR trong một khoảng nhiệt độ nào đó 1. 3 Nhiệt dung riêng của chất khí 2 Quan hệ giữa Cp, Cv và cách tính a Quan hệ giữa Cp và Cv: Đối với khí lý tưởng ta có: Cp – Cv = R Cp/Cv = k (*) (**) Cv  R k 1 Cp  k  R k 1 b Cách tính Cv và Cp:   Cách 1: tính theo công thức trên Cách 2: Theo... and 3,2 10  11 J of energy In practical terms, the complete fission of 1 kg of uranium-235 releases 6,73 10 10 kJ of heat, which is more than the heat released when 3000 tons of coal are burned EXAMPLE 2 1 A Car Powered by Nuclear Fuel An average car consumes about 5 L of gasoline a day, and the capacity of the fuel tank of a car is about 50 L Therefore, a car needs to be refueled once every 10 days ... công 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  1. 1.5 Nhiệt Công Các loại công, a Công giãn nở:  l  pdv v2 l  pdv  S (12 v v 11) v1 b Công kỹ thuật: lkt  vdp p2 lkt    vdp  S (12 p2 p 11) p1 1. 2 PHƯƠNG... nhiệt PHẦN II : TRUYỀN NHIỆT Nghiên cứu qui luật phân bố nhiệt độ trao đổi nhiệt vật có nhiệt độ khác Nhiệt kỹ thuật Phần I Nhiệt động học (14 giờ) Phần II Truyền nhiệt ( 16 ) Hình thức đánh giá... dụng bar = 10 5 Pa = 10 5 N/m2 atm =10 1,325 kPa =1, 013 25 bar at = 9,807 .10 4 Pa = 0,9807 bar 760mmHg = atm = 10 1,325 kPa = 10 ,3 mH2O 1. 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN b Nhiệt độ tuyệt đối (T) - Nhiệt độ T