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

CHƯƠNG II • CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC CƠ BẢN • CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MƠI CHẤT Ở PHA KHÍ NỘI DUNG BÀI I: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT BÀI II: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI BÀI III HƠI NƯỚC BÀI IV QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG & TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI VÀ CÁC ỨNG DỤNG BÀI I ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Nội dung Ý nghĩa - Định luật nhiệt động thứ I thực chất định luật bảo toàn biến hoá lượng ứng dụng phạm vi nhiệt - Nội dung định luật I: “Nhiệt biến thành cơng ngược lại cơng biến thành nhiệt” - Ý nghĩa: Định luật nhiệt động thứ định luật quan trọng sở để phân tích, tính tốn lập cân lượng trình nhiệt động ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.1 Dạng tổng quát phương trình định luật I - Giả sử môi chất hệ nhận lượng nhiệt Q từ mơi trường, lượng tồn phần hệ biến đổi lượng ∆W = W2 – W1 hệ sinh cơng ngồi Ln12 tác dụng tới mơi trường Định luật bảo tồn lượng: Q = ΔW + Ln12 (2.1) q = Δw + ln12 (2.2) - Phương trình (2.1) (2.2) gọi dạng tổng quát phương trình định luật - Các dạng cho khí lý tưởng lẫn khí thực cho hệ kín lẫn hệ hở ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.2 Phương trình định luật I hệ kín hệ hở a Hệ kín Vì w = u l12 = ln12 → q = u + l12 (2.3) Dạng vi phân: dq = du + pdv (2.4) Định nghĩa enthanpy: i = u + pv → u = i – pv Dạng vi phân: du = di – pdv – vdp PT (2.4) cho: dq = di – vdp (2.5) Ta chứng minh PT (2.3, 2.4, 2.5) cho hệ hở ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.2 Phương trình định luật I hệ kín hệ hở a Hệ hở Vì  w  i   g h Mặt khác: lkt12 → PT (2.2)  q  i   g h  l n12   ln12   g h Ta viết nhiệt lượng: q = i + lkt12 (2.6) Dạng vi phân: dq = di –dlkt (2.7) PT (2.6, 2.7) cho hệ hở hệ có cơng kỹ thuật ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.2 Phương trình định luật I hệ kín hệ hở a Hệ hở (tiếp) Mặt khác: dlkt = -vdp → Từ (2.7) : dq = di-vdp Vì i = u + pv → di = du + pdv + vdp, từ (2.7) : dq = du + pdv →→ (2.3), (2.4), (2.5) cho hệ kín lẫn hệ hở - Với khí lý tưởng: du = CvdT di = CpdT, từ (2.4), (2.5) ta có dạng phương trình định luật I hệ kín hệ hở : dq = CvdT + pdv (2.4’) dq = CpdT – vdp (2.5’) ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.3 Phương trình ĐL I cho dịng khí chuyển động Dịng khí lưu động ống hệ hở giả sử không thực cơng ngồi với mơi trường (ln12 = 0)  w  i   g h  q  i   g h Trong đó: h: Là hiệu số chiều cao đoạn ống vào dịng khí h = h2 – h1 Vì h nhỏ nên (gh) nhỏ bỏ qua ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ I 2.3 Phương trình ĐL I cho dịng khí chuyển động (tiếp) Suy PT định luật I cho dịng khí chuyển động :  q  i  (2.8)  2  dq  di  d     (2.9) Lưu ý: Công thức: dq = du + pdv dq = di – vdp → cho lưu động dịng khí với điều kiện khơng có cơng ngồi (ln12 = ) I LƯU ĐỘNG CỦA KHÍ HOẶC HƠI b Quan hệ tốc độ hình dạng ống (tiếp) - Với ống tăng áp, d < nên df ngược dấu với (M2 – 1) Các kết nhận ngược với kết ứng với ống tăng tốc Nghĩa là: + Khi M >1 ống tăng áp có dạng nhỏ dần + Khi M 1 f2 M k trạng thái dịng khí ống chưa đến trạng thái tới hạn tốc độ 2 < k, lưu lượng G < Gmax (hình 4) Trong giá trị 2 tính theo cơng thức (9) (10), giá trị G tính theo công thức (14) + Nếu   k trạng thái dịng khí đạt đến trạng thái tới hạn Lúc 2 = k tính theo cơng thức (12) (13), lưu lượng G = Gmax tính theo cơng thức (16) I LƯU ĐỘNG CỦA KHÍ HOẶC HƠI b Ống tăng tốc hỗn hợp (Laval) Khi bảo đảm điều kiện  < k, ln có tiết diện bé  = k tính theo cơng thức (12) (13), tiết diện 2 > k 2 tính theo cơng thúc (9) (10), lưu lượng G = Gmax tính theo cơng thức (17) II TiẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI Q trình tiết lưu - Chất khí (hay chất lỏng) lưu động đoạn nhiệt ống mà gặp trở ngại đột ngột tiết diện bị thu hẹp áp suất phía sau tiết diện bị thu hẹp p2 nhỏ áp suất phía trước p1 Sự giảm áp suất (p2 < p1) gọi trình tiết lưu - Sự giảm áp suất khơng phải để sinh cơng hữu ích tác dụng tới mơi trường (cơng ngồi ln = 0) mà để thắng sức cản ma sát dịng xốy phía sau chỗ tiết diện bị thu hẹp →Vậy mơi chất tiết lưu hệ hở không trao đổi nhiệt công với môi trường - Chỗ tiết diện thu hẹp chỗ đặt van, chắn, phận khác II TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI Quá trình tiết lưu (tiếp) Đặc điểm trình tiết lưu - Được coi trình đoạn nhiệt: dq = -Tốc độ dòng trước sau tiết lưu không đổi: 1 = 2 - Enthanpy hệ trước sau tiết lưu nhau: Vì dq = 0; d = nên di = dq + d(2/2) = (1) nên: di = nên i1 = i2 (2) - Đối với khí lý tưởng nhiệt độ trước sau tiết lưu không đổi: di = CpdT = nên dT = suy T1 = T2 Ngay tiết diện thu hẹp áp suất giảm xuống chút sau tăng lên khơng đạt giá trị ban đầu p1 > p2 Ứng dụng QT tiết lưu: Dùng nhiều kỹ thuật, để giảm áp suất, đặc biệt máy lạnh - II TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI Hiệu ứng Joule-Thomson -Theo Joule-Thomson nhiệt độ khí thực (hoặc chất lỏng) thay đổi áp suất trình tiết lưu giảm -Vì tiết lưu áp suất giảm nên dp < 0,  trái dấu với dT dẫn tới trường hợp sau:  d T     (3)  d p   i Ở “i” có nghĩa entanpi khơng đổi + Khi  > dT < 0, nghĩa nhiệt độ môi chất giảm tiết lưu + Khi  = dT = 0, nghĩa nhiệt độ môi chất không đổi tiết lưu Nhiệt độ gọi nhiệt độ chuyển biến, ký hiệu là: Tcb + Khi  < dT > 0, nghĩa tiết lưu nhiệt độ môi chất tăng II TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI Hiệu ứng Joule-Thomson - Ứng với mỗI giá trị áp suất có giá trị nhiệt độ chuyển biến: + Nhiệt độ chuyển biến pha Thcb + Nhiệt độ chuyển biến pha lỏng Tlcb Thcb luôn lớn Tlcb - Giả sử chất khí ban đầu có p1, T1 T1 < Thcb tiết lưu nhiệt độ giảm Ngược lại, với chất lỏng p1, T1 > Tlcb tiết lưu nhiệt độ chất lỏng giảm -Thực tế Thcb = 6,75Tk nên điều kiện bình thường đa số khí có Tk < Thcb nên tiết lưu nhiệt độ giảm II TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI Tiết lưu chất lỏng nhiệt độ gần nhiệt độ bão hoà Chúng ta biết nhiệt độ bão hồ (nhiệt độ sơi) phụ thuộc vào áp suất ts = f(p), áp suất giảm p2 < p1 kéo theo nhiệt độ sôi giảm ts(p2) < ts(p1) Như chất lỏng bão hoà gần bão hồ có nhiệt độ ban đầu gần ts(p1), sau tiết lưu biến thành bão hoà ẩm nhiệt độ ts(p2) nhỏ nhiệt độ chất lỏng ban đầu Tính chất ứng dụng máy lạnh thông thường (máy đá, máy kem, tủ lạnh…) Tóm lại, q trình tiết lưu sử dụng nhiều kỹ thuật, ví dụ để giảm áp suất nhiệt độ kỹ thuật lạnh, việc điều chỉnh công suất tuabin, việc đo lưu lượng chất lỏng khí… ... DUNG BÀI I: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT BÀI II: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI BÀI III HƠI NƯỚC BÀI IV QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG & TIẾT LƯU CỦA KHÍ HOẶC HƠI VÀ CÁC ỨNG DỤNG BÀI I ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG... thành nhiệt? ?? - Ý nghĩa: Định luật nhiệt động thứ định luật quan trọng sở để phân tích, tính tốn lập cân lượng trình nhiệt động ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I Phương trình định luật nhiệt động thứ... đường đẳng nhiệt ngược lại BÀI II ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II Nội dung định luật II & cách phát biểu ĐL II - Định luật nhiệt động I cho phép ta xác định nhiệt lượng