Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng Hoặc cĩ thể tích trữ năng lượng VD: Trong động cơ nhiệt: khơng khí Trong động cơ hơi nước: hơi nước Trong động cơ đố
Trang 2• Kiểm tra giữa kỳ: 15%, 20%, 15%
• Kiểm tra cuối kỳ: 50%
• Tài liệu tham khảo:
• Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997
• Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002
•Hoàng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001
Sơ lƣợc về môn học
Trang 33
NỘI DUNG MÔN HỌC
• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT
• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai
• Chương 4: Exergy (tham khảo)
• Chương 5: Chất thuần khiết
• Chương 6: Không khí ẩm
• Chương 7: Chu trình thiết bị động lực hơi nước
• Chương 8: Chu trình thiết bị lạnh
• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong
• Chương 10: Quá trình nén khí và hơi
• Chương 11: Quá trình lưu động và tiết lưu
• Chương 12: Chu trình turbine khí và động cơ phản lực
Trang 42 Trạng thái và thông số trạng thái
3 Phương trình trạng thái của chất khí
Trang 55
Nhiệt động lực học?
Quy luật biến đổi năng lượng
Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi
Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:
ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…
Bơm, quạt, máy nén
Trang 6l
Môi trường xung quanh
Chất mơi giới?
Mặt ranh giới?
Mơi trường?
Chất mơi giới (Chất cơng tác)?
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Hoặc cĩ thể tích trữ năng lượng
VD: Trong động cơ nhiệt: khơng khí
Trong động cơ hơi nước: hơi nước Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng + khí Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…)
Trang 77
Hệ kín:
Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường
Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi
Máy lạnh Bơm nhiệt…
Trang 88
Hệ hở:
Hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng và khối lượng
Chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống
Động cơ đốt trong Động cơ phản lực Turbin khí…
Ví dụ:
Trang 99
Hệ cô lập:
Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao
đổi năng lượng nào
Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường
Hệ đoạn nhiệt:
Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
Trang 10 Động cơ nhiệt:
- Máy nhiệt dùng để sinh công
- Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng đến nguồn lạnh
Ví dụ:
Động cơ đốt trong Động cơ phản lực Thiết bị động lực hơi nước Các loại turbine…
Trang 1111
- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1
- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2
- W: công sinh ra
W Q
Hiệu suất ĐCN
1
2 1
2 1
Q 1
Q
Q Q
Trang 1212
Bơm nhiệt và máy làm lạnh
- Nhận công từ bên ngoài
- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược
từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng
- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1
- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2
- W: công sinh nhận
1
Trang 1313
2 1
1
q q
1 1
Q Q
Q W
Trang 1414
- Máy làm lạnh
2 1
2
q q
2 2
Q Q
Q W
Trang 1515
Chất môi giới
Pha và chất thuần khiết
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi
Khí lý tưởng
Thể tích bản thân các phân tử bằng không
Lực tương tác giữa các phân tử bằng không
Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng
Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần
hóa học
Rắn, lỏng, hơi (hay khí)
Chất thuần khiết: là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học
Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau
Trang 1616
2 Trạng thái và thông số trạng thái
Trạng thái
Trạng thái cân bằng
- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của CMG tại
một thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động
- Giá trị các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ
- Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian
Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác
Trang 1717
Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
Quá trình
Trang 1818
Thông số trạng thái?
- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG
- Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông
Trang 1919
Nhiệt độ là gì?
- Biểu thị mức độ nĩng lạnh của một vật
- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dịng nhiệt
Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng
trung bình của vơ số phân tử chuyển động tịnh tiến
k = 1,3865.10-23 J/độK, hằng số Boltzmann,
T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát
M : khối lượng của một phân tử
: căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ của các phân tử
2
M 2
1 T
k 2
3
Trang 2020
- Định luật nhiệt động thứ không:
Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì
nhiệt độ của 2 vật đó bằng nhau
t1 = t3
t2 = t3 t1 = t2
- Các thang đo nhiệt độ:
Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)
Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR
K t C 273 , 15
67 , 459 R
T F
t
8 , 1
32 F
Trang 2121
Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ
°C
Nhiệt độ điểm 3 thể 273.16
Mức không của thang
nhiệt độ tuyệt đối
Điểm đóng băng của nước
Trang 22'A
Trang 2323
Các loại áp suất:
Được đo bằng Barometer
pkq = pkt = 1 bar
Aùp suất dư (pd) : khi áp suất của môi trường khảo sát có trị số lớn
hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất của môi
trường đó với áp suất khí quyển là áp suất dư Đo bằng Manometer
trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Đo bằng Vacummeter
p = pkq + pd
p = pkq - pck
Trang 2424
Áp suất tuyệt đối
Chân không tuyệt đối
Áp suất môi trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Áp suất tuyệt đối
Áp suất khí quyển
Áp suất môi trường khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển
Độ chân không Áp suất dư
Mối quan hệ giữa các loại áp suất
Trang 2525
) m / kg
( V
G v
( G
V
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất
V: thế tích choán chỗ của khối chất môi giới (m 3 ) G: khối lượng khối chất môi giới đang khảo sát (kg) v: thể tích riêng (m 3 /kg)
ρ: Khối lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m 3 )
Trang 26Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:
- Động năng Eđ: do sự chuyển động của toàn bộ hệ thống
- Thế năng Et: do sự thay đổi vị trí của toàn bộ hệ thống
- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong
hệ thống
U E
E
Trang 2727
Lượng biến đổi nội năng thực chất là lượng biến đổi nội nhiệt năng:
- Động năng: do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của
các phân tử và do các dao động trong nội bộ phân tử
- Thế năng: do lực tương tác giữa các phân tử
- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên
trong hệ thống
t
đ U U
Trang 2828
Đơn vị:
kJ, kcal, kWh, Btu (Bristish thermal unit), Chu (Centigrade heat unit)
Trang 3030
Entanpi ?
Khi thực hiện các bài toán về nhiệt động ta thường gặp biểu thức u + pv
Kamerlingh Onnes đặt tên là Entanpi
Với khối chất môi giới khảo sát là 1kg
Trang 3131
Khí lý tưởng?
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng?
Khí là tập hợp của vô số các phân tử Ở các điều kiện thực tế, giữa các phân tử đều có một lực tương tác nhất định nào đó và bản thân mỗi phân tử đều có một thể tích nào đó
KLT là chất khí thỏa mãn 2 điều kiện sau :
- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 ( v = 0)
- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 ( f = 0)
Ở điều kiện áp suất khá thấp và nhiệt độ khá cao thì khí thực có thể được xem là KLT
Trong đó :
p : áp suất tuyệt đối, N/m2
V : thể tích khối khí, m3
G : khối lượng khối khí, kg
T : nhiệt độ tuyệt đối, K
R : hằng số chất khí, J/kgK
pV = GRT pv = RT
) K kg / J (
8314
R R
Trang 3232
Hỗn hợp khí lý tưởng
- Các thành phần được trộn lẫn lại theo kiểu cơ học,
- Không xảy ra phản ứng hóa học
- Nếu mỗi thành phần trong hỗn hợp đều có thể được xem là khí lý
có thể sử dụng PTTT của KLT cho trường hợp của hỗn hợp
Ví dụ: không khí có thể được xem là hỗn hợp KLT bao gồm N2, O2,
CO2, Ar, hơi nước, …
Cần chú ý, mỗi thành phần trong hỗn hợp đều ở nhiệt độ của hỗn hợp
và chiếm tòan bộ thể tích của hỗn hợp
Trang 3333
Áp suất riêng phần:
- Khi một thành phần nào đó của hỗn hợp chóan toàn bộ thể
tích của hỗn hợp và ở nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất tương
ứng của thành phần đó được gọi là áp suất riêng phần hay
phân áp suất của thành phần đó
Trang 34ip p
Định luật Gibbs-Dalton:
“Khi mỗi một thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều
kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân
áp suất của các thành phần và nội năng của hỗn hợp bằng tổng nội năng
iU U
pi: áp suất riêng phần p: áp suất hỗn hợp
Ui: nội năng của các thành phần U: nội năng của hỗn hợp
Trang 3535
- Thể tích riêng phần (phân thể tích) là thể tích choán chỗ của
thành phần thứ i khi thành phần đó ở điều kiện áp suất và
nhiệt độ của hỗn hợp
Thể tích riêng phần (phân thể tích)
Trang 36iV V
Định luật Amagat:
Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần
của các thành phần
Vi: thể tích của từng thành phần có trong hỗn hợp V: thể tích hỗn hợp
Trang 37iG G
1 g
n
1 i
iV V
1 r
n
1 i
i
Ngoài ra còn có thành phần mol, giá trị bằng với thành phần thể tích
n
n V
V
ri i i
Trang 3838
Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri
n
n G
i i
i
n
nn
nr
i i
i i i
g
g r
Ngoài ra:
Trang 3939
Xác định một số đại lƣợng đặc trƣng của hỗn hợp
Phân tử lượng tương đương của hỗn hợp
Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượng
Theo thành phần thể tích
1 g
n
1 i
1 i
i
i r
Theo thành phần khối lượng
i i
Trang 40i n
1 i
i
T
pV T
V p R
n
1 i
i i
i i
R
g G
R
G R
1 1
i i
i i i
g R
Trang 41i i
g v
G G
i i
r
Suy ra Thể tích riêng của hỗn hợp
Khối lượng riêng của hỗn hợp
Trang 4242
Phân áp suất của các thành phần
GR
R G p
p GRT
T R G pV
V
i i
i
R
R pg
pi i i
i
iR
Trang 4444
Hết chương 1
Trang 451
CHƯƠNG 2
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Trang 462
- Công
- Nhiệt lƣợng
Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:
Công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới
và môi trường trạng thái của chất môi
giới bị thay đổi
Trang 47m N J
Joule ( )
Power
Trong hệ thống nhiệt động: công là lượng năng lượng đi
qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó
Trang 48Example of work crossing the boundary of a system
Trang 495
d xPiston
A: diện tích piston p: áp suất của chất môi giới V: thể tích chất môi giới Lực tác động lên bề mặt piston: F = p.A Công tạo nên khi piston dịch chuyển một đoạn dx:
dV p dx
A p dx
F
W
Wtt = diện tích (122’1’)
Trang 506
d xPiston
2
1
V V
Từ cách biểu diễn công dãn nở trên đồ thị pv, nếu tiến hành các quá trình khác nhau
nhưng có cùng điểm đầu 1 và điểm cuối 2 thì công sinh ra sẽ không giống nhau Rõ ràng
công dãn nở phụ thuộc vào quá trình Điều này chứng minh cho lập luận công là hàm của quá trình
Trang 517
Công trong hệ thống hở
- Công lưu động
Công sinh ra do môi chất chuyển động khi áp suất thay đổi
Công lưu động trong trường hợp chất khí di chuyển trong các ống thỏa các điều kiện sau:
• Chất khí lưu động liên tục và ổn định
• Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục
• Các thông số trạng thái của chất khí trên cùng một tiết diện ngang là như nhau
G : lưu lượng khối lượng
v : thể tích riêng
F : diện tích tiết diện ngang
:vận tốc dòng khí F : lưu lượng thể tích
const v
F
G
Trang 528
Xét 2 tiết diện (I) và (II) rất gần nhau
Xét công lưu động mà phần khí giơí hạn giữa chúng sinh ra:
Phần công khối khí phải tao ra để đẩy khối khí phía sau nó :
Trang 539
Công kỹ thuật
Trong các máy móc thiết bị, khi môi chất tạo ra
được một công dãn nở thì nó phải tiêu tốn một
công lưu động và lượng công còn lại để chúng
ta có thể sử dụng được gọi là công kỹ thuật
Tượng tự, công kỹ thuật cũng phụ thuộc vào quá trình
Dấu của wkt trái với dấu của dp
dp < 0 w kt > 0 : khi dãn nở (áp suất giảm) thì sinh công kỹ thuật
dp > 0 w kt < 0 : khi nén ép (áp suất tăng) thì nhận công kỹ thuật
biểu diễn quá trình này trên đồ thị pv:
w kt = diện tích (122’’1’’)
Trang 54Q > 0 : nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào
Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt
Đơn vị: Joule (J)
2 12
1
Q Q
Các loại trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ
Trang 5511
The effects of heat addition to a system that also can give out work
(Internal Combustion Engine)
Trang 5612
Phương pháp tính nhiệt lượng
Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropy
Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
δq = Tds
δq = Cdt
Trang 5713
Nhiệt dung riêng
δq = Cdt
δq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường
dt : lượng thay đổi nhiệt độ của chất môi giới
Rõ ràng dq và dt tỷ lệ qua hệ số C, được gọi là nhiệt dung riêng (NDR) Trong đó :
NDR là lƣợng nhiệt cần cung cấp để đƣa một đơn vị vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó và ngƣợc lại
Trang 5814
Phân loại nhiệt dung riêng:
Theo đơn vị đo lường vật chất:
Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất
- NDR đẳng áp, Cp: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp
Cp, C’p, Cp
- NDR đẳng tích, Cv: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng tích
Cv, C’v, Cv
- NDR khối lƣợng, C (J/kg.độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg)
- NDR thể tích, C’ (J/m3tc.độ): khi đơn vị đo vật chất là đơn vị thể tích (m3, ở đktc)
- NDR mol, C (J/kmol.độ): khi đơn vị đo vật chất là 1 Kmol
Giữa 3 loại NDR này có mối quan hệ sau:
C= C = 22,4.C’
Trang 5915
* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :
k C
Cv
p
Với k: hệ số đoạn nhiệt
- Ở khí thực, giá trị k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất khí
- Ở KLT, k chỉ phụ thuộc bản chất (cấu tạo phân tử) của chất khí
Trang 60Nhóm 1 nguyên tử: gồm các khí như Ar, Ne, He,…
Nhóm 2 nguyên tử: gồm các khí như O2, N2, H2, CO, Không khí,…
Nhóm 3 nguyên tử: gồm các khí như CO2, SO2, CH4, C2H2, C2H4,…
Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kcal/kmol.độ)
Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)
Trang 6117
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp?
- Nhiệt lượng dùng để làm cho toàn bộ hỗn hợp biến đổi 1 độ bằng tổng nhiệt
lượng dùng để làm cho mỗi thành phần biến đổi 1 độ
vi i vn
n 2
v 2 1
pi i pn
n 2
p 2 1
i i
C
Trang 6218
Định luật nhiệt động thứ nhất
“ Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi mà chỉ chuyển hóa
từ các dạng năng lƣợng khác (hay thành những dạng năng lượng khác) Một
lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng dưới các dạng khác và ngược lại “
Định luật bảo toàn năng lƣợng
W Q
Với hệ nhiệt động E U U2 U1
Trang 6319
Xét một hệ nhiệt động:
- G kg môi chất,
- Biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 nào đó,
- Có một nhiệt lượng Q tham gia ( có thể nhận hoặc mất),
- Và một công W tác động vào môi trường ( có thể cho hoặc nhận)
Nếu ở trạng thái 1 và 2, hệ nhiệt động có năng lượng toàn phần tương ứng bằng U1 và U2 thì:
Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ta có phương trình cân bằng:
Trang 6420
Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ kín
Do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường:
Trang 6521
Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ hở
Do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường nên môi chất phải tiêu tốn công lưu động và
ta chỉ còn có thể sử dụng phần còn lại Tức công ngoài trong trường hợp này xấp xỉ bằng công kỹ thuật