Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 2 - Ngô Phi Mạnh

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2: Các định luật nhiệt động và các quá trình nhiệt động cơ bản cung cấp cho người học các kiến thức: Định luật nhiệt động, các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG 2: CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN Phát biểu: a Nợi dung: Khi cấp cho HNĐ nhiệt lượng  phần sinh công + phần làm biến thiên nội hệ (The change in internal energy of a system is equal to the heat added to the system minus the work done by the system) b Biểu thức: Q = L + ΔU c Ý nghĩa: Định luật nhiệt động  định luật bảo toàn chuyển hóa lượng Các dạng biểu thức định luật NĐ a Viết theo ĐN: + Viết cho G kg môi chất: Q = L + ΔU + Viết cho kg môi chất: + Dạng vi phân: q = l + Δu q = pdv + du = l + du q = - vdv + di = lkt + di b Định luật viết cho hệ kín hệ hở: Đối với KLT, biểu thức sau viết chung cho hệ kín hệ hở q = du + l = di + lkt Cơ sở lý thuyết: Để khảo sát trình nhiệt động ta dựa trên: + Đặc điểm trình (đẳng nhiệt, đẳng áp ) + Phương trình trạng thái KLT + Phương trình định luật Các bước khảo sát: B1: Tìm biểu thức đặc trưng cho trình B2: Dựa vào PT trạng thái => mối qhệ thông số: p, t, v B3: Tính Δu, Δi, l, lkt, q, Δs B4: Biểu diễn đồ thị P-v T-s u B5: Tính hệ số biến đổi lượng   q Khảo sát q trình Đẳng tích: Kháo sát q trình Đẳng áp: Khảo sát trình Đẳng nhiệt: => Sinh viên tự soạn theo bước hướng dẫn Khảo sát trình Đoạn nhiệt a ĐN: q trình nhiệt động xảy điều kiện mơi chất không trao đổi nhiệt với môi trường q = b Xác định biểu thức đặc trưng: q=0 (1)  q = CvdT + pdv = (2)  q = CpdT – vdp = (3) => Cv.dT = - p.dv (4) Cp.dT = v.dp (5) Chia (5)/(4): Cp/Cv = -vdp/p.dv v  dP  k P  dv p.vk = Const 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát trình Đoạn nhiệt c Quan hệ thông số trạng thái: pv k  const p2  v1     p1  v2  v1  p2     v  p1  p1 v1  R.T1 p2 v2  R.T2 T T k k k 1 k 1 v  P  k    2 v  p   2  1 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát trình Đoạn nhiệt d Tính tốn thơng số: • Tính Δu Δi - Biến thiên nội năng: Tính cho kg mơi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg] Tính cho G[kg] môi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J] - Biến thiên Entanpi: Tính cho kg mơi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg] Tính cho G[kg] mơi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J] 2.2 Các trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình đoạn nhiệt d Tính tốn thơng số: • Tính cơng thay đổi thể tích: Theo định nghĩa ta có: l v2 v p  dv Với: p.v k  p1 v1k p p1.v1k p1.v1 dv v2 l   p1  v1  p2  v2  k 1 l  l v1  T2   R.T1    k 1 T1    • Tính cơng kỹ thuật: lkt = k.l  ????? v k vk 2.2 Các trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình đoạn nhiệt d Tính tốn thơng số: • Tính nhiệt lượng trao đổi: •Tính biến thiên entropi: •Hệ số biến đổi lượng: q0 ds  q T 0 u   q e Đồ thị P-v, T-s: Đồ thị p-v; T-s trình đoạn nhiệt 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát trình Đa biến c Quan hệ thông số trạng thái: pv n  const  n v   1 ; v  p  2 p p  n v     2 v  p   1 p v  RT ; p v  RT 11 2 T  T n 1 n 1 v  P  n      1  2 v  p   2  1 2.2 Các trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình Đa biến d Tính tốn thơng số: • Tính Δu Δi - Nhận xét: Đối với khí lý tưởng, nội u entanpi i hàm trạng thái nên biến thiên chúng Δu Δi phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối q trình mà khơng phụ thuộc vào đường Cơng thức tính Δu Δi tính cho trình KLT: - Biến thiên nội năng: Tính cho kg mơi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg] Tính cho G[kg] mơi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J] - Biến thiên Entanpi: Tính cho kg mơi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg] Tính cho G[kg] môi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J] 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình Đa biến d Tính tốn thơng số: • Tính nhiệt dung riêng Cn: Đối với trình đa biến, Cn phụ thuộc vào hệ số đa biến n nên cần phải xác định: Ta có: Cn  CP n Cn  Cv  C n  n  1  n  C v  C P  CP    Cn n  1  Cv  n  Cv    C n n  1  C v  n  k  nk  C n  Cv  n 1 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát trình Đa biến d Tính tốn thơng số: • Tính cơng thay đổi thể tích: v2 Theo định nghĩa ta có: l   P  dv v1 Với: => n P  v P  v n  P1  v1n  P  n v n v2 P  v l   n  dv v1 v l   P1  v1  P2  v2  n 1  T  l  1   n 1  T   1 R T Or: 2.2 Các trình nhiệt động KLT Khảo sát trình Đa biến d Tính tốn thơng số: • Tính cơng kỹ thuật: lkt = n.l • Tính nhiệt trao đổi với môi trường: q = Cn.(T2-T1) nk qC  (T  T ) v n 1 • Tính hệ số đa biến: Từ mối quan hệ thơng số, ta tính n theo công thức sau: ln n P P ln ln v v n 1  T T ln v v 2.2 Các trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình Đa biến d Tính tốn thơng số: • Tính biến thiên entropi: q Cn  dT ds   T T T2  s  C n  ln T1 e Tính hệ số biến hóa lượng:  Cv  T2  T1  u  nk q Cv   T2  T1  n 1  n 1 nk 2.2 Các trình nhiệt đợng KLT Khảo sát q trình Đa biến f Biểu diễn trình đa biến đồ thị: * Tổng quát trình: p = const (đẳng áp) - Khi n = p.v0 = const Cn = Cp T = const (đẳng nhiệt) - Khi n = - Khi n = ±∞ p.v = const Cn = ±∞ v = const (đẳng tích) p1/∞ v = const Cn = Cv Đoạn nhiệt - Khi n = k p.vk = const Cn = 2.2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo sát trình Đa biến f Biểu diễn trình đa biến đồ thị: p T ns t n= = q > p n=1 n=1 n=0 /C v ∞ T ± = n = /ds dT k q>0 n=k n=±∞ n T/ C = = t co s ons n=0 = ±∞ n u>0 =c n=0 pv n= n=k k pv n=±∞ n=k n= L>0 L> dT /d u> v s 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Các loại chu trình: a Khái niệm chu trình nhiệt động: - Chu trình: - Chu trình thuận nghịch: - Chu trình khơng thuận nghịch: b Chu trình thuận nghịch thuận chiều: - Định nghĩa: chu trình sinh cơng , mơi chất nhận nhiệt q1 nguồn nóng, nhả nhiệt q2 cho nguồn lạnh sinh công l - Đặc điểm: + Chu trình diễn theo chiều kim đồng hồ đồ thị p-v, T-s + Chu trình sinh cơng => l > 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Các loại chu trình: b Chu trình thuận nghịch thuận chiều: - Hiệu suất chu trình: l ηt  q1 t  q1  q2 q1 t   1 q2 q1 q2 q1 - Ứng dụng thực tế: + Chu trình động đốt + Chu trình nhà máy nhiệt điện, động nước 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Các loại chu trình: c Chu trình thuận nghịch ngược chiều: - Định nghĩa: chu trình có mơi chất nhận nhiệt q2 nguồn lạnh, nhả nhiệt q1 cho nguồn nóng tiêu tốn cơng l nhiệt nhiệt nhiệt nhiệt nhiệt Truyền nhiệt vào Truyền nhiệt nhiệt Dàn lạnh nhiệt nhiệt Dàn nóng nhieät 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Các loại chu trình: c Chu trình thuận nghịch ngược chiều: - Đặc điểm: + Chu trình diễn ngược chiều kim đồng hồ đồ thị p-v, T-s + Chu trình nhận công => l < - Hệ số làm lạnh chu trình:    q2 l q2 q1  q2 - Ứng dụng thực tế: + Chu trình lạnh: điều hịa, tủ lạnh 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Các loại chu trình: d Chu trình Carnot thuận chiều: - Định nghĩa: Chu trình có trình đoạn nhiệt đẳng nhiệt tiến hành xen kẽ nhau, thực nguồn nhiệt T1 T2 không đổi T1 > T2 - Hiệu suất: q1  q l c   q1 q1 T2 ηc   T1 - Nhận xét: + Hiệu suất CT Carnot phụ thuộc T1và T2 + ηc tăng T1 tăng T2 giảm + T1 = T2 => ηc = => không Tồn động vĩnh cửu loại (nhiệt khơng thể hồn tồn biến thành cơng) + ηc Carnot cao so với tất chu trình khác cùng nguồn nóng lạnh 2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II Phát biểu ý nghĩa ĐL NĐ II: a Phát biểu: - Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao Muốn thực điều cần phải tốn lượng bên ngồi - Khơng thể biến đổi tồn nhiệt nhận từ nguồn nóng thành cơng, mà phải lượng nhiệt thải cho nguồn lạnh - Không thể nhận công từ nguồn nhiệt T1 = T2 => ηc= b Ý nghĩa: - Định luật nhiệt động cho phép biết điều kiện xảy q trình biến đổi nhiệt thành cơng ngược lại - Cho phép biết chiều hướng xảy trình truyền nhiệt mức độ xảy trình Bài Tập cuối chương Cho kg khơng khí có nhiệt độ ban đầu t1 = 300C, thể tích V1 = 1500 lít, tiến hành q trình nén đa biến với n = 1,2 đến áp suất p2 = 10bar Hãy: a Tính nhiệt độ khơng khí sau nén b Xác định ∆U, ∆I, q, l, lkt Một kg không khí nén đa biến đến thể tích v2 = 0,2.v1, nhiệt độ tăng từ 100C đến 1000C, áp suất ban đầu khơng khí p1 = 2bar Xác định áp suất thể tích cuối, số mũ đa biến, U, I, công nén nhiệt lượng toả Một bình kín tích V = 0,015 m3 chứa khơng khí áp suất đầu p1 = bar, nhiệt độ t1 = 300C Cung cấp cho không khí bình lượng nhiệt 16 kJ Xác định nhiệt độ cuối, áp suất cuối trình lượng biến đởi entropi khơng khí (lấy  = 29) kg khơng khí có áp suất đầu p1 = at, thể tích v1 = 0,8 m3/kg nhận lượng nhiệt 100kcal/kg điều kiện áp suất không đởi Xác định nhiệt độ đầu cuối, thể tích cuối q trình, cơng thay đởi thể tích ... trạng thái: pv k  const p2  v1     p1  v2  v1  p2     v  p1  p1 v1  R.T1 p2 v2  R.T2 T T k k k 1 k 1 v  P  k    2? ?? v  p   2? ??  1 2. 2 Các q trình nhiệt đợng... p.v k  p1 v1k p p1.v1k p1.v1 dv v2 l   p1  v1  p2  v2  k 1 l  l v1  T2   R.T1    k 1 T1    • Tính cơng kỹ thuật: lkt = k.l  ????? v k vk 2. 2 Các q trình nhiệt đợng KLT Khảo... nguồn nhiệt T1 T2 không đổi T1 > T2 - Hiệu suất: q1  q l c   q1 q1 T2 ηc   T1 - Nhận xét: + Hiệu suất CT Carnot phụ thuộc T1và T2 + ηc tăng T1 tăng T2 giảm + T1 = T2 => ηc = => không