Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƢƠNG 1 C C A A Ù Ù C C K K H H A A Ù Ù I I N N I I E E Ä Ä M M C C Ơ Ơ B B A A Û Û N N 1. KHÁI QT Mục tiêu của nhiệt động lực học là nghiên cứu những qui luật về biến đổi năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng thơng qua hệ nhiệt động. Hệ nhiệt động gồm có ba yếu tố cơ bản: nguồn nóng, nguồn lạnh và chất mơi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đó thì hệ thống sẽ khơng làm việc được. Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng. Chất mơi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất mơi giới phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất mơi giới làm xuất hiện sự thay đổi cơng và nhiệt lượng giữa chất mơi giới và mơi trường, hoặc ngược lại, chính cơng và nhiệt lượng trao đổi giữa chất mơi giới và mơi trường làm cho trạng thái của chất mơi giới bị thay đổi. Ví dụ: Nguồn nóng Nguồn lạnh Chất mơi giới Động cơ đốt trong Xylanh – píttơng Khơng khí bên ngồi Sản phẩm cháy Máy lạnh Thiết bị ngưng tụ Thiết bị bay hơi Mơi chất lạnh (NH 3 , frêon) Nhà máy nhiệt điện Lò hơi Bình ngưng Nước – hơi nước Nhiệt năng Cơ năng Hệ nhiệt động Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- Có 4 loại hệ nhiệt động: Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại: 1. Động cơ nhiệt: chất mơi giới sẽ nhận nhiệt Q 1 từ nguồn nóng giãn nở sinh cơng W và nhả nhiệt Q 2 cho nguồn lạnh. Q 1 = |Q 2 | + W Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt: 1 2 1 21 1 1 Q Q Q QQ Q W    2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất mơi giới nhận cơng W từ Hệ nhiệt động Hệ kín: Không trao đổi chất với môi trường Hệ hở: Có trao đổi chất với môi trường Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt giữa chất môi giới và môi trường Hệ cô lập: chất môi giới và môi trường không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào Nguồ n lạnh Nguồn nóng Chất môi giới Hệ nhiệt động NGUỒN NÓNG NGUỒN LẠNH ĐỘNG CƠ NHIỆT Q 1 Q 2 W Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q 2 đến nguồn nóng Q 1 . |Q 1 | = Q 2 + |W| Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta dùng: - Hệ số làm lạnh  21 22 QQ Q W Q   - Hệ số làm nóng  21 11 QQ Q W Q   2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng), nội năng, entanpi và entrôpi. Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ bản (vì đo được). Nội năng, entanpi và entrôpi gọi là thông số dẫn suất. 2.1. NHIỆT ĐỘ T Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật, dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế. Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius và Kelvin, theo hệ English có thang nhiệt độ Fahrenheit và Rankine. Trong đó Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối. NGUỒN NÓNG NGUỒN LẠNH MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT Q 1 Q 2 W Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- - Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, trên cơ sở ở áp suất tiêu chuẩn p = 1,013bar nước đá đang tan ở 0 o C và nước sôi ở 100 o C, trong khoảng này chia thành 100 vạch và mổi vạch là 1 o C - Thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin chọn nước đá đang ta là 273K và nước sôi là 373K, độ chênh giữa o C và K được chọn bằng nhau. - Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine lấy điểm không trùng với thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Độ chênh nhiệt độ giữa điểm sôi và điểm đông đặc là 180 đơn vò. - Thang nhiệt độ Fahrenheit: ở áp suất tiêu chuẩn chọn nước đá đang tan là 32 o F và nước sôi là 212 o F. Lưu ý: chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái. Thang nhiệt độ Hệ SI Hệ English Fahrenheit ( o F) Rankine (R) Nhiệt độ tuyệt đối Celcius ( o C) Kelvin (K) Nhiệt độ tuyệt đối Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- -273 373 32 212 0 -459,67 491,67 671,67 o C K o F o R 0 100 273 0 Quan hệ giữa các thang đo; t( o C) = T(K) - 273 T(R) = 1,8T(K) t( o F) = T(R) – 459,67 t( o C) = )Ft( o 32 9 5  )K(T)C(t o  )R(T)F(t o  2.2. ÁP SUẤT p suất là lực tác động lên một đơn vò diện tích bề mặt theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. Có 4 loại áp suất: - p suất khí quyển p a - p suất dư p d - p suất chân không p ck Điểm nước sôi Điểm nước đông đặc Điểm không tuyệt đối Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6- - p suất tuyệt đối p tđ p a p a p d p tđ p a p d p tđ p tđ =0 Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất dư p d = p tđ - p a Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất chân không p ck = p a - p tđ Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái. 2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯNG RIÊNG Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vò khối lượng Gọi V là thể tích, G là khối lượng thì thể tích riêng được tính: G V v  Khối lượng riêng V G v  1 3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG Khí lý tưởng là khí có: - Thể tích bản thân các phân tử bằng không. - Lực tương tác giữa các phân tử bằng không. Trong thực tế không có một chất khí nào có đầy đủ các tính chất của khí lý tưởng. Khái niệm khí lý tưởng để giải quyết các bài toán nhiệt động có liên Chân không tuyệt đối Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7- quan đến các chất môi giới có tính chất gần giống khí lý tưởng. Ở trạng thái thường gặp có thể xen oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước trong không khí ẩm, … là khí lý tưởng. Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV = GRT hay pv = RT Trong đó: p- áp suất tuyệt đối của chất khí, N/m 2 (=Pa) V- thể tích của khối chất khí, m 3 G- khối lượng của khối chất khí, kg R- hằng số chất khí. ,R   8314 J/kg.K  phân tử lượng của chất khí, kg/kmol T- nhiệt độ tuyệt đối, K v- thể tích riêng, m 3 /kg 4. HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học. Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng. 4.1. ĐỊNH LUẬT GIBBS- DALTON p, V, T x x x V, T V, T p A p B x x x Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8- Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân áp suất của các thành phần    n i i pp 1 p- áp suất hỗn hợp p i - phân áp suất (áp suất riêng phần) cùa thành phần thứ i 4.2. ĐỊNH LUẬT AMAGAT p, V, T x x x p, T p, T V A V B x x x Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp.    n i i VV 1 V- thể tích hỗn hợp V i - thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i 4.3. THÀNH PHẦN HỖN HP a) Thành phần khối lượng   i ii i G G G G g  1 i g Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9- G- khối lượng hỗn hợp G i - khối lượng thành phần thứ i g i - thành phần khối lượng b) Thành phần thể tích   i ii i V V V V r  1 i r V- thể tích hỗn hợp V i - thể tích riêng phần g i - thành phần thể tích 4.4. PHÂN TỬ LƯNG VÀØ HẰNG SỐ CHẤT KHÍ CỦA HỖN HP - Phân tử lượng của hổn hợp:        n i ii n i i i hh r g 1 1 1 - Hằng số chất khí hh R   8314 4.5. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG Là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vò (khối lượng, thể tích, kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó. Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là: + Nhiệt dung riêng đẳng áp    n i piip cgc 1 [kJ/kg.K] + Nhiệt dung riêng đẳng tích    n i viiv cgc 1 [kJ/kg.K] Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -10- v = const m = 1kg c v = 3,12kJ/kg.K 3,12kJ p = const m = 1kg c p = 5,2kJ/kg.K 5,2kJ (1) (2) Minh họa nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp của hêli Nhiệt dung riêng của các khí lý tưởng Khí lý tưởng kcal/kmol.K kJ/kmol.K k c v c p c v c p Khí 1 nguyên tử (Khí trơ: Ar, Xe, He, …) 3 5 12,6 20,9 1,66 Khí 2 nguyên tử (Không khí, O 2 , N 2 , CO, H 2 , …) 5 7 20,9 29,3 1,4 Khí 3 nguyên tử trở lên (CO 2 , C m H n , …) 7 9 29,3 37 1,3 VD: Khí CO 2 Nhiệt dung riêng đẳng tích: kg/kJ , kg/kcal c c p p 44 329 44 7     Nhiệt dung riêng đẳng áp: kg/kJkg/kcal c c v v 44 37 44 9     KT 1 KT 1 [...]...Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TOÀN CẢNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT CHẤT THUẦN KHIẾT TB ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC KHÍ LÝ TƯỞNG LƯU ĐỘNG ĐC ĐỐT TRONG TUABIN KHÍ ĐỘNG CƠ NHIỆT NHIỆT NĂNG MÁY NHIỆT CƠ NĂNG MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CHẤT THUẦN KHIẾT TIẾT LƯU KHÔNG KHÍ ẨM ::THE FIRST . LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: . LAW:: THE SECOND LAW:: ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: ::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: . Khí 2 nguyên tử (Không khí, O 2 , N 2 , CO, H 2 , …) 5 7 20,9 29,3 1,4 Khí 3 nguyên tử trở lên (CO 2 , C m H n , …) 7 9 29,3 37 1,3 VD: Khí CO 2 Nhiệt dung riêng đẳng tích: kg/kJ , kg/kcal c c p p 44 329 44 7    