Chương 02:Những định luật nhiệt động cơ bản

Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn Chng NHNG NH LUT NHIT NG C BNC BN 2.1 nh lut nhit ng th nhtI 2.1.1 Nng lng ton phn ca h nhit ng a Cỏc dng nng lng h nhit ng ng nng l nng lng ca chuyn ng v mụ ca h m ; J Wđ = m l lng ca vt (kg) ; l tc ca vt (m/s) Th nng l nng lng lc trng trng gõy nờn, ph thuc vo chiu cao so vi mt t Wt = mgh ; J g l gia tc trng trng (m/s2) ; h l cao ca vt so vi mt t (m) Trong nhit ng, thụng thng giỏ tr ca th nng v bin i th nng l nh so vi cỏc dng nng lng khỏc nờn thng c b qua Ni nng (ni nhit nng): U = mu ; J Nng lng y: i vi h kớn khụng cú nng lng y Cũn vi h h, nng lng y thc cht l th nng ỏp sut: D = mpv ; J b Nng lng ton phn ca h nhit ng Nng lng ton phn ca h bng tng ca ni nng, nng lng y, ng nng v th nng ca h W = U + D + Wđ + WT i vi h kớn, d = 0, = 0: + gh wk = u + gh u i vi h h: wh = u + pv + Vi h l kg mụi cht: w =u+d + 2 + gh = i + + gh i + 2 2.1.2 Nhit ca quỏ trỡnh nh ngha: Nhit nng, hay cũn gi tt l nhit, l mt dng nng lng m h nhit ng trao i vi mụi trng nh s chuyn ng hn lon ca cỏc phn t vi mụ cu to nờn vt cht mt quỏ trỡnh no ú Nhit c kớ hiu l q cú n v l J/kg cho kg mụi cht hoc kớ hiu l Q cú n v l J cho m kg mụi cht Nhit c qui c du l: + H nhn nhit: q > + H thi nhit: q < s2 T Xỏc nh nhit ca quỏ trỡnh: q = Tds - Da theo nh ngha nhit dung riờng: s1 t2 dq = Cdt q = Cdt t1 - Da theo nh ngha entropy: s2 dq = Tds q = Tds s1 s1 s2 th nhit Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT1Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt s Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn Tớnh cht ca nhit: - Nhit l i lng m rng, nhit trao i vi h cha m kg mụi cht l Q = mq - Nhit l hm quỏ trỡnh ph thuc tớnh cht quỏ trỡnh: H i t trng thỏi u n trng thỏi cui theo quỏ trỡnh khỏc s cú nhit lng trao i khỏc 2.1.3 Cụng ca quỏ trỡnh nh ngha: Cụng l mt dng nng lng m h nhit ng trao i nng lng vi mụi trng nh s tỏc ng cú hng ca cỏc phn t v mụ xy quỏ trỡnh no ú Cụng cú th xỏc nh bng tớch ca lc vi dch chuyn v cú th xỏc nh theo quan nim cụng l s thay i th nng ỏp sut Cỏc loi cụng: - Cụng dón n l cụng s thay i th tớch to thnh p Cụng dón n kớ hiu l l cú n v l J/kg cho kg mụi cht p1 hoc kớ hiu l L cú n v l J cho m kg mụi cht dl = pdv l= v2 pdv lkt v1 - Cụng k thut l cụng s thay i ỏp sut ca h gõy Cụng k thut kớ hiu l lkt cú n v l J/kg cho kg mụi cht hoc kớ hiu l Lkt cú n v l J cho m kg mụi cht dlkt = vdp lkt = p2 p2 l v1 vdp v2 v th cụng p1 - Cụng lu ng l cụng sinh s thay i ng nng ca dũng mụi cht h h Cụng lu ng kớ hiu l l cú n v l J/kg cho kg mụi cht hoc kớ hiu l L cú n v l J cho m kg mụi cht d 22 12 d l = dl = = 2 - Cụng y l cụng sinh s thay i th nng ỏp sut ca dũng y dũng mụi cht chuyn ng Cụng y kớ hiu l l cú n v l J.kg cho kg mụi cht hoc kớ hiu l L cho m kg mụi cht dlđ = d ( pv ) lđ = p2 v p1v1 - Cụng ngoi l cụng m h trao i vi mụi trng õy chớnh l cụng hu ớch m ta nhn c t h hoc tỏc ng ti h Cụng ngoi kớ hiu l ln cú n v l J/kg cho kg mụi cht hoc kớ hiu l Ln cho m kg mụi cht Cụng ngoi sinh h sinh cụng gión n tỏc dng ti mụi trng (khi th tớch tng), gim nng lng y, gim ng nng v gim th nng: dln = dl d ( pv ) d ữ gdh i vi h kớn, h khụng cú nng lng y v khụng cú ngoi ng nng v bin i ngoi th nng bng khụng, nờn: ln = l i vi h h, bin i dh rt nh cú th b qua, ta cú: dln = dl d ( pv ) d ữ = pdv pdv vdp d = vdp d Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT2Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn dln = dlkt dl ln = lkt l hay Cụng h trao i vi mụi trng cú th l cụng dón n, cú th l cụng k thut, cú th c cụng dón n v cụng k thut H trao i vi mụi trng cụng ny hay cụng khỏc l cu trỳc h Tớnh cht: - Cụng l i lng m rng L = ml - Cụng l hm quỏ trỡnh ph thuc tớnh cht quỏ trỡnh H i t trng thỏi u n trng thỏi cui theo quỏ trỡnh khỏc s cú cụng khỏc 2.1.4 Ni dung v phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI a Phỏt biu nh lut Nhit cú th bin thnh cụng v ngc li cụng cng cú th chuyn húa thnh nhit, nng lng ca h c bo ton nh lut nhit ng th nhtI cp ti vic bin húa gia nhit v cụng nh lut nhit ng th nhtI thc cht l nh lut bo ton v bin húa nng lng ng dng phm vi nhit b Phng trỡnh nh lut Dng tng quỏt: Gi s kg mụi cht h nhn nhit lng q t mụi trng, lỳc ny nng lng ton phn ca h s bin i mt lng w = w2 w1 v h cú kh nng sinh cụng ngoi ln tỏc dng vi mụi trng q = w + ln Phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI vit cho h kớn: i vi h kớn, ta cú: w = u v ln = l q = u + l dq = du + dl hay Ta bit i = u + pv nờn u = i pv v du = di vdp pdv Thay vo phng trỡnh trờn ta cú: dq = di + dlkt q = i + lkt hay Phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI vit cho h h: i vi h h, ta cú: w = i + v ln = lkt l q = i + lkt dq = di + dlkt hay * Dũng khớ l trng hp riờng ca h h, khụng thc hin cụng ngoi, phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI vit cho dũng khớ cú dng: q = i + dq = di + d hay Phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI vit cho khớ lớ tng: Vi khớ lớ tng, ta cú: du = CvdT ; di = CpdT T phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI vit cho c h kớn v h h ca khớ lýlớ tng ta nhn c: dq = C v dT + pdv dq = C p vdp Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT3Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn c í ngha ca nh lut - Cỏc phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI cho h kớn v cho h h xỏc lp s cõn bng nng lng cho mi quỏ trỡnh nhit ng Nh nhng phng trỡnh cõn bng nng lng cú th xỏc nh c cỏc thnh phn nng lng mi quỏ trỡnh - õy l nh lut quan trng vỡ nú l c s phõn tớch, tớnh toỏn v lp cõn bng v mt s lng ca nng lng cỏc quỏ trỡnh nhit ng - Xột trng hp h thc hin mt chu trỡnh kớn, tớch phõn biu thc dq = du + dl theo chu trỡnh kớn, ta c: dq = ẹ du + ẹ dl ẹ Vỡ chu trỡnh kớn du = nờn: ẹ dq = ẹ dl ẹ Biu thc ny khng nh khụng cú ng c vnh cu loi mt l ng c khụng cn cp nhit sinh cụng liờn tc 2.2 nh lut nhit ng th haiII 2.2.1 Chu trỡnh nhit ng a nh ngha Chu trỡnh nhit ng l hp nhng quỏ trỡnh nhit ng xy liờn tip cho trng thỏi cui trựng vi trng thỏi u b Phõn loi - Chu trỡnh thun nghch l chu trỡnh nhit ng bao gm tt c cỏc quỏ trỡnh ca chu trỡnh u l nhng quỏ trỡnh thun nghch - Chu trỡnh khụng thun nghch l chu trỡnh cú ớt nht mt quỏ trỡnh khụng thun nghch - Chu trỡnh thun chiu l chu trỡnh c thc hin theo chiu kim ng h biu din trờn th Chu trỡnh thun chiu l chu trỡnh bin i nhit thnh cụng, chu trỡnh ca ng c nhit - Chu trỡnh ngc chiu l chu trỡnh c thc hin theo chiu ngc ng h Chu trỡnh ngc chiu l chu trỡnh ca mỏy lnh hoc bm nhit p p b lct > a b lct > a v Chu trỡnh thun chiu v Chu trỡnh ngc chiu Nguyn núng Nguyn núng q1 q1 H H q2 q2 Nguyn lnh Nguyn lnh S nguyờn lớ ng c nhit S nguyờn lớ mỏy lnh hoc bn nhit Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT4Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn c) H s chuyn húa nng lng Chu trỡnh ng c nhit nhn nhit ngun núng q1, thi nhit ngun lnh q2 sinh cụng lct c trng cho chu trỡnh ng c nhit l hiu sut nhit chu trỡnh t: q q2 q l t = ct = = q1 q1 q1 Chu trỡnh ngc chiu phi cung cp cụng lct ly nhit q2 t ngun lnh v y vo ngun núng nhit q1 c trng cho chu trỡnh ngc chiu l h s chuyn húa nng lng bng t s gia nng lng cú ớch v cụng cung cp cho mụi cht chu trỡnh Vi mỏy lnh nng lng cú ớch l nhit q2 ly t ngun lnh, h s chuyn húa nng lng l h s lm lnh : q q2 = = = q1 lct q1 q2 q2 Vi bm nhit nng lng cú ớch l nhit cp vo ngun núng q1, h s chuyn húa nng lng l h s lm núng : q q1 = = = lct q1 q2 q2 q1 Quan h gia v : = +1 2.2.2 Chu trỡnh Carnot (nguyờn lýlớ Carnot) Chu trỡnh Carnot gm hai quỏ trỡnh ng nhit v hai quỏ trỡnh on nhit xen kh Mun cú chu trỡnh Carnot thun nghch cn phi cú cỏc gi thit sau: - Quỏ trỡnh nhn nhit v nh nhit ca mụi cht t cỏc ngun nhit phi l cỏc quỏ trỡnh ng nhit Mun vy, cỏc ngun nhit phi cú nhit dung vụ cựng ln m bo nhit ca cỏc ngun nhit khụng thay i quỏ trỡnh trao i nhit vi mụi cht - hai quỏ trỡnh on nhit l quỏ trỡnh thun nghch thỡ mụi cht phi l khớ lýlớ tng (khụng ma sỏt), ú cỏc quỏ trỡnh on nhit ny l cỏc quỏ trỡnh ng entropy a Chu trỡnh Carnot thun nghch thun chiu: T p q1 1 T1 T2 q1 q2 v s1 = s4 q2 s2 = s3 s 12 - quỏ trỡnh dón ng nhit ; mụi cht nhn nhit q1 = T1s21 t ngun núng T1 23 - quỏ trỡnh dón n on nhit ; mụi cht khụng trao i nhit, nhit gim t T1 n nhit T2 34 - quỏ trỡnh nộn ng nhit ; mụi cht thi nhit q2 = T2s43 cho ngun lnh T2 41 - quỏ trỡnh nộn on nhit ; mụi cht tr v trng thỏi ban u, mụi cht khụng trao i nhit, nhit tng t T2 n nhit T1 Hiu sut nhit ca chu trỡnh Carnot thun nghch: T2 s34 T s q q tCN = = 43 tCN = = q1 T1s21 q1 T1 s12 Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT5Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn Do s43 = s21 s34 = s21 vỡ 34 v 12 l nhng quỏ trỡnh ng nhit thun nghch, ta nhn c: T T tCN = tCN = T1 T1 Nhn xột: - Hiu sut nhit chu trỡnh Carnot thun nghch ch ph thuc nhit ngun núng v nhit ngun lnh, khụng ph thuc tớnh bn cht ca mụi cht Mun nõng cao hiu sut nhit phi tng nhit ngun núng T1 v phi gim nhit ngun lnh T2 - Hiu sut nhit ca chu trỡnh Carnot thun nghch l ln nht khong nhit ngun núng T1 v nhit ngun lnh T2 xỏc nh: T2 T1 - Tuy nhiờn, hiu sut nhit ca chu trỡnh Carnot luụn nh hn vỡ T1 khụng th ln vụ cựng hoc T2 khụng th bng khụng iu ny chng t rng tt c nhit lng ca mụi cht nhn chu trỡnh khụng th bin i thnh cụng c - Hiu sut nhit ca chu trỡnh Carnot bng khụng T1 = T2, ngha l khụng th ch to c ng c lm vic ch bng mt ngun nhit t < tCN = b Chu trỡnh Carnot thun nghch ngc chiu: Chu trỡnh Carnot ngc chiu thun nghch cng bao gm cỏc quỏ trỡnh nh chu trỡnh thun nhng tin hnh ngc chiu T p q1 q1 4 q2 v q2 s Chng minh tng t ta cú h s lm lnh ca chu trỡnh Carnot thun nghch ngc chiu: T2 q2 q2 CN = = T1 T2 T1 CN = = = T1 l ct q1 q T2 T2 v h s lm núng: T1 q1 q1 CN = = T1 T2 T2 CN = = = T2 l ct q1 q T1 T1 Nhn xột: - H s chuyn húa chu trỡnh Carnot ngc chiu ch ph thuc nhit ngun núng T v ngun lnh T2 khụng ph thuc bn cht mụi cht Mun nõng cao h s chuyn hoỏ nng lng T1 cn gim T2 - Trong cựng nhit ngun núng T v ngun lnh T2 h s chuyn hoỏ nng lng ca chu trỡnh Carnot ngc chiu l ln nht CN > v CN > Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT6Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn 2.2.13 Ni dung v cỏch phỏt biu ca nh lut nhit ng th haiII nh lut nhit ng th nhtI mi ch xỏc lp c cõn bng nng lng ca h nhit ng mt quỏ trỡnh no ú nh lut nhit ng th haiII xỏc nh iu kin, mc v chiu hng xy cỏc quỏ trỡnh Vớ d nh lut nhit ng th haiII xỏc nh rng mi quỏ trỡnh t nhiờn u l cỏc quỏ trỡnh t phỏt (quỏ trỡnh khụng thun nghch) bin i t trng thỏi khụng cõn bng ny ti trng thỏi cõn bng khỏc Khi ó mt trng thỏi no ú ri t nú khụng th bin i ngc li Mun bin i ngc li phi tiờu tn nng lng ly t bờn ngoi nh lut nhit ng th haiII cú c phỏt biu bng cỏc cỏc sau: a.- Cỏch phỏt biu ca Carnot - Clausius (1850): Nhit t nú ch cú th truyn t ni cú nhit cao ti ni cú nhit thp Mun truyn ngc li phi tiờu tn nng lng ly t mụi trng Cỏch phỏt biu ny cho ta bit chiu hng xy cỏc quỏ trỡnh nhit b.- Cỏch phỏt biu ca Thomson - Planck (1851): Khụng th cú mỏy nhit chy tun hon cú kh nng bin i ton b nhit cp cho mỏy thnh cụng m khụng mt mt phn nhit truyn cho cỏc vt khỏc Cỏch phỏt biu ny cho ta bit iu kin no cú th bin i nhit thnh cụng (i vi mỏy nhit phi cú hai ngun nhit (ngun núng v ngun lnh) v kh nng chuyn húa gia nhit v cụng ca bt k quỏ trỡnh no l cú mc , khụng th bin i ton b nhit thnh cụng (phi mt mt phn nhit truyn cho ngun lnh) c.- Cỏch phỏt biu ngy nay: Mi quỏ trỡnh thc bt k t xy u l quỏ trỡnh khụng thun nghch Cỏc cỏch phỏt biu trờn l tng ng 2.2.34 Tớnh cht chung ca chu trỡnh nhit ng T chu trỡnh Carnot thun nghch thun chiu nhn c: T q q T tCN = = tCN = = T1 q1 T1 q1 q2 T2 = q1 T1 q2 q1 = T2 T1 q1 q2 q = T1 T2 T2 = q1 T1 q1 q2 + = T1 T2 Vỡ q2 l nhit thi cho ngun lnh nờn q2 mang du õm, b du tr tuyt i, ta cú: q1 q2 q q + =0 + = T1 T2 T1 T2 Vi chu trỡnh Carnot thun chiu khụng thun nghch: T q1 q2 q q T < < + < T1 T1 T2 q1 T1 q1 Tng t nh trờn, ta cú: q1 q2 + T T c Bin i entropy h cụ lp dq dq ds = T T dq dq Nu h thc hin quỏ trỡnh khụng thun nghch, ta cú: ds > ds > T T dq đq Biu thc ds ữ(ds ) biu th tớnh khụng thun nghch ca quỏ trỡnh T T Xột nhng quỏ trỡnh t phỏt xy h cụ lp khụng trao i nhit vi mụi trng bờn ngoi ( dq = 0) (dq = 0), biu thc nh lut nhit ng th hai cú dngbin thiờn entropy cú dng:: 0 ds ds hay ds T T 2.2.56 í ngha entropy - Trong cỏc quỏ trỡnh khụng thun nghch, entropy ca h s tng lờn Hay núi cỏch khỏc, tớnh khụng thun nghch ca quỏ trỡnh luụn lm tng entropy ca h Nh vy entropy l hm c trng cho tớnh khụng thun nghch ca quỏ trỡnh - quỏ trỡnh t phỏt vt bin i t trng thỏi cõn bng tng i ny n trng thỏi cõn bng tng i khỏc n nh hn m tớnh khụng thun nghch ca quỏ trỡnh, h s cú giỏ tr entropy ln hn iu ny cú ngha entropy cũn l hm c trng cho xỏc sut tn ti trng thỏi ca h Nu h thc hin quỏ trỡnh thun nghch, ta cú: ds = Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT9Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn Trng thỏi ca vt s tn ti bn vng hn (cú xỏc sut ln hn) vt cú giỏ tr entropy ln hn v ngc li 2.2.67 Bin thiờn ca entropy ca quỏ trỡnh Theo nh ngha entropy l thụng s trng thỏi khụng o c v khụng xỏc nh c giỏ tr dq dq tuyt i, ch xỏc nh c lng bin thiờn quỏ trỡnh Bit c hm s s tớnh c T T tớch phõn v xỏc nh c giỏ tr ca bin thiờn entropy quỏ trỡnh Xột mụi cht l khớ lýlớ tng, theo nh lut nhit ng th nhtI: dq = Cv dT + pdv dq = Cv dT + pdv Chia c hai v cho T nhn c: dq dT p dq dT p ds = = Cv + dv ds = = Cv + dv T T T T T T p R p R Thay = = l t phng trỡnh trng thỏi khớ lýlớ tng, nhn c: T v T v dT dv dT dv ds = Cv + R ds = Cv + R T v T v (*) Tớnh c tớch phõn xỏc nh bin thiờn entropy: 2 dv dT s = ds = Cv +R ữ (*)s = ds = T v 1 C v dT dv +R T v T v T v s = C v ln ữ+ R ln ữ s = Cv ln + Rln T1 v1 T1 v1 (1) Cng theo phng trỡnh nh lut nhit ng th nhtI, ta cú: dq = Cp dT vdp Chia hai v cho T: dq dT dp đq dT dp ds = = Cp v ds = = Cp v T T T T T T v R v R Thay = = t phng trỡnh trng thỏi khớ lớ tng, , nhn c: T p T p dT dp dp dT ds = C p R ds = Cp R T p p T Bin thiờn entropy: 2 dT dp s = ds = C p R ữ T p 1 C p T p s = C p ln ữ R ln ữ T1 p1 dT dp R T p s = Cp ln T2 p2 Rln T1 p1 s = ds = ( (2) Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT10Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật 10 nhiệt Chng - Nhng nh lut nhit ng c bnc bn Ly vi phõn hai v phng trỡnh trng thỏi khớ lýlớ tng v chia c hai v cho pv = RT, nhn c: dp dv dT dp dv dT + = = p v T p v T Thay vo (*), nhn c: dp dv dv s = Cv + +R ữ p v v dp dv s = Cv + ( Cv + R ) p v dp dv s = Cv + Cp ữ p v dp dv dq dv + p v ds = T = Cv +R v = (Cv +R) dp dp dv dv + Cv = Cp + Cv p p v v Tớch phõn hai v nhn c: v p v p s = C p ln ữ+ C v ln ữs = Cp ln + Cv ln v1 p1 v1 p1 (3) Xột mụi cht l cht rn hoc lng, cp nhit q mụi cht thc hin quỏ trỡnh thun nghch vi th tớch khụng i (dv = 0),Vi quỏ trỡnh bt kỡ, ta cú: phng trỡnh nh lut nhit ng th nht cú dng: dq CdT ds = = dq = du T T Vi khớ lớ tng, coi nhit dung riờng l hng s Khi ú bBin thiờn entropy cú dng:: dq du dT ds = = = C T T T Gi thit nhit dung riờng l hng s khụng ph thuc ỏp sut v nhit , tớch phõn nhn c bin thiờn entropy T T s = C ln ữs = C ln T1 T1 (4) Nguyn Trung nh - BI GING K THUT NHIT11Nguyễn Trung Định - Bài giảng Kỹ thuật 11 nhiệt [...].. .Chương 2 - Những định luật nhiệt động cơ bảncơ bản Lấy vi phân hai vế phương trình trạng thái khí lýlí tưởng và chia cả hai vế cho pv = RT, nhận được: dp dv dT dp dv dT + = − = p v T p v T Thay vào (*), nhận được: 2  dp dv... hoặc lỏng, khi cấp nhiệt đq môi chất thực hiện quá trình thuận nghịch với thể tích không đổi (dv = 0),Với quá trình bất kì, ta có: phương trình định luật nhiệt động thứ nhất có dạng: dq CdT ds = = dq = du T T Với khí lí tưởng, coi nhiệt dung riêng là hằng số Khi đó bBiến thiên entropy có dạng:: dq du dT ds = = = C T T T Giả thiết nhiệt dung riêng là hằng số không phụ thuộc áp suất và nhiệt độ, tích phân... = = C T T T Giả thiết nhiệt dung riêng là hằng số không phụ thuộc áp suất và nhiệt độ, tích phân nhận được biến thiên entropy T T  ∆s = C ln  2 ÷∆s = C ln 2 T1  T1  (4) Nguyễn Trung Định - BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT11NguyÔn Trung §Þnh - Bµi gi¶ng Kü thuËt 11 nhiÖt