Giáo trình Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt

Phương trình trạng thái của khí thực

Phương trình trạng thái của khí thực gần vùng 2 pha còn gọi là phương trình trạng thái hơi (phương trình Vukanovic - Novikov).

Nhiệt dung và nhiệt dung riêng 1. Nhiệt dung

Nhiệt dung riêng trung bình: Nếu trong 1 quá trình môi chất thay đổi thông số từ thông số 1 đến thông số 2 và nhận một nhiệt lượng là q thì tỷ số. Thực nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ càng cao thì dao động các nguyên tử càng lớn; do đó nhiệt lượng tiêu thụ để nâng nhiệt độ của vật lên 10C càng lớn.

Nhiệt lượng

- Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: Giá trị các loại nhiệt dung riêng trung bình thường cho sẵn trong các sổ tay kỹ thuật trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến t0C.

Định luật nhiệt động học I

Trong trường hợp tổng quát, khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì hệ sẽ thực hiện một công L và phần còn lại làm thay đổi nội năng U của vật. Trong các quá trình nhiệt động thì công chủ yếu là công dãn nở thể tích.

Khái niệm

Khi môi chất hoặc hệ trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường thì sẽ xảy ra sự thay đổi trạng thái và sẽ có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi, khi đó ta nói hệ thực hiện một quá trình nhiệt động. Khảo sát một quá trình nhiệt động là nghiên cứu những đặc tính của quá trình, quan hệ giữa các thông số cơ bản khi trạng thái thay đổi, tính toán độ biến thiên các thông số u, i, s, công và nhiệt trao đổi trong quá trình, biểu diễn các quá trình trên đồ thị p-v và T-s. Dựa vào phương trình trạng thái pv = RT và phương trình của quá trình để xác định quan hệ giữa các thông số trạng thái cơ bản ở trạng thái đầu và cuối quá trình.

Nhận xét: Trị số của hằng số chất khí R bằng công của 1kg chất khí thực hiện trong quá trình đẳng áp khi nhiệt độ thay đổi 1K. Trên đồ thị p-v, đường biểu diễn quá trình đoạn nhiệt dốc hơn đường biểu diễn quá trình đẳng nhiệt, vì lkt = kl mà k > 1.

Các khái niệm cơ bản

Định nghĩa 1: Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi của hệ sao cho khi hệ thực hiện quá trình thuận và quá trình nghịch thì hệ quay lại trạng thái ban đầu và môi trường xung quanh không có gì thay đổi. Định nghĩa 2: Quá trình thuận nghịch là quá trình mà ta có thể cho hệ đi theo hướng ngược lại bằng cách cấp cho nó công mà ta thu được ở quá trình thuận mà môi trường xung quanh không có gì thay đổi. Chu trình thuận chiều là chu trình mà môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng nhả cho nguồn lạnh và biến một phần nhiệt thành công, còn gọi là chu trình sinh công.

Chu trình Carnot (Carnot 1796-1832)

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 và nhiệt độ nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào bản chất hoá lý của môi chất. - Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nguồn nóng, tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của nguồn lạnh. - Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều không phụ thuộc vào bản chất hoá lý của môi chất mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 và nhiệt độ nguồn lạnh T2.

Định luật nhiệt động học II

Ví dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu tốn công nén hoặc phải cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn thải ra môi trường xung quanh có nhiệt độ cao hơn (như ở máy lạnh) thì phải tiêu tốn một năng lượng nhất định (tiêu tốn một điện năng chạy động cơ kéo máy nén). Nhiệt lượng không thể tự truyền đi từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao hơn; muốn thực hiện quá trình này thì phải tiêu tốn một phần năng lượng bên ngoài (chu trình ngược chiều). Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng tích (Otto - 1878); Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng áp (Diesel - 1897); Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp (Trinkler - 1904): Xác định các thông số trạng thái tại các điểm nút, Nhiệt lượng tham gia chu trình, Hiệu suất nhiệt của chu trình.

Giả thiết, phân loại

• Turbine khí sinh công kéo máy phát điện: Cấp nhiệt đẳng áp, cấp nhiệt đẳng tích, có thu hồi nhiệt (hay dùng kèm đuôi hơi). • Turbine phản lực: Động cơ phản lực không khí, động cơ phản lực tên lửa.

Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng tích (Otto – 1878) (Internal combustion

• Kỳ sinh công: Quá trình cháy 2-3 là quá trình cháy đẳng tích, đồng thời piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD do khối khí cháy dãn nở, quá trình dãn nở đoạn nhiệt (đẳng entropy) 3-4. Giá trị cực đại của  bị giới hạn bởi nhiệt độ kích nổ của nhiên liệu, chỉ số octan của nhiên liệu càng cao thì nhiệt độ kích nổ tăng, tỷ số số nén cực đại cho phép càng lớn. Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng tích, có không gian chết Vc[cm3], thể tích quét của piston V [cm3].

Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng áp (Diesel – 1897)

Hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp chỉ phụ thuộc vào tỉ số nén ε và tỉ số dãn nở sớm ρ. Giá trị cực đại của  phụ thuộc vào độ bền của kim loại chế tạo động cơ ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng áp, có tỷ số nén , tỷ số dãn nở sớm .

Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp (Trinkler - 1904)

Chu trình máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là không khí: Tính công nén lmn, nhiệt lượng nhả ra cho nguồn nóng q1, công kỹ thuật do máy dãn nở sinh ra lmdn, nhiệt lượng nhận được ở phòng lạnh q2, công cấp cho chu trình l, hệ số làm lạnh , so sánh với chu trình Carnot. Chu trình máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là hơi: Tính công nén l, nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ qc, nhiệt lượng nhận được ở thiết bị bay hơi qe, hệ số làm lạnh . Áp dụng tính công cấp cho máy nén lmn, nhiệt lượng nhả ra cho nguồn nóng q1 của chu trình máy lạnh một cấp dùng môi chất là không khí; tính công nén l, nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ qc, hệ số làm lạnh của chu trình  của chu trình máy lạnh 1 cấp nén dùng môi chất là gas.

Chu trình máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là không khí

Máy nén hút không khí lạnh ở áp suất p1 ứng với thông số trạng thái 1 nén đoạn nhiệt, đẳng entropy đến áp suất p2 thành không khí nóng ứng với thông số trạng thái 2, sử dụng ngoại công lmn. Với thông số trạng thái 2, không khí nóng đi vào thiết bị làm mát, nhả nhiệt lượng q1 và được làm mát đẳng áp p2 = const đến thông số trạng thái 3. Với thông số trạng thái 3, không khí mát đi đến máy dãn nở và dãn nở đẳng entropy từ p2 xuống p1 thành không khí lạnh ứng với thông số trạng thái 4, sinh ngoại công có ích lmdn.

Chu trình máy lạnh 1 cấp dùng môi chất là hơi

• Hơi bão hoà ẩm từ thiết bị bay hơi IV với thông số trạng thái 1 được đưa đến máy nén, nén đoạn nhiệt, đẳng entropy theo quá trình 1-2 trở thành hơi quá nhiệt cao áp, tiêu tốn ngoại công l. • Môi chất với thông số trạng thái 2 đi vào thiết bị ngưng tụ II, ngưng tụ đẳng áp theo quá trình 2-3, nhả nhiệt ngưng tụ qc thành lỏng hoàn toàn với thông số trạng thái 3. Hiểu được các khái niệm, công thức về Dẫn nhiệt, Trường nhiệt độ, Mặt đẳng nhiệt và gradient nhiệt độ, Các tính chất của mặt đẳng nhiệt, Hệ số dẫn nhiệt, Biểu thức xác định hệ số dẫn nhiệt.

Các khái niệm

Mặt đẳng nhiệt là tập hợp tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tỏa ra trong không gian tại một thời điểm. Đại lượng vectơ có phương vuông góc với mặt đẳng nhiệt, có chiều là chiều tăng nhiệt độ và có độ lớn bằng đạo hàm riêng của nhiệt độ theo phương pháp tuyến được gọi là gradient nhiệt độ. Mật độ dòng nhiệt có chiều theo chiều giảm nhiệt độ (vì nhiệt được truyền từ nơi nhiệt độ cao đến nơi nhiệt độ thấp), tức là ngược chiều với vectơ gradt.

Phương trình vi phân dẫn nhiệt, điều kiện đơn trị

Điều kiện hình học: Hình dáng của vật xác định (hình hộp, hình trụ, hình cầu, …). Điều kiện biên loại 1: Cho biết nhiệt độ trên bề mặt vật là 1 hàm của tọa độ bề mặt và thời gian (tw). Điều kiện biên loại 3: Cho biết nhiệt độ môi trường xung quanh tf và hệ số tỏa nhiệt từ môi trường tới bề mặt vật α và (tf, qw).

Các khái niệm cơ bản

Chuyển động cưỡng bức (thực hiện bằng bơm (chất lỏng), quạt (chất khí), máy nén (lỏng/khí)). Nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng chuyển động, chủ yếu là do dẫn nhiệt giữa các lớp chất lưu.  chính là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian khi độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt của vách và của chất lưu là 1 độ.