NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa Cơ khí PGS TS Nguyễn Văn Nhận nhiƯt ®éng kü tht Engineering Thermodynamics (Bài giảng dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật-Công nghệ ĐHNT) NHA TRANG - 2012 Chủ đề CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG 1 NGOẠI THẾ NĂNG Ngoại (Ep) - gọi tắt - lượng vật có vị trí Ep = m ⋅ g ⋅ z = G ⋅ z : m - khối lượng, [kg] ; g - gia tốc trọng trường, [m/s2] ; z - độ cao so với mặt phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N] G h H 1.1 Thế 1.2 NGOẠI ĐỘNG NĂNG Ngoại động (Ek) - gọi tắt động - lượng vật có chuyển động Ek = m ⋅ ω2 ; : m - khối lượng, [kg]; ω - vận tốc, [m/s] 1.3 NỘI NHIỆT NĂNG Nội nhiệt (U) - gọi tắt nội - lượng vật có chuyển động phân tử bên vật lực tương tác chúng Nội gồm thành phần : nội động (Ud) nội (Up) Nội động liên quan đến chuyển động phân tử nên phụ thuộc vào nhiệt độ vật, nội liên quan đến lực tương tác phân tử nên phụ thuộc vào khoảng cách phân tử Như vậy, nội hàm nhiệt độ thể tích riêng : U = U (T, v) 1.4 HĨA NĂNG Hóa (Ec) lượng tích trữ liên kết nguyên tử phân tử 1.5 NGUYÊN TỬ NĂNG Nguyên tử (Ea) lượng tích trữ liên kết hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử 1.6 ĐIỆN NĂNG Điện (Ee) lượng truyền vào khỏi vật nhờ hệ thống điện PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 1.7 NHIỆT NĂNG Nhiệt (Q) - thường gọi tắt nhiệt - dạng lượng truyền từ vật sang vật khác có chênh lệch nhiệt độ a) Đơn vị đo nhiệt 1) Calorie (Ca) - Ca nhiệt cần thiết để làm nhiệt độ gram nước tăng từ 14,5 0C đến 15,5 0C 2) British thermal unit (Btu) - Btu nhiệt cần thiết để làm nhiệt độ pound nước tăng từ 59,5 0F lên 60,5 0F 3) Joule (J) Ca = 4.187 J Btu = 252 Ca = 1055 J b) Các phương thức truyền nhiệt b) a) c) Q Q Q Earth Sun H 1.2 Các phương thức truyền nhiệt a) Dẫn nhiệt, b) Truyền nhiệt đối lưu, c) Truyền nhiệt xạ CƠNG Cơng (W) - gọi - dạng lượng hình thành q trình biến đổi lượng có dịch chuyển lực tác dụng Về trị số, cơng tích thành phần lực phương chuyển động quãng đường dịch chuyển F W = (F cos0) S S H 1.3 Công lực F thực a) Đơn vị đo công Công dạng lượng nên đơn vị công đơn vị lượng Đơn vị thông dụng Joule (J) J công lực N dịch chuyển vật quãng đường m PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 b) Các phương thức thực công a) b) p F c) d) F H 1.4 Các phương thức thực cơng học NỘI DUNG ƠN TẬP 1) 2) 3) 4) 5) Định nghĩa dạng lượng thông dụng Phân biệt hai khái niệm nội nhiệt (U) nhiệt (Q) Phân biệt hai dạng lượng : hóa (Ec) ngun tử (Ea) Mơ tả cho ví dụ phương thức truyền nhiệt Mơ tả cho ví dụ phương thức thực công học PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 Chủ đề CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT CÔNG TÁC 2.1 KHÁI NIỆM Thiết bị nhiệt loại thiết bị có chức truyền dẫn nhiệt biến đổi nhiệt dạng lượng khác Động nhiệt máy lạnh hai nhóm thiết bị nhiệt thông dụng Động nhiệt (ví dụ : động nước, turbine khí, động xăng, động diesel, động phản lực, v.v.) có chức biến đổi nhiệt thành Máy lạnh có chức chuyển nhiệt từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển) Wout 2 3 Win Qin Qout Qin Qout H 2.1 Sơ đồ cấu tạo turbine nước 1- Nồi hơi, 2- Turbine, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Bơm nước H 2.2 Sơ đồ cấu tạo máy lạnh 1- Giàn lạnh, 2- Máy nén 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu Môi chất công tác (MCCT) dùng thiết bị nhiệt chất có vai trò trung gian trình truyền biến đổi lượng Thông số trạng thái MCCT đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái MCCT Tại trạng thái xác định MCCT, thông số trạng thái có trị số Trạng thái nhiệt động MCCT định lượng thông số trạng thái : nhiệt độ (T), áp suất (p), thể tích (V), nội (U), enthalpy (I) entropy (S) PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 2.2 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MCCT 2.2.1 NHIỆT ĐỘ a) Định nghĩa Nhiệt độ (T) số đo trạng thái nhiệt vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ số đo động trung bình phân tử mµ ⋅ω = k T (2.1) : mµ - khối lượng phân tử ; ω - vận tốc trung bình phân tử ; k số Bonzman , k = 1,3805 105 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối b) Nhiệt kế Nhiệt kế loại dụng cụ để đo nhiệt độ Nhiệt kế hoạt động dựa thay đổi số tính chất vật lý vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v c) Thang nhiệt độ thông dụng 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) - (Anders Celsius - 1701-1744) • 0C - nhiệt độ nước đá tan • 100 0C - nhiệt độ nước sôi áp suất khí 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736) • 0F - nhiệt độ hỗn hợp muối tuyết D Fahrenheit tạo • 100 0F - nhiệt độ thể người 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 ) d) Công thức chuyển đổi thang nhiệt độ [ F ] = 95 [ C ]+ 32 0 ; [ K ] = [ C ]+ 273 0 373 100 212 273 00 32 00 - 273 - 460 Kelvin Celsius Fahrenheit H 2.3 Nhiệt độ Kelvin, Celsius Fahrenheit PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 2.2.2 ÁP SUẤT a) Định nghĩa Áp suất lưu chất (p) lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành bình chứa p= F A Theo thuyết động học phân tử : p =α ⋅n⋅ mµ ⋅ ω (2.2) : p - áp suất ; F - lực tác dụng phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước lực tương tác phân tử b) Đơn vị áp suất 1) N/m2 2) Pa (Pascal) 3) at (Technical Atmosphere) 4) atm (Physical Atmosphere) at at Pa N/m2 bar mm H2O mm Hg 1,01972.10 -5 1,01972.10 -5 1,01972 1.10 -4 1,35951.10 -3 ; ; ; ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 6) mm H2O 7) psi (Pound per Square Inch) 8) psf (Pound per Square Foot) Pa 9,80665.10 1 105 9,80665 133,322 mm H2O 1.10 0,101972 0,101972 10197,2 13,5951 mm Hg (at 0C) 735,559 7,50062.10 -3 7,50062.10 -3 750,062 73,5559.10 -3 c) Phân loại áp suất pd p pck p0 p0 p H 2.4 Các loại áp suất 1) Áp suất khí (p0) - áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất 2) Áp suất dư (pd) - áp suất lưu chất so với môi trường xung quanh pd = p - p PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất lưu chất so với chân không tuyệt đối p = pd +p0 4) Độ chân không (pck) - phần áp suất nhỏ áp suất môi trường xung quanh pck = p0 - p d) Áp kế Áp kế dụng cụ để đo áp suất lưu chất a) b) Vacuum pd Hg p p0 p0 H 2.5 Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Áp suất khí thường đo dụng cụ có tên gọi hàn thử biểu (barometer) (H 2.3a) Các loại áp kế thông dụng dùng để đo áp suất dư lưu chất Áp suất tuyệt đối lưu chất tổng áp suất dư áp suất khí Khi đo áp suất chiều cao cột chất lỏng phải tính đến thay đổi trọng lượng riêng theo nhiệt độ Để đảm bảo tính so sánh đo áp suất nhiệt độ khác nhau, ta phải hiệu chỉnh kết đo nhiệt độ qui ước Đối với áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần hiệu chỉnh nhiệt độ 0C sau : h0 = h (1 - 0,000172 t) (2.3) : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [ C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh nhiệt độ 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t 0C 2.2.3 THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG a) Thể tích riêng Thể tích riêng (v) chất thể tích ứng với đơn vị khối lượng chất v= : PGS TS V m Nguyễn Văn Nhận [m3/kg] - Engineering Thermodynamics (2.4) - 2012 b) Khối lượng riêng Khối lượng riêng (ρ) chất khối lượng ứng với đơn vị thể tích ρ= chất : m V [kg/m3] (2.5) Khối lượng riêng chất đại lượng đánh giá mức độ tập trung chất đơn vị thể tích Đại lượng có tên gọi định nghĩa khác nhau, ví dụ : mật độ, trọng lượng riêng, tỷ khối, độ API, v.v • Trọng lượng riêng (γ) - Trọng lượng đơn vị thể tích G γ = chất : [N/m3] (2.6) V • Tỷ khối (d) - gọi tỷ trọng - chất đại lượng không thứ nguyên, có trị số khối lượng chất chia cho khối lượng nước cất có thể tích : d = m m (2.7) : m1 - khối lượng đơn vị thể tích mẫu thử nhiệt độ t1, [kg]; m2 khối lượng đơn vị thể tích nước cất nhiệt độ t2, [kg] Ở nhiều nước châu Âu, người ta chọn t1 = 15 0C , t2 = 15 0C t2 = 0C Ở Mỹ Anh chọn t1 = t2 = 60 0F = 15,6 0C Khi tỷ khối có ký hiệu tương ứng d1515 , d 415 d@60 0F Trị số d1515 , d 415 d@60 0F chất khơng hồn tồn Tuy nhiên, tính tốn kỹ thuật người ta thường lấy 15 d 15 ≈ d 415 ≈ d@60 0F • Độ API - 0API (American Petroleum Institute) đơn vị quy ước dùng đo mật độ sản phẩm dầu mỏ sử dụng Hoa Kỳ Giữa 0API d@60 0F có quan hệ sau : API = 141,5 − 131,5 d @ 60 F (2.8) Từ công thức (2.8) thấy rằng, nước cất nhiệt độ 60 0F có mật độ 10 API Chất lỏng có mật độ nhỏ 10 0API nặng nước, ngược lại 2.2.4 NỘI NHIỆT NĂNG (xem mục 1.3) 2.2.5 ENTHALPY Enthalpy (I) - đại lượng định nghĩa biểu thức : I = U + p.V Như vậy, tương tự nội , enthalpy khí thực hàm thơng số trạng thái 2.2.6 ENTROPY Entropy (S) hàm trạng thái định nghĩa biểu thức : dS = PGS TS dQ T Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 10 NỘI DUNG ÔN TẬP 1) 2) 3) 4) 5) Định nghĩa MCCT, trạng thái thông số trạng thái MCCT Định nghĩa phương pháp xác định thông số trạng thái MCCT Thang nhiệt độ công thức chuyển đổi thang nhiệt độ Phân biệt nhiệt độ với nhiệt Phân loại áp suất Quan hệ đơn vị đo áp suất Phương pháp biểu diễn trạng thái MCCT BÀI TẬP Bài tập 2.1 : Áp suất khơng khí bình có khả đỡ cột thủy ngân cao 500 mm (H 2-1) Xác định áp suất tuyệt đối bình Biết áp suất khí 95 kPa, khối lượng riêng thủy ngân 13,6.103 kg/m3 Bỏ qua ảnh hưởng nhiệt độ đến chiều cao cột thủy ngân Bài tập 2.2 : Chỉ số áp suất dư phòng (A) 50 mm H2O (H 2-2) Trong phòng A đặt bình đo áp suất (B) có độ chân khơng 180 mm Hg Áp suất trời 750 mm Hg nhiệt độ 30 0C Xác định áp suất tuyệt đối bình đo áp suất Bài tập 2.3 : Một bình kín tích V = 625 dm3 chứa oxy có áp suất tuyệt đối p = 23 bar nhiệt độ t = 280 0C Áp suất khí p0 = 750 mmHg 0C Xác định : 1) Áp suất dư oxy tính theo đơn vị : [bar], [N/m2], [mmHg], [mmH2O], [at] 2) Nhiệt độ oxy tính theo 0F, 0R K 3) Thể tích riêng khối lượng riêng oxy trạng thái thực tế (v, ρ) trạng thái tiêu chuẩn (vtc, ρtc) p0 50 mm H20 A A FA G p = ? B C 180 mm Hg B FB H 2-1 PGS TS Nguyễn Văn Nhận H 2-2 - Engineering Thermodynamics - 2012 37 nhiệt dung riêng mole đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol.deg ; nhiệt dung riêng mole đẳng áp cµp = 29,3 kJ/kmol.deg Tính khối lượng oxy có bình (m) áp suất trạng thái cuối (p2) Tính tốn nhiệt q trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, ∆U, ∆I, ∆S) Biểu diễn q trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt Biểu diễn đồ thị nhiệt đại lượng : Q1-2, ∆U, ∆I, ∆S Bài tập 6.2 : Hai kg khơng khí đốt nóng điều kiện đẳng áp từ nhiệt độ t1 = 20 0C, áp suất p1 = bar đến nhiệt độ t2 = 110 0C Xem khơng khí khí lý tưởng có phân tử lượng µkk = 28,8 kg/kmol, nhiệt dung riêng mole đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol deg nhiệt dung riêng mole đẳng áp cµp = 29,3 kJ/kmol deg Tính thể tích khơng khí thời điểm đầu (V1) cuối trình (V2) Tính tốn nhiệt q trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, ∆U, ∆I, ∆S) Biểu diễn q trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt Biểu diễn đồ thị công đồ thị nhiệt đại lượng Q1-2, W1-2, ∆U, ∆I, ∆S Bài tập 6.3 : Có m = 12 kg khơng khí nhiệt độ t1 = 27 0C, áp suất tuyệt đối p1 = bar, tiến hành q trình đẳng nhiệt đến thể tích lần thể tích ban đầu (V2 = V1) Xem khơng khí khí lý tưởng, có µk = 28,9 ; cµv = 20,9 kJ/kmol.deg ; cµp = 29,3 kJ/kmol.deg Tính thơng số trạng thái cuối (V2, p2) Tính tốn nhiệt q trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, ∆U, ∆I, ∆S) Biểu diễn trình đồ thị công đồ thị nhiệt Biểu diễn đồ thị công đồ thị nhiệt đại lượng : W1-2, Q1-2, ∆S Bài tập 6.4 : Không khí nén đoạn nhiệt máy nén từ nhiệt độ t1 = 15 C, áp suất p1 = at đến áp suất p2 = at Xem không khí khí lý tưởng, có µk = 28,9 ; cµv = 20,9 kJ/kmol.deg ; cµp = 29,3 kJ/kmol.deg Tính nhiệt độ (t2) thể tích riêng (v2) khơng khí cuối q trình nén Tính cơng tiêu thụ để nén kg khơng khí Biểu diễn q trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt Bài tập 6.5 : kg không khí nén đa biến (n = 1,2) máy nén từ nhiệt độ t1 = 20 0C, áp suất p1 = 0,981 bar đến áp suất p2 = 7,845 bar Xem khơng khí khí lý tưởng, có µk = 28,9 ; cµv = 20,9 kJ/kmol.deg ; cµp = 29,3 kJ/kmol.deg Tính nhiệt độ khơng khí sau nén (t2) Tính tốn nhiệt q trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, ∆U, ∆I, ∆S) Biểu diễn trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt Biểu diễn đồ thị công đồ thị nhiệt đại lượng : Q1-2, WT1-2 PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 38 Chủ đề HƠI NƯỚC 8.1 SỰ CHUYỂN PHA CỦA MÔI CHẤT CÔNG TÁC Dạng đồng vật lý MCCT gọi pha Ví dụ, nước tồn pha lỏng, pha rắn pha (khí) Thiết bị nhiệt thông dụng thường sử dụng MCCT pha có khả thay đổi thể tích lớn nên có khả thực công học lớn Vapor Liquid Liquid Solid H 8.1 Sự chuyển pha MCCT • Sự hóa ngưng tụ : Hóa q trình chuyển từ pha lỏng sang pha Ngược lại, trình chuyển từ pha sang pha lỏng gọi ngưng tụ Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho MCCT Ngược lại, ngưng tụ MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cấp cho kg MCCT lỏng hóa hồn tồn gọi nhiệt hóa (rhh), nhiệt lượng tỏa kg MCCT ngưng tụ gọi nhiệt ngưng tụ (rnt) Nhiệt hóa nhiệt ngưng tụ có trị số Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa nước 2258 kJ/kg • Sự nóng chảy đơng đặc : Nóng chảy q trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, trình ngược lại gọi động đặc Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy MCCT Ngược lại, đơng đặc MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cần cung cấp để kg MCCT nóng chảy gọi nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa kg MCCT đông đặc gọi nhiệt đơng đặc (rdd) Nhiệt nóng chảy nhiệt đơng đặc có trị số Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy nước 333 kJ/kg • Sự thăng hoa ngưng kết : thăng hoa trình chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha Ngược lại với trình thăng hoa ngưng kết MCCT nhận nhiệt thăng hoa nhả nhiệt ngưng kết Nhiệt thăng hoa (rth) nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số Ở áp suất p = 0,006 bar, nhiệt thăng hoa nước 2818 kJ/kg PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 39 8.2 Q TRÌNH HĨA HƠI ĐẲNG ÁP CỦA NƯỚC 8.2.1 Q TRÌNH HĨA HƠI ĐẲNG ÁP Hơi chất lỏng sử dụng nhiều kỹ thuật Ví dụ nước sử dụng chạy turbine nước nhà máy nhiệt điện, để sấy nóng ; Amoniac, Freon sử dụng thiết bị lạnh, v.v Hóa trình chuyển pha từ lỏng sang Hóa thực cách bay sôi Bay q trình hóa diễn bề mặt thoáng chất lỏng Cường độ bay phụ thuộc vào chất chất lỏng, áp suất nhiệt độ Sơi q trình hóa diễn tồn thể tích chất lỏng Sự sôi diễn nhiệt độ xác định gọi nhiệt độ sơi hay nhiệt độ bão hòa (ts) Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào chất chất lỏng áp suất Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi nước 100 0C Trong kỹ thuật, q trình hóa thường tiến hành áp suất khơng đổi, đặc điểm q trình hóa chất lỏng giống Những đặc điểm q trình hóa nước trình bày áp dụng cho chất lỏng khác Giả sử có kg nước xylanh, bề mặt nước có piston có khối lượng khơng đổi Như vậy, áp suất tác dụng lên nước khơng đổi q trình hóa Giả sử nhiệt độ ban đầu nước t0, ta cấp nhiệt cho nước, q trình hóa đẳng áp diễn H 8.2 thể q trình hóa đẳng áp, nhiệt độ phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp : t = f(q) Đoạn OA biểu diễn q trình đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu t0 đến nhiệt độ sôi ts Nước nhiệt độ t < ts gọi nước chưa sôi Khi chưa sôi, nhiệt độ nước tăng tăng lượng nhiệt cấp vào Đoạn AC thể q trình sơi Trong q trình sơi, nhiệt độ nước khơng đổi (ts = const), nhiệt cấp vào sử dụng để biến đổi pha mà không làm tăng nhiệt độ chất lỏng Thông số trạng thái nước điểm A ký hiệu : i', s', u', v', Hơi điểm C gọi bão hòa khơ, thơng số trạng thái ký hiệu : i'', s'', u'', v'', Hơi trạng thái A C gọi bão hòa ẩm, thơng số trạng thái ký hiệu ix, sx, ux, vx, Sau tồn lượng nước hóa hơi, tiếp tục cấp nhiệt nhiệt độ tăng (đoạn CD) Hơi có nhiệt độ t > ts gọi nhiệt Hơi bão hòa ẩm hỗn hợp nước sơi bão hòa khơ Hàm lượng bão hòa khơ bão hòa ẩm đánh giá đại lượng độ khô (x) độ ẩm (y) : x= mh mh = m x mn + mh y = - x : x - độ khô; y - độ ẩm; mx - lượng bão hòa ẩm; mh - lượng bão hòa khơ; mn - lượng nước sơi PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 40 t ts t = ts t = ts t = ts t ts Atmosphere Piston Water D t A q B C Heating element O q p K A3 O3 O2 O1 A2 A1 C3 C2 C1 D1 O0 v H 8.2 Q trình hóa đẳng áp Tương tự, tiến hành q trình hóa đẳng áp áp suất khác (p1, p2, p3, ) biểu diễn đồ thị trạng thái p - v, đường, điểm vùng đặc trưng biểu diễn trạng thái nước sau : • Đường trạng thái nước chưa sôi : đường nối điểm O, O1 ,O2, O3 gần thẳng đứng thể tích nước thay đổi tăng giảm áp suất • Đường giới hạn : đường nối điểm A, A1, A2, A3 biểu diễn trạng thái nước sôi độ khô x = • Đường giới hạn : đường nối điểm C, C1, C2, C3, biểu diễn trạng thái bão hòa khơ có độ khơ x = • Điểm tới hạn K : điểm gặp đường giới hạn giới hạn Trạng thái K gọi trạng thái tới hạn, khơng khác chất lỏng sơi bão hòa khơ Các thơng số trạng thái K gọi thông số trạng thái tới hạn Nước có thơng số trạng thái tới hạn : pK = 221 bar, tK = 374 C, vK = 0,00326 m3/kg PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 41 • Vùng chất lỏng chưa sôi (x = 0): vùng bên trái đường giới hạn • Vùng bão hòa ẩm (0 < x < 1) : vùng đường giới hạn • Vùng nhiệt (x = 1) : vùng bên phải đường giới hạn 8.2.2 BẢNG VÀ ĐỒ THỊ CỦA HƠI Hơi chất lỏng thường phải xem khí thực, sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho sai số lớn Trong tính tốn kỹ thuật cho người ta thường dùng bảng số đồ thị xây dựng sẵn cho loại 8.2.2.1 BẢNG HƠI NƯỚC Trạng thái MCCT xác định biết hai thông số trạng thái độc lập Đối với nước sôi (x = 0) bão hòa khơ (x = 1) cần biết áp suất (p) nhiệt độ (t) xác định trạng thái biết trước độ khơ Đối với nước chưa sôi nhiệt người ta thường chọn áp suất (p) nhiệt độ (t) hai thông số độc lập để xây dựng bảng trạng thái Các bảng trạng thái nước (chưa sôi, nước sơi, bão hòa khơ, q nhiệt) số chất lỏng thông dụng thường cho phần phụ lục Đối với bão hòa ẩm, người ta không lập bảng trạng thái mà xác định trạng thái sở độ khơ thông số trạng thái nước sôi bão hòa khơ sau : vx = v' + x (v'' - v') ix = i' + x (i'' - i') sx = s' + x (s'' - s') ux = u' + x (u'' - u') Nội bẳng đồ thị Nội xác định theo enthalpy công thức sau : u = i - pv 8.2.2.2 ĐỒ THỊ HƠI NƯỚC Bên cạnh việc dùng bảng, người ta sử dụng đồ thị trạng thái để tính tốn cho 1) Đồ thị T - s nước Trên đồ thị T-s (H 8.3), đường đẳng áp p = const vùng nước chưa sôi trùng với đường giới hạn (x = 0), vùng bão hòa ẩm đoạn thẳng nằm ngang trùng với đường đẳng nhiệt (T = const), vùng nhiệt đường cong lên Chiều tăng áp suất với chiều tăng nhiệt độ Các đường có độ khơ khơng đổi (x = const) xuất phát từ điểm tới hạn K tỏa xuống phía PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 42 t p3 K p2 p1 s H 8.3 Đồ thị T - s nước 2) Đồ thị i - s nước Đồ thị i-s nước (H 8.4) Mollier xây dựng lần vào năm 1904 sở số liệu thực nghiệm Đồ thị i-s thuận tiện cho việc tính tốn nước, trình đẳng áp : dq = di - v.dp hay q = i2 - i1 Như vậy, nhiệt trình đẳng áp hiệu enthalpy i [kJ/kg] 500 0C 400 300 200 100 3200 2400 x=1 K 0,9 0,8 1600 0,7 0,6 0,5 800 0,4 s [kJ/kg.0K] H 8.4 Đồ thị i - s nước PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 43 Trên đồ thị i-s, đường đẳng áp (p = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng đường thẳng xiên, vùng nhiệt đường cong lên có bề lồi quay phía Đường đẳng nhiệt (T = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng áp tương ứng, vùng nhiệt đường cong lên Càng xa đường x = 1, đường đẳng nhiệt gần song song với trục hồnh Đường đẳng tích (v = const) đường cong lên dốc đường đẳng áp, chúng thường vẽ đường nét đứt màu đỏ Trong thực tế kỹ thuật, trình nhiệt động thường diễn vùng nhiệt phần vùng bão hòa ẩm có độ khơ cao Vì vậy, để đơn giản người ta thường vẽ phần NỘI DUNG ƠN TẬP 1) 2) 3) 4) 5) Mơ tả q trình hóa đẳng áp nước Độ khơ độ ẩm nước Các thông số trạng thái nước Mô tả bảng nước phương pháp xác định thông số trạng thái nước bảng nước Mô tả đồ thị T - s, đồ thị i - s nước phương pháp xác định thông số nhiệt động nước đồ thị T - s, i - s PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 44 Chủ đề KHƠNG KHÍ ẨM 9.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI Khơng khí khơ hỗn hợp chất khí có bầu khí bao quanh trái đất Ngồi N2, O2, thành phần khí nhiều loại khí khác với hàm lượng nhỏ A, CO2, NOx, CO, HC, v.v Khơng khí ẩm hỗn hợp khơng khí khơ nước Bảng 9.1 Thành phần khơng khí khơ Thành phần Oxygen (O2) Nitrogen (N2) Argon (A) Carbon dioxide (CO2) µ 31,998 28,013 39,948 44,010 V [%] 0,2095 0,7809 0,0093 0,0003 V [%] 0,210 m [%] 0,232 0,790 0,768 Vì phân áp suất nước khơng khí ẩm nhỏ, nên nước khơng khí ẩm xem khí lý tưởng khơng khí ẩm xem hỗn hợp khí lý tưởng với tính chất sau : 1) Áp suất (p) không khí ẩm tổng phân áp suất khơng khí khô (pk) phân áp suất nước (ph) : p = pk + ph 2) Nhiệt độ khơng khí ẩm (T) nhiệt độ khơng khí khô (Tk) nhiệt độ nước (Th) : T = Tk = Th 3) Thể tích khơng khí ẩm (V) thể tích khơng khí khơ (Vk) thể tích nước (Vh) : V = Vk = Vh 4) Khối lượng khơng khí ẩm (m) tổng khối lượng khơng khí khơ (mk) khối lượng nước (mh) : m = mk + mh Khơng khí ẩm phân loại sau : • Khơng khí ẩm bão hòa : khơng khí ẩm chứa lượng nước lớn (mh.max) Hơi nước khơng khí bão hòa bão hòa khơ • Khơng khí ẩm q bão hòa : khơng khí ẩm chứa lượng nước lớn mh.max Hơi nước bão hòa ẩm, tức ngồi nước bão hòa khơ có lượng nước ngưng định (mn) Khơng khí ẩm có sương mù khơng khí ẩm q bão hòa có chứa giọt nước ngưng tụ PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 45 Khơng khí ẩm chưa bão hòa : khơng khí ẩm chứa lượng nước nhỏ mh.max, tức nhận thêm nước để trở thành bão hòa Hơi nước khơng khí ẩm chưa bão hòa q nhiệt • Có thể biến khơng khí ẩm chưa bão hòa thành bão hòa cách sau (H 10.1) : • Cách thứ (theo đường B - A1): giữ không đổi nhiệt độ th = const, tăng áp suất nước từ ph đến áp suất bão hòa ph.max Trong trường hợp này, khơng khí ẩm chưa bão hòa nhận thêm nước đến trở thành bão hòa • Cách thứ hai (theo đường B - A2) : giữ không đổi áp suất ph = const, giảm nhiệt độ từ th đến nhiệt độ đọng sương ts Trường hợp xảy mùa đơng nhiệt độ khơng khí đột ngột giảm xuống đến giá trị nhỏ nhiệt độ đọng sương, nước khơng khí ngưng tụ thành sương mù t pnmax tk tu ph B A1 th A2 Lớp vải bọc ts Bầu đựng n−íc s H 9.1 Đồ thị t - s nước H 9.2 Ẩm kế 9.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA KHƠNG KHÍ ẨM 1) Độ ẩm tuyệt đối (ρh) : khối lượng nước có m3 khơng khí ẩm ρh = mh V (9.1) 2) Độ ẩm tương đối (ϕ) : tỷ số độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm chưa bão hòa (ρh) độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm bão hòa (ρhmax) ϕ= ρh ρ h max (9.2) Sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho nước ta có : • Với nước khơng khí ẩm chưa bão hòa : ph ⋅ V = mh ⋅ Rh ⋅ T ; PGS TS Nguyễn Văn Nhận ρh = mh ph = V Rh ⋅ T - Engineering Thermodynamics (9.3a) - 2012 46 Với nước khơng khí ẩm bão hòa : • ph max ⋅ V = mh max ⋅ Rh ⋅ T ; ρ h max = mh max ph max = V Rh ⋅ T (9.3b) Thế (10.3a) (10.3b) vào (10.2) ta có : ϕ= ph (9.4) ph max Vì ≤ ph ≤ phmax nên ≤ ϕ ≤ 100 % Khơng khí khơ có ϕ = 0, khơng khí ẩm bão hòa có ϕ = 100 % Độ ẩm tương đối đại lượng có ý nghĩa lớn khơng kỹ thuật mà sống người Con người cảm thấy thoải mái khơng khí có độ ẩm tương đối ϕ = 40 ÷ 70 % Dụng cụ đo độ ẩm tương đối gọi ẩm kế Ẩm kế thông dụng gồm nhiệt kế thủy ngân : nhiệt kế khô nhiệt kế ướt (H 9.2) Nhiệt kế ướt có bầu thủy ngân bọc vải thấm ướt nước Nhiệt độ đo nhiệt kế khô gọi nhiệt độ khơ (tk), nhiệt độ đo nhiệt kế ướt gọi nhiệt độ ướt (tu) Hiệu số ∆t = tk - tu tỷ lệ với độ ẩm tương đối khơng khí Khơng khí khơ ∆t lớn, khơng khí ẩm bão hòa có ∆t = Biết ∆t, xác định ϕ bẳng bảng đồ thị 3) Độ chứa (d) : lượng nước chứa khơng khí ẩm ứng với kg khơng khí khơ d= mh mk [kg nước/kg khơng khí khơ] (9.5a) Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho nước khơng khí mh = khơ ta có : ph ⋅ V Rh ⋅ T mk = pk ⋅ V Rk ⋅ T 8314 ph Rk ⋅ ph 29 d= = Thế mh mk vào (9.5) ta có : Rh ⋅ pk 8314 p k 18 ph d = 0,622 [kgh/kgk] p − ph (9.5b) Khi ph = phmax d = dmax Từ (9.5b) ta có : d max = 0,622 PGS TS ph max p − ph max Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics (9.5c) - 2012 47 Appendix Introduction Our modern technological society is based largely on the replacement of human and animal labor by animate, power-producing machinery Examples of such machinery are steam power plants that generate electricity, locomotives that pull freight and passenger trains, and internal combustion engines that power automobiles In each of these examples, working fluids such as steam and gases are generated by combustion of a fuel-air mixture and then are caused to act upon mechanical devices to produce power Predictions of how much energy can be obtained from the working fluid and how well the extraction of energy from the working fluid can be accomplished are the province of an area of engineering called thermodynamics Thermodynamics is based on two experimentally observed laws The first is the law of conservation of energy, familiar to the student from the study of classical mechanics Whereas in mechanics only potential and kinetic energies are involved, in thermodynamics the law of conservation of energy is extended to include thermal and other forms of energy When an energy transformation occurs, the same total energy must be present after the transformation as before; in other words, according to the first law, all the different types of energy must be accounted for and balanced out when a transformation occurs For example, in an internal combustion engine, a specific quantity of thermal energy is released due to the combustion of gasoline in the engine cylinders Some of this energy goes out the tailpipe as heated exhaust gases and is lost; some is converted to useful work in moving the car; and some is dissipated to the air via the cooling system Whereas the distribution of these various types of energy is clearly of important to the engineer, who wants to obtain as much useful work as possible from a given quantity of fuel, the first law merely states that energy can be neither created nor destroyed; it does not provide information as to the ultimate distributions of the energy in its various forms The second law provides further information about energy transformations For example, it places a limitation on the amount of useful mechanical work that can be obtained from combustion of the fuel in an internal combustion engine The first law states that energy must be conserved Thus, according to the first law, all the thermal energy available from combustion of the fuel could be converted to useful mechanical work with no losses Intuitively, however, we know that thermal and other losses are present in the engine The second law provides a quantitative prediction of the extent of these losses An understanding of thermodynamics and the limitations it imposes on the conversion of energy from one to another is very relevant to what is going on in the world today With limited supplies of conventional energy resources of oil and gas, and with increased demands for an improved standard of living and an accompanying increased demand for energy, it is important that we obtain the maximum utilization of our oil, gas, and coal reserves Conversion of the chemical energy available in these fuels to usable form should be done as efficiently as possible Further, we must examine the potential of new sources of energy, such as the sun and the oceans Again, thermodynamics will be used to evaluate new energy sources and methods of converting the available energy to useful form PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 48 Exercise E1 : A gas is contained in a cylinder and expands against a piston, as shown in Figure E-1 Find an expression for the work done by the gas in terms of the thermodynamic properties of the gas Assume that the expansion is a quasi-static process, so that the gas in the thermodynamic equilibrium at each point in the process A β = 30 B Fig E-1 Fig E-2 Exercise E2 : A block having a mass of 50 kg starts from rest atop the inclined plane shown in Fig E-2 Determine the speed at the bottom of the plane from energy considerations Assume a coefficient of friction of 0,3 between block and plane Exercise E3 : A car having a mass of 3200 lbm travels at a speed of 500 mph at sea level What is the kinetic energy of the car ? At what elevation above sea level would the car have a potential energy greater than that at sea level by the same amount Exercise E4 : A ball is thrown vertically upward During the throwing process with the ball in the thrower's hand, a ball having a mass of 1/3 lbm is moved upward from rest over a distance of 1.5 feet, leaving the thrower's hand with a velocity of 20 fps Find the average force that the thrower exerts on the ball, the work done on the ball, and the height that the ball will reach Exercise E5 : Air is contained within the cylinder and weightless floating piston shown in Fig E-5 The air is heated by the addition of 120 Joules of thermal energy, which causes the piston to rise in the cylinder The initial volume of the air is 1000 cm3, and the volume available to the air is doubted in the process Determine the increase in internal energy of the air; assume a quasi-static process Q Fig E-5 PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 49 Exercise E6 : A gas at pressure p1 is contained behind a membrane in one half of a rigid vessel, as shown in Figure E-6a The other half of the vessel is completely evacuated The membrane is broken, allowing the gas to fill the entire volume, as shown in Figure E-6b Calculate the work done by the gas a) State Gas p1 b) Vacuum State Gas p2 Fig E-6 Exercise E7 : A water pump is to be used in a water supply system (Fig E7) The pressure at in is p in = 70 kPa, and the pressure at out is p out = 101 kPa The velocity in the 60 - mm pipe is m/s Find the pump power Neglect friction, and assume no change in internal energy of the water and no heat transfer between in and out Take the specific volume of the water to be constant at 0,001 m3/kg out d out = 40 mm in d in = 60 mm Fig E-7 Exercise E8 : Steam is heated from a saturated vapor at 50 psia (281 0F) to 300 0F during a constant pressure process How much heat must be added if the process takes place in : a) a container with a floating piston; b) a steady-flow process without external work From a thermodynamic properties table, it is found that at 50 psia and 281 0F, u = 1095.3 Btu/lbm, i = 1174.1 Btu/lbm, and v = 8.514 ft3/lbm, and at 50 psia and 300 0F, u = 1102.9 Btu/lbm, i = 1184.1 Btu/lbm, and v = 8.769 ft3/lbm PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 50 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Bộ môn : Kỹ thuật nhiệt lạnh CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY HỌC PHẦN Thơng tin học phần • Tên học phần : Nhiệt kỹ thuật • Số tín : • Đào tạo trình độ : Đại học • Giảng dạy cho lớp : 53TP1 & 53TP2 • Phân bổ thời gian học phần : + Nghe giảng lý thuyết : 50 % + Làm tập lớp : 10 % + Thảo luận : 40 % + Thực hành, thực tập : 0% + Tự nghiên cứu: Sinh viên phải dành thời gian tự nghiên cứu 30 giờ/tín Thơng tin giảng viên giảng dạy • Họ tên : Nguyễn Văn Nhận • Chức danh, học vị : Phó giáo sư, Tiến sỹ • Điện thoại : 090 516 2844 • E-mail : vannhanck@yahoo.com • Các hướng nghiên cứu : Động nhiệt, Ơtơ hybrid Hình thức tổ chức dạy - học Diễn giảng thảo luận Tài liệu tham khảo TT Tên tác giả Tên tài liệu Bùi Hải Phạm Lê Dần Trần Văn Phú Ng Văn Nhận Ivo Streda William L Kỹ thuật nhiệt Bài tập sở Kỹ thuật nhiệt Tính tốn thiết kế hệ thống sấy Nhiệt động kỹ thuật Zaklady Rovnovazne Termodynamiky Engineering Thermodynamics with Heat Transfer PGS TS Nguyễn Văn Nhận Năm xuất 2002 2003 Nhà xuất KH & KT Giáo dục Thư viện Thư viện 2002 Giáo dục Thư viện 2012 TUL Liberec E-mail 1998 - - Engineering Thermodynamics - Địa Cá nhân Cá nhân 2012 51 Đánh giá kết học tập TT Các tiêu đánh giá Tham gia học lớp Thảo luận Tự nghiên cứu Kiểm tra kỳ Kiểm tra cuối kỳ Thi kết thúc học phần Phương pháp đánh giá Quan sát, điểm danh Quan sát, Vấn đáp Vấn đáp Vấn đáp Viết Viết Trọng số (%) 50 50 GIẢNG VIÊN PGS TS Nguyễn Văn Nhận PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2012 ... bị nhiệt loại thiết bị có chức truyền dẫn nhiệt biến đổi nhiệt dạng lượng khác Động nhiệt máy lạnh hai nhóm thiết bị nhiệt thơng dụng Động nhiệt (ví dụ : động nước, turbine khí, động xăng, động. .. học, công kỹ thuật công lưu động Phát biểu viết phương trình định luật nhiệt động áp dụng cho hệ nhiệt động kín ? Thiết lập phương trình lưu động ổn định Cho ví dụ thiết bị nhiệt hoạt động với... trình nhiệt động phải có thơng số trạng thái thay đổi Điều kiện để có thay đổi trạng thái nhiệt động có trao đổi nhiệt cơng với mơi trường xung quanh Q trình nhiệt động - q trình nhiệt động,