Bài giảng môn học nhiệt động kỹ thuật (đại học thủy lợi)

NỘI DUNG MÔN HỌC PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC PHẦN II CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CHƯƠNG II CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MƠI CHẤT CHƯƠNG III CÁC CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN & PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT BÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN BÀI THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT BÀI CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG BÀI PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT BÀI NHIỆT – CÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BÀI I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC DẠNG TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG II MƠI CHẤT, KHÍ THỰC, KHÍ LÝ TƯỞNG III.HỆ NHIỆT ĐỘNG & PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG NĂNG LƯỢNG Khái niệm lượng - Mức đo chuyển động vật chất vật - Mỗi loại chuyển động có dạng lượng xác định - Phân loại theo tính chất chuyển động vật: + Năng lượng chuyển động có hướng: Cơ năng, hố năng, điện năng… + Năng lượng chuyển động vô v hướng: Nhiệt - Nhiệt năng lượng chuyển động hỗn loạn phân tử - Sự biến đổi nhiệt thành dạng lượng khác cần phải nghiên cứu Nhiệt động học (NĐH) - Các dạng lượng chuyển biến lẫn - Trong hệ SI: Sử dụng đơn vị J, kJ, MJ CÁC DẠNG TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG 1.Nhiệt - Dạng lượng biểu thị truyền lượng phân tử chuyển động hỗn loạn tương tác với - Ký hiệu: Q (J), q (J/kg) - Quy ước: Nhiệt lượng vật nhận được, mang dấu (+) Nhiệt lượng vật nhả (thải) ra, mang dấu (-) 2.Công - Dạng lượng biểu thị truyền lượng phần tử vĩ mô - Ký hiệu: L (J), l (J/kg) - Quy ước: Công vật môi chất sinh ra, dấu (+) Công vật môi chất nhận vào, dấu (-) MƠI CHẤT, KHÍ THỰC & KHÍ LÝ TƯỞNG Khí lý tưởng (KLT) - Khí lý tưởng khí khơng tồn thực tế, đưa để tiện cho việc nghiên cứu - Đặc điểm: + Các khí chất điểm chuyển động + Khơng có kích thước thân (thể tích riêng) + Khơng có lực tương tác khí - Trong thực tế, khí như: khơng khí, O2, H2, N2… điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường coi khí lý tưởng MƠI CHẤT, KHÍ THỰC & KHÍ LÝ TƯỞNG Mơi chât (MC) - Chất trung gian sử dụng máy nhiệt để thực trình trao đổi nhiệt công gọi môi chất - Các dạng môi chất : Chất rắn, chất lỏng chất khí - Chất khí thường sử dụng làm mơi chất chúng có khả thay đổi thể tích lớn nên có khả trao đổi cơng lớn Khí thực - Trong tự nhiên, chất khí khí thực - Đặc điểm: + Tạo nên từ ngun tử, phân tử + Có kích thước thân (thể tích riêng) + Có lực tác dụng tương hỗ lẫn HỆ NHIỆT ĐỘNG & PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động môi trường - Hệ nhiệt động vật nhiều vật (hoặc nhiều thiết bị) tách riêng khỏi vật (các thiết bị) khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng - Hình dạng kích cỡ hệ phụ thuộc vào người nghiên cứu - Những vật (thiết bị) ngồi hệ gọi mơi trường - Giữa hệ môi trường phân tách biên giới hệ Phân loại HNĐ: Có hệ nhiệt động a Hệ kín b Hệ hở c Hệ đoạn nhiệt d Hệ cô lập HỆ NHIỆT ĐỘNG & PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG a Hệ kín: + Trọng tâm hệ khơng chuyển động (khơng có chuyển động vĩ mơ) có chuyển động với tốc độ nhỏ mà ta hồn tồn bỏ qua động hệ + Khối lượng hệ không đổi + MC không qua bề mặt ranh giới hệ mơi trường - Ví dụ: + Chất khí chứa bình kín + Hơi nước chu trình động lực nước nhà máy nhiệt điện b Hệ đoạn nhiệt - Hệ khơng trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi - Ví dụ: Chất khí xy lanh bọc cách nhiệt tuyệt đối I NHIỆT DUNG RIÊNG - Với khí lý tưởng, quan hệ nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp đẳng tích biểu thị công thức Mayer: Cp – Cv = R (*) Trong đó: R: Hằng số chất khí - Trong nhiệt động, tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp nhiệt dung riêng đẳng tích biểu thị: Cp / Cv = k Trong đó: k : Số mũ đoạn nhiệt (**) - Với khí thực: Trị số k phụ thuộc vào chất nhiệt độ chất khí I NHIỆT DUNG RIÊNG - Với khí lý tưởng: Trị số k phụ thuộc vào chất (cấu tạo phân tử) chất khí Giá trị k khí lý tưởng cho bảng sau Loại khí Trị số k nguyên tử kcal/kmol.K kJ/kmol.K Cv Cp Cv Cp 1,6 12,6 20,9 Nguyên tử 1,4 20,9 29,3 nguyên tử 1,3 29,3 37,7 Khơng khí coi khí nguyên tử k=1,4 Từ biểu thức (*) (**), tính nhiệt dung riêng: R R Cv  Cp  k k 1 k 1 II CÁCH TÍNH NHIỆT Tính theo nhiệt dung riêng tính theo entropi a Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng Q = G C ∆T (J) Q = Vtc C’.∆T (J) Q = M.Cμ ∆T (J) Trong đó: G : Khối lượng chất khí, kg Vtc: Thể tích khí điều kiện tiêu chuẩn, mtc3 T = T2 - T1: Là hiệu số nhiệt độ, K M : Số kilômol, kmol C : Là nhiệt dung riêng khối lượng, J/kg K C’ : Là nhiệt dung riêng thể tích, J/m3K C : Là nhiệt dung riêng kilơmol, J/kmol.K + Nếu khí xét coi khí lý tưởng, nhiệt dung riêng số xác định từ bảng II CÁCH TÍNH NHIỆT + Nếu khí xét khí thực, nhiệt dung riêng nhiệt dung riêng trung bình xác định theo công thức: t t t C t2  C 02 t  C 01 t1 t   b Tính nhiệt theo entropi Trong q trình đẳng nhiệt (T1 = T2), T = nhiệt dung riêng :  dq  CT       dT T Từ biểu thức định nghĩa entropi (ds = dq/T) ta dễ dàng suy biểu thức tính nhiệt:s q   T d s s1 III CÁC LOẠI CƠNG Cơng thay đổi thể tích - Là cơng mơi chất hệ sinh (khi giãn nở) nhận (khi bị nén) thể tích mơi chất thay đổi S - Ký hiệu: L (J) l (J/kg) kg - Xây dựng biểu thức tính cơng p,v dv dx + Giả sử có kg chất khí áp suất p, thể tích v + Khi chất khí giãn nở lượng dv, chất khí thực cơng dl + Cơng chất khí thực : dl = pSdx + Vì Sdx = dv nên cơng thay đổi thể tích có dạng: dl = pdv v2 l12   pdv v1 III CÁC LOẠI CƠNG Cơng thay đổi thể tích p Đồ thị xác định cơng thay đổi thể tích p dv v1 v2 v  Khi giãn nở v2 > v1, công thay đổi thể tích khí dương (l12 > 0) Ngược lại, nén v2 < v1, cơng thay đổi thể tích khí âm (l12 < 0)  Trên đồ thị p-v (cịn gọi đồ thị cơng), cơng thay đổi thể tích kg chất khí trình biến đổi 1-2 biểu diễn diện tích 12v2v1 Từ đồ thị ta nhận thấy công thay đổi thể tích hàm q trình Chú ý: Cơng thay đổi thể tích cho q trình cân bằng, cơng có hệ kín lẫn hệ hở III CÁC LOẠI CƠNG Cơng kỹ thuật - Ký hiệu: Lkt (J) lkt (J/kg) - Cơng kỹ thuật cơng dịng khí chuyển động (hệ hở) thực áp suất chất khí thay đổi p + Cơng kỹ thuật: p dlkt = -vdp dp p2 lkt12   -vdp p1 p2 v v - Công kỹ thuật có trị số dương áp Đồ thị cơng kỹ thuật suất giảm (p2 < p1) trình biến đổi có trị số âm áp suất tăng (p2 > p1) trình biến đổi - Trên đồ thị p-v, cơng kỹ thuật kg dịng khí q trình biến đổi 1-2 biểu diễn diện tích 12p2p1 - Cơng kỹ thuật hàm q trình có hệ hở III CÁC LOẠI CƠNG Cơng ngồi - Ký hiệu: Ln (J) ln (J/kg) - Cơng ngồi cơng mà hệ trao đổi với mơi trường Đây cơng hữu ích mà ta nhận từ hệ công tiêu hao từ môi trường tác dụng tới hệ - Khi hệ sinh công tác dụng tới môi trường: thể tích mơi chất tăng (giãn nở), ngoại động giảm, ngoại giảm, lượng đẩy giảm Biểu thức tổng qt cơng ngồi có dạng:  22  12  ln12  l12   d  d1      g  h  h1     2  dln  dl  d  pv   d    gdh   III CÁC LOẠI CƠNG Cơng ngồi 3.1 Trong hệ kín Do khơng có lượng đẩy, khơng có ngoại động biến thiên khơng, cơng ngồi cơng thay đổi thể tích Ta có biểu thức: ln12 = l12 nên dln = dl = pdv 3.2 Trong hệ hở Vì lượng đẩy hàm trạng thái nên vi phân vi phân toàn phần, d(pv) = pdv + vdp; dl = pdv; dlkt = -vdp Thay vào biểu thức công ngoài:  2   2   2  dln  pdv  (pdv  vdp)  d    gdh   vdp  d    gdh  dlkt  d    gdh       ln12  lkt12  22  11   g  h  h1  III CÁC LOẠI CÔNG Cơng ngồi 3.2 Trong hệ hở Cơng ngồi hệ hở cơng kỹ thuật cơng giảm động môi chất Trong kỹ thuật, ví dụ tuabin, dịng chảy qua tuabin hệ hở, công tuabin cơng ngồi hệ Ở giảm động dòng vào khỏi tuabin nhỏ so với thành phần công kỹ thuật (giảm áp suất), ta suy ra: ln12 = lkt12 Cơng kỹ thuật tính gần cơng hữu ích lấy từ dịng khí (hệ hở) thơng qua thiết bị kỹ thuật (tuabin…) Do ta suy biểu thức công kỹ thuật sau: l k t1  l n  2   gh IV NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG a Ngoại động - Năng lượng chuyển động vĩ mô (chuyển động vật thể),  xác định biểu thức: (J) W = G đ Trong đó: G : Khối lượng vật, kg  : Tốc độ vật, m/s b Ngoại - Năng lượng lực trọng trường, phụ thuộc vào chiều cao so với mặt đất vật: Wt = G.g.h (J) Trong đó: G : Khối lượng vật, kg h : Độ cao vật so với mặt đất, m g : Gia tốc trọng trường, m/s2 Ngoại thường có giá trị nhỏ so với dạng lượng khác thơng thường ta hồn tồn bỏ qua ngoại (Wt  0) IV NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG c Nội (nội nhiệt năng) -Toàn dạng lượng bên vật Ký hiệu: U (J) ; u (J/kg) Đối với khí lý tưởng thì: u = u2 - u1 = Cv (T2 - T1) (J/kg) d Năng lượng đẩy Năng lượng đẩy có hệ hở Ký hiệu: D (J) xác định biểu thức: D = pV = Gpv (J)  Đó dạng lượng có hệ nhiệt động Cả dạng lượng hàm trạng thái Khi hệ thay đổi, chúng phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối mà khơng phụ thuộc vào q trình biến đổi IV NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG Năng lượng toàn phần hệ nhiệt động tổng dạng lượng W = U + D + Wđ + Wt w = u + d + wđ + wt (G kg) (1 kg) IV NĂNG LƯỢNG TỒN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ kín + Vì D = Wđ = nên NLTP: W = U + Wt = U + Ggh (G kg) w = u + wt = u + gh (1 kg) + Biến thiên lượng toàn phần hệ kín Vì hệ kín khơng biến đổi trạng thái hệ thay đổi, biến thiên khơng (Wt = 0) biến thiên lượng toàn phần hệ kín có dạng: Wk = U = U2 – U1 (G kg) wk = u = u2 – u1 (1 kg) IV NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ hở + Vì I = U + D nên NLTP: W = I + Wđ + Wt (G kg) w = i + wđ + wt (1 kg) + Biến thiên lượng toàn phần hệ hở Wh = I + Wđ + Wt wh = i + wđ + wt Thông thường hệ hở ngoại biến đổi ngoại nhỏ bỏ qua (Wt  0; Wt  0): Wh = I + Wđ Wh = I + Wđ ... vào nhiệt độ → nhiệt kế điện trở + Dựa vào hiệu ứng nhiệt điện → nhiệt kế cặp nhiệt Chú ý: Nhiệt kế thủy ngân sử dụng để nhiệt độ thể người, Các nhiệt kế khác sử dụng đo nhiệt độ cao kỹ thuật nhiệt. .. Có hệ nhiệt động a Hệ kín b Hệ hở c Hệ đoạn nhiệt d Hệ cô lập HỆ NHIỆT ĐỘNG & PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG a Hệ kín: + Trọng tâm hệ khơng chuyển động (khơng có chuyển động vĩ mơ) có chuyển động với... HỆ NHIỆT ĐỘNG & PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động môi trường - Hệ nhiệt động vật nhiều vật (hoặc nhiều thiết bị) tách riêng khỏi vật (các thiết bị) khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động