Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 1

Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nh[r]

LỜI NÓI ĐẦU

''Nhiệt động lực học '' môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật sở; môn học trang bị cho sinh viên ngành lượng nhiệt, ngành kỹ thuật khí, ngành động lực kiến thức sâu nhiệt động lực học sở nắm kiến thức vật lý phổ thông, vật lý đại cương, kỹ thuật nhiệt

Nhiệt động lực học môn học nghiên cứu qui luật biến đổi lượng có liên quan đến nhiệt trình nhiệt động, nhằm tìm phương pháp biến đổi có lợi nhiệt dạng lượng khác Cơ sở nhiệt động xây dựng từ thế kỷ XIX, xuất động nhiệt

Môn nhiệt động xây dựng sở hai định luật bản: định luật nhiệt động thứ và định luật nhiệt động thứ hai

Những kết đạt lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng sở lí thuyết cho động nhiệt tìm phương pháp đạt cơng có ích lớn thiết bị lượng nhiệt

Cuốn giảng biên soạn với đóng góp ý kiến thầy giáo Viện nhiệt - lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội tham khảo số tài liệu nước ngồi khác Vì biên soạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên nên khơng tránh khỏi thiếu sót, nhầm lẫn tơi rất mong bạn đọc tham khảo đóng góp ý kiến Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: Trường Đại học KTCN Thái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên

Chương

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1.1 Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt

Thiết bị nhiệt thiết bị dùng để tiến hành q trình truyền tải, trao đổi chuyển hóa nhiệt

Thiết bị nhiệt bao gồm chủ yếu: động nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều, máy lạnh bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều, ngồi cịn có số thiết bị khác làm việc theo số trình thiết bị khí nén, thiết bị sấy, điều hịa khơng khí .v.v…

a Động nhiệt

Động nhiệt thiết bị nhiệt có chức biến nhiệt thành sau chuyển hóa thành dạng lượng khác nhưđiện

Nguyên lý động có nhiệt là: mơi chất nhận nhiệt lượng q1 từ nguồn nóng có nhiệt độ cao T1 chuyển hóa phần thành lo hoặc điện năng, nhả phần nhiệt lượng lại

q2 cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp thực chu trình thuận q1 = q2 + lo (1-1)

Nguồn nóng nhận nhiệt từ phản ứng cháy nhiên liệu buồng đốt, từ phản ứng hạt nhân nguyên tử lò phản ứng, từ lượng xạ nhiệt mặt trời nguồn địa nhiệt lòng đất Nguồn lạnh thường mơi trường xung quanh: khơng khí nước khí Động nhiệt có nhiều loại: máy nước, động cơđốt trong, tuabin hơi, tuabin khí,

động phản lực, tên lửa v.v…, ngày người ta chế tạo thành công sốđộng nhiệt đặc biệt chuyển đổi trực tiếp nhiệt thành điện : pin nhiệt - điện, pin nhiệt - điện tử

Phạm vi ứng dụng: động nhiệt sử dụng rộng rãi trung tâm lượng nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện nguyên tử, nhà máy địa nhiệt

điện nhà máy điện mặt trời; thiết bị giao thông vận tải ô tô, tàu hoả, tàu thủy, máy bay, tên lửa, tàu du hành vũ trụ v.v…

T2 < T1 T1

q1

q2

lo

b Máy lạnh bơm nhiệt

Máy lạnh bơm nhiệt có chức khác nguyên lý làm việc hoàn toàn giống Nhờ hỗ trợ lượng bên ngồi (cơ năng, điện năng, nhiệt v.v…) mơi chất nhận nhiệt lượng q2 từ nguồn có nhiệt độ thấp T2 , đem nhiệt lượng với phần lượng bên hỗ trợ lo, tất

cả nhiệt lượng truyền cho nguồn có nhiệt

độ cao T1 thực chu trình ngược chiều q2 + lo = q1 (1-2)

v Máy lạnh có chức lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp T2 nên nhiệt lượng có ích q2

v Bơm nhiệt có chức nhả nhiệt cho nguồn có nhiệt độ cao T1 nên nhiệt lượng có ích q1

Phạm vi ứng dụng: máy lạnh bơm nhiệt

được sử dụng rộng rãi việc bảo quản loại nông, lâm, thủy sản; thiết bị ngành y, viễn thông v.v…

1.1.2 Một số khái niệm định nghĩa 1.1.2.1 Hệ thống nhiệt

a Định nghĩa

Hệ thống nhiệt tập hợp đối tượng tách để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng, phần cịn lại gọi mơi trường Ranh giới hệ thống nhiệt mơi trường bề mặt thật bề mặt tưởng tượng

b Phân loại hệ thống nhiệt

Hệ thống kín: hệ thống mà môi chất không qua bề mặt ranh giới, khối lượng mơi chất hệ thống kín khơng thay đổi

Hệ thống hở: hệ thống mà môi chất qua bề mặt ranh giới để vào khỏi hệ thống

Hệ thống cô lập: hệ thống khơng có trao đổi lượng với môi trường xunh quanh

Hệ thống đoạn nhiệt: là hệ thống không trao đổi nhiệt với mơi trường có trao đổi công

T2

T1>T2

q1

q2

lo

1.1.2.2 Nguồn nhiệt

Nguồn nhiệt đối tượng trao đổi nhiệt trực tiếp với mơi chất; nguồn có nhiệt độ cao nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp gọi nguồn lạnh Giả thiết nhiệt dung nguồn lớn đến mức nhiệt độ không thay đổi q trình truyền nhiệt

1.1.2.3 Định nghĩa mơi chất (chất môi giới)

Môi chất chất mà thiết bị dùng để truyền tải chuyển hóa nhiệt với dạng lượng khác Về ngun tác, mơi chất có thểở pha nào, thực tế thường dùng thể khí chúng có khả giãn nở lớn, thuận tiện cho việc trao đổi công

Yêu cầu môi chất:

v Có khả sinh cơng lớn: thể tích thay đổi đáng kể nhiệt độ thay đổi

v Có khả truyền tải nhiệt lớn: có nhiệt dung riêng lớn

v Khơng gây ăn mịn thiết bị, an tồn khơng cháy nổ

v Rẻ tiền, dễ kiếm, không gây động hại cho người thân thiện với môi trường 1.2 Sự thay đổi trạng thái chuyển pha đơn chất

1.2.1 Sự thay đổi trạng thái chuyển pha đơn chất

Xét trường hợp làm thí nghiệm mơi chất nước: lấy 1kg nước vào bình kín, có pittơng di chuyển được, áp suất pittông giữ 1bar, nhiệt độ ban đầu giả thiết 20°C

Cấp nhiệt cho môi chất, ta quan sát thấy nhiệt độ tăng từ 20°C đến 99,64 °C phận nước bắt đầu hóa hơi, nhiệt độ 99,64 °C giữ không đổi giọt nước cuối hóa thành hơi; tiếp tục cấp nhiệt nhiệt độ tăng lên Thể tích riêng nước ban

đầu 0,0010018 m3/kg 20°C, tăng không đến 0,0010432 m3/kg bắt đầu hóa 99,64°C; tăng nhanh hóa hơi, 1,691 m3/kg vừa hóa xong (tăng khoảng 600 lần) ; tăng nhiệt độđến 600°C thể tích riêng 4,028 m3/kg

Nếu cho nước 600°C thải nhiệt áp suất 1bar khơng đổi nhiệt độ giảm xuống, đến 99,64°C phận ngưng lại thành nước, nhiệt độ không đổi cho đén vừa ngưng hết; tiếp tục thải nhiêt, nhiệt độ giảm xuống

Làm nghiệm áp suất khác biểu thị đồ thị p - t T - s ta thấy:

v Khi p < p3 : cấp nhiệt, pha rắn chuyển trực tiếp thành pha không qua pha lỏng ngược lại thải nhiệt pha chuyển thành pha rắn

v Khi p = p3: tồn đồng thời pha rắn, lỏng, bão hịa, trạng thái gọi trạng thái ba thể ba pha Đối với nước điểm thể ( p3 = 0,00611 bar t3 = 0,01°C )

v Khi p3 < p < pk: áp suất tăng nhiệt độđông đặc thường giảm xuống (đường ON), nhiệt

độ hóa tăng lên (đoạn OK), thể tích riêng nước bão hòa tăng, bão hòa giảm

v Khi p = pk: trình tồn nước rút ngắn lại, khác nước bão hòa bão hòa nhiệt lượng hóa dần đến 0, tất khối chất lỏng hóa lúc, trạng thái bắt đầu có tượng gọi trạng thái tới hạn Đối với nước

điểm tới hạn K ( pk = 221,3 bar ; tk = 374,15°C )

v Khi p > pk: trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng không khác q trình chuyển từ pha lỏng thành pha khơng có ranh giới rõ ràng, khơng cịn giai đoạn pha lỏng pha tồn tại, không phân biệt pha lỏng pha

r + h r + l + h

l + h h l

r

K TK

sk

l

+

h

l

r

+

l

r h

O

K N

p T

P P P

P P

P

Hình 1.3 Sự thay đổi trạng thái chuyển pha đơn chất

s t

R =8314

µ = 8314 n i i i g µ = ∑ = 8314 n i i i g µ = ∑ = n i i i g R = ∑

8 Thể tích riêng hỗn hợp: v = n i i i g v = ∑ = n i i i g ρ =

∑ (1-47)

Từ v = V

G , thay V = n

i i

V =

∑ , thay Vi = Givi

v = Vi G

∑ = G vi i

G

∑ = i i G v G ∑ = n i i i g v = ∑

9 Khối lượng riêng mật độ hỗn hợp ρ tính theo:

=

v

ρ (1-48)

1

=

=∑n i i i

r

ρ ρ (1-49)

1 = ∑ i i g ρ ρ (1-50)

1.4.4 Phương tŕnh trạng thái khí thực

Để thể khác khí thực khí lý tưởng người ta đưa đại lượng không thứ nguyên gọi độ nén Z :

RT pv

z= (1-51)

Với khí lý tưởng Z = 1, với khí thực Z ≠ Độ nén Z phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất tính chất vật lý khí Khi nghiên cứu người ta cho thấy, p → nhiệt độ lớn (cũng có nghĩa v →∞) , độ nén chất khí Z → 1, lúc khí thực coi khí lý tưởng Khi trạng thái mà Z sai khác nhiều, vượt qua giới hạn cho phép, ta sử dụng định luật Boyle-Mariotte, Gay-lussuc phương trình trạng thái Clapeyron mà phải xây dựng kết thực nghiệm, chỉnh lý dạng phương trình, bảng số đồ thị

a) Phương trình Van der Waals (p + 2

v a

K K

p T R 64 27

a= ⋅ ;

K K

p RT

b= ⋅

Trong đó:

TK , pK - nhiệt độ áp suất môi chất trạng thái tới hạn b) Phương trình Beattie-Bridgman

pv2 = RT[v + B0(1 - v b

)](1 - 3 vT

c

) – A0(1 - v a

) (1-53) Trong đó:

a, b, c, A0 B0 - số xác định thực nghiệm c) Phương trình Viran D.Mayer-N.Bogolioubov

Bằng phương pháp tốn học vật lí lý thuyết, nhà vật lý người Mỹ D.Mayer nhà tốn học Xơ Viết N.Bogolioubov đưa phương trình coi xác

pv = RT(1 -

k k n

1

k k v

k ⋅β

+

∑

=

) (1-54)

Trong đó:

βk - hệ số virian phụ thuộc vào nhiệt độ, chưa xác định phương pháp túy lý thuyết mà phải xuất phát từ kết thực nghiệm

http://www.fineprint.com