Nhiệt từ Mặt trời cung cấp nguồn gốc cho sinh vật trên Trái đất. Nhiệt là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu tạo nên vật chất. Trong vật chất, các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn loạn không ngừng, do đó chúng có động năng. Động năng này có thể chia làm động năng chuyển động của khối tâm của phân tử, cộng với động năng trong dao động của các nguyên tử cấu tạo nên phân tử quanh khối tâm chung, và động năng quay của phân tử quanh khối tâm. Tổng các động năng này của các phân tử chính là nhiệt năng của vật. Nhiệt năng có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh và nhiệt năng của vật càng lớn. Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa các vật hay hệ thống do sự khác biệt về nhiệt độ. Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách chuyển hóa giữa năng lượng có hướng (thế năng, động năng định hướng trên tầm vĩ mô)
Năng lượng Bảo toàn lượng (Định luật nhiệt động học 1) Một số lưu ý • Nội dung giảng dạy sau: [1] Thermodynamics: An Engineering Approach: Các chương 1, 2, 3, 4, [2] Basic Engineering Thermodynamics: Chương – Heat Transfer [3] Sách Nhiệt động lực học: chương từ 1-5 • Bài tập: Giao theo cá nhân chương 1-6 • [1] Học liệu (Course Materials) cung cấp website: scholar.vimaru.edu.vn/diemphd facebook group: Engineering Thermodynamics Group Objectives - Năng lượng hệ, dạng lượng; - Hai dạng truyền lượng nhiệt công; - Các dạng công khác nhau; - Sự bảo toàn lượng – Định luật nhiệt động học thứ nhất; - Hiệu suất truyền lượng; - Năng lượng nhiễm mơi trường Sự bảo tồn khối lượng • Nguyên lý chung: Vật chất (Khối lượng) • bảo tồn, khơng sinh đi, biến đổi từ dạng sang dạng khác Đối với hệ nhiệt động: Khối lượng vào – Khối lượng = Sự thay đổi khối lượng ݀݉ ݉ − ݉௨௧ = ݀ݐ Sự bảo tồn khối lượng • Hệ kín: ݉ = ܿ;ݐݏ݊ ௗ ௗ௧ =0 Ví dụ: Lốp xe, động đốt sau coi trình nạp thải triệt tiêu • Hệ hở: thường gặp với giả thiết dịng chảy ổn định: • Ví dụ: vật chất (lỏng, khí) chảy qua ống; nước chảy qua động tuabin Năng lượng: Nhiệt, Công, truyền lượng Energy: Heat, Work, Energy Transfer Sự bảo tồn lượng Ví dụ 1: Tủ lạnh làm việc Ví dụ 2: Quạt chạy Cơ sở để kết luận thay đổi nhiệt độ? phịng kín, cách nhiệt, cánh tủ mở Nhiệt độ phòng ntn? Các dạng lượng tham gia vào q trình? phịng kín, cách nhiệt Nhiệt độ phòng ntn? Các dạng lượng tham gia vào trình? Các dạng lượng (Forms of Energy) Năng lượng (Energy) Trong hệ ổn định (không tồn ảnh hưởng điện, từ, …), lượng toàn phần (E) hệ bao gồm: Động (kinetic-KE), (potential-PE) nội (internal-U): - Động năng: - - Thế năng: - Năng lượng toàn phần: Hoặc viết cho đơn vị khối lượng: Năng lượng vi mô, vĩ mô Năng lượng vĩ mơ hệ lượng tồn phần so với xung quanh, bao gồm động Năng lượng vi mô hệ liên quan đến cấu trúc phân tử hệ thống độc lập với bên ngồi Đó nội lượng chuyển động phân tử: Nhiệt (Sensible energy); Năng lượng biến đổi pha: Nhiệt ẩn (Latent energy); Năng lượng liên kết nguyên tử: Hóa (Chemical energy), Năng lượng nguyên tử (Atomic energy) Năng Sự dụng lượng Static energy: tích trữ hệ thống; Dynamic energy: hệ thống trao đổi (qua biên hệ) Chỉ có dạng lượng trao đổi: Nhiệt (Heat); Cơng (Work) Ví dụ: Tuabin thủy điện: Năng lượng vĩ mơ dịng chảy làm quay tuabin (sinh công) Năng lượng vi mô chuyển động hỗn loạn phần tử H2O khơng có tác dụng 10 Năng lượng hệ kín, hở Hệ kín (close system): Thường khơng có chuyển động (stationary); KE = 0; PE = 0; ∆E = ∆U Ví dụ: đun nóng vật chất bình kín Hệ hở (control volume): Có dịng chảy (mass flow rate); Energy Flow rate Ví dụ: Dịng chảy động tuabin Sự thay đổi lượng hệ kín, hệ hở nghiên cứu chương sau 11 Năng lượng truyền qua biên hệ kín Dạng nhiệt (Heat): Nếu lượng truyền qua Q biên hệ liên quan đến chênh nhiệt độ Nếu khơng work Heat: dạng lượng (thermal energy) truyền vật (qua biên hệ) có chênh nhiệt độ 12 System W Truyền lượng dạng nhiệt Năng lượng truyền qua biên hệ kín dạng Nhiệt Cơng Nhiệt truyền qua biên hệ có độ chênh nhiệt độ Nhiệt nhận dạng truyền qua biên hệ 13 Truyền lượng dạng nhiệt Nhiệt lượng trao đổi từ state đến state 2: Nhiệt lượng truyền/đơn vị thời gian (công suất truyền nhiệt): ݀ܳ ܳሶ = (݇ܬ/ݏ, ܹ݇) ݀ݐ Tổng nhiệt lượng trao đổi: Nếu công suất truyền nhiệt không đổi theo thời gian: 14 Hệ thống đoạn nhiệt (Adiabatic) Hệ thống diễn q trình khơng có trao đổi lượng dạng Nhiệt với bên ngoài: Khi hệ bọc cách nhiệt; Khi hệ khơng có chênh lệch nhiệt độ với xung quanh Phân biệt (adiabatic process) Isothermal process (ĐẲNG NHIỆT) Q trình đoạn nhiệt có thay đổi nhiệt độ 15 Truyền lượng dạng công Công trao đổi từ state đến state 2: Công truyền/đơn vị thời gian (công suất): ܹ݀ ݇ܬ ܹሶ = ( , ܹ݇ሻ ݀ݏ ݐ Work lượng trao đổi liên quan đến tác động lực dịch chuyển (chuyển động) hệ 16 Ký hiệu, đơn vị Nhiệt/Công Q or 1Q2 Lượng nhiệt trao đổi trình từ trạng thái đến trạng thái Units: kJ or BTU q Nhiệt lượng/đơn vị khối lượng Units: kJ/kg or BTU/lbm • • W or 1W Công thực hệ thống để thay đổi từ trạng thái đến trạng thái Units: kJ or BTU w Công/đơn vị khối lượng Units: kJ/kg or BTU/lbm Q Rate of heat transfer: Công suất truyền nhiệt kJ/sec = kW W Công suất (Power): Công/đơn vị thời gian kJ/sec = kW 17 Quy ước dấu Nhiệt Công Heat truyền đến hệ thống (hệ thống nhận) mang dấu dương (+) Heat truyền từ hệ thống môi trường mang dầu âm (-) Work thực nhận tác động từ bên ngồi (tạo chuyển động hệ) cơng âm (-) Work sinh hệ thống (tác động ngược lại với môi trường) công dương (+) 18 Đặc điểm Heat and Work Nhiệt công truyền qua biên hệ Các hệ thống nhiệt có lượng, khơng phải Nhiệt hay Công Khi trao đổi nhiệt công với môi trường qua biên hệ, lượng hệ thay đổi Trao đổi nhiệt cơng diễn theo q trình – trạng thái cố định Nhiệt công hàm trình: phụ thuộc vào đường trình trạng thái đầu, cuối 19 Hàm trạng thái-Hàm trình? State (point) function-Path function? Path functions ký hiệu đạo hàm riêng δ, ví dụ δQ, δW δW = W 12 (not ∆W ) Point functions ký hiệu đạo hàm tồn phần ∆, ví dụ: ∆V dV = V2-V1 = ΔV Các thông số trạng thái (P, v, T) hàm trạng thái (point functions), Nhiệt cơng hàm q trình (path functions) 10 20 Các loại công - Types of work Công học - Mechanical Work Dich chuyển biên hệ (Moving boundary work) Công trục (Shaft work) Cơng lị xo (Spring work) Cơng điện - Electric Work (We=V I ∆t) V =voltage I=current ∆t =time 21 Nhiệt hay Cơng Nung nóng lò cách nhiệt may so điện Nếu coi thống bao gồm lò nung may so điện hệ thống nhận Nhiệt hay Cơng? Nếu coi hệ thổng không bao gồm may so điện hệ thống nhận Nhiệt hay Cơng? 22 11 Cơng học Lực tác dụng làm hệ chuyển động Hai điều kiện xuất công học: Có lực tác dụng lên biên hệ Biên hệ dịch chuyển Trong nhiều hệ nhiệt động, công học dạng công mục đích hệ 23 Cơng trục (shaft work) Lực F tác động qua cánh tay đòn r tạo thành mô men T: Quãng đường dịch chuyển s trục quay n vịng: Sinh cơng trục: Công suất trục: Với ݊ሶ tốc độ quay trục 12 24 Cơng lị xo (spring work) Lực F tác động làm lò xo dịch chuyển x: Với lị xo tuyến tính: Cơng lị xo: 25 Định luật NĐH thứ First law of thermodynamics Năng lượng không tự nhiên sinh hay tự nhiên đi, mà chuyển từ dạng sang dạng khác VD1 Nhiệt tăng lên hệ nhiệt nhận Là nguyên lý bảo toàn lượng phạm vi nhiệt VD2 Thế chuyển thành động 26 13 First law of thermodynamics VD3 VD4 Nhiệt thực nhận Năng lượng tăng lên nhiệt nhận vào trừ công (điện) tiêu thụ nhiệt tỏa VD5 Năng lượng tăng lên công (điện/cơ học) tiêu thụ 27 Biểu thức ĐL1 28 14 ĐL với hệ tĩnh (stationary) Thường gặp hệ tĩnh tại: Không có chuyển động; Khơng thay đổi độ cao Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện, phịng (điều hịa) 29 Các dạng truyền lượng Dạng nhiệt (heat transfer); Dạng công (work transfer); Khi thay đổi lượng vật chất (mass flow) 30 15 Ví dụ Két làm mát với máy khuấy Nội ban đầu: 800kJ; Lượng nhiệt tỏa ra: 500kJ; Điện máy khuấy tiêu thụ: 100kJ Hỏi: Năng lượng lại hệ? 31 Ví dụ Quạt tiêu thụ cơng suất 200W đặt phịng có nhiệt độ 250C, diện tích bao quanh A=30m2; Nhiệt truyền ngồi theo cơng thức Xác định nhiệt độ phịng sau ổn định? Cơng suất 200W truyền cho khơng khí phòng nào? 32 16 Hiệu suất truyền lượng Hiệu suất: Hiệu suất truyền lượng: ܰă݊݃ ݈ượ݊݃ ݊ℎậ݊ đượܿ ߟ= ܶổ݊݃ ݊ă݊݃ ݈ượ݊݃ Ví dụ: nước bình nước nóng (điện): ߟ = 90% Đun nước bình nước nóng (gas): ߟ = 55% Hiệu suất quạt điện: ߟ = ? Đun 33 Hiệu suất truyền lượng Hiệu suất tồn bộ: Một hệ thống diễn nhiều q trình biến đổi lượng Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện: Quá trình cháy nhiên liệu lị hơi: Hiệu suất cháy; Q trình biến đổi lượng nhiệt thành quay tuabin hơi: Hiệu suất nhiệt; Quá trình biến thành điện máy phát điện: Hiệu suất máy phát Hiệu suất động đốt trong, ߟđ =? Hiệu suất nhà máy nhiệt điện, ߟ௧ ௧ =? 34 17 Năng lượng Môi trường Energy & Environment Phần lớn lượng từ nhiên liệu hóa thạch (Fossile fuels): Coal, LPG, LNG, Gasoline, Diesel Oil, Heavy Fuel Oil): Các lĩnh vực chủ yếu: Sản xuất điện; Giao thơng: Ơ tơ; máy bay; tàu hỏa; tàu thủy 35 Energy & Environment Khí thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch: CO, CO2, SOx, NOx, HC (VOCs) Tác hại: Hiệu ứng nhà kính (greenhouse effect); Mưa axit (acid rain); Suy giảm tầng Ozone (Ozone depletion); Khói bụi (Smoke, Particulate MattersPM) 36 18 Energy & Environment Hiện tượng khói bụi thị (Smog and Ozone): Là khói, bụi kết hợp với Ozone tầng thấp, HC, Nox, thường xuất ngày nhiệt độ cao, lặng gió; Tác hại: Gây cay mắt, khó thở, bệnh hơ hấp; ảnh hưởng mùa màng 37 Energy & Environment Mưa axit (Acid rain): Các khí SOx, NOx khơng khí kết hợp với ẩm, nước mưa tạo thành nước mưa có hàm lượng axit cao Tác hại: Mùa màng giảm suất, rừng, chậm phát triển, thủy sinh bị chết, phá hủy cơng trình (tượng đồng/đá) 38 19 Energy & Environment Hiệu ứng nhà kính: Từ xuất cách mạng công nghiệp (TK19), nhiệt độ trái đất tang lên bao nhiêu? Khí nhà kính khí nào? CO2 chiếm % không khí? Trước CMCN bao nhiêu? What should you to save our planet? 39 Bài tập nhà Làm tập chương (danh sách tập Chương 3, post lên facebook); Đọc: Tiếng Việt: Chương IV – Sự bảo toàn lượng; English: Chapter – Enery analysis of closed systems 40 20 ... trục: Với ݊ሶ tốc độ quay trục 12 24 Cơng lị xo (spring work) Lực F tác động làm lò xo dịch chuyển x: Với lị xo tuyến tính: Cơng lò xo: 25 Định luật NĐH thứ First law of thermodynamics Năng... cơng suất 20 0W đặt phịng có nhiệt độ 25 0C, diện tích bao quanh A=30m2; Nhiệt truyền ngồi theo cơng thức Xác định nhiệt độ phịng sau ổn định? Cơng suất 20 0W truyền cho khơng khí phòng nào? 32 16 Hiệu... VD1 Nhiệt tăng lên hệ nhiệt nhận Là nguyên lý bảo toàn lượng phạm vi nhiệt VD2 Thế chuyển thành động 26 13 First law of thermodynamics VD3 VD4 Nhiệt thực nhận Năng lượng tăng lên nhiệt nhận vào