Nhiệt động lực học và Truyền nhiệt ThS. Hoàng Thị Nam Hương ĐH Bách Khoa TPHCM

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Nền tảng của môn học định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai  Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật về bảo toàn năng lượng được phát biểu theo nh

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN



Nền tảng của môn học

định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai

 Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật về bảo toàn năng lượng được

phát biểu theo nhiệt động lực học

 Định luật nhiệt động thứ hai: biến đổi năng lượng trong nhiệt động

và các hệ quả

Các kiến thức của nhiệt động lực học kỹ thuật cần thiết cho các lĩnh vực

sau:

 Điều hòa không khí

 Nhà máy nhiệt điện

 Trong các nhà máy đông lạnh

 Bảo quản nông sản

 …

1.1.1 Nhiệt lượng và cơng

- Nhiệt lượng

Kí hiệu: q (J/kg, kJ/kg)

Q (J, kJ) Qui ước về dấu:

(+): vật sinh cơng

(-): vật nhận cơng

Nhiệt lượng Q và công L không phải là một dạng năng lượng, nó chỉ thể hiện mức độ truyền năng lượng và chỉ được đề cập đến khi có quá trình truyền năng lượng, công và nhiệt lượng có cùng đơn vị đo, một số đơn vị đo thường gặp trong kỹ thuật:

Theo hệ SI:

1 Btu = 1055 J = 252 cal

1 Wh = 3,413 Btu (1 kWh = 3413 Btu)

1.1.2 Hệ nhiệt động

Đối tượng được tách ra để nghiên cứu (quá trình chuyển biến nhiệt lượng và

công), còn lại  môi trường xung quanh

 Môi trường: là không gian trực tiếp bao xung quanh hệ thống

 đặc điểm cơ bản của môi trường là nhiệt độ luôn giữ ổn định cho dù

có trao đổi năng lượng với hệä thống

 thông thường, môi trường là một trong hai nguồn nhiệt trong hệ thống

nhiệt động

 Bề mặt ranh giới: là mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường

 có thể là mặt thật hay mặt tưởng tượng

Hệ nhiệt động về cơ bản phân thành các hệ sau:

a Hệ kín

Trong quá trình làm việc chất môi giới không đi xuyên qua bề mặt ranh giới

b Hệ hở

Trong quá trình làm việc chất môi giới luôn đi xuyên qua bề mặt ranh giới,

chất môi giới trong hệ luôn luôn biến đổi

c Hệ đoạn nhiệt

Trong quá trình hoạt động, giữa chất môi giới và môi trường không có sự

trao đổi nhiệt lượng

d Hệ cô lập

Không có sự trao đổi nhiệt lượng và công với môi trường

1.1.3 Chất mơi giới

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển hóa năng lượng trong

các hệ thống nhiệt động

Chất mơi giới trong hệ thống lạnh  tác nhân lạnh, lãnh chất

Chất mơi giới trong hệ thống sấy  tác nhân sấy

…

Một hệ thống nhiệt động có thể có một hay nhiều hơn một chất môi giới

Ví dụ: R22, NH3 trong các máy lạnh có máy nén hơi

Dung dịch H2O-LiBr, NH3-H2O trong các hệ thống máy lạnh hấp thụ

1.2 Thông số trạng thái

 Tập hợp các thông số dùng để xác định trạng thái của chất môi giới (tại

từng thời điểm, vị trí trong hệ)

Để xác định trạng thái của chất môi giới cần phải biết ít nhất hai thông số

trạng thái độc lập nhau

Các thông số trạng thái bao gồm:

Trong đó 3 thông số đầu được gọi là thông số trạng thái cơ bản vì có thể

trực tiếp dùng dụng cụ đo để xác định

1 Nhiệt độ

Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật

 Dụng cụ đo: nhiệt kế

 Đơn vị:

Trong hệ thống đơn vị SI (System International)

Thang đo này được xây dựng trên cơ sở 2 điểm mốc: điểm nước đá đang tan

và điểm nước sôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,32kPa), nhiệt độ tương ứng

của 2 điểm này được chọn là 0oC và 100oC

Trong khoảng từ 0oC đến 100oC được chia đều làm 100 vạch, mỗi vạch ứng

với 1oC

b Thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin T(K)

Giới hạn thấp nhất của nhiệt độ là không độ của nhiệt giai Kelvin

Trong hệ thống đơn vị IS (Imperial system hay English System)

a Thang nhiệt độ Fahrenheit t( o F)

Nhiệt độ 2 điểm mốc tương ứng là 32oF và 212oF chia làm 180 vạch, mỗi

vạch ứng với 1oF

b Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine T(R)

Tương tự như thang đo tuyệt đối Kelvin, là cơ sở tính toán nhiệt động trong

hệ IS

 Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:

T F t

K T 8 , 1 R T

15 , 273 K

T C t

o o

o o

K T 8 , 1 R T

R T F

t

K T C

t

o o

o o

Aùp suất là áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo

phương pháp tuyến với bề mặt đó

1- Áp suất khí trời pkt (pb), dụng cụ đo được gọi là barometer

2- Áp suất lớn hơn áp suất khí trời: khi p > pkt  áp suất dư pd, dụng cụ đo được gọi là manometer (trong kỹ thuật thường gọi là áp kế)

3- Áp suất nhỏ hơn áp suất khí trời: khi p < pkt  áp suất chân không pck, dụng cụ đo được gọi là vacumeter (hoặc chân không kế), pv

4- Áp suất tuyệt đối ptđ: là áp suất so với điều kiện chân không tuyệt đối (ptđ = 0), áp suất tuyệt đối không đo trực tiếp được mà phải tính qua kết quả đo pd (bằng manometer), pck (bằng vacumeter) và pkt (bằng baromater)

p > p kt  p tđ = p d + p kt

p < p kt  p tđ = p kt – p ck

Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối là thông số trạng thái

Sơ đồ thể hiện mối quan hệ các loại áp suất

Dụng cụ đo áp suất

v (kg/m3) : khối lượng riêng

Lưu ý: chỉ có thể tích riêng là thông số trạng thái

1.3 Phương trình trạng thái của chất khí

Là phương trình thể hiện quan hệ của 3 thông số trạng thái cơ bản:

1 kmol: pv  RT

Trong đó:

p áp suất tuyệt đối, Pa (N m2)

v thể tích riêng của khối khí, m3 kg

V thể tích toàn phần của khối khí, m3

G khối lượng toàn bộ của khối khí, kg

T nhiệt độ tuyệt đối, K

v thể tích ứng với 1kmol, m3 kmol

R hằng số phổ biến của chất khí, bằng nhau cho mọi loại khí

R R





(J/kg.độ)

93 , 296 28

R R

T R p

p 8

T R b

p 64

27 a

3

1.4 Hỗn hợp khí lý tưởng

Các khí thành phần là khí lý tưởng, hỗn hợp khí là hỗn hợp cơ học không

có bất kỳ một phản ứng hóa học nào

Có thể sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho:

 Cả hỗn hợp

T R G V

hh hh

8314 R

 Từng thành phần trong hỗn hợp

1.4.1 Định luật Gibb-Dalton (Định luật về phân áp suất)

p p

p p

1 2

Phân áp suất của khí thứ i:

V

T R G

và thể tích riêng phần của khí thứ i:

p

T R G

1.4.3 Thành phần của hỗn hợp khí

1 Thành phần khối lượng g(%)

Thành phần khối lượng của khí thứ i trong hỗn hợp là:

2 Thành phần thể tích r(%)

Thành phần thể tích của khí thứ i trong hỗn hợp là:

3 Thành phần số mol r(%)

Thành phần theo số mol (sử dụng cùng ký hiệu r vì tỷ lệ theo số mol bằng

tỷ lệ theo thể tích) của khí thứ i trong hỗn hợp là:

i i hh

i

n

n G

G g

1

i i n

1

i hh

i i

g

g G

G n

n n

n r

4 Xác định một số đại lượng đặc trưng của hỗn hợp

 Phân tử lượng của hỗn hợp

n 1

hh

hh

g G

n n

1 r

1

i i n

n 1

g g

8314

8314 R

 Phân áp suất của các khí thành phần

T R G V p

hh hh

i i i

i i

hh i

p Aùp suất tuyệt đối

Ví dụ 1.1: Một bình chứa khí O2 có dung tích V = 200 lít, đồng hồ áp kế (manometer) chỉ 119 bar, nhiệt kế chỉ 17oC, đồng hồ barometer chỉ

Aùp suất tuyệt đối:

120 1

pV 

85,31290

328314

)10200()10120

Ví dụ 1.2: Một bình kín có thể tích 1,2 m3 chứa hỗn hợp khí ở nhiệt độ 30oC

Hỗn hợp gồm: 2 kg O2, 3 kg N2, 4 kg CO2

Cho biết áp suất khí quyển pkq =1bar

Hãy xác định:

a Số chỉ của áp kế

b Phân áp suất của khí thành phần

hh

44

428

3322

432

hh

542 , 34

8314 8314

N x

x V

GRT

2 , 1

15 , 303 69 , 240

p

b/ Phân áp suất khí thành phần:

p g

p

i

hh i





C Tính lượng khí cháy đã dùng

3 Khảo sát 1 hỗn hợp khí lí tưởng ban đầu có t1=35oC, p1=3bar; sau khi cấp

nhiệt t2=80oC, p2=3,25bar Cho biết hỗn hợp gồm 0,3kg CO2, 0,45kg CO

Xác định các áp suất riêng phần tại trạng thái đầu và trạng thái cuối

TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

2.1 NHIỆT DUNG RIÊNG

Định nghĩa : Nhiệt dung riêng (NDR)của chất khí là nhiệt lượng

cần thiết cung cấp cho một đơn vị chất khí tăng lên 1 độ theo một quá trình nào đó

- NDR khối lượng c: là nhiệt lượng cần thiết để đưa 1 kg khí tăng lên 1 độ theo quá trình nào đó, đơn vị: kJ/kg.độ

- NDR thể tích c’: là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 m3 quy về điều kiện tiêu chuẩn ( m3tc) tăng lên 1 độ theo quá trình nào đó, đơn vị: kJ/ 3

kJ

c p

)K.kmol/(

trong đó: Q - nhiệt lượng cần cung cấp cho khối khí, kJ

G - khối lượng khối khí, kg

c - nhiệt dung riêng khối lượng, kJ/kg.độ

t1 và t2 - nhiệt độ đầu và cuối của quá trình

Bài tập:

2 Một bình chứa khí N2 có dung tích V = 200 lít, đồng hồ áp kế (manometer) chỉ 9 bar, nhiệt kế chỉ 17oC, đồng hồ barometer chỉ

H = 750 mmHg

- Sau đĩ nạp thêm khí N2 vào bình thấy áp kế chỉ 21 bar, nhiệt kế chỉ 30oC Tính lượng khí N2 đã nạp thêm vào bình.)

- Tiếp đĩ bình được làm lạnh đến 10 o C Tính nhiệt lượng của quá trình

3 Một bình kín chứa O2 và CO2, V = 200 lít Biết phân áp suất của O2 và CO2

lần lượt là 0,9 at và 0,6 at, t1= 60oC

Tính: - Nhiệt lượng của quá trình để t2 = 97oC

- Áp suất của hỗn hợp khí ở trạng thái 2

2.2 Công – đồ thị p-v

Giả sử có một khối khí, khối lượng G chứa trong xilanh-piston Nếu cung cấp cho nó một lượng nhiệt dQ thì áp suất thay đổi sẽ đẩy piston dịch chuyển một khoảng dx, như vậy lực tác dụng lên piston sẽ là:

F = p x f

f - diện tích bề mặt piston

p - áp suất khí trong xilanh

Công = Lực  độ dời

Do đó công sinh ra của khối khí:

pdV dx

f p dx F

dL     

Xét cho khối khí 1 kg:

dl = pdv Khi chất khí thay đổi từ trạng thái đầu 1 đến trạng thái cuối 2:



21

12 pdv

Đối với G kg khí:

L12 = Gl12 , J Công này được gọi là công thay đổi thể tích (công giãn nở khi thể tích tăng và mang dấu (+), còn gọi là công nén ép khi thể tích giảm và mang dấu (–)) được thể hiện bằng diện tích 12v2v11 trên hình 2.1

Hình 2.1 Công giãn nở trong hệ kín

Khi giãn nở từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 theo các quá trình khác nhau thì công cũng khác nhau  công phụ thuộc quá trình Trên thực tế khối lượng môi chất không phải luôn bị đóng kín (hệ kín) mà thường có lưu thông với môi trường xung quanh (hệ hở), ta có thể xét trường hợp một máy nén piston

a) b)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của máy nén piston một cấp

Máy gồm có xilanh, piston, van nạp, van thải , khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), van nạp mở và van thải đóng, dòng khí bên ngoài chảy vào xilanh và mang vào năng lượng đẩy p1V1 (công dương), đến điểm chết dưới (ĐCD) thì piston quay trở lên và chuẩn bị hành trình nén khí, trong quá trình nén khí 1-2, hai van đều đóng, áp suất tăng lên (công nén là công âm) Khi áp suất đạt đến p2 thì van thải mở (van nạp vẫn đóng), piston vẫn dịch chuyển lên và đẩy khối khí có áp suất p2 vào bình chứa, công tiêu hao để đẩy khối khí đi ra p2V2 (công âm) Như vậy công cần thiết để nạp - nén - thải là tổng của ba loại công trên, công này do môtơ quay máy nén

Đối với 1 kg khí:

1 2 2 2

1 1

1v pdv p v vdp p

2.3 ĐỊNH LUẬT 1

Định luật nhiệt động thứ 1 thực chất là định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt

2.3.1 Phương trình định luật 1 đối với hệ kín

Giả sử có piston-xilanh như hình 2.1, chứa 1 kg khí, khi cung cấp cho khối khí một lượng nhiệt dq thì nhiệt độ khối khí thay đổi dt, thể tích tăng lên dv

pdv du

dl du

dq   

Đối với khí lý tưởng (chỉ có nội động năng):

pdv dT

c

dq v 

Với G kg khí:

pdV dU

dQ 

Nếu xét cho quá trình nhiệt động, đối với 1 kg khí:

l u

q  , kJ/kg Với G kg khí:

L U

Q  , kJ Phương trình định luật 1 có thể viết lại:

vdp pv

u d vdp pv

d du pdv du

dq    ( )  (  )

Hàm i = (u + pv) được gọi là hàm entanpi, phương trình định luật 1 còn có dạng khác:

vdp di

dq 

Đối với khí lý tưởng:

vdp dT

q  , kJ/kg

L I

Q  , kJ

Pt ĐL1 (khí thực và khí lý tưởng):

L U

Q  , kJ

kt

L I

Q  , kJ

 Khí lý tưởng:

U GC v(t2 t1), kJ I GC p(t2 t1), kJ

Ví dụ 2.2: Một hệ thống cylinder-piston ban đầu có thể tích 0,1 m3 chứa Nitơ ở áp suất 150 kPa, nhiệt độ 25oC Piston dịch chuyển nén Nitơ đến nhiệt độ

150oC Trong quá trình này có nhả nhiệt lượng, và công tiêu tốn là 20 kJ

Xác định nhiệt lượng thải ra ngoài

Giải

Khối lượng nitơ:

kg RT

V p G GRT

V

)27325.(

8314

28.1,0.10

1

1 1 1

của khí nén Cho biết NDR c v = 26,48kJ/kmol.K

(CT Mayer: R = cp - cv )

2.3.2 Phương trình định luật 1 đối với hệ hở

Trên thực tế, môi chất trong máy nhiệt luôn có sự lưu thông với môi trường xung quanh, do đó trong phương trình năng lượng phải bổ sung thêm phần năng lượng do nạp và thải

Phương trình định luật 1 viết cho hệ hở có dạng sau:

(2

)(

2



d pv u d d

pv d du dq

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ

2.4.1 Quá trình đẳng tích (v = const)

1

1 1

p

RT v

RT

2

2 2

p

RT

v 

1 2 1

2

T

T p

P const

0

2 1

)( 2 1

12

K kg kJ p

p c T

T c

1 2 1

2 



6 Một bình kín thể tích 0,6m3 chứa khơng khí ở áp suất 5,1 at, nhiệt độ 20oC

Để làm lạnh bình người ta lấy đi lượng nhiệt 105 kJ Xác định nhiệt độ, áp suất trong bình, lượng thay đổi entanpy sau quá trình làm lạnh đĩ

2.4.2 Quá trình đẳng áp (p = const)

1

1 1

v

RT p

RT

pv    ;

2

2 2

v

RT

p 

1 2 1

2

v

v T

T const

0

2 1

12 vdp

l kt

)(

)

2 1 2

12 q c T T

K kg kJ v

v c T

T c

s pln pln , /

1 2 1

   

1 1 1

1 1

v v p v v p pdv

p R v

v R

2 1 1

2.4.4 Quá trình đoạn nhiệt (q = 0)

vdp  

v

dv k p

p

p v

v

1

1 2 1

2 1

v p pdv

1 12

( )

1)

c

c k T c

4.5 QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

Quá trình đa biến là quá trình thay đổi trạng thái của chất khí luôn tuân theo một quy luật biến đổi năng lượng nhất định

Từ định luật 1 ta có:

vdp dT

c dT c

dq  n  p 

 vdp(c n c p)dT

pdv dT

c dT c

  pdv (c n c v)dT

n c c

c c pdv

vdp

v n

c n v - nhiệt dung riêng đa biến

Pt (*) có dạng hoàn toàn giống pt của quá trình đoạn nhiệt, tương tự ta có các quan hệ:

n

v

v p

2

1

2 1 1 2

n

p p

1

1 2

p

p n

v p v

v n

v p l

1

1

2 1

1 1

2

1 1

1

T n

Bài tập

10 0,3 kg khí oxi trong hệ kín có áp suất ở trạng thái 1 là 2 at, nhiệt độ 300oC, giãn nở theo quá trình T= const đến V2= 0,5 m3 Sau đó nén theo quá trình p=const đến V3=V1 Từ trạng thái 3 khí được gia nhiệt theo quá trình

v = const về trạng thái ban đầu

- Biểu diễn các quá trình trên cùng đồ thị p-v

- Tính độ biến thiên nội năng, biến thiên entanpy, công thay đổi thể tích, nhiệt lượng của các quá trình (NDR =const)

11 Khí trong piston-cylinder giãn nở theo quá trình đa biến Xác định công trao đổi trong quá trình với:

a/ n = 1,5

b/ n = 1

c/ n = 0

Biểu diễn các quá trình trên cùng đồ thị p-v Nhận xét

12 Khảo sát một hỗn hợp khí lý tưởng gồm N2 và CO2 Lúc ban đầu hỗn hợp có thể tích 200 lít, nhiệt độ 35oC, áp suất 2 bar Sau khi trao đổi một nhiệt lượng Q với môi trường xung quanh, người ta thấy nhiệt độ và áp suất của khối khí lần lượt là

65oC và 3,5 bar Cho biết nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp là 0,72 kJ/kg.K Hãy xác định:

1 Đặc điểm của quá trình đang khảo sát

2 Nhiệt dung riêng đẳng áp và khối lượng của hỗn hợp

3 Nhiệt lượng Q (kJ) Nhận xét

4 Công do sự thay đổi thể tích Wtt (kJ) Nhận xét

5 Kiểm tra lại các kết quả tính bằng định luật 1

CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

Định luật nhiệt động thứ 1 xác lập mối quan hệ bảo toàn và biến hóa của các dạng năng lượng, nhưng ĐL 1 chưa giải quyết được một số vấn đề như khả năng tiến hành quá trình, điều kiện và mức độ biến hóa năng lượng trong quá trình

Giữa nhiệt năng và cơ năng không có sự biến đổi ngang giá vì cơ năng  nhiệt năng thì không cần điều kiện nào và biến đổi hoàn toàn, còn ngược lại, phải có điều kiện và không thể biến đổi hoàn toàn Định luật nhiệt động thứ 2 sẽ đề cập đến những vấn đề trên

3.1 Chu trình nhiệt động

Trong các động cơ nhiệt (ĐCN) muốn sinh công liên tục thì chất môi giới (cmg) phải tiến hành giãn nở liên tục, nhưng do cấu tạo của thiết bị không cho phép cmg giãn nở mãi được Vì vậy sau quá trình giãn nở 1a2 cmg lại được nén ép theo quá trình 2b1 để trở về trạng thái cũ Trong quá trình giãn nở 1a2 cmg tiếp xúc với nguồn nóng, nhận nhiệt lượng q1 và sinh công, trong quá trình nén 2b1 chất môi giới tiêu hao công, tiếp xúc với nguồn lạnh và thải nhiệt lượng q2

Hình 3.1 Chu trình nhiệt động

a) Chu trình thuận chiều (chu trình thuận) b) Chu trình ngược chiều (chu trình ngược)

Như vậy, cmg đã thực hiện một quá trình khép kín  chu trình Tất cả các ĐCN muốn sinh công đều phải tiến hành theo chu trình thuận

Trường hợp ngược lại, đường cong nén ép nằm phía trên đường cong giãn nở và quá trình tiến hành theo chiều ngược kim đồng hồ  chu trình ngược chiều Các máy lạnh, máy nén khí đều thực hiện theo chu trình này

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình phải căn cứ vào mục đích hoạt động của chu trình để đề ra các chỉ tiêu đánh giá

Các thiết bị động lực (máy móc sinh công) đều tiến hành theo chu trình thuận chiều (l > 0), mục đích của các thiết bị này là nhận nhiệt của nguồn nóng q1 ít nhưng sinh ra công l lớn

 t: hiệu suất nhiệt của chu trình

Theo định luật bảo toàn và biến hóa

năng lượng:

2

1 q q

l  Hay có thể viết lại:

1 2 1

1

q

q q

2- Chu trình ngược chiều và hệ số làm lạnh , hệ số làm nĩng 

Đối với các máy lạnh, bơm nhiệt (máy móc tiêu hao công) đều tiến hành theo chu trình ngược chiều (l < 0), mục đích của các thiết bị này là nhận nhiệt của nguồn lạnh q2, thải nhiệt cho nguồn nóng q1 và tiêu hao công l

2 1

2 2

q q

q l

1 1

q q

q l

1- Chu trình Carnot thuận chiều

Chu trình Carnot thuận chiều là chu trình có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt như thể hiện trên hình 2.4, cụ thể như sau:

1-2 là quá trình giãn nở đẳng nhiệt, chất môi giới tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 = const và nhận nhiệt lượng q1

2-3 là quá trình giãn nở đoạn (q = 0)

3-4 là quá trình nén đẳng nhiệt, chất môi giới tiếp xúc với nguồn lạnh T2 = const và nhả nhiệt lượng q2

4-1 là quá trình nén đoạn nhiệt (q = 0)

Hình 3.2 Chu trình Carnot thuận chiều

Hình 3.3 Biểu diễn quá trình trên đồ thị T-s

q 12 = dt(12s 2 s 1 1)

Quá trình đẳng nhiệt 1-2: T1  TN  const

2 1 1

2

11

1

T

T s

s T

s s T q

trong đó: T2 - nhiệt độ nguồn lạnh, K; T1 - nhiệt độ nguồn nóng, K

Nhận xét: hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot không phụ thuộc chất môi giới, nó chỉ phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh T 2 T 1 càng cao, T 2 càng thấp thì hiệu suất nhiệt càng cao

2- Chu trình Carnot ngược chiều

Tương tự như chu trình thuận chiều, ta tìm được hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều:

2

1 2

1 2

T

T T

T

T

k



3- Ý nghĩa của chu trình Carnot

So sánh chu trình Carnot và một chu trình thuận nghịch bất kỳ có cùng

max min

Hình 3.4 So sánh chu trình Carnot với chu trình bất kỳ có cùng nhiệt độ nguồn

nóng T max và nguồn lạnh T min

Giả sử có một chu trình thuận nghịch bất kỳ 12341 có nhiệt độ nguồn nóng cực đại là Tmax = T1, nhiệt độ nguồn lạnh thấp nhất là T2 = Tmin Đối với chu trình bất kỳ:

)412(

)432(11

1

2

IJ J

dt

IJ J

dt q

)3(11

1

2

bIJ Ja dt

cIJ Jd dt q

11

3.3 Một số cách phát biểu của định luật 2

- Nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp chứ không thể tự tiến hành ngược lại Muốn truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao thì phải tiêu hao công

- Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2 để biến nhiệt thành công một cách hoàn toàn, mà việc biến nhiệt thành công bao giờ cũng kèm theo hao tổn một phần nhiệt lượng do chất môi giới truyền cho nguồn lạnh

- Trong cùng điều kiện nhiệt độ nguồn nóng T max và nguồn lạnh T min , tiến hành các chu trình nhiệt động khác nhau thì chu trình Carnot có hiệu suất nhiệt cao nhất  giúp đánh giá chất lượng các nguồn nhiệt, khả năng khai thác tối đa và phương hướng nâng cao hiệu suất của máy nhiệt

CHƯƠNG 4: CHẤT THUẦN KHIẾT (HƠI NƯỚC VÀ CHU TRÌNH THIẾT

BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC)

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Chất thuần khiết: Là chất có thành phần hóa học đồng nhất và ổn định

trong suốt quá trình khảo sát Gồm:

- Hỗn hợp nhiều pha của một chất thuần khiết

- Hỗn hợp đồng nhất của nhiều chất với điều kiện là thành phần hóa học của nó không bị biến đổi

Hơi nước là chất thuần khiết được sử dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp và cuộc sống hàng ngày của chúng ta Ví dụ: hơi nước được sử dụng trong các XN công nghiệp nhẹ, hóa chất, thực phẩm dùng để chưng cất, nấu, hấp, sấy trong công nghiệp sản xuất điện năng ở các nhà máy nhiệt điện hơi nước là chất môi giới quan trọng để biến nhiệt thành công, trong kỹ thuật điều hòa không khí thì hơi nước là thành phần rất quan trọng trong không khí ẩm Nước trên thực tế thường tồn tại ở ba thể sau:

Nếu trong đk p < pA, nếu gia nhiệt cho một cục nước đá ở trạng thái m  nóng dần lên đến trạng thái d, nếu gia nhiệt thêm  biến thành hơi ,không có quá trình hóa lỏng  quá trình thăng hoa Điểm A: điểm ba thể, đối với các chất khác nhau nó có giá trị khác nhau

Ví dụ: Nước pA = 611,2 Pa tA = 0,01 o C

H2 pA = 719,4 Pa tA = –259,4 o C O2 pA = 12534 Pa tA = –210 o C

Nhiệt nóng chảy và đông đặc: một cục nước đá ở 0 o C (trạng thái rắn) muốn tan thành nước ở 0 o C  cấp một nhiệt lượng là 334 kJ/kg  gọi là nhiệt nóng chảy Ngược lại, nước ở 0 o C muốn đông thành đá ở 0 o C  lấy đi một nhiệt lượng có trị số tương tự > nhiệt đông đặc

4.2 QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP

Giả sử có 1 kg nước ở 0 o C chứa trong xilanh-piston có lực tác dụng P không thay đổi

Hình 4.2 Quá trình hóa hơi đẳng áp (p = const)

Nhiệt lượng để biến 1 kg nước sôi thành hơi bão hòa  ẩn nhiệt hóa hơi, ký hiệu: r, trong suốt quá trình hóa hơi (b)  (d) nhiệt độ ts không thay đổi

Từ trạng thái (d) nếu tiếp tục cấp nhiệt với p = const thì nhiệt độ hơi tăng lên đến trạng thái (e)  gọi là quá trình quá nhiệt hơi, hơi ở trạng thái (e) hơi quá nhiệt ( te > ts)

Hình 4.3 Biểu diễn quá trình hóa hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s

Trong quá trình hóa hơi đẳng áp, hỗn hợp hơi-nước (hai pha) hình thành 

hơi bão hòa ẩm Để xác lập các trạng thái hơi ẩm thường dùng độ khô x để biểu

thị:

n h

h

G G

G x





trong đó: Gh - khối lượng hơi trong hỗn hợp (hơi bão hòa ẩm)

Gn - khối lượng nước sôi trong hỗn hợp

0  x  1 Độ khô x chỉ nói đến đối với hơi trong vùng bão hòa và là một thông số để xác định trạng thái hơi bão hòa ẩm

- Nhiệt lượng cung cấp cho nước 0 o C ở áp suất không đổi cho đến khi sôi (quá trình a-b)  entanpi của nước sôi, ký hiệu: i’ Trường hợp nước ở nhiệt độ t (chưa sôi) muốn trở thành nước sôi thì cần cung cấp nhiệt lượng ít hơn:

)(t t c

q  pn s 

- Nhiệt lượng cung cấp cho 1kg nước 0 o C biến thành hơi bão hòa khô:

r i i

i d  ,  ,  , kJ/kg i’’: entanpi của hơi bão hòa khô

- Đối với hơi ẩm có độ khô x:

rx i

Hình 4.4 Quá trình hóa hơi đẳng áp ở điều kiện

áp suất sôi khác nhau

Nếu nối trạng thái các điểm nước sôi ở p khác nhau  đường b1b2b3 gọi là đường nước sôi (x = 0) hay đường giới hạn dưới Nối các điểm d1d2d3  đường hơi khô (x = 1) hay đường giới hạn trên Hai đường này gặp nhau tại điểm C  điểm tới hạn

Điểm tới hạn có thông số:

Từ hình 4.4  đồ thị p-v và T-s chia thành ba vùng:

- Vùng bên trái đường x = 0  nước chưa sôi

- Vùng giữa hai đường giới hạn x = 0 và x = 1  vùng hơi bão hòa ẩm

- Vùng bên phải đường x = 1  hơi quá nhiệt

4.3 BẢNG VÀ ĐỒ THỊ HƠI NƯỚC

4.3.1 Bảng hơi nước

Bảng hơi nước có hai loại chính:

- Bảng nước và hơi nước bão hòa (hơi bão hòa ẩm tính từ bảng này tùy độ

khô x)

- Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt

* Bảng nước và hơi nước bão hòa (bảng 1)

Bảng 4.1 Thông số nhiệt động của nước và hơi nước bão hòa

o K ] [kJ/kg

o K ]

5

12,05 1,637

0,0830 0,5977

209,3

0 419,1

0

2591,

6 2675,

8

2382,

3 2256,

7

0,7038 1,3071

8,0751 7,3545

180 10,027 0,001127

5 0,1939 5,157 763,3 2778,4 2015,1 2,1395 6,5858 Từ bảng 4.1 nhận xét:

a) Ứng với một p sôi thì có t sôi tương ứng

b) Áp suất sử dụng trong bảng là p tuyệt đối

c) Thể tích riêng của nước rất nhỏ so với thể tích riêng của hơi bão hòa khi áp suất càng thấp

d) Ở p < 10 bar thì r >> i’  1 kg hơi bão hòa khô tải một nhiệt lượng lớn hơn 1 kg nước sôi rất nhiều Mặt khác khi nhả nhiệt (quá trình ngưng tụ) hơi vẫn giữ nhiệt độ không đổi ts, còn nước thì nguội dần

e) Cách tính các thông số của hơi bão hòa ẩm

, ,

)1

xv

v x   

, ,

)1

xu

u x   