6. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ T ÀI
2.3.DẪN NHIỆT TRONG CHÂN KHÔNG
2.3.1. Chân không là gì?
Khi ta xét các hiện tượng truyền, sự tương tác xảy ra lúc các phân tử chuyển động nhiệt mà không va chạm với các phân tử chất khí thì sẽ có đặc điểm gì?.
Biết rằng
P
1 ~
, áp suất giảm thì tăng. Muốn giảm áp suất ta giảm mật độ khí trong
bình (PnkT) bằng cách hút bớt khí trong bình ra. Càng hút bớt khí thì áp suất càng giảm càng tăng. Nếu giảm áp suất tới một mức nào đó thì sẽ tăng lên lớn hơn kích thước của bình d. Lúc bấy giờ có thể coi các phân tử khí chỉ va chạm với thành
bình mà không hề va chạm với nhau trong quá trình chuyển động nhiệt. Áp suất giảm
đến mức ấy gọi là áp suất thấp.
Chẳng hạn với áp suất P106mmHg(để đạt đến áp suất đó ta sử dụng máy bơm chân không hiện đại), bình có kích thước 1m thì khoảng vài chục mét. Bình có áp suất như vậy gọi là bình chân không.
Trạng thái khí ở áp suất thấp sao cho d(d: khoảng cách giữa hai thành bình)
được gọi là chân không.
Như vậy, khái niệm chân không mang tính tương đối vì tùy thuộc vào kích
thước của bình.
2.3.2. Dẫn nhiệt trong chân không.
Giả sử có hai tấm A1 và A2 (với T1 > T2) đặt cách nhau một khoảng d. Nếu giữa
hai tấm A1 và A2 là áp suất thường d thì sự dẫn nhiệt xảy ra như đã mô tả ở trên. Hệ số dẫn nhiệt không phụ thuộc vào áp suất P.
Nếu giữa A1 và A2 là áp suất thấp (chân không) d thì sự dẫn nhiệt xảy ra
khác hẳn.
Xét một phân tử B nào đấy, B va chạm vào A1 sẽ có động năng trung bình W1
tương ứng nhiệt độ T1. B bay sang A2 ( B không va chạm với các phân tử khí khác dọc đường) va chạm vào A2 nó truyền bớt động năng để còn lại W2 và W2W1.
Vậy, phân tử B đóng vai trò là sự dẫn nhiệt từ tấm A1 sang tấm A2 trực tiếp
bằng cách nhận động năng của các phân tử thành A1 và mang sang truyền cho các phân
tử thành bình A2. Số phân tử ngày càng giảm (tức áp suất giảm) tức tác nhân gây dẫn
nhiệt ngày càng ít thì sự dẫn nhiệt kém. Hiện tượng dẫn nhiệt kém ở áp suất thấp được ứng dụng để chế tạo các bình cách nhiệt hai lớp Dewar.
Vậy, trong chân không hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc áp suất.Và được xác định bằng
công thức: d u k n i . . . 6 (2.11)
Trong đó: d là kích thước bình chứa
Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt được ứng dụng vào việc chế tạo bình thủy
tinh hai vỏ. Giữa hai vỏ thuỷ tinh là chân không. Sự dẫn nhiệt xảy ra trong môi trường
này rất kém nên người ta người ta sử dụng bình thủy tinh hai vỏ để giữ nước nóng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong thời gian dài.
Ở vùng khí hậu lạnh, người ta dùng các kính cửa sổ đôi hay ba để giảm sự mất
nhiệt. Kính, bản thân nó không dẫn nhiệt tốt. Không khí (hay các khí khác) giữa các
tấm kính sẽ cách nhiệt tốt nếu nó bị tù hãm (điều này sẽ không xảy ra vì hiệu nhiệt độ
qua bề dày lớp khí tạo nên sự tuần hoàn của khí và do đó sự truyền nhiệt từ tấm kính nóng hơn sang tấm kính lạnh hơn). Giá trị cách nhiệt của một cửa sổ hầu như hoàn toàn
do lớp biên mỏng của lớp không khí mỏng bám vào mỗi mặt của tấm kính.Tăng gấp đôi số tấm kính sẽ làm tăng gấp đôi số lớp biên cách nhiệt này.
CHƯƠNG 3 DẪN NHIỆT TRONG CHẤT LỎNG
3.1. NHỮNG CẤU TRÚC CHUNG VÀ DẪN NHIỆT PHÂN TỬ CHẤT LỎNG. 3.1.1.Cấu trúc chung của chất lỏng.
Bằng cách nén khí ở áp suất cao ta có thể hóa lỏng chất khí và từ chất lỏng bằng
cách giảm nhiệt độ ta có thể chuyển nó sang trạng thái rắn. Từ đó hình thành quan niệm cho rằng chất lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn.
Ở nhiệt độ đông đặc thì chất lỏng có nhiều tính chất giống như chất rắn hơn:
chẳng hạn nhiệt dung riêng chất lỏng gần nhiệt độ đông đặc có giá trị gần bằng nhiệt
dung riêng của chất rắn tương ứng. Ngược lại, ở nhiệt độ tới hạn thì có sự bằng nhau về
khối lượng riêng của chất ở trạng thái lỏng và hơi và lúc đầu người ta không phân biệt được hai trạng thái này.
Một vài chục năm trước đây, người ta cho rằng ở điều kiện áp suất và nhiệt độ
bình thường (nghĩa là không gần trạng thái đông đặc hoặc trạng thái tới hạn) thì chất
lỏng và chất khí có nhiều điểm giống nhau như: hình dạng của chúng điều là hình dạng
của bình chứa và có thể áp dụng phương trình Vandecvan cho 1 mol chất khí hoặc chất
lỏng. Tuy nhiên, sự khác nhau giữa hai trạng thái này cũng thể hiện rõ như thể tích của
chất khí có thể chiếm vô hạn còn thể tích chất lỏng thì hữu hạn. Khối lượng riêng của
chất lỏng lớn hơn nhiều lần khối lượng riêng của chất khí. Trong chất lỏng, các phân tử ở khá gần nhau, lực tương tác các phân tử tương đối lớn. Do đó, chất lỏng không chuyển động tự do như trong chất khí mà dao động quanh vị trí cân bằng. Từ quan
niệm này dẫn ta thừa nhận chất lỏng cũng có áp suất nội tại 2 0
V a
p như trong chất
khí. Chẳng hạn, đối với nước a5,47.106 l2at/Kmol2 và V0 18l/Kmol ở nhiệt độ t =
00C. Vậy áp suất nội tại của nước vào bậc: at V a pi 2 17000 0 . Đối với chất lỏng khác thì áp suất nội tại cũng vào bậc hàng vạn tỉ at.
Ta cần phân biệt sự khác nhau giữa áp suất nội tại với các loại áp suất khác như
áp suất cơ học (do lực bên ngoài tác dụng lên vật), áp suất nhiệt (do chuyển động nhiệt
của các phân tử va chạm vào thành bình), áp suất thủy tĩnh (do lực hút của trái đất tác
dụng lên chất lỏng). Khác với các loại áp suất vừa kể có thể đo được bằng áp kế. Áp suất nội tại luôn hướng vào trong lòng chất lỏng. Điều này giúp ta giải thích được: vì sao bàn tay ngâm trong chất lỏng không bị bẹp. Áp suất nội tại là do tương tác phân tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nên ta còn gọi là áp suất phân tử.
Tương tự như trên, ta có thể so sánh sự giống nhau và khác nhau giữa chất lỏng
và chất rắn như sau:
+ Giống nhau: thể tích của chúng xác định được (khoảng 10% cùng chịu
nén và chịu kéo dãn).
+ Khác nhau: chất lỏng có thể chảy thành lớp còn chất rắn có hình dạng xác định. Chất lỏng có tính đẳng hướng còn chất rắn có tính dị hướng.
Trong những năm gần đây, những kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng ở trạng
thái bình thường xét về cấu trúc thì chất lỏng gần giống chất rắn hơn là chất khí.
Những bức ảnh chụp được bằng tia Ronghen (tia X) cho thấy rằng cấu trúc của nước
cũng gần giống cấu trúc của nước đá, tuy không rõ nét bằng. Những kết quả thực
nghiệm tương tự đối với một số chất lỏng khác cho phép ta quan niệm các phân tử chất
lỏng tạo nên cấu trúc gần giống như mạng tinh thể trong chất rắn.
Tuy nhiên, đối với chất rắn các nguyên tử và phân tử sắp xếp thành mạng tinh
thể có trật tự và chỉ dao động xung quanh vị ví cân bằng, còn trong chất lỏng theo
thuyết Frenken, một phân tử cũng dao động quanh vị trí cân bằng nhưng khác chất rắn
các phân tử chất lỏng có thể từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác với khoảng
dịch chuyển bằng kích thước phân tử. Khoảng thời gian mà phân tử có thể tồn tại ở một
vị trí cân bằng càng lâu khi nhiệt độ càng thấp.
Dựa theo quan niệm về cấu trúc của chất lỏng đã nêu ở trên, Frenken và các nhà bác học khác đã xây dựng thuyết động học phân tử của chất lỏng: các công thức về áp
được về mặt định lượng phù hợp khá tốt với thực nghiệm nhưng cho đến nay thuyết này chưa thể coi là hoàn chỉnh.
Cấu trúc phân tử của chất lỏng cũng như tính chất của chuyển động nhiệt của
các phân tử trong chất lỏng tùy thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử. Ta có thể dựa vào đồ thị biểu diễn lực tương tác tổng hợp f và thế năng tương tác Et giữa hai phân tử để giải thích.
Đối với chất khí động năng trung bình của phân tử khá lớn (so với phân tử trong
chất lỏng và chất rắn ) nên nó luôn luôn thắng lực tương tác giữa các phân tử, làm cho các phân tử không liên kết được với nhau. Nói cách khác, các phân tử trong chất khí
không bị giam trong hố thế năng. Nhưng đối với chất lỏng, động năng trung bình nhỏ
hơn nhiều vì vậy đường mức năng lượng toàn phần E nằm ở xấp xỉ dưới miệng hố thế năng.
Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn lực tương tác tổng hợp f và thế năng tương tác.
Do đó khi phân tử chất lỏng chuyển động đến vị trí A hoặc B thì động năng của
nó bằng 0. Vì vậy dưới tác dụng của lực tổng hợp là lực đẩy (vị trí A) hoặc lực hút (vị
trí B) phân tử phải thay đổi chiều chuyển động quanh vị trí M (MA = MB). Tuy động (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
năng trung bình của phân tử chất lỏng chưa phải có giá trị nhỏ như đối với chất rắn nên
sau một thời gian nào đó dao động xung quanh vị trí M, nhờ tương tác với các phân tử
hố thế năng tới chiếm một vị trí cân bằng mới giữa các phân tử để lại dao động trong
phạm vi hố thế năng mới.
Như đã nói lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng khá lớn ( so với chất khí)
nên có ảnh hưởng nhiều đến tính chất của chất lỏng. Vì vậy, ta sẽ tìm hiểu một tính
chất liên quan đến lực tương tác phân tử.
3.1.2.Tính chất vật lý của chất lỏng.
Chất lỏng tải nhiệt hiện nay dùng rất nhiều loại như: nước, dầu, rượu, dầu hỏa, étxăng, không khí, các loại dung dịch và các loại khí khác. Tùy theo tính chất vật lý
của chất lỏng mà quá trình tỏa nhiệt cũng sẽ khác nhau.
Ảnh hưởng nhiều đến quá trình tỏa nhiệt là các thông số vật lý sau:
- Hệ số dẫn nhiệt
- Nhiệt dung riêng Cp
- Khối lượng riêng
- Hệ số khuếch tán nhiệt a
- Độ nhớt
Đối với mỗi loại chất lỏng các thông số này là hàm của nhiệt độ và áp suất. Tất
cả các chất lỏng thực đều có tính nhớt. Giữa các lớp chất lỏng có tốc độ chuyển động
khác nhau luôn luôn phát sinh lực ma sát trong ngược với chiều chuyển động.
Theo định luật Newton: lực ma sát tiếp tuyến fms (quy về một đơn vị bề mặt tác
dụng) tại một điểm bất kì của dòng trong mặt phẳng hướng theo dòng tỷ lệ với độ biến
thiên tốc độ theo phương pháp tuyến với hướng chuyển động:
n fms [N/m2] (3.1) Với hệ số nhớt động lực, đơn vị là Ns/m2. tốc độ chuyển động của chất lỏng Khi 1 n thì S
Trong các phương trình thủy động lực học và truyền nhiệt, thường dùng tỷ số
giữa với khối lượng riêng gọi là hệ số nhớt động học và ký hiệu là
v [m2/s]. Hệ số và là các thông số vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đối với chất lỏng giọt, hệ số nhớt động lực hầu như không phụ thuộc vào áp suất và khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm. Còn chất khí thì tăng khi nhiệt độ và áp suất tăng, nhưng ảnh hưởng của áp suất ít, ví dụ, không khí khi áp suất tăng từ 1-50 bar thì tăng khoảng 5%. Khi áp suất thấp hơn áp suất khí quyển hệ số động lực phụ
thuộc áp suất (giảm khi áp suất giảm). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ nén của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến quá trình tỏa nhiệt; hệ số nén đẳng nhiệt là:
const t t p v v 1 (3.2)
Khi tốc độ dòng khí lớn mới cần chú ý tới độ nén. Giữa dòng bị nén và không bị
nén không có một giới hạn rõ rệt. Thông thường ta quy ước rằng khi tốc độ dòng khí nhỏ hơn ¼ tốc độ âm thanh thì có thể áp dụng các định luật chuyển động tỏa nhiệt của
dòng không bị nén. Ngoài độ nén đẳng nhiệt trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu còn cần chú ý đến hệ số giản nở nhiệt, và đặc trưng bởi phương trình:
const p t v v 1 (3.3) Trong đó: 1 v là thể tích riêng.
Đối với các chất lỏng giọt hệ số, dãn nở thể tích rất nhỏ còn với những chất khí
có thể coi là khí lý tưởng thì hệ số dãn nở thể tích là một đại lượng tỷ lệ nghịch với
nhiệt độ tuyệt đối:
T
1
[1/độ] (3.4)
3.1.3. Chế độ chuyển động của chất lỏng.
Tính chất chuyển động của dòng có ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình trao đổi
và chuyển động rối (hay còn gọi là chảy tầng và chảy rối). Khi chuyển động chảy tầng,
tất cả các phân tử của chất lỏng chuyển động song song với vách ống, còn khi chuyển động rối, các phân tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn. Tốc độ trung bình của dòng chất
lỏng đạt đến một trị số nào đó thì sẽ chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối,
tốc độ ấy gọi là tốc độ tới hạn.
Tốc độ tới hạn không phải là một hằng số mà thay đổi tùy theo loại chất lỏng và
điều kiện hình học của rãnh.
Hình 3.2a Sự hình thành lớp Hình 3.2b Sự hình thành lớp biên nhiệt biên thủy động
* Định nghĩa lớp biên thủy động.
Chúng ta xét trường hợp dòng chất lỏng chảy dọc một vách, ở cách xa vách tốc độ dòng không thay đổi và bằng 0, nhưng ở gần vách do tính nhớt của chất lỏng nên có một lớp mỏng chất lỏng bị hãm lại. Trong lớp đó tốc độ thay đổi từ 0 trên bề mặt vách đến tộc độ 0của dòng; lớp chất lỏng ấy gọi là lớp biên thủy động.
Khái niệm về lớp biên thủy động do Prandtl phát hiện năm 1904. Khái niệm này
đối với lý luận lưu động và truyền nhiệt vô cùng quan trọng. Bên ngoài lớp biên theo
qua. Căn cứ sự phân tích như vậy, môi trường chất lỏng bất kỳ nào cũng có thể phân
làm hai bộ phận: lớp biên, ở đây tính nhớt của chất lỏng phát huy tác dụng 0 y x ; bộ
phận dòng chảy bên ngoài lớp biên, ở đây có thể xem chất lỏng chuyển động không có
tính nhớt (chất lỏng lý tưởng). 0 ; 0 x x y (3.5) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khái niệm về chiều dày của lớp biên chỉ là qui ước vì chuyển động từ lớp biên ra ngoài không có một giới hạn rõ rệt (theo quy ước trong lớp biên tốc độ bé hơn
0
0,99 ). Lớp biên có chiều dày tương đối mỏng là lớp biên chảy tầng, nhưng khi chiều
dày của lớp biên vượt quá một giới hạn nhất định thì sẽ hình thành lớp biên chảy rối, nhưng trong lớp biên chảy rối ở sát vách vẫn có một lớp mỏng chảy tầng gọi là đệm
tầng. Chiều dày của nó do tốc độ quyết định, tốc độ càng lớn chiều dày càng mỏng. Tương tự về lớp biên thủy động, Cruzilin đã đưa ra khái niệm về lớp biên nhiệt. Trong
lớp biên nhiệt, nhiệt độ chất lỏng biến thiên từ giá trị nhiệt độ bằng nhiệt độ vách đến
nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường chất lỏng xung quanh. Vùng trong lớp biên nhiệt có điều kiện 0
y t
và vùng ngoài lớp biên nhiệt có 0;t t0