Đang tải... (xem toàn văn)
Phần 2: “ Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu các quy luật truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa các vật có nhiệt độ khác nhau.[r]
(1)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ *******
ThS.TRƯƠNG QUANG DŨNG B - ThS ĐÀO MINH ĐỨC
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT NHIỆT
(Dùng cho bậc ĐH)
(2)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật nhiệt môn học sở ngành sinh viên ngành khí Đây học phần nghiên cứu nhiệt động học sở truyền nhiệt, dựa sở kiến thức giúp sinh viên vận dụng tính tốn, thiết kế thông số hệ nhiệt động truyền nhiệt
Bài giảng Kỹ thuật nhiệt biên soạn gồm chương, nội dung trình bày gồm hai phần chính:
Phần 1: “ Nhiệt động kỹ thuật”, nghiên cứu quy luật chuyển hóa lượng nhiệt công
Phần 2: “ Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu quy luật truyền nhiệt trong vật vật có nhiệt độ khác
Chúng hy vọng với Bài giảng phần tạo điều kiện cho sinh viên ngành Cơ khí Trường Đại học Phạm Văn Đồng có thêm tài liệu học tập nghiên cứu học phần Kỹ thuật nhiệt
Đây lần biên soạn đầu tiên, chắn tài liệu không tránh khỏi có sai sót Mọi góp ý xin gửi vềđịa email sau: dmd2482004@yahoo.com Chúng xin chân thành cảm ơn!
(3)
Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
MỤC LỤC
MỤC LỤC
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT Ở THỂ KHÍ
1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT
1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều
1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều
1.1.3 Môi chất 10
1.1.4 Hệ nhiệt động 10
1 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT 10
1.2.1 Các trình 10
1.2.2 Các trạng thái 11
1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 11
1.3.1.Thể tích riêng 11
1.3.2 Áp suất (chất lỏng chất khí) 11
1.3.3 Nhiệt độ 12
1.3.4 Nội 12
1.3.5 Năng lượng đẩy 12
1.3.6 Entanpi 13
1.3.7 Entropi 13
1.3.8 Execgi 13
1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT 13
1.4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 14
1.4.2 Phương trình trạng thái khí thực 14
Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT CƠ BẢN CỦA MƠI CHẤT Ở PHA KHÍ 16
2.1 NHIỆT, CƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 16
2.1.1 Nhiệt 16
2.1.1.1 Khái niệm 16
2.1.1.2 Cách tính nhiệt 16
(4)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
2.1 Công 19
2.1.2.1 Khái niệm 19
2.1.2.2 Phân loại công 19
2.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 20
2.2.1 Phát biểu định luật nhiệt động I 20
2.2.2 Các dạng biểu thức định luật nhiệt động I 21
2.3 CÁC Q TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 21
2.3.1 Khái niệm 21
2.3.1.1 Cơ sở lí thuyết để khảo sát q trình nhiệt động 22
2.3.1.2 Nội dung khảo sát 22
2.3.2 Các q trình có thơng số bất biến 23
2.3.2.1 Quá trình đa biến 23
2.3.2.2 Q trình đẳng tích 25
2.3.2.3 Q trình đẳng áp 26
2.3.2.4 Quá trình đẳng nhiệt 27
2.3.2.5 Quá trình đoạn nhiệt 28
Chương 3: MỘT SỐ Q TRÌNH KHÁC CỦA KHÍ VÀ HƠI 32
3.1 QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG 32
3.1.1 Các điều kiện khảo sát 32
3.1.2 Các qui luật chung trình lưu động 32
3.1.2.1 Tốc độ âm 32
3.1.2.2 Quan hệ tốc độ áp suất dòng 33
3.1.2.3 Quan hệ tốc độ hình dáng ống 33
3.2 QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU 34
3.2.1 Định nghĩa 35
3.2.2 Tính chất q trình tiết lưu 35
3.3 MỘT SỐ Q TRÌNH CỦA KHƠNG KHÍ ẨM 36
3.3.1 Khơng khí ẩm 36
3.3.1.1 Định nghĩa tính chất khơng khí ẩm 36
3.3.1.2 Phân loại khơng khí ẩm 36
3.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng cho khơng khí ẩm 37
(5)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
3.3.2 Các q trình khơng khí ẩm 40
3.3.2.1.Q trình sấy 40
3.3.2.2 Q trình điều hịa khơng khí 40
3.4 Q TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN KHÍ 41
3.4.1 Các loại máy nén 41
3.4.2 Máy nén piston cấp 41
3.4.2.1 Những trình máy nén piston cấp lí tưởng 41
3.4.2.2 Cơng tiêu thụ máy nén cấp lí tưởng 42
3.4.3 Máy nén nhiều cấp 42
3.4.3.1 Quá trình nén máy nén nhiều cấp 42
3.4.3.2 Chọn áp suất trung gian 43
Chương 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CHU TRÌNH CARNOT.45 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 45
4.1.1 Chu trình thuận nghịch khơng thuận nghịch 45
4.1.2 Chu trình thuận chiều 46
4.1.3 Chu trình ngược chiều 46
4.2 CHU TRÌNH CARNOT THUẬN NGHỊCH 47
4.2.1 Chu trình Carnot thuận chiều 47
4.2.2 Chu trình Carnot ngược chiều 48
4.2.3 Một vài cách phát biểu định luật nhiệt động II 49
4.3 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 50
4.3.1 Chu trình động cơđốt 50
4.3.1.1 Khái niệm 50
4.3.1.2 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 51
4.3.1.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 53
4.3.1.4 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 54
4.3.2 Chu trình tuốc bin khí 55
4.3.2.1 Sơđồ thiết bị nguyên lý hoạt động tuốc bin khí 55
4.3.2.2 Chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp 56
Chương 5: DẪN NHIỆT 59
5.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 59
(6)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
5.1.2 Trường nhiệt độ 59
5.1.3 Mặt đẳng nhiệt 60
5.1.4 Gradient nhiệt độ: 60
5.1.5 Dòng nhiệt mật độ dòng nhiệt 61
5.1.6 Định luật Fourier dẫn nhiệt 61
5.1.7 Hệ số dẫn nhiệt 61
5.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT 62
5.2.1 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 62
5.2.2 Điều kiện đơn trị 63
5.3 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU VÀ KHƠNG CĨ DÒNG NHIỆT BÊN TRONG 64
5.3.1 Dẫn nhiệt vách phẳng 64
5.3.1.1 Vách lớp, biên loại 64
5.3.1.2 Vách n lớp, biên loại 64
5.3.2 Dẫn nhiệt vách trụ 65
5.3.2.1 Trụ lớp, biên loại 65
5.3.2.2 Trụ n lớp biên loại 66
5.5 DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH 67
5.5.1 Định nghĩa 67
5.5.2 Dẫn nhiệt khơng ổn định, khơng có nguồn 67
5.5.3 Dẫn nhiệt không ổn định, nguồn phẳng 68
Chương 6: CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT 70
6.1 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 70
6.1.1 Khái niệm chung trao đổi nhiệt đối lưu 70
6.1.1.1 Định nghĩa phân loại 70
6.1.1.2 Cơng thức tính nhiệt 70
6.1.1.3 Hệ số tỏa nhiệt α 70
6.1.1.4 Các thông sốảnh hưởng tới hệ số tỏa nhiệt α 71
6.1.2 Phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 72
6.1.2.1 Phương pháp phân tích thứ nguyên 72
6.1.2.2 Dạng tổng quát phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 72
(7)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
6.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên 74
6.1.3.1 Khái niệm 74
6.1.3.2 Đối lưu tự nhiên không gian vô hạn 74
6.1.3.3 Đối lưu tự nhiên không gian hữu hạn 75
6.1.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng 77
6.1.4.1.Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy tầng ống 77
6.1.4.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy rối ống 77
6.2 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ 77
6.2.1 Các khái niệm 77
6.2.2 Các đại lượng đặc trưng cho xạ 78
6.2.2.1 Cơng suất xạ tồn phần Q 78
6.2.2.2 Cường độ xạ toàn phần E 79
6.2.2.3 Cường độ xạđơn sắc 79
6.2.3 Các hệ số A, D,R ε 79
6.2.3.1 Các hệ số hấp thụ A, phản xạ R xuyên qua D 79
6.2.3.2 Vật xám hệ số xạ hay độđen ε 80
6.2.3.3 Bức xạ hiệu dụng xạ hiệu 80
6.2.4 Các định luật xạ 80
6.2.4.1 Định luật Planck 81
6.2.4.2 Định luật Wien 81
6.2.4.3 Định luật Stefan-Boltzmann 81
6.2.4.4 Định luật Kirchkoff 82
6.2.5 Tính trao đổi nhiệt xạ vật môi trường suốt 82
6.2.5.1 Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (không chắn) 82
6.2.5.2 Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (có chắn) 83
6.2.6 Bức xạ chất khí 83
6.2.6.1 Đặc điểm xạ chất khí 83
6.2.6.2 Năng suất xạ chất khí 84
(8)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
6.2.8 Bức xạ mặt trời 85
Chương 7: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 87
7.1 TRUYỀN NHIỆT 87
7.1.1 Truyền nhiệt phương trình cân nhiệt ổn định nhiệt 87
7.1.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng 87
7.1.2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp 87
7.1.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 89
7.1.3 Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 89
7.1.4 Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh 90
7.2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 91
7.2.1 Định nghĩa phân loại 91
7.2.2 Các phương trình để tính nhiệt cho thiết bị TĐN 92
7.2.2.1 Phương trình cân nhiệt 92
7.2.2.2 Phương trình truyền nhiệt 93
7.2.3 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn 94
7.2.4 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (song song) 94
7.2.5 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (Cắt nhau) 95
7.2.6 Tính nhiệt độ cuối chất tải nhiệt 95
(9)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT Ở THỂ KHÍ
1.1 NGUN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT 1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều
Là máy nhiệt có chức biến nhiệt thành điện có chung ngun lý: Mơi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng chuyển thể và biến phần nhiệt thành nhả nguồn nhiệt cịn lại cho nguồn lạnh
Hình 1.1: Động đốt trong
Hình 1.2: Tua bin khí 1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều
Là máy nhiệt có chức biến điện thành nhiệt năng:
(10)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
- Điều hồ khơng khí (làm lạnh, sưởi ấm), hút ẩm lĩnh vực: dân dụng, công nghiệp
- Tủ sấy quần áo, máy sấy nông sản, thực phẩm - Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm
- Kho lưu trữ tài liệu (sách báo, phim ảnh…)
1.1.3 Môi chất
- Chất trung gian thực q trình biến đổi cơng nhiệt
- Mơi chất thường thể khí khả trao đổi cơng chất khí lớn (do thay đổi thể tích lớn)
- Mơi chất tự nhiên khí thực
- Tính tốn với khí thực phải dùng bảng đồ thị Trong số trường hợp (vd: khơng khí, hyđrơ, ơxy áp suất thấp nhiệt độ bình thường), mơi chất xem khí lý tưởng bỏ qua thể tích phân tử, nguyên tử lực tương tác chúng
- Tính tốn với khí lý tưởng dùng phương trình trạng thái công thức
1.1.4 Hệ nhiệt động
- Tập hợp tất vật thể liên quan với mặt nhiệt tách để nghiên cứu gọi hệ nhiệt động, phần cịn lại gọi mơi trường
- Gồm có loại: hệ kín, hệ hở, hệđoạn nhiệt hệ lập
a) Hệ thống kín hở
- Hệ thống kín: Là hệ thống mà môi chất không xuyên qua bề mặt ranh giới hệ thống môi trường
- Hệ thống hở : Là hệ thống mà mơi chất vào hệ thống
b) Hệ cô lập hệ đoạn nhiệt
- Hệ lập: hệ mà khơng có trao đổi lượng môi chất môi trường ( nhiệt với môi trường)
- Hệđoạn nhiệt: hệ có trao đổi nhiệt với mơi trường
1 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT 1.2.1 Các trình
a) Q trình nóng chảy đơng đặc
(11)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
- Đơng đặc q trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn
b) Hóa ngưng tụ
- Hóa q trình chuyển từ pha lỏng sang pha - Ngưng tụ trình chuyển từ pha sang pha lỏng
c) Thăng hoa ngưng kết
- Thăng hoa trình chuyển pha rắn sang pha - Ngưng tụ trình chuyển pha sang pha rắn
1.2.2 Các trạng thái
- Nước sơi: bắt đầu q trình hóa kết thúc ngưng tụ
- Hơi bảo hịa khơ: trạng thái bắt đầu ngưng tụ vừa hóa xong
- Hơi bảo hòa ẩm: hổn hợp bảo hịa khơ nước sơi Tồn lúc vừa có sơi
- Khí lý tưởng khí thực: Trong thực tế có khí thực, khơngcó khí lý tưởng Khi áp suất giảm nhiệt độ tăng thể tích thân phân tử tương tác chúng nhỏ, bỏ qua nên mơi chất coi khí lý tưởng
1.3 CÁC THƠNG SỐ TRẠNG THÁI 1.3.1.Thể tích riêng
- Là thể tích đơn vị khối lượng
+ Thể tích riêng: (1.1) + Khối lượng riêng: (1.2)
1.3.2 Áp suất (chất lỏng chất khí)
- Là lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành bình
(1.3) - Đơn vịđo áp suất: N/m2 hay Pa, at
- Phân loại áp suất
+ Áp suất tuyệt đối p
+ Áp suất tuyệt đối khí pk 3
3 V
v ; m kg
G G 1
; kg m V v
ρ
⎡ ⎤
= ⎣ ⎦
⎡ ⎤
= = ⎣ ⎦
2
F
p ; N m S ⎡ ⎤
= ⎣ ⎦
5
2
1 1 1
1 1 10 ar .10
0,981 133,32 9.81
N
Pa B at mmHg mmH O m
− −
⎡ ⎤ = = = = =
(12)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
+ Áp suất dư pd= p-pk
+ Áp suất chân không pck=pk-p
- Dụng cụđo áp suất (áp kế):
+ Áp kế chất lỏng, áp kế lò xo, áp kếđiện tử
+ Áp kếđo áp suất tuyệt đối khí quyển: Barơmét + Áp kếđo áp suất dư: Manômét
+ Áp kếđo chân không: Chân không kế
1.3.3 Nhiệt độ
- Là mức đo độ nóng, lạnh vật Theo thuyết động học phân tử, sốđo động phân tử
- Thang nhiệt độ: t[oC], T[K], t[F] (Farenheit)
- Dụng cụđo nhiệt độ: nhiệt kế
- Các loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng (thuỷ ngân, rượu…); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt; nhiệt kế bán dẫn…
1.3.4 Nội
- Là toàn lượng bên vật Ký hiệu: U [J] hay u [J/kg]
- Trong nhiệt động, chỉ xét nội nhiệt năng biến đổi dạng nội khác (hố năng, lượng nguyên tử) không
- Nội gồm: Nội động (phụ thuộc nhiệt độ) nội (phụ thuộc vào khoảng cách phân tử hay thể tích riêng) u = u(T,v) u = u(T) với khí LT
du = CvdT hay Δu = u2 – u1 = Cv(T2 – T1) (1.4)
1.3.5 Năng lượng đẩy
- Ký hiệu: D [J] hay d [J/kg] - Biểu thức
D = pV d = pv (1.5)
- Dạng vi phân
0 273 5( 32)
9
t C T K= − = t F−
0 0
(13)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
d(D) = d(pV) d(d) = d(pv)
Chú ý: D d có hệ hở Đối với hệ kín, chúng khơng mang ý nghĩa lượng đẩy.
1.3.6 Entanpi
- Là thông số trạng thái khơng đo trực tiếp mà phải tính tốn qua thông số u, p v
- Ký hiệu: I [J] hay i [J/kg]
- Biểu thức xác định : I = U + pV i = u + pv (1.6) - Với hệ hở: I = U + D i = u + d (1.7) - Với khí lý tưởng entanpi phụ thuộc vào nhiệt độ
i = f(T)
di = CpdT; Δi = i2 – i1 = Cp(T2 – T1) (1.8)
1.3.7 Entropi
- Là thông số trạng thái - Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK] - Biểu thức xác định:
(1.9)
Trong đó:
+ ds: vi phân entropi
+ dq: vi phân nhiệt lượng trình + T: nhiệt độ chất khí q trình [K]
1.3.8 Execgi
- Là phần lượng nhiệt biến đổi thành cơng trình thuận nghịch
- Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg] - Với nhiệt năng:
q = e + a (1.10)
Trong đó: a anecgi (phần biến đổi thành công q trình thuận nghịch)
1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT
T dq
(14)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
1.4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Biểu diễn quan hệ thơng số trạng thái khí lý tưởng thời điểm đó, dược xét thực nghiệm biểu sau:
(Với kg khí lý tưởng) (1.11) (G kg khí lý tưởng) (1.12) (M kmol khí lý tưởng) (1.13)
Trong đó:
+ V: thể tích khí (m3) + R: số chất khí
+ T: nhiệt độ chất khí (K) + µ: phân tử lượng môi chất + M: số kmol hệ ( kmol) + Rμ: số phổ biến chất khí + v: thể tích riêng ( m3/kg) + p: áp suất chất khí (Pa)
+ G: khối lượng chất khí (kg) + Vμ: thể tích kilomol chất khí 1.4.2 Phương trình trạng thái khí thực
Trong thực tế khơng tồn khí lý tưởng, q trình nhiệt động kĩ thuật thường xảy với khí thực, nên áp dụng phương trình khí lý tưởng cho khí thực cho sai số lớn cần phải có phương trình dành cho khí thực
- Phương trình Van der Walls (1893) (chỉ với khí p nhỏ, v lớn):
(1.14) + a: hệ số hiệu chỉnh áp suất
+ b: hệ số hiệu chỉnh thể tích riêng
+ a,b xác định thực nghiệm phụ thuộc vào chất khí
Ví dụ 1.1: Xác định thể tích riêng, khối lượng riêng khí N2 ởđiều kiện tiêu
chuẩn vật lý ởđiều kiện áp suất dư 0,2 atm, nhiệt độ 127 0C Biết áp suất khí 760 mmHg
Lời giải:
[ ]
[ ] 8314 J/kmol.K
J/kg.K pv RT
pV GRT pV MR T pV R T R
R R
μ
μ μ
μ μ
μ =
= = = = =
( )
2
a
p v b RT v
⎛ + ⎞ − =
⎜ ⎟
(15)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
lượng riêng ρ0 khí N2được xác định từ phương trình trạng thái:
Ví dụ 1.2: Một bình kín tích 250 lít chứa 1,7 kg khí oxygen nhiệt độ 500C Hãy xác định số áp kế Cho biết áp suất khí quyến pkq=1 bar Lời giải:
Áp suất tuyệt đối bình là:
[ ] 3 5 G.R.T p V G 1,7kg; 8314
R 259,8125 J / kg.K 32
T 50 273 323K V 0,25m
1,7 x259,8125x323
p 5,7.10 Pa 5,7bar
0,25 = = = = = + = = = = =
Áp kế áp suất dư:
pd=p - pkq=5,7-1=4,7 [ bar]
BÀI TẬP CHƯƠNG
Bài tập 1.1: Xác định thể tích kg khí O2ở áp suất 4,2 bar, nhiệt độ 500C Bài tập 1.2: Một bình tích 200 lít, chứa 0,2 kg khí N2, áp suất khí
bar, nhiệt độ bình 70C, xác định chỉ số áp kế ( chân không kế) gắn
nắp bình
Bài tập 1.3: Xác định khối lượng riêng thể tích riêng khơng khí ởđiều kiện nhiệt độ 300C, áp suất 1,2 bar
0
5 5
0 ; 8314 8314
; 127 273 400 ;
28 760
10 0, 2.0,98.10 1, 21.10 / ;
750 8314.400
0,98 / ;
28.1, 21.10
1 1
1, 02 / .
0.98
d
RT p v RT v
p
R T K
p p p N m
RT
v m kg
(16)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC Q TRÌNH NHIỆT CƠ BẢN CỦA MƠI CHẤT Ở PHA KHÍ
2.1 NHIỆT, CƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
Nhiệt công đại lượng đặc trưng cho trao đổi lượng môi chất môi trường thực q trình Khi mơi chất trao đổi cơng với mơi trường kèm theo chuyển động vĩ mơ, cịn trao đổi nhiệt ln tồn chênh lệch nhiệt độ
2.1.1 Nhiệt
2.1.1.1 Khái niệm
- Là dạng lượng trao đổi chênh lệch nhiệt độ, ký hiệu Q [J, cal] q [J/kg, cal/kg] hàm trình Nhiệt xuất ranh giới hệ nhiệt động xét môi trường truyền qua Hệ nhiệt động khơng chứa nhiệt, chứa lượng
- Qui ước: + Nếu q > ta nói vật nhận nhiệt + Nếu q < ta nói vật nhả nhiệt
- Trong trường hợp cân (khi nhiệt độ vật nhau), xảy khả truyền nội từ vật sang vật khác (xem vô chậm) trạng thái cân động
2.1.1.2 Cách tính nhiệt
a) Tính theo nhiệt dung riêng:
Q = GCΔt [J/kgK] (2.1)
Q = V
tcC’Δt [J/m3tcK] (2.2)
Q = MCμΔt [J/kmolK] (2.3)
Trong :
+ C: nhiệt dung riêng khối lượng + C’: nhiệt dung riêng thể tích + Cμ: nhiệt dung riêng mol b) Tính theo entropi :
(2.4)
1
s
(17)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
2.1.1.3 Nhiệt dung riêng
a) Khái niệm
- Là nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ môi chất lên độ
- Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào chất môi chất, nhiệt độ áp suất (có thể bỏ qua ảnh hưởng áp suất giá trị khơng q lớn)
b) Phân loại nhiệt dung riêng
Tuỳ thuộc vào đơn vị đo môi chất, vào trình nhiệt động, phân loại nhiệt dung riêng theo nhiều cách khác
Phân theo đơn vịđo:
- Nhiệt dung riêng khối lượng: Khi đơn vịđo lượng mơi chất kg, ta có nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu là:
[ ]
dQ
C , j / kg GdT
= (2.5)
- Nhiệt dung riêng thể tích: Nếu đơn vịđo lượng mơi chất m3
t/c (m3 tiêu
chuẩn) ta có nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu là:
' 3 0
t / c dQ
C , j / m K
VdT ⎡ ⎤
= ⎣ ⎦ (2.6)
- Nhiệt dung riêng mol: Nếu đơn vịđo lượng mơi chất la kmol ta có nhiệt dung riêng mol, ký hiệu là:
0 dQ
C , j / kmol K MdT
μ = ⎡⎣ ⎤⎦ (2.7)
Phân loại theo trình nhiệt động:
- Nhiệt dung riêng đẳng áp Cp: Khi trình nhiệt động xảy áp suất
khơng đổi, ta có nhiệt dung riêng đẳng áp (nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp, nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp C’p, nhiệt dung riêng mol đẳng áp Cμp)
- Nhiệt dung riêng đẳng tích Cv: Khi q trình nhiệt động xảy thể tích
khơng đổi, ta có nhiệt dung riêng đẳng tích (nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích Cv, nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích C’v, nhiệt dung riêng mol đẳng tích
Cμv)
c) Quan hệ loại nhiệt dung riêng
Quan hệ giữa loại nhiệt dung riêng
(18)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
riêng khối lượng, nhiệt dung riêng thể tích nhiệt dung riêng mol
Xét khối khí có khối lượng G, thể tích V (m3t/c) Nếu gọi M số
kmol khối khí, μ khối lượng 1kmol khí (kg/kmol) nhiệt dung khối khí có thểđược tính là:
μ C M / G 1 C G V
C = t/c ' = (2.8)
Quan hệ: Cp Cv
Đối với khí lý tưởng, quan hệ nhiệt dung riêng đẳng tích đẳng áp biểu diễn công thức Maye:
[ ]
p v
8314
C C , j / kg.K
μ
− = (2.9)
Quan hệ: Cp – Cv = R (2.10)
Cp/Cv = k (2.11)
Với k hệ số mũđoạn nhiệt
d) Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ
Nếu q trình đó, 1kg khí cấp lượng nhiệt q, chất khí thay đổi từ trạng thái đến trạng thái nhiệt độ thay đổi từ t1đến t2 đại
lượng:
- Nhiệt dung riêng thực: nhiệt dung riêng nhiệt độ đó:
(2.12) - Nhiệt dung riêng trung bình:
(2.13)
- Nhiệt dung riêng trung bình khoảng ÷ t [oC] : t 0 C
- Nhiệt lượng cần cấp để tăng nhiệt độ kg chất khí từ 00 C đến nhiệt độ
t0 C là:
t 0
C . t
q= (2.14)
- Nhiệt lượng cần cấp để tăng nhiệt độ kg chất khí từ t1đến nhiệt độ t2 là:
1 2 1 2 2 t 0 1 t 0 2 t 0 t 0 1 2 t
t q q q q t .C t .C
q = − = − = − (2.15)
1
t
t dq
C q Cdt
dt = =∫ 2 1 1 t t t t q q C Cdt
t t t t
(19)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
- Nhiệt dung riêng trung bình khoảng t1÷ t2 [oC]:
1 2 1 t 0 2 t 0 1 2 t
t t t
t. C t. C t t q C 1 2 2 1 − − = −
= (2.16)
2.1 Công
2.1.2.1 Khái niệm
- Là dạng lượng thực hệ nhiệt động tác động duy nhất
của lên mơi trường (phần cịn lại, ngồi hệ) có thể nâng vật có khối lượng
- Đơn vịđo công: 1J = 1Nm, với kg mơi chất: J/kg, W/kg - Cơng hàm q trình ký hiệu : l
- Qui ước:
+ Nếu l > ta nói vật sinh công + Nếu l < ta nói vật nhận cơng
- Cơng khơng thể chứa vật nào, mà xuất có q trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động vật
2.1.2.2 Phân loại cơng
a) Cơng thay đổi thể tích: Là cơng mơi chất thực có thay đổi thể tích
- Cơng thay đổi thể tích, ký hiệu L [J], l [J/kg]
(2.17) - Khi dv < dl < 0, nghĩa xảy q trình mà thể tích giảm cơng có giá âm, ta nói mơi chất nhận công (công môi trừơng thực hiện) Công thay đổi thể tích khơng phải thơng số trạng thái
b) Công kỹ thuật:
- Công kỹ thuật công thay đổi áp suất Khi môi chất tiến hành trình, áp suất thay đổi lượng dp thực cơng kỹ thuật
- Công kỹ thuật, ký hiệu Lkt[J], lkt[J/kg]
(2.18)
c) Cơng ngồi:
2
1
12
v
v
dl = pdv l = ∫ pdv
2 12 p kt kt p
(20)Bài giảng Kỹ thuật nhiệt
- Cơng ngồi công mà hệ trao đổi với môi trường q trình nhiệt động Đây cơng có ích mà hệ sinh nhận từ bên
- Cơng ngồi, ký hiệu Ln [J], ln [J/kg]
(2.19) - Hệ kín:
(2.20) - Hệ hở:
(2.21)
2.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 2.2.1 Phát biểu định luật nhiệt động I
- Định luật nhiệt động I định luật bảo toàn biến hóa lượng viết cho q trình nhiệt động Theo định luật bảo tồn biến hóa lượng lượng tồn phần vật hay hệ cuối q trình ln ln tổng đại số lượng toàn phần đầu trình tồn lượng nhận vào hay nhả q trình
- Xét 1kg mơi chất, cấp vào lượng nhiệt dq nhiệt độ thay đổi lượng dT thể tích riêng thay đổi lượng dv Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ nội động thay đổi; thể tích v thay đổi chứng tỏ nội thay đổi môi chất thực công thay đổi thể tích Như cấp lượng nhiệt dq nội thay đổi lượng du trao đổi công dl - Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt lượng cấp vào cho hệ phần dùng để thay đổi nội năng, phần dùng để sinh công:
dq = du + dl
( ) ( ) ( ) 12 12 2
12
2
2
12
2 2 n n n
l l d d
l l d d
dl dl d pv d
ω ω ω ω ω − = + − + − = − − − ⎛ ⎞ = − − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 12 12 n n
l =l dl =dl = pdv
( )
12 12 12
12 12 12 12 2 2 2 2 ; 2 ;
2 2
2
n n
n kt n kt kt
kt n
n kt
dl dl d pv d dl pdv pdv vdp d
dl dl d l l l