Kỹ Thuật Nhiệt đề cương, bài giảng, lý thuyết

Năng lượng do vật phát ra hoặc hấp thụ trong trao đổi nhiệt bức xạ không phải là liên tục mà là các lượng tử ánh sáng hay còn gọi là các hạt proton.. Trình bày: * Định luật nhiệt động II

Câu 1: Khái niệm hệ nhiệt động Phân loại hệ nhiệt động và cho ví dụ minh họa?

Theo sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường:

+ Hệ không trao đổi vật chất với môi trường là hệ kín;

+ Hệ có sự trao đổi vật chất với môi trường là hệ hở

Theo sự trao đổi năng lượng với môi trường:

+ Hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường là hệ đoạn nhiệt;

+ Hệ không trao đổi cơ năng (công) với môi trường là hệ đoạn cơ (đoạn công)

Hệ cô lập là hệ kín và không trao đổi bất kỳ một dạng năng lượng nào với môi trường Theo trạng thái tồn tại vật chất trong hệ:

+ Các phần tử trong hệ cùng pha (thể vật chất) tạo thành hệ đồng pha;

+ Các phần tử trong hệ tồn tại ở nhiều pha khác nhau tạo thành hệ dị pha

Câu 2: Định luật Fuariê? Khảo sát dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp?

q là vectơ mật độ dòng nhiệt, có phương trùng với phương của gradient nhiệt độ, có chiều

từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp (ngược với chiều của gradient nhiệt độ) Vì vậy trong biểu thức của định luật có dấu “–”;

 là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào bản chất của vật, gọi là hệ số dẫn nhiệt, có đơn vị đo là W/(m.K)

• Hệ số dẫn nhiệt:

Từ trị số của vectơ mật độ dòng nhiệt là:

t q

Đa số vật chất có hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ, gần đúng bậc nhất có dạng:

0 (1 t)

     ,

t t Xác định qui luật thay đổi nhiệt độ trong vách và dòng nhiệt truyền qua vách

Giả thiết rằng chiều dày của vách nhỏ hơn rất nhiều lần so với chiều dài và chiều rộng của vách Như vậy, nhiệt độ chỉ thay đổi theo chiều dày của vách

Trường nhiệt độ thỏa mãn là trường 1 chiều và các mặt đẳng

nhiệt là các mặt phẳng song song với hai bề mặt bên của vách

phẳng Mật độ dòng nhiệt không đổi dọc theo chiều dày vách

t y



 = 0 ;

2 2

t z



 = 0 ; q v 0Phương trình vi phân dẫn nhiệt qua vách phẳng có dạng:

2 2

d t

dx = 0 Lấy tích phân, ta có: dt C1

1 , 2

C C là các hằng số tích phân được xác định theo điều kiện biên

Như vậy, nhiệt độ trong vách phẳng dẫn nhiệt giảm theo qui luật bậc nhất

Từ điều kiện biên:

Câu3: Thế nào là nhiệt dung riêng? Phân loại nhiệt

dung riêng? Tính chất và cách tính nhiệt theo nhiệt

– Nhiệt dung riêng trung bình là giá trị nhiệt dung riêng trong một khoảng nhiệt độ nào

đó

2

1

2 1

Nhiệt dung riêng thực là giới hạn của nhiệt dung riêng trung bình

Theo đơn vị đo vật chất:

– Nhiệt dung riêng khối lượng là nhiệt dung riêng của 1 kg vật chất, được kí hiệu là C, có

đơn vị là J/(kg.K)

– Nhiệt dung riêng thể tích là nhiệt dung riêng của 1 3

tc

m vật chất, được kí hiệu là C , có đơn vị là 3

Theo đặc tính của quá trình:

– Nhiệt dung riêng đẳng tích là nhiệt dung riêng theo quá trình đẳng tích (v = const),

Biểu diễn nhiệt dung riêng thực

và nhiệt dung riêng trung bình

v

R C k



 và p 1

kR C

– Nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc nhiệt độ, ít phụ thuộc áp suất

Nhiệt dung riêng thực của khí thực thường được biểu diễn bằng hàm số sau:

n là số mũ tự chọn, khi n càng lớn thì nhiệt dung riêng được xác định càng chính xác

Khi n = 0, ta có nhiệt dung riêng của khí lí tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi n = 1, ta có nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ bậc nhất

Ca a t

Nhiệt dung riêng trung bình của khí thực cũng phụ thuộc vào nhiệt độ

+ Trường hợp 1: Khi biết nhiệt dung riêng thực có dạng Ca0a t1

q12 là nhiệt lượng của quá trình từ trạng thái 1 có nhiệt độ t1 đến trạng thái 2 có nhiệt độ t2;

q01 là nhiệt lượng của quá trình từ trạng thái có nhiệt độ t = 0 oC đến trạng thái có nhiệt độ



Nếu cho nhiệt dung riêng trung bình của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng từ 0

oC đến nhiệt độ t dưới dạng tra bảng, ta có:

2 1 2

Nhiệt dung riêng phụ thuộc tính chất vật chất và tính chất quá trình nhiệt động Quá trình

đẳng áp có nhiệt dung riêng đẳng áp C p , quá trình đẳng tích có nhiệt dung riêng đẳng tích C v

Câu 4: Khái niệm hỗn hợp khí lí tưởng (định nghĩa, tính chất, các thành phần hỗn hợp)? Phương trình trạng thái viết cho hỗn hợp khí lý tưởng?

- Thành phần khối lượng (phân khối lượng) là tỉ số giữa khối lượng của chất khí thành phần

và khối lượng của hỗn hợp khí

i i

m g m

V r V

Hỗn hợp khí lí tưởng hoàn toàn thỏa mãn phương trình trạng thái khí lí tưởng Các đại lượng trong phương trình trạng thái được thay thế bằng các đại lượng tương đương Phương trình trạng thái của hỗn hợp khí lí tưởng có thể được viết ở dạng:

- Công dãn nở là công do sự thay đổi thể tích tạo thành Công

dãn nở kí hiệu là l có đơn vị là J/kg cho 1 kg môi chất hoặc kí

hiệu là L có đơn vị là J cho m kg môi chất

- Công kĩ thuật là công do sự thay đổi áp suất của hệ gây ra

Công kĩ thuật kí hiệu là l kt có đơn vị là J/kg cho 1 kg môi chất

hoặc kí hiệu là L kt có đơn vị là J cho m kg môi chất

- Công lưu động là công sinh ra do sự thay đổi động năng của dòng môi chất trong hệ hở

Công lưu động kí hiệu là l có đơn vị là J/kg cho 1 kg môi chất hoặc kí hiệu là L có đơn vị là

- Công đẩy là công sinh ra do sự thay đổi thế năng áp suất của dòng để đẩy dòng môi chất

chuyển động Công đẩy kí hiệu là l đ có đơn vị là J.kg cho 1 kg môi chất hoặc kí hiệu là L đ cho

m kg môi chất

( )

dl ® d pv  l ®  p v2 2p v1 1

- Công ngoài là công mà hệ trao đổi với môi trường Đây chính là công hữu ích mà ta nhận

được từ hệ hoặc tác động tới hệ Công ngoài kí hiệu là l n có đơn vị là J/kg cho 1 kg môi chất

hoặc kí hiệu là L n cho m kg môi chất

Công ngoài sinh ra khi hệ sinh công giãn nở tác dụng tới môi trường (khi thể tích tăng), giảm năng lượng đẩy, giảm động năng và giảm thế năng:

Đối với hệ hở, biến đổi dh rất nhỏ có thể bỏ qua, ta có:

p

2 1

xạ nhiệt ở mọi nhiệt độ

Năng lượng do vật phát ra hoặc hấp thụ trong trao đổi nhiệt bức xạ không phải là liên tục mà

là các lượng tử ánh sáng (hay còn gọi là các hạt proton) Đó là các hạt vật chất có mang năng lượng, có động lượng và khối lượng Do đó, người ta nói quá trình phát ra năng lượng và hấp thụ năng lượng mang tính chất hạt Chính vì vậy, trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình vừa mang tính chất sóng vừa mang tính chất hạt

- Tính chất của bức xạ nhiệt:

+ Bản thân vật bao giờ cũng có một nhiệt độ nào đấy, vật luôn có bức xạ nhiệt và mức

độ bức xạ của vật phụ thuộc lớn vào giá trị nhiệt độ của vật

+ Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ luôn luôn kèm theo hai lần biến đổi dạng năng lượng: biến nội năng thành sóng điện từ ở vật phát xạ và quá trình biển đổi ngược lại ở vật hấp thụ

+ Trong kĩ thuật nhiệt người ta chỉ khảo sát những tia mà ở nhiệt độ thường gặp trong

kĩ thuật có hiệu ứng nhiệt cao, gọi là tia nhiệt (tia hồng ngoại và ánh sáng trắng) có bước sóng nằm trong khoảng   0,4 400  m

+ Bức xạ nhiệt có tính chất hạt và tính chất sóng và tốc độ bức xạ nhiệt bằng tốc độ ánh sáng

+ Bức xạ nhiệt xảy ra giữa hai vật diễn ra ngay cả ở chân không

- Phân biệt sự khác nhau giữa bức xạ nhiệt của vật rắn và chất khí:

Những khí phân tử có một hoặc hai nguyên tử như khí heli, oxi, nitơ v.v thực tế hấp thụ và bức xạ năng lượng không đáng kể, những khí phân tử có từ ba nguyên tử trở lên như hơi nước (H2O), cacbonic (CO2) v.v có khả năng hấp thụ và bức xạ năng lượng

- Khác với vật rắn là vật xám có khả năng hấp thụ và bức xạ đối với toàn bộ các sóng có bước sóng từ 0 đến , chất khí chỉ hấp thụ và bức xạ năng lượng trong những dải bước sóng nhất định Như vậy, bức xạ và hấp thụ năng lượng của chất khí có tính chất chọn lọc

- Khác với vật rắn và chất lỏng bức xạ và hấp thụ năng lượng chỉ xảy ra ở trên bề mặt của vật, ở chất khí bức xạ và hấp thụ năng lượng xảy ra trong toàn bộ khối khí Như vậy, bức xạ của chất khí có tính thể tích

- Phân biệt 2 khái niệm hệ số hấp thụ và độ đen:

+ Hệ số hấp thụ A là tỷ số giữa dòng năng lượng bị hấp thụ Qa và dòng năng lượng bức

- Chu trình không thuận nghịch là chu trình có ít nhất một quá trình không thuận nghịch

- Chu trình thuận chiều là chu trình được thực hiện theo chiều kim đồng hồ khi biểu diễn trên

đồ thị Chu trình thuận chiều là chu trình biến đổi nhiệt thành công, chu trình của động cơ nhiệt

- Chu trình ngược chiều là chu trình được thực hiện theo chiều ngược đồng hồ Chu trình ngược chiều là chu trình của máy lạnh hoặc bơm nhiệt

Hệ

Nguyồn nóng

Nguyồn lạnh

Nguyồn lạnh

c) Hệ số chuyển hóa năng lượng

Chu trình động cơ nhiệt nhận nhiệt nguồn nóng q1, thải nhiệt nguồn lạnh q2 sinh công lct Đặc trưng cho chu trình động cơ nhiệt là hiệu suất nhiệt chu trình t:

1

ct t

l

Chu trình ngược chiều phải cung cấp công lct để lấy nhiệt q2 từ nguồn lạnh và đẩy vào nguồn

nóng nhiệt q1 Đặc trưng cho chu trình ngược chiều là hệ số chuyển hóa năng lượng bằng tỷ

số giữa năng lượng có ích và công cung cấp cho môi chất trong chu trình Với máy lạnh năng

lượng có ích là nhiệt q2 lấy từ nguồn lạnh, hệ số chuyển hóa năng lượng là hệ số làm lạnh :

Q  gọi là hệ số phản xạ;

D

Q D

Q  gọi là hệ số xuyên qua

Như vậy:

1

A R D  Những hệ số hấp thụ, phản xạ và xuyên qua phụ thuộc vào bản chất vật lí, nhiệt độ, trạng thái bề mặt của vật và chiều dài bước sóng của dòng bức xạ tới Những hệ số này đặc trưng cho tính chất của vật chất được xác định bằng thực nghiệm

Khi A 1 (R D 0)  vật đen tuyệt đối

Khi R 1 (A D  0)  vật trắng tuyệt đối

Khi D 1 (A R  0)  vật trong tuyệt đối

Những vật có hệ số bức hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua không phụ thuộc vào chiều dài bước sóng gọi là vật xám

Trong kĩ thuật không có các vật có tính tuyệt đối, các vật rắn và các chất lỏng xem gần đúng

có D 0 và được gọi là vật đục Các chất khí có số nguyên tử trong phân tử nhỏ hơn hoặc bằng hai có thể xem là vật trong tuyệt đối có D 1

Các thông số đặc trưng của bức xạ nhiệt

a Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua: như đã trình bày ở trên hệ số A, R, D

b Dòng bức xạ toàn phần và dòng bức xạ đơn sắc

- Dòng bức xạ toàn phần là lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng điện từ trong

một đơn vị thời gian được kí hiệu là Q, đơn vị là W

- Dòng bức xạ đơn sắc là lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với một bước sóng hoặc trong khoảng hẹp bước sóng xác định được kí hiệu là Q, đơn vị là W/m

c Năng suất bức xạ và cường độ bức xạ

- Năng suất bức xạ là dòng bức xạ toàn phần trên một đơn vị diện tích bề mặt của vật được

kí hiệu là E, đơn vị là W/m2

- Cường độ bức xạ là năng suất bức xạ ứng với một khoảng hẹp bước sóng nào đó được kí hiệu là I, đơn vị là W/m3

d Năng suất bức xạ hiệu dụng và năng suất bức xạ hiệu quả

- Năng suất bức xạ hiệu dụng (E hd) là tổng năng suất bức xạ bản thân và bức xạ phản xạ

.

ở đây: E t, E R là năng suất bức xạ tới và năng suất bức xạ phản xạ

Câu9: Nội dung định luật nhiệt động thứ hai Phương trình định luật cho các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch?

Trình bày:

* Định luật nhiệt động II có được phát biểu bằng các các sau:

- Cách phát biểu của Carnot - Clausius (1850): Nhiệt tự nó chỉ có thể truyền từ nơi có nhiệt

độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp Muốn truyền ngược lại phải tiêu tốn năng lượng lấy từ môi trường

Cách phát biểu này cho ta biết chiều hướng xảy ra các quá trình nhiệt

- Cách phát biểu của Thomson - Planck (1851): Không thể có máy nhiệt chạy tuần hoàn có khả năng biến đổi toàn bộ nhiệt cấp cho máy thành công mà không mất một phần nhiệt truyền cho các vật khác

Cách phát biểu này cho ta biết điều kiện khi nào có thể biến đổi nhiệt thành công (đối với máy nhiệt phải có hai nguồn nhiệt (nguồn nóng và nguồn lạnh) và khả năng chuyển hóa giữa nhiệt và công của bất kỳ quá trình nào là có mức độ, không thể biến đổi toàn bộ nhiệt thành công (phải mất một phần nhiệt để truyền cho nguồn lạnh)

- Cách phát biểu ngày nay: Mọi quá trình thực bất kỳ tự xảy ra đều là quá trình không thuận nghịch

Các cách phát biểu trên là tương đương

* Phương trình định luật cho các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch:

Từ chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều nhận được:

Xét chu trình nhiệt động thuận nghịch bất kỳ, có thể được coi như là tổng của nhiều các chu

trình Carnot thuận nghịch, mỗi chu trình có nguồn nhiệt T i và nhận nhiệt dq i thoả mãn điều kiện:

2

1

0

i i i

dq T

Câu10: Thế nào là hai hiện tượng tương tự và thế nào là hai hiện tượng đồng dạng? Khi giải phương trình đồng dạng cần phải lưu ý những gì?

Trình bày:

- Hai hiện tượng tương tự là hai hiện tượng có bản chất vật lí khác nhau nhưng các phương trình mô tả chúng có hình thức giống nhau

- Hai hiện tượng đồng dạng là hai hiện tượng vật lí có cùng bản chất và chúng được mô tả

bởi một phương trình toán học giống nhau về nội dung và hình thức

Đồng dạng của các hiện tượng vật lí là đồng dạng về trường các đại lượng cùng tên mô tả hiện tượng đó

- Những điểm lưu ý khi giải phương trình đồng dạng:

Phương trình đồng dạng là phương trình biểu diễn quan hệ giữa các tiêu chuẩn đồng dạng đặc trưng cho hiện tượng trao đổi nhiệt đối lưu

Phương trình tiêu chuẩn có dạng tổng quát:

- Kích thước xác định l là kích thước hình học của bề mặt tỏa nhiệt có ảnh hưởng lớn nhất nhất đến quá trình tỏa nhiệt Khi nghiên cứu người ta đã xác định rõ đại lượng này, do đó khi sử dụng các phương trình tiêu chuẩn, nhất thiết phải lấy kích thước này để tính toán cho các tiêu chuẩn đồng dạng

- Nhiệt độ xác định t là nhiệt độ do người nghiên cứu chọn để tra tính chất nhiệt vật lí của chất lỏng Nhiệt độ xác định có thể là:

Câu11: Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều? ý nghĩa của chu trình Carnot? Trình bày:

Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều

12 - quá trình dãn đẳng nhiệt ; môi chất nhận nhiệt q1 = T1s21 từ nguồn nóng T1

23 - quá trình dãn nở đoạn nhiệt ; môi chất không trao đổi nhiệt, nhiệt độ giảm từ T1 đến

nhiệt độ T2

34 - quá trình nén đẳng nhiệt ; môi chất thải nhiệt q2 = T2s43 cho nguồn lạnh T2

41 - quá trình nén đoạn nhiệt ; môi chất trở về trạng thái ban đầu, môi chất không trao

đổi nhiệt, nhiệt độ tăng từ T2 đến nhiệt độ T1

Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận nghịch:

2 43 2

1

tCN

T T

  

Nhận xét:

- Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận nghịch chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt

độ nguồn lạnh, không phụ thuộc bản chất của môi chất Muốn nâng cao hiệu suất nhiệt phải tăng nhiệt độ nguồn nóng T1 và phải giảm nhiệt độ nguồn lạnh T2

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận nghịch là lớn nhất trong khoảng nhiệt độ nguồn

nóng T1 và nhiệt độ nguồn lạnh T2

t < tCN = 1 

- Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot luôn nhỏ hơn 1 vì T1 không thể lớn vô cùng

hoặc T2 không thể bằng không Điều này chứng tỏ rằng tất cả nhiệt lượng của môi chất nhận trong chu trình không thể biến đổi thành công được

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot bằng không khi T1 = T2, nghĩa là không thể chế tạo được động cơ làm việc chỉ bằng một nguồn nhiệt

Ý nghĩa entropy

- Trong các quá trình không thuận nghịch, entropy của hệ sẽ tăng lên Hay nói cách khác, tính không thuận nghịch của quá trình luôn làm tăng entropy của hệ Như vậy entropy là hàm đặc trưng cho tính không thuận nghịch của quá trình

- Ở quá trình tự phát vật biến đổi từ trạng thái cân bằng tương đối này đến trạng thái cân bằng tương đối khác ổn định hơn mà do tính không thuận nghịch của quá trình, hệ sẽ có giá trị entropy lớn hơn Điều này có nghĩa entropy còn là hàm đặc trưng cho xác suất tồn tại trạng thái của hệ Trạng thái của vật sẽ tồn tại bền vững hơn (có xác suất lớn hơn) khi vật có giá trị entropy lớn hơn và ngược lại

Câu12: Thế nào là truyền nhiệt, biện pháp tăng cường truyền nhiệt?

Trình bày:

Quá trình truyền nhiệt là quá trình lan truyền năng lượng nhiệt Khi khảo sát quá trình truyền nhiệt bỏ qua phần nhiệt động và quá trình truyền nhiệt được phân thành những dạng cơ bản là dẫn nhiệt, tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ Quá trình truyền nhiệt xảy ra đồng thời những dạng cơ bản gọi là quá trình truyền nhiệt phức tạp

* Tăng cường truyền nhiệt

Tăng cường truyền nhiệt là tăng cường dòng nhiệt trong quá trình tỏa nhiệt, để tăng cường dòng nhiệt phải xác định những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến dòng nhiệt và tìm giải pháp kĩ thuật tác động vào chúng

Dòng nhiệt truyền qua vách được xác định theo biểu thức:

qKF t

Muốn tăng cường dòng nhiệt phải tăng hệ số truyền nhiệt (K), tăng bề mặt truyền nhiệt ( )F

và tăng độ chênh nhiệt độ ( t)

Trong trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng hệ số truyền nhiệt được xác định theo biểu thức:

Theo biểu thức này hệ số truyền nhiệt (K) luôn nhỏ hơn hệ số tỏa nhiệt nhỏ nhất trong các

hệ số tỏa nhiệt đã cho Để tăng hệ số truyền nhiệt phải tăng hệ số tỏa nhiệt nhỏ nhất sẽ có hiệu quả cao hơn Khi hệ số tỏa nhiệt 1 gần bằng hệ số tỏa nhiệt 2 cần thiết phải tăng cả hai mới mang lại hiệu quả cao

Đối với vách có cánh, nếu bỏ qua nhiệt trở do dẫn nhiệt thì dòng nhiệt truyền qua vách có cánh bằng:

Câu13: Nội dung và phương trình của định luật nhiệt động thứ nhất? ý nghĩa của định luật?

• Dạng tổng quát: Giả sử 1 kg môi chất trong hệ nhận nhiệt lượng q từ môi trường, lúc này

năng lượng toàn phần của hệ sẽ biến đổi một lượng w = w2 w1 và hệ có khả năng sinh công

ngoài l n tác dụng với môi trường

• Phương trình định luật nhiệt động I viết cho hệ hở:

c Ý nghĩa của định luật

- Các phương trình định luật nhiệt động I cho hệ kín và cho hệ hở xác lập sự cân bằng năng lượng cho mọi quá trình nhiệt động Nhờ những phương trình cân bằng năng lượng có thể xác định được các thành phần năng lượng trong mọi quá trình

- Đây là định luật quan trọng vì nó là cơ sở để phân tích, tính toán và lập cân bằng về mặt

số lượng của năng lượng trong các quá trình nhiệt động

- Xét trường hợp hệ thực hiện một chu trình kín, tích phân biểu thức dqdudltheo chu trình kín, ta được:

Để hạn chế truyền nhiệt phải tăng nhiệt trở dẫn nhiệt: Giảm các hệ số tỏa nhiệt đối lưu 1

và 2 Một biện pháp cơ bản tăng nhiệt trở dẫn nhiệt là bọc cách nhiệt

Những vật liệu để bọc cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, trong khoảng nhiệt độ từ 50 

100 oC hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt   2,3W/(m.K) Vật liệu cách nhiệt thường gặp

là bông thuỷ tinh, amiăng và những vật liệu xốp

Khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt phải đảm bảo chịu nhiệt độ làm việc, đảm bảo độ bền và không thấm ẩm Khi nhiệt độ bề mặt cách nhiệt cao phải sử dụng cách nhiệt nhiều lớp Khi bọc cách nhiệt phía tiếp xúc môi trường cần được cách ẩm vì ẩm xâm nhập vào vật liệu cách nhiệt sẽ làm giảm khả năng cách nhiệt

Khi bọc cách nhiệt cho ống hình trụ có đường kính trong ( )d1 , đường kính ngoài (d2), hệ

số dẫn nhiệt ( )  một lớp cách nhiệt có đường kính ngoài cùng (d3), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt ( CN), hệ số tỏa nhiệt bên trong (1), và hệ số tỏa nhiệt bên ngoài (2), nhiệt trở của ống bọc cách nhiệt ứng với 1 m chiều dài ống là:

3 2

CN

CN

d R

l CN

Từ biểu thức trên ta nhận thấy:

- Đường kính ngoài cách nhiệt (d3) trong miền

d d d làm tăng dòng nhiệt vì tăng diện tích tỏa

nhiệt của bề mặt cách nhiệt

- Đường kính ngoài bọc cách nhiệt bằng đường kính

giới hạn (d3 d th), tổn thất nhiệt đạt giá trị cực đại

- Đường kính ngoài của cách nhiệt lớn hơn đường

kính giới hạn nhưng nhỏ hơn đường kính cách nhiệt tối

thiểu (dt gh d3d hq), tổn thất nhiệt giảm xuống Tuy nhiên, tổn thất nhiệt vẫn lớn hơn tổ thất nhiệt khi không bọc lớp cách nhiệt

- Đường kính ngoài của lớp cách nhiệt lớn hơn đường kính cách nhiệt tối thiểu (d3d hq), tổn thất nhiệt tiếp tục giảm và nhỏ hơn tổn thất nhiệt khi chưa bọc lớp cách nhiệt

Như vậy, để bọc cách nhiệt cho ống có hiệu quả cần thỏa mãn điều kiện:

ở đây: q lCN là mật độ dòng nhiệt dài khi ống được bọc lớp cách nhiệt, W/m; q l là mật

độ dòng nhiệt dài khi ống không được bọc lớp cách nhiệt

Như vậy, muốn hạn chế tổn thất nhiệt khi bọc lớp vật liệu cách nhiệt cho vách trụ có đường kính ngoài (d2) thì vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt CN phải thoả mãn điều kiện:

Câu15: Thiết lập ptrình quá trình đa biến Nhiệt dung riêng của quá trình đa biến? Trình bày:

Định nghĩa: Quá trình đa biến là quá trình thay đổi trạng thái của hệ nhiệt động trong điều kiện nhiệt dung riêng không đổi

vdp n

ở đây, n được gọi là số mũ đa biến

Biểu thức (*) là phương trình vi phân của quá trình đa biến còn (**) là phương trình quá trình đa biến

Nhiệt dung riêng được xác định theo biểu thức bằng cách thay ta nhận được:

i KN: Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa các vật hoặc các phần của vật

có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau

ii Bản chất: Dẫn nhiệt là dạng truyền nhiệt bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi

mô như phân tử, nguyên tử, điện tử tự do, ion v.v Dẫn nhiệt xảy ra trong chất rắn, trong chất lỏng và cả trong chất khí Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng khuyếch tán của các điện tử tự do Trong chất lỏng và vật rắn dẫn nhiệt được thực hiện bằng truyền trực tiếp chuyển động nhiệt của những phân tử, nguyên tử bền cùng nhau thành những sóng đàn hồi Trong chất

khí dẫn nhiệt do những phân tử khí có tốc độ chuyển động nhiệt khác nhau va chạm trực tiếp

để truyền động năng cho nhau

iii Các khái niệm cụ thể:

+ Căn cứ vào sự phụ thuộc của nhiệt độ theo thời gian:

Trường nhiệt độ ổn định => không biến đổi theo thời gian

Trường nhiệt độ không ổn định => biến đổi theo thời gian

+ Căn cứ vào sự biến thiên nhiệt độ trong không gian:

Trường nhiệt độ 3 chiều: Trường nhiệt độ ổn định 3 chiều: t f x y z( , , ); Trường nhiệt độ không ổn định 3 chiều: t f x y z( , , , ) 

Trường nhiệt độ 2 chiều: Trường nhiệt độ ổn định 2 chiều: t f x y( , ); Trường nhiệt độ không

ổn định 2 chiều: t  f x y( , , ) 

Trường nhiệt độ 1 chiều: Trường nhiệt độ ổn định 1 chiều: t f x( ); Trường nhiệt độ không

ổn định 1 chiều: t  f x( , ) 

- Tính chất:

+ Nhiệt độ là một đại lượng vô hướng=> trường nhiệt độ là một trường vô hướng

+ Trường nhiệt độ đặc trưng cho trạng thái truyền nhiệt của vật hoặc các vật

➢ Mặt đẳng nhiệt và gradient nhiệt độ

- ĐN: Là tập hợp của tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt

độ tại một thời điểm

- Tính chất: Các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau; hoặc kép kín

trong vật hoặc kết thúc trên biên của vật Mặt đẳng nhiệt có thể là

mặt phẳng, có thể là mặt cong Trong vật thể, nhiệt độ chỉ thay đổi

từ mặt đẳng nhiệt này đến mặt đẳng nhiệt khác

- Gradient nhiệt độ là đại lượng vectơ có phương trùng với

phương pháp tuyến của các mặt đẳng nhiệt, có chiều là chiều tăng

nhiệt độ và có độ lớn bằng đạo hàm riêng của nhiệt độ theo phương pháp tuyến

➢ Khảo sát quá trình hóa hơi đẳng áp của nước:

- Hóa hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể hơi

- Có thể thực hiện bằng cách bay hơi hoặc sôi

- Quá trình bay hơi là do một số các phân tử chất lỏng có tốc độ chuyển động lớn hơn các phân tử xung quanh thắng được năng lượng thế vượt ra ngoài bề mặt thoáng bay vào không gian tự do Bị mất phân tử, nội năng của nước giảm xuống làm giảm nhiệt độ chất lỏng

- Sôi là hiện tượng hóa hơi không chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng của nước mà còn xảy ra ngay trong lòng chất lỏng Ở một áp suất nhất định, hiện tượng sôi chỉ sảy ra ở một nhiệt độ

nhất định Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ bão hòa hay nhiệt độ sôi, kí hiệu là t s Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất vật lí và áp suất của nước Khi áp suất càng cao thì nhiệt độ sôi càng lớn

- Quá trình hóa hơi của nước trong các thiết bị nhiệt thường xảy ra ở áp suất không đổi

Khảo sát một kilôgam nước ở áp suất p nhiệt độ t1 được cung cấp nhiệt đẳng áp để tạo hơi nước

1 Quá trình cấp nhiệt đưa nước từ trạng thái ban đầu đến trạng thái sôi gọi là quá trình hâm nóng nước (quá trình 1s)

Nhiệt cung cấp cho quá trình hâm nóng (q hn):

2 Tiếp tục cung cấp nhiệt sẽ xảy ra quá trình sôi, quá trình sôi sẽ kết thúc ở điểm hk, toàn bộ nước sôi biến thành hơi không còn giọt nước có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi gọi là hơi bão hòa khô Quá trình shk là quá trình sôi, ngược lại là quá trình ngưng tụ Quá trình sôi xảy ra ở nhiệt

độ không đổi gọi là nhiệt độ bão hòa, nhiệt độ bão hòa bằng nhiệt độ sôi và bằng nhiệt độ

ngưng tụ (t bh = t s) Mỗi áp suất có một nhiệt độ bão hòa và mỗi nhiệt độ có một áp suất bão hòa

Nhiệt cung cấp cho quá trình sôi là nhiệt hóa hơi (r):

s

q   i i r

i là entalpy của hơi bão hòa khô, i là entalpy của nước sôi

3 Tiếp tục cung cấp nhiệt cho hơi bão hòa khô, nhiệt độ hơi tăng lên đến nhiệt độ t2 Hơi có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa là hơi quá nhiệt Quá trình tăng nhiệt độ hơi là quá trình quá nhiệt hơi hk2 Nhiệt cung cấp cho quá trình quá nhiệt (q qn):

q qn  i2 i

i2 là entalpy của hơi quá nhiệt

Nhiệt cung cấp cho quá trình đẳng áp đưa một kilogam nước thành hơi quá nhiệt bằng tổng các nhiệt đã cung cấp: