Bài giảng Nhiệt động lực học và Truyền nhiệt Tiến sĩ Trần Văn Hưng ĐH Bách Khoa TPHCM

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

• Nội dung môn học:

 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc

nghiệm 1 và thi giữa kỳ

 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 15%

o Kiểm tra giữa kỳ: 20%

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 10%,

o Thí nghiệm: 15%

Sơ lƣợc về môn học

• Tên môn học: Nhiệt động lực học & Truyền nhiệt

• Mã môn học: ME2013

• Số tiết: 45 tiết (Lý thuyết +bài tập) + 15 tiết (Thí nghiệm)

• Số tín chỉ: 3

• Nội dung môn học:

 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc

nghiệm 1 và thi giữa kỳ

 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 15%

o Kiểm tra giữa kỳ: 20%

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 10%,

Sơ lƣợc về môn học

Tài liệu tham khảo:

1 Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997

2 Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002

3 Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Đại học kỹ thuật TpHCM, 2001

4 Yunus A Cengel, Micheal A Boles- Thermodynamic: an engineering

NỘI DUNG PHẦN 1: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

• 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: Chất thuần khiết

• Chương 5: Chu trình thiết bị động lực hơi nước

• Chương 6: Không khí ẩm

• Chương 7: Chu trình thiết bị lạnh

• Chương 8: Quá trình lưu động và tiết lưu (tham khảo)

• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong (tham khảo)

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (BASIC CONCEPTS),

PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

(THE IDEAL-GAS EQUATION OF STATE)

1 Các vấn đề chung

2 Trạng thái và thông số trạng thái

3 Phương trình trạng thái của chất khí

1 Các vấn đề chung

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

Khoảng khơng gian chứa một lượng nhất định chất mơi giới đang khảo sát bằng các

l

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 +k khí

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 …

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

Ví dụ:

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

Nguồn nhiệt ?

Nguồn nóng + nguồn lạnh ?

Máy nhiệt ?

Động cơ nhiệt, Bơm nhiệt và máy làm lạnh

 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…

- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2

- W: công sinh ra

WQ

Q1  2 

Hiệu suất ĐCN

1

2 1

2 1

Q1

Q

QQ

 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 (T1> T2)

- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2

- W: công nhận

1

Hệ số làm nóng:

2 1

1

q q

1 2

Q Q

φ=

W  Q -Q

- Máy làm lạnh

2 1

2

q q

2 2

Q Q

Q W

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

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

 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

 Quá trình

 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

 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/độ, hằng số Boltzmann,

T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát

M : khối lượng của một phân tử

2

M 2

1 T

k 2

- Định luật nhiệt động thứ không (zeroth law of thermodynamics):

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 _ o F

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine o R

 K t C 273 , 15

T   

67 , 459 R

T F

t    

8 , 1

32 F

T  

Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ

°C

Nhiệt độ điểm 3 thể 273.1

Mức không của thang

nhiệt độ tuyệt đối

Điểm đóng băng của nước

' A

Các loại áp suất:

 Aùp suất khí quyển : áp suất của cột không khí đè trên mặt đất

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

 Aùp suất chân không (pck) : là độ chênh áp suất khi áp suất môi

trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Đo bằng Vacummeter

 Aùp suất tuyệt đối (p)

p = pkq + pd

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

) 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 )

Nội năng?

 đ2 đ1  t2 t1  2 11

Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:

- Động năng E đ : do sự chuyển động của toàn bộ hệ thống

- Thế năng E t : 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

UE

E

E   đ   t  



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

Đơn vị:

kJ, kcal, kWh, Btu (Bristish thermal unit), Chu (Centigrade heat unit)

Entropy S?

q ds

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

i = u + pv

Với khối chất môi giới khảo sát là G kg

I = G.i = G.(u + pv) Đối với khí lý tưởng, u và pv phụ thuộc nhiệt độ

 i cũng chỉ phụ thuộc t

Về ý nghĩa vật lý của entanpi, lượng biến đổi entanpi mang ý nghĩa năng lượng Tương tự như nội năng, entanpi không trực tiếp đo được mà phải tính toán

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

8314

R R







 

 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

tưởng thì hỗn hợp được xem là hỗn hợp khí lý tưởng

 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

 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



 n

1 i

ip 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

- 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)



 n

1 i

iV 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

G G

1 g

n

1 i

i

V V

1 r

n

1 i

i 



Ngoài ra còn có thành phần mol ,  V  n

Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri

n

n G

g r

 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

i

i r

Theo thành phần khối lượng

i i

i n

1 i

i

T

pV T

V

p R

n

1 i

i i

i i

R

g G

R G R

8314.

n

i n

g R

i i

g v

G G

Phân áp suất của các thành phần

GR

R G p

p GRT

T R G pV

V

i i

i

R

R pg

g O2 =0,12, g N2 =0,7 đến áp suất bằng bao nhiêu để khi t=180 o C thì 8 kg hỗn

hợp có thể tích 4 m 3 Manometer sẽ chỉ bao nhiêu (bar), nếu biết p kq =760

SV xem các ví dụ chương 1, 2 tài liệu [2]

Hết chương 1

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1 Công (Work)

2 Nhiệt lượng (Heat)

3 Nhiệt dung riêng (Specific heats)

4 Định luật nhiệt động thứ nhất (The First Law of

Thermodynamics)

5 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

- 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

1 Công là gì?

theo chiều tác động của lực

 2

1 F dx W

m N

J

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

Example of work crossing the boundary of a system

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

Wtt = diện tích (122’1’)

 2

1

V V

tt p dV W

 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

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 :

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

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

biểu diễn quá trình này trên đồ thị pv:

w kt = diện tích (122’’1’’)

2 Nhiệt lƣợng là gì?

- Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt

ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh

Q > 0 : nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào

Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt

Đơn vị: Joule (J)

2 12

1

The effects of heat addition to a system that also can give out work

(Internal Combustion Engine)

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

 Nhiệt dung riêng (Specific heats)

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

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, Cp

- 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’

15

* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :

k C

C

v

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

Nhóm 1 nguyên tử: gồm các khí như Ar, Ne, He,…

Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kcal/kmol.độ)

Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)

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

hh g C C

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