nhan_nhiet dong kythuat

8/18/2019 Nhan_Nhiet Dong KyThuat

1/64

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa Cơ khí

PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Engineering Thermodynamics

(Bài giảng dùng cho sinh viên các ngành Kỹ thuật -Công nghệ tại ĐHNT)

NHA TRANG - 2013


2/64

PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013

2

Chủ đề 1

CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG

1. 1. NGOẠI THẾ NĂNG Ngoại thế năng (E p) - gọi tắt là thế năng - là năng lượng của vật có được do

vị trí của nó.

hG

H. 1.1. Thế năng

1.2. NGOẠI ĐỘNG NĂNG Ngoại động năng (Ek ) - gọi tắt là động năng - là năng lượng của vật có được

khi chuyển động.

2

2 m E k ; trong đó : m - khối lượng, [kg]; - vận tốc, [m/s].

1.3. NỘI NHIỆT NĂNG

Nội nhiệt năng (U) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng của vật có được dochuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng.

Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (Ud) và nội thế năng (U p). Nộiđộng năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệtđộ của vật, nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ

thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ

và thể tích riêng : U = U (T, v).

Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ là hàm của nhiệt độ : U = f(T), vì khí lý

tưởng chỉ có nội động năng mà không có lực tương tác giữa các phân tử. Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết lượng thay đổi nội năng (U)mà không cần thiết phải biết giá trị của nội năng tại một trạng thái nào đó, nên có thểchọn điểm gốc tùy ý tại đó U = 0. Ví dụ, đối với nước, người ta qui ước U = 0 ở t =

0,01 0C và p = 0,0062 at (điểm ba thể của nước).

1.4. HÓA NĂNG Hóa năng (Ec) là năng lượng được tích trữ trong các liên kết giữa các nguyên

tử trong phân tử.

z G z g m E p

trong đó : m - khối lượng, [kg] ; g - gia tốctrọng trường, [m/s2] ; z - độ cao so với mặt

phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N].


3/64


3

1.5. NGUYÊN TỬ NĂNG Nguyên tử năng (Ea) là năng lượng được tích trữ trong các liên kết giữa các

hạt tạo nên hạt nhân của nguyên tử.

1.6. ĐIỆN NĂNG

Điện năng (Ee) là năng lượng được truyền vào hoặc ra khỏi vật nhờ hệ thốngđiện.

1.7. NHIỆT NĂNG N hiệt năng (Q) - thường gọi tắt là nhiệt - là dạng năng lượng truyền từ vật

này sang vật khác do có sự chênh lệch nhiệt độ.

a) Đơn vị đo nhiệt năng1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gram

nước tăng từ 14,5 0C đến 15,5 0C.2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ

của 1 pound nước tăng từ 59,5 0F lên 60,5 0F.3) Joule (J)

1 Ca = 4.187 J

1 Btu = 252 Ca = 1055 J

b) Các phương thức truyền nhiệt năng

Q

c)

Q

b)

Sun

Q

a)

Earth H. 1.2. Các phương thức truyền nhiệt năng

a) Dẫn nhiệt, b) Truyền nhiệt đối lưu, c) Truyền nhiệt bức xạ

Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật cónhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau. Muốn có quá trình dẫn nhiệt xảy rathì các vật phải có nhiệt độ khác nhau và phải tiếp xúc với nhau. Quá trình dẫn nhiệt

có thể xảy ra trong vật rắn, chất lỏng và chất khí. Trong vật rắn có thể diễn ra quátrình dẫn nhiệt thuần túy, còn trong chất lỏng và khí thì ngoài dẫn nhiệt còn có trao

đổi nhiệt đối lưu hay bức xạ. Truyền nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của các

chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau. Truyền nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện

từ.


4/64


4

1.8. CÔNG Công (W) - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá

trình biến đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng. Về trị số,

công bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịchchuyển.

W = (F. cos ). S0

S

F

0

H. 1.3. C ông do lực F thực hiện

a) Đơn vị đo côngCông là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng lượng.

Đơn vị thông dụng là Joule (J). 1 J là công của lực 1 N dịch chuyển vật trên quãngđường 1 m.

b) Các phương thức thực hiện công cơ học

F

F

p

a) b)

c) d)

H. 1.4. Các phương thức thực hiện công cơ học

c) Công thay đổi thể tích Công thay đổi thể tích (W) - còn gọi là công cơ học (mechanical work) - là

công do MCCT trong HNĐ sinh ra hoặc nhận được khi thể tích của MCCT thay đổi;nói cách khác, công cơ học là công được thực hiện khi có sự dịch chuyển của ranhgiới của HNĐ. Công cơ học có trong cả HNĐ kín và HNĐ hở.


5/64


5

dW = p . dV ; 2

1

21

V

V

dV pW

2

1

W out (+)

p

V

W1-2

2

1

W in (-)

p

V

W1-2

H. 1.5. Biểu diễn công cơ học trên đồ thị công

Qui ước : Công cơ học có trị số dương (W1-2 > 0) khi thể tích của HNĐ tăngvà có trị số âm (W1-2 < 0) khi thể tích giảm.

d) Công kỹ thuật Công kỹ thuật (WT) là công của dòng khí chuyển động thực hiện khi áp suất

của MCCT thay đổi. Công kỹ thuật chỉ có trong HNĐ hở.

dwT = - v. dp ; 2

1

21

p

p

T dpvw

v

p

2

1

p2

p1

wT1-2

H. 5.3. Biểu diễn công kỹ thuật trên đồ thị công

Qui ước : Công kỹ thuật có trị số dương (wT1-2

> 0) nếu áp suất giảm trongquá trình biến đổi và có trị số âm (wT1-2 < 0) nếu áp suất tăng.

Khi tính gần đúng, WT là công hữu ích nhận được từ dòng khí thông qua một

thiết bị kỹ thuật (turbine, máy nén, ...).

e) Công lưu độngCông lưu động ( flow work - W F ) - còn gọi là thế năng áp suất hoặc năng

lượng đẩy - là công cần thiết để đẩy MCCT vào hoặc ra khỏi HNĐ .WF = p.V; dWF = d(p.V)

Công lưu động là một hàm trạng thái và chỉ có trong HNĐ hở.


6/64


6

NỘI DUNG ÔN TẬP

1) Định nghĩa các dạng năng lượng thông dụng.

2) Phân biệt các khái niệm : nội nhiệt năng (U) và nhiệt năng (Q); hóa năng (Ec)và nguyên tử năng (Ea).

3)

Định nghĩa các khái niệm : công cơ học, công lưu động , công kỹ thuật .4) Mô tả và cho các ví dụ thực tế về các phương thức truyền nhiệt năng.5) Mô tả và cho ví dụ thực tế về các phương thức thực hiện công cơ học .

BÀI TẬP Bài tập 1.1 : Khí trong xylanh đẩy piston từ vị trí 1 đến vị trí 2 (HBT. 1.1).

Thiết lập biểu thức tính công cơ học của khí theo các thông số trạng thái của nó :

W1-2 = f(p, V, T, …) ?

1

2

KhÝp1

Ch©nkh«ng

KhÝp2

Tr¹ng th¸ i 1 Tr¹ng th¸ i 2

A B

HBT. 1.1 HBT. 1.2

Bài tập 1.2 : Một bình chứa được ngăn bằng một màng chắn thành 2 phần A

và B có thể tích bằng nhau (HBT. 1.3). Ban đầu, phần A chứa chất khí với áp suất p1, phần B là chân không. Sau khi bỏ màng chắn, chất khí chiếm toàn bộ thể tích vớiáp suất p2. Tính công do chất khí thực hiện ?

Bài tập 1.3 : Một viên bi thép có khối lượng m = 0,15 kg được ném lên theo phương thẳng đứng. Viên bi rời tay người ném ở vị trí h1 = 0,5 m tính từ vị trí banđầu (h0 = 0 m, v0 = 0 m/s) với vận tốc v1 = 6 m/s. Xác định lực trung bình do người

ném tác dụng lên viên bi (F), công do người ném thực hiện (W) và độ cao mà viên biđạt được (h2).


7/64


7

Chủ đề 2

CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁICỦA MÔI CHẤT CÔNG TÁC

Môi chất công tác (MCCT) dùng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò trung

gian trong các quá trình trao đổi hoặc biến đổi năng lượng.

Thông số trạng thái của MCCT là những đại lượng vật lý đặc trưng cho trạngthái của MCCT. Tại một trạng thái xác định của MCCT, mỗi thông số trạng thái chỉ

có một trị số duy nhất

Trạng thái nhiệt động của MCCT được định lượng bằng 6 thông số trạng thái

: nhiệt độ (T) , áp suất (p) , thể tích (V) , nội năng (U) , enthalpy (I) và entropy (S).

2.1. NHIỆT ĐỘ a) Định nghĩa Nhiệt độ (T) là số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử,

nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử . 2

.3

mk T

(2.1)

trong đó : m - khối lượng phân tử ; - vận tốc trung bình của các phân tử ; k -

hằng số Bonzman, k = 1,3805 . 105 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối.

b) Nhiệt kế Nhiệt kế là loại dụng cụ để đo nhiệt độ. Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay

đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích,

màu sắc, điện trở , v.v.

c) Thang nhiệt độ thông dụng 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) - (Anders Celsius - 1701-1744)

0

0

C - nhiệt độ nước đá đang tan. 100 0C - nhiệt độ nước sôi ở áp suất khí quyển.

2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736) 0 0F - nhiệt độ hỗn hợp muối và tuyết do D. Fahrenheit tạo ra . 100 0F - nhiệt độ cơ thể người.

3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 ) : trong thang nhiệt độKelvin, còn gọi là nhiệt độ tuyệt đối, 0 0K là nhiệt độ tại đó các phân tử của vật

ngừng chuyển động.


8/64


8

d) Công thức chuyển đổi giữa các thang nhiệt độ

325

9 00 C F ; 27300 C K

373 0

273 0

0 0

100 0

0 0

- 273 0

212 0

32 0

- 460 0

Kelvin Celsius Fahrenheit

H. 2.3. Nhiệt độ Kelvin, Celsius và Fahrenheit 2.2. ÁP SUẤT

a) Định nghĩa Áp suất của lưu chất (p) là lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp

tuyến lên một đơn vị diện tích thành của bình chứa.

A

F p

Theo thuyết động học phân tử :

2

3

m p n

(2.2)

trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bìnhchứa ; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; - hệ số phụ thuộc vào kích thước

và lực tương tác của các phân tử.

b) Đơn vị áp suất1) N/m2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)

2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O

3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)

4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)

at Pa mm H2O mm Hg (at 00C)

1 at 1 9,80665.10 4 1.10 4 735,559

1 Pa 1,01972.10 -5 1 0,101972 7,50062.10 -3

1 N/m2 1,01972.10 -5 1 0,101972 7,50062.10 -3

1 bar 1,01972 105 10197,2 750,062

1 mm H2O 1.10-4

9,80665 1 73,5559.10-3

1 mm Hg 1,35951.10 -3 133,322 13,5951 1


9/64


9

c) Phân loại áp suất

p

p0

pd

p

p0 pck

H. 2.4. Các loại áp suất

1) Áp suất khí quyển (p0) - áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật

trên trái đất. 2) Áp suất dư (pd) - áp suất của lưu chất so với môi trường xung quanh

p d = p - p 0 3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối.

p = p d + p 04) Độ chân không (pck ) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất của môi trường xung

quanh. pck = p0 - p

d) Áp kế Áp kế là dụng cụ để đo áp suất của lưu chất.

p

pd

p0p0

Hg

Vacuuma) b)

H. 2.5. Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế

Áp suất của khí quyển thường được đo bằng dụng cụ có tên gọi là hàn thửbiểu (barometer ) (H. 2.5a). Các loại áp kế thông dụng được dùng để đo áp suất dưcủa lưu chất. Áp suất tuyệt đối của lưu chất bằng tổng của áp suất dư và áp suất khíquyển.

K hi đo áp suất bằng chiều cao cột chất lỏng thì phải tính đến sự thay đổi củatrọng lượng riêng theo nhiệt độ. Để đảm bảo tính so sánh khi đo áp suất ở nhữngnhiệt độ khác nhau, ta phải hiệu chỉnh kết quả đo về một nhiệt độ qui ước nào đó.


10/64


10

Đối với áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh vềnhiệt độ 0 0C như sau :

h0 = h (1 - 0,000172. t) (2.3)trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnhvề nhiệt độ 0 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0C.

2.3. THỂ TÍCH a) Thể tích riêng Thể tích riêng (v) của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất

đó : m

V v [m3/kg] (2.4)

b) Khối lượng riêng Khối lượng riêng () của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích

của chất đó :V m [kg/m3] (2.5)

Khối lượng riêng của một chất là đại lượng đánh giá mức độ tập trung củachất đó trong một đơn vị thể tích. Đại lượng này còn có các tên gọi và được định

nghĩa khác nhau, ví dụ : mật độ, trọng lượng riêng, tỷ khối, độ API , v.v. Trọng lượng riêng () - Trọng lượng của một đơn vị thể tích của một

chất : V

G [N/m3] (2.6)

Tỷ khối

(d) - còn gọi là tỷ trọng - của một chất là một đại lượng khôngthứ nguyên, có trị số bằng khối lượng của chất đó chia cho khối lượng của nước cất

có cùng thể tích :m

md

2

1 (2.7)

trong đó : m1 - khối lượng của một đơn vị thể tích mẫu thử ở nhiệt độ t1, [kg]; m2 -khối lượng của cùng một đơn vị thể tích nước cất ở nhiệt độ t2, [kg].

Ở nhiều nước châu Âu, người ta chọn t1 = 150C , t2 = 15

0C hoặc t2 = 40C . Ở

Mỹ và Anh chọn t1 = t2 = 600F = 15,6 0C. Khi đó tỷ khối có ký hiệu tương

ứng là 1515

d , 154

d và d@60 0F. Trị số của 1515

d , 154

d và d@60 0F của cùng một chất

không hoàn toàn bằng nhau. Tuy nhiên, trong tính toán kỹ thuật người ta thường lấy15

15d 15

4d d@60 0F.

Độ API - 0API ( American Petroleum Institute) là đơn vị quy ước dùng

đo mật độ của sản phẩm dầu mỏ được sử dụng ở Hoa Kỳ. Giữa 0API và d@60 0F có

quan hệ như sau : 5,13 160@

5,14 10

0

F d API (2.8)

Từ công thức (2.8) thấy rằng, nước cất ở nhiệt độ 60 0F có mật độ bằng 100API. Chất lỏng có mật độ nhỏ hơn 10 0API sẽ nặng hơn nước, và ngược lại.


11/64


11

2.4. NỘI NHIỆT NĂNG (xem mục 1.3)

2.1. ENTHALPY Enthalpy (i) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = u + p.v

Cũng tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm phụ thuộc vào haitrong ba thông số trạng thái cơ bản (T, p, v). Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụthuộc vào nhiệt độ : i = f(T). Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết lượng

biến đổi enthalpy mà không cần biết giá trị tuyệt đối của nó, vì vậy có thể chọn tùy ý

điểm gốc mà tại đó i = 0. Ví dụ đối với nước thường chọn i = 0 tại T = 0 0K hoặc ởđiểm 3 như đối với nội năng.

2.6. ENTROPY Entropy (S) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức :

T dQdS

Ghi chú :

1) Nhiệt độ (T), áp suất (p) và thể tích riêng (v) được gọi là các thông sốtrạng thái cơ bản và chúng có thể được xác định trực tiếp. Các thông số trạng tháikhác còn được gọi là hàm trạng thái, chúng được xác định thông qua các thông số

trạng thái cơ bản.

2) Atomic, or nuclear, energy is similar to chemical energy in that it is energy

stored in the bonding of the protons and neutrons which form the nucleus of theatom. However, these bonding forces are about a million times greater than the

forces holding the electrons to their orbits, and this in turn are appreciably greater

than the chemical forces which hold the atoms together in the molecules. The

liberation of atomic energy results in products with high internal energies, radiation,

and some chemical change.

The atomic reaction results in the disappearance of mass and the production of

energy according to Einstein's relation :

E = m . c 2 , in which E is energy, m - mass , c - velocity of light.

NỘI DUNG ÔN TẬP 1) Định nghĩa MCCT, trạng thái và thông số trạng thái của MCCT .

2) Định nghĩa và phương pháp xác định các thông số trạng thái của MCCT. 3) Thang nhiệt độ và công thức chuyển đổi giữa các thang nhiệt độ. Phân biệt

nhiệt độ với nhiệt năng .4) Phân loại áp suất. Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất. 5) Phương pháp biểu diễn trạng thái của MCCT.


12/64


12

BÀI TẬP Bài tập 2.1 : Áp suất của không khí trong bình có khả năng đỡ cột thủy ngân

cao 500 mm (HBT. 2.1). Xác định áp suất tuyệt đối trong bình. Biết rằng áp suất khí quyển bằng 95 kPa, khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,6.10 3 kg/m3. Bỏ quaảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều cao cột thủy ngân.

A

BC

p = ?

p0

N - í c

A

B

h A

hB

HBT. 2.1 HBT. 2.2

Bài tập 2.2 : Chỉ số áp suất dư trong phòng (A) là 50 mm H2O (HBT. 2.2).Trong phòng A đặt bình đo áp suất (B) có độ chân không là 180 mm Hg. Áp suất

ngoài trời là 750 mm Hg ở nhiệt độ 30 0C. Xác định áp suất tuyệt đối của bình đo ápsuất .

Bài tập 2.3 : Một bình kín có thể tích V = 625 lít chứa oxy ( 322 O có áp

suất dư pd = 16 at và nhiệt độ t = 270C. Áp suất khí quyển p0 = 750 mmHg ở 0

0C.

Xác định : 1) Áp suất tuyệt đối của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [Pa], [mmHg],

[mmH2O], [at] ?

2) Nhiệt độ của oxy tính theo 0K, 0F ?3) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở điều kiện thực tế (v, ) ?4) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở điều kiện tiêu chuẩn (vtc, tc) ?5) Thể tích của oxy ở trạng thái tiêu chuẩn (Vtc) ?


13/64


13

Chủ đề 3

KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được cấu thành từ các phân tử,mỗi phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất định, các phân tử trongchất khí tương tác với nhau.

Khí lý tưởng là chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử.

Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí thường gặp nhưoxy (O2), hydro (H2), nitơ (N2), không khí, v.v. ở điều kiện áp suất không quá lớn vànhiệt độ không quá thấp, có thể xem chúng như là khí lý tưởng.

Hỗn hợp khí lý tưởng (HHKLT) là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chất

khí lý tưởng khi không xảy ra phản ứng hóa học giữa các chất khí thành phần. Ví dụ: không khí có thể được xem như là HHKLT với các chất khí thành thành gồm nitơ

(N2), oxy (O2), dioxit carbon (CO2), v.v. Hỗn hợp khí được sử dụng có thể có tỷ lệ

các chất khí thành phần rất khác nhau nên việc xây dựng các bảng hoặc đồ thị chochúng là không thực tế. Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định cácthông số nhiệt động và tính toán với HHKLT.

3.2. KHÍ LÝ TƯỞNG 3.2.1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

Phương trình trạng thái là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa cácthông số trạng thái của MCCT.

a) Thiết lập phương trình trạng thái của khí lý tưởng Từ các công thức (2.1) và (2.2) ta có :

p = . n . k . T (3.1a)

Đối với khí lý tưởng : = 1

Số phân tử trong một đơn vị thể tích :

V

N

V

N n

trong đó : V - thể tích của chất khí, [m3] ; N - số phân tử có trong thể tích V ; N -số phân tử có trong 1 kmol chất khí ; V - thể tích của 1 kmol chất khí, [m

3/kmol].

Thế và n vào (3.1a) :

T k V

N p

(3.1b)

T k N V p

(3.1c)


14/64


14

Theo Avogadro, 1 kmol của bất kỳ chất khí nào đều có số phân tử là N

= 6,0228.10 26 .

Hằng số phổ biến của chất khí :

R = k. N = 1,3805. 10- 23 . 6,0228. 10 26 = 8314 [J/kmol. deg]

Hằng số của chất khí :

R

R [J/kg.deg]

b) Phương trình trạng thái của khí lý tưởng p. v = R. T (3.2a)

p. V = m. R. T (3.2b)

p .V = M. R . T (3.2c)

trong đó : m - khối lượng chất khí, [kg] ; M - lượng chất khí tính bằng kmol, [kmol]

; V - thể tích của chất khí, [m3] ; v - thể tích riêng, [m3/kg] ; R = 8314 J/kmol.deg -hằng số phổ biến của chất khí ; R = 8314/ - hằng số của chất khí , [J/kg.deg] ; -

khối lượng của 1 kmol khí, [kg/kmol] ; p - áp suất, [N/m2] ; T - nhiệt độ tuyệt đối,[0K].

3.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể sử dụng để tính toán cho

nhiều loại khí thực trong phạm vi áp suất không quá lớn và nhiệt độ không quá thấp với một độ chính xác nhất định. Khi những điều kiện giả định đối với khí lý tưởngkhác quá nhiều đối với khí thực, việc áp dụng phương trình trạng thái của khí lý

tưởng có thể dẫn đến những sai số lớn. Cho đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chưa tìm được

phương trình trạng thái với độ chính xác đủ lớn dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng

thái mà mới chỉ xác định được một số phương trình trạng thái gần đúng cho mộthoặc một nhóm khí ở những phạm vi áp suất và nhiệt độ nhất định.

Phương trình Wan der Walls (1893) :

2

a p v b R T

v

(3.3)

trong đó a và b là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào từngchất khí.


15/64


15

3.3. HỖN HỢP KHÍ LÝ THƯỞNG 3.3.1. MỘT SỐ GIẢ ĐỊNH

m, V, T, p

m1, V, T, p1

m2, V, T, p2 H. 3.1. Hỗn hợp khí lý thưởng

1) Thể tích của khí thành phần trong HHKLT bằng thể tích của bình chứa.

V1 = V2 = V3 = ...... = V (3.4)2) Nhiệt độ của khí thành phần bằng nhiệt độ của HHKLT.

T1 = T2 = T3 = ...... = T (3.5)

3) Phân áp suất (p i) - là áp suất của khí thành phần. Tổng phân áp suất củacác khí thành phần bằng áp suất của HHKLT.

p 1 + p 2 + p 3 + ...... p n = p (3.6) 4) HHKLT cũng ứng xử như là một khí lý tưởng, tức là các khí thành phần và

HHKLT đều tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng : p

1 . V

1 = m

1 . R

1 . T

1 p

1 . V = m

1 .R

1 . T

p2 . V2 = m2 . R 2 . T2 p2 . V = m2 .R 2 . T ........................................................................ (3.7)

p i . V i = m i . R i . T i p i . V = m i .R i . T p . V = m . R . T

1 2 3

1

.....

n

n i

i

m m m m m m

(3.8)

5) Phân thể tích ( V 'i ) - là thể tích của khí thành phần ở điều kiện nhiệt độ vàáp suất bằng nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp.

'

i i i p V m R T (3.9)

Thế m i . R i . Th = p i . Vh từ (3.7) ta có :'

i i p V p V (3.10)

' i

i

pV V

p (3.10a)

và'

1

ni

i

i

pV V

p (3.10b)


16/64


16

3.3.2. CÁC LOẠI THÀNH PHẦN CỦA HỖN HỢP KHÍ1) Thành phần khối lượng (gi)

i

i

m g

m (3.11a)

g1 + g2 + g3 + .... + gn = 1

hoặc 11

n

i

i g (3.11b)

2) Thành phần thể tích (ri)'

i

i

V r

V (3.12a)

Từ định nghĩa phân thể tích ta có :

' 1

1 1

n

in n

i i

i

i i

V p p V

V V p p

11

n

i

ir (3.12b)

3) Thành phần mole (ri)

i

i

N

r N

(3.13a)

i

ii

m N

;

1

n

i

i

N N

11

n

i

ir (3.13b)

Ghi chú : 1) Thành phần thể tích và thành phần mole có trị số bằng nhau. 2) Mối quan hệ giữa các loại thành phần

n

ii

iiiii

r

r r g

1

(3.14)

n

i

i

i

i

i

i

i g

g

g r

1

(3.15)


17/64


17

3.3.3. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG CỦA HHK LTKhi tính toán với HHKLT, người ta xem HHKLT như là một chất khí tương

đương và sử dụng các biểu thức như đối với chất khí đơn. Bởi vậy, cần phải xácđịnh được các đại lượng tương đương của HHKLT.

1) Phân tử lượng tương đương ()

1

1

n

i

i g

1

1

ni

i

i

r

1

n

i i

i

r

(3.16a)

hoặc

1 1 1

1

n n n

i i

i

i i ii i

m m m

m m N N

m

1

1

n

i

i i

g

(3.16b)

2) Hằng số chất khí tương đương (R)

Xác định theo phân tử lượng tương đương : 8314

R

(3.17a)

Xác định theo thành phần và hằng số chất khí thành phần :

i i

i

m R T p

V

,m R T

pV

Vì1

n

i

i p p

nên

1 1

n n

i ii

i i

m R T m R T pV V

(3.17b)

Nhân 2 vế phương trình (4.17 b) vớiV

T m , ta có :

n

i

i

i R R

m

m

1

1

n

i i

i

R g R

(3.17c)

3) Nhiệt dung riêng tương đương Muốn nâng nhiệt độ của HHKLT lên 1 độ cần phải nâng nhiệt độ của từng

chất khí thành phần lên 1 độ. Vì vậy : m. c = m1.c1 + m2.c2 + .... + mn.cn (3.18a)

c = g1.c1 + g2.c2 + ... + gn.cn = n

ii c g 1

(3.18b)

Tùy theo đặc điểm quá trình cấp nhiệt ta có :

n

pii p c g c1

(3.19c)

n

viiv c g c1

(3.19d)


18/64


18

Lập luận tương tự ta có :

n

ii cr c

1

''

(3.19e)

n

ii cr c

1

(3.19f)

4) Thể tích riêng và khối lượng riêng tương đương (v, )(v và được xác định ở nhiệt độ T và áp suất p)

'

11

1

nn

i

i n

ii i i

i i

mV

mV v

m m m m

1

n

i

i i

g v

(3.20)

1

v

(3.21a)

hoặc

'

1 1

n n

i i i

h i i

m V m

V V V

1

n

i i

i

r

(3.21b)

5) Phân áp suất (pi )

i i i i ii

m R T N R T p

V V

;

m R T N R T p

V V

Chia từng về hai phương trình trên :i i i i p N R

p N R

Vì 8314i i R R [J/ kmol.deg], nên

i ii

p N r

p N i i p r p (3.22)

3.3.4. QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP KHÍ Có thể tạo ra hỗn hợp khí bằng 3 cách :

NỘI DUNG ÔN TẬP 1) Định nghĩa khí lý tưởng và HHKLT. Phân tích và cho ví dụ về ý nghĩa của

việc nghiên cứu khí lý tưởng và HHKLT.

2) Thiết lập các phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Phân tích và cho ví dụ

về ý nghĩa của phương trình trạng thái của khí lý tưởng .

3) Khái niệm phân áp suất (pi) và phân thể tích (Vi').4) Các loại thành phần của HHKLT và mối quan hệ giữa chúng. 5) Phương pháp xác định các đại lượng nhiệt động tương đương của HHKLT.


19/64


19

BÀI TẬP Bài tập 3.1 : Không khí khô có thành phần khối lượng là g N2 = 76,8 % và gO2

= 23,2 % và áp suất p = 760 mmHg. Xác định thành phần thể tích (r i), hằng số chất

khí (R k ), khối lượng phân tử của không khí (k ), phân áp suất của N2 và O2 . Coi N2,O2 và không khí là khí lý tưởng.

Bài tập 3.2 : Một bóng đèn điện có thể tích phần hình cầu VA = 90 cm3, phần

hình trụ VB = 15 cm3 (HBT. 3.2). Trong bóng đèn chứa khí N2. Độ chân không trong

bóng đèn khi nhiệt độ trung bình t1 = 250C và áp suất khí trời p0 = 760 mmHg là pck

= 200 mmHg. Khi đóng điện và đạt đến chế độ ổn định thì phần hình cầu của đèn có

nhiệt độ t2A = 1600C, còn phần hình trụ có nhiệt độ t2B = 70

0C.

Coi N2 là khí lý tưởng. Tính áp suất trong bóng đèn ở chế độ ổn định p2 .

A

V1

B

V2

VA

TA2

VB

TB2

HBT. 3.2 HBT. 3.3

Bài tập 3.3 : Trong một bình chứa hai chất khí lý tưởng A và B được ngăn

cách bởi một tấm chắn (HBT. 3.3). Khí A có phân tử lượng A = 28, thể tích V1 =0,5 m3 và khối lượng mA = 1,44 kg ; khí B có phân tử lượng B = 2, thể tích V2 =

0,25 m3 và khối lượng mB = 0,464 kg. Chất khí B có thể đi qua tấm chắn còn chấtkhí A không qua được. Sau khi bỏ tấm chắn, hai chất khí hòa trộn với nhau và cónhiệt độ t = 300 0C.

1) Tính áp suất của mỗi chất khí trước khi bỏ tấm chắn (pA, pB).2) Tính áp suất trong bình sau khi bỏ tấm chắn (p).


20/64


20

Chủ đề 4

NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG

4.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI Nhiệt dung (C) của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vậttỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0.

dt

dQC [J/deg]

Nhiệt dung riêng (NDR - c) - còn gọi là t ỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp

hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0.

dt

dqc [J/kg.deg]

a) Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất

Nhiệt dung riêng khối lượng : C

cm

[J/kg .deg] (4.1a)

Nhiệt dung riêng thể tích : tc

V

C c

'

[J/m3t c .deg] (4.1b)

Nhiệt dung riêng mol : M

C c

[J/kmol .deg] (4.1c)

b) Mối quan hệ giữa c, c' và c

c

vcctc

'

;4,22

' c

v

cc

tc

(4.2)

c) Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động NDR đẳng tích : cv , c'v , c . NDR đẳng áp : c p , c' p , c .

d) Công thức Mayec p - cv = R (4.3a)

c p - cv = R = 8314 [J/kmol. deg] (4.3b)

e) Chỉ số đoạn nhiệt

v

p

c

ck (4.4)

Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ. Đối với khí lýtưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí.


21/64


21

g) Quan hệ giữa c, k và RTừ (4.3) và (4.4) ta có :

Rk

cv

1

1 ; R

k

k c p

1 (4.5)

h) Nhiệt dung riêng của khí thực NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và

quá trình nhiệt động.Trong phạm vi áp suất thông dụng, ảnh hưởng của áp suất đến NDR là rất

nhỏ và thường được bỏ qua. Bởi vậy, có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm củanhiệt độ như sau :

c = a0 + a1. t + a2. t2 + ..... + an. t

n

Trong tính toán kỹ thuật, NDR thường được xem như là một hàm bậc nhất

của nhiệt độ : c = a0 + a1. t

NDR của một số chất khí thông dụng thường được xác định bằng thựcnghiệm trong một khoảng nhiệt độ xác định. Ví dụ :

NDR trung bình của N2 trong khoảng nhiệt độ 00C 1500 0C :

t cv

00008855,07272,0|15000 [J/kg.deg]

t c p 00008855,00240,1|1500

0 [J/kg.deg]

NDR trung bình của không khí trong khoảng nhiệt độ 00

C 15000

C :t c

v 00009299,07088,0|15000 [J/kg.deg]

t c p

00009299,09956,0|1500

0 [J/kg.deg]

i) Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc

vào nhiệt độ và áp suất.

Bảng 4-1. Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng

Loại khí k c v [kJ/kmol. deg] c p [kJ/kmol. deg]

K hí 1 nguyên tử 1,6 12,6 20,9

Khí 2 nguyên tử (O2, N2, ...) 1,4 20,9 29,3

Khí nhiều nguyên tử (CO2, H2O, ...) 1,3 29,3 37,4

j) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí

n

i

ii c g c1

;

n

i

ii cr c1

''

;

n

i

ii cr c

1

(4.6)


22/64


22

4.2. TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH a) Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 t2 khi biết NDR

trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 t : NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 t :

0 0 1|

t

c a a t (4.7)

Theo định nghĩa NDR :dq

cdt

Nhiệt năng được trao đổi trong quá trình 1 - 2 :

2

2 2

1 1

1

2 1| |

t

t t

t t

t

q c dt c t t (4.8a)

Mặt khác có thể viết :

00 10200012122

1

t ct cqqqt t t t t

t

1020

12

t ct ct t

(4.8b)

Từ (4.8a) và (4.8b) ta có :

2 1

2

1

2 10 0

0 1 2 1

2 1

t t

t

t

c t c t

c a a t t

t t

(4.9)

b) Tính nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biếtNDR thực c = a0 + a1.t :

12

2

12

1 t t

dt c

c

t

t t

t

=12

2

1

110

2

2

120

22

t t

t at a

t at a

2

12

10

2

1

t t aac

t

t

(4.10)


23/64


23


1) Định nghĩa nhiệt dung và NDR, ý nghĩa của việc nghiên cứu NDR.

2) Phân loại nhiệt dung riêng (NDR).3) NDR của khí thực và NDR của khí lý tưởng.

4)

Lập công thức xác định NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t .

5) Lập công thức xác định NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 t2 khi biết NDR thực .

BÀI TẬP Bài tập 4.1 : Nhiệt dung riêng trung bình đẳng tích và đẳng áp của khí N 2

trong khoảng nhiệt độ 0 0C 1500 0C được biểu diễn bằng các biểu thức sau :

0|

t

vc

= 0,7272 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg]0|t

pc = 1,0240 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg]

Xác định NDR trung bình đẳng tích 800200|vc và đẳng áp 800200| pc của N2 trong khoảng nhiệt độ từ t1 = 200

0C đến t2 = 8000C.

Bài tập 4.2 : Một bình kín chứa m = 1,05 kg không khí (k = 28,9) với nhiệt

độ t1 = 200C. Sau khi cấp lượng nhiệt Q, nhiệt độ của không khí tăng lên t2 = 120

0C

1) Tính Q trong trường hợp nhiệt dung riêng cv = 20,9 kJ/kmol.deg.2) Tính Q trong trường hợp nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ : 1500

0| 0,7088 0,00009299vc t [kJ/kg.deg]

3) Tính sai số tương đối trong hai trường hợp trên.

Bài tập 4.3 : Xác định NDR khối lượng 13000| pc , thể tích 13000|' pc và mol

13000| pc đẳng áp trong khoảng nhiệt độ 0 0C 1300 0C của hỗn hợp khí có các

thành phần thể tích như sau :%8

2

CO

r

;%85

2

N

r

;%7

2

H

r

. 329,51

1300

02

CO pc kJ/kmol. deg

946,311300

02

N pc kJ/kmol. deg

292,301300

02

H pc kJ/kmol. deg


24/64


24

Chủ đề 5

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 1

5.1. HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động (HNĐ) là vật hoặc vùng không gian được tách riêng ra đểnghiên cứu chúng về phương diện nhiệt động học. Tất cả những vật ngoài HNĐđược gọi là môi trường xung quanh. Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách HNĐ vàmôi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.

Phân loại hệ nhiệt động : Hệ nhiệt động kín - HNĐ không có sự trao đổi vật chất với môi trường xung

quanh.

Hệ nhiệt động hở - HNĐ có sự trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.

Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung

quanh.

Rigid

vessel

System

boundaries

Water

vapor

Liquid

water

Cylinder

System

boundariesGases

Piston

Electrical

power in

Water

pump

a) b)

c)

H. 5.1. Hê nhiệt động

a) HNĐ kín với thể tích không đổi; b) HNĐ kín với thể tích thay đổi; c) HNĐ hở


25/64


25

5.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 1 CHO HỆ NHIỆT ĐỘNG KÍN Định luật nhiệt động 1 là trường hợp riêng của định luật bảo toàn và biến hóa

năng lượng áp dụng cho hệ nhiệt động.

Năng lượng toàn phần của HNĐ kín :E = E P + E K + U + E C + E A

Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho HNĐ kín khi thay đổi từtrạng thái 1 đến trạng thái 2 :

E1

Q

W

Tr¹ ng th¸ i 1 Tr¹ ng th¸ i 2

E2

H. 5.2. Bảo toàn năng lượng cho HNĐ kín

E 1 + Q1-2 - W1-2 = E 2 (5.1a)

hoặc Q = W + U +E p + Ek + Ec +EA (5.1b)

trong đó : E 1 - năng lượng toàn phần ở trạng thái 1; E 2 - năng lượng toàn phần ởtrạng thái 2 ; Q1-2 - lượng nhiệt cấp cho HNĐ; W1-2 - công do HNĐ thực hiện; U -lượng thay đổi nội năng ; E p - lượng thay đổi thế năng ; Ek - lượng thay đổi độngnăng ; Ec - lượng thay đổi hóa năng ; EA - lượng thay đổi nguyên tử năng.

Các phương trình định luật nhiệt động 1 áp dụng cho HNĐ kín : Trong quá trình nghiên cứu HNĐ, nếu không có các phản ứng hóa học và

phản ứng hạt nhân thì : Ec = 0 , EA = 0. Đối với HNĐ kín, sự biến đổi thế năng vàđộng năng thường rất nhỏ so với các dạng năng lượng khác, nên có thể xem E p =

E p2 - E p1 = 0 và Ẹk = Ek2 - Ek1 = 0. K hi đó phương trình (5.1 b) có thể viết dưới cácdạng như sau :

Q1-2 = U + W1-2 (5.2a)

q1-2 = u + w1-2 (5.2b)

dq = du + dw (5.2c)

Phát biểu định luật nhiệt động 1 : Nhiệt năng cấp cho HNĐ được biến đổi một phần thành cơ năng, phần còn lại

làm thay đổi nội năng của hệ.


26/64


26

5.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 1 CHO HỆ NHIỆT ĐỘNG HỞ

mout

min

m1 m2

Initial State Final StateDuring Process

m in enters system

m out exits system

H. 5.3. Bảo toàn khối lượng cho HNĐ hở

5.3.1. NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG Nguyên lý bảo toàn khối lượng áp dụng cho HNĐ hở :

m 1 + m in - m out = m 2 (5.11a)

hoặc tính theo lưu lượng :

dt

dmmm out in

**

(5.11b)

trong đó : inm*

- lưu lượng môi chất đi vào HNĐ, [kg/s] ; out m*

- lưu lượng môi chất

đi ra khỏi HNĐ, [kg/s] ; dm / dt - tốc độ thay đổi lượng môi chất trong HNĐ, [kg/s].

Biểu diễn phương trình (5.11) theo thông số trạng thái của môi chất : Xét phần tử môi chất chuyển động qua tiết diện lưu thông A với vận tốc

theo phương vuông góc với bề mặt ranh giới của HNĐ. Lưu lượng môi chất sẽ là :

A

H. 5.4

* Am A

v

dt

dm

v

A

v

A

out

out out

in

inin

(5.11c)

hoặcdt

dm A A out out out ininin (5.11d)


27/64


27

Phương trình lưu động ổn định : Trường hợp môi chất lưu động trong điều kiện các thông số trạng thái không

đổi theo thời gian được gọi là lưu động ổn định. K hi đó dm/dt = 0 và phương trình

(5.11c) và (5.11d) có dạng :

out

out out

in

inin

v

A

v

A

(5.11e)

out out out ininin A A (5.11f)

5.3.2. CÔNG CƠ HỌC VÀ CÔNG LƯU ĐỘNG Năng lượng đẩy phần tử môi chất vào HNĐ : Khi được đẩy vào HNĐ, phần tử môi chất di chuyển một đoạn l in. Năng

lượng đẩy phần tử môi chất vào HNĐ sẽ bằng :

WFin = F in . l in = p in . A in . l in = p in . V in trong đó : Fin - lực đẩy phần tử môi chất từ ngoài vào trong HNĐ, l in - đoạn đườngmà phần tử môi chất dịch chuyển, pin - áp suất, Ain - tiết diện lưu thông, V in - thể

tích của phần tử môi chất.

Năng lượng đẩy phần tử môi chất ra khỏi HNĐ : WFout = p out . V out

Công thực hiện ở HNĐ hở : Công thực hiện trong quá trình nhiệt động ở HNĐ hở có thể biểu diễn như

sau :

W' = W + p out . V out - p in . V in (5.12)

trong đó : W' - tổng số công thực hiện, W - công cơ học liên quan đến sự dịch

chuyển của ranh giới của HNĐ, pin.Vin và pout. Vout - năng lượng đẩy.

l in

F in

Surroundings

l outF out

Surroundings

System

H. 5.5. Năng lượng đẩy phần tử MCCT vào và ra khỏi HNĐ


28/64


28

5.3.3. PHƯƠNG TRÌNH ĐLNĐ 1 CHO HNĐ HỞ

mout

min

E1 E2

Initial State Final StateDuring Process

m in enters system with energy Ein

m out exits system with energy Eout

Q

W

H. 5.6 . Bảo toàn năng lượng cho HNĐ hở

Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho HNĐ hở khi thay đổi từtrạng thái 1 đến trạng thái 2 : E1 + Ein + Q = E2 + Eout +W' (5.13a)

hoặc Q - W' = E2 - E1 + Eout + Ein (5.13b)

Thay W' từ (5.12) và E vào (5.13b) :Q - (W + p out . V out - p in . V in) = E out - E in + E 2 - E 1 (5.13c)

Q - (W + p out . V out - p in . V in) = (E p.out + Ek.out + Uout) -

(E p.in + Ek.in + Uin) + E 2 - E 1 (5.13d)

Enthalpy :Đặt U + p.V = I . I là một hàm của các thông số trạng thái và được gọi là

Enthalpy.

Phương trình tổng quát của định luật nhiệt động 1 cho HNĐ hở : Thay Iin = Uin + pin.Vin và Iout = Uout + pout.Vout vào (5.13d) ta có :

Q - W = I out - I in + E P out - E P in + E K out - E K in + E 2 - E 1 (5.14)

Phương trình định luật nhiệt động 1 cho lưu động ổn định :

Khi lưu động ổn định thì min = mout = m và E 2 = E 1. Thay E p = m.g.z và2

2k E m

cùng các điều kiện lưu động ổn định vào (5.14) ta có :

2 2

2

out in

out in out inQ W I I m m g z z

(5.15a)

hoặc

2 2

w2

out in

out in out inq i i g z z

(5.15b)


29/64


29

hoặc

2 2

* * * * *

w ( )2

out in

out in out inm q m m i i m m g z z

2 2* * * * *

( )2

out in

out in out inQ W m i i m m g z z

(5.15c)


1) Phân loại, định nghĩa và cho các ví dụ thực tế về mỗi loại HNĐ được nghiêncứu trong các thiết bị nhiệt thông dụng.

2) Phát biểu và viết các phương trình định luật nhiệt động 1 áp dụng cho hệ nhiệtđộng kín ?

3) Thiết lập phương trình lưu động ổn định. Cho các ví dụ về thiết bị nhiệt hoạtđộng với MCCT lưu động ổn định.

4)

Phương trình định luật nhiệt động 1 áp dụng cho HNĐ hở với lưu động ổn định. 5) Trình bày 3 ÷ 5 ví dụ ứng dụng thực tế của định luật nhiệt động 1.

BÀI TẬP Bài tập 5.1 : Một bình kín chứa lượng không khí m = 2 kg được đốt nóng

bằng nhiệt lượng Q = 5 kJ. Nội năng của không khí trong khoảng nhiệt độ đang xétđược biểu diễn bằng biểu thức : u - u0 = 0,171. (t - t0) trong đó : u - nội năng ứng với một kg không khí ở nhiệt độ t (0C), [kJ/kg]; u0 - nộinăng ứng với 1 kg không khí ở nhiệt độ so sánh t0 (

0C), [kJ/kg].Xác định sự thay đổi nhiệt độ của không khí (t = t2 - t1).

Bài tập 5.2 : Khí được nén trong xylanh từ áp suất p1 = 10 bar, thể tích V1 =40 m3 đến áp suất p2 = 20 bar. Trong quá trình nén, tích (p. V) = const. Xác địnhcông tiêu hao cho quá trình nén (W1-2) và nhiệt năng trao đổi (Q1-2) nếu nội năng củakhí không thay đổi.

Bài tập 5.3 :

d 2 = 30 mm

d 1

p 2 = 0,08 bar

p 1 = 0,06 bar

1 = 3 m/s

v 1 = v 2 = 0,001 m3/kg

d 1 = 40 mm

d 2

2

1

h = 8 m

HBT. 5.3

Xác định công suất của bơmnước với các thông số chotrên HBT. 5.1. Bỏ qua ảnhhưởng của ma sát, sự truyền

nhiệt và thay đổi nội năngcủa nước.


30/64


30

Chủ đề 6

CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢNCỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

6.1. KHÁI NIỆMQuá trình nhiệt động - quá trình biến đổi trạng thái của HNĐ. Trong quá trình

nhiệt động phải có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi. Điều kiện để có sự thay

đổi trạng thái nhiệt động là có sự trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường xung

quanh.

Quá trình nhiệt động cơ bản - quá trình nhiệt động, trong đó có ít nhất mộtthông số trạng thái hoặc thông số nhiệt động của MCCT không thay đổi.

Quá trình cân bằng - quá trình trong đó MCCT biến đổi qua các thông sốtrạng thái cân bằng. Quá trình cân bằng được biểu diễn bằng một đường cong trêncác hệ trục tọa độ trạng thái, trong đó các trục thể hiện các thông số trạng thái độclập.

Quá trình thuận nghịch - là quá trình cân bằng và có thể biến đổi ngược lại

để trở về trạng thái ban đầu mà HNĐ và môi trường xung quanh không có sự thayđổi gì. Ngược lại, khi các điều kiện trên không đạt được thì đó là quá trình khôngthuận nghịch. Mọi quá trình thực trong tự nhiên đều là những quá trình không thuận

nghịch. Trong kỹ thuật, nếu muốn một quá trình được thực hiện càng gần với quátrình thuận nghịch thì càng có lợi về công và nhiệt

Biểu diễn quá trình nhiệt động - quá trình nhiệt động thường được biểu diễntrên các hệ trục tọa độ, trong đó trục tung và trục hoành thể hiện độ lớn của 2 thông

số trạng thái. Việc chọn thông số trạng thái nào trên trục tung và trục hoành phụthuộc vào mục đích nghiên cứu.

Đồ thị công là đồ thị biểu diễn quá trình nhiệt động trên hệ trục tọa độ p -V (H. 6.1). Trên đồ thị công, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá

trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiệncông được thực hiện trong quá trình.

Công không phải là thông số trạng thái của HNĐ. Công phụ thuộc vào đường

đi của quá trình. Qui ước : công do HNĐ sinh ra mang dấu (+), công do môi trườngtác dụng lên HNĐ mang dấu (-).

Đồ thị nhiệt là đồ thị biểu diễn quá trình nhiệt động trên hệ trục tọa độ T -S (H. 6.2). Trên đồ thị nhiệt, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quátrình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện

nhiệt lượng tham gia trong quá trình.


31/64


31

Nhiệt năng không phải là thông số trạng thái của HNĐ. Lượng nhiệt cấp choHNĐ phụ thuộc vào đường đi của quá trình.

Qui ước : Nhiệt truyền vào HNĐ mang dấu (+), nhiệt do HNĐ nhả ra mangdấu (-).

2

1

W out (+)

p

V

W1-2

2

1

W in (-)

p

V

W1-2

H. 6.1. Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị công

T

S

2

1

Q1-2

Q in (+)

T

S

1

2Q1-2

Q out (-)

H. 6.2. Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị nhiệt

6.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1) Định nghĩa 2) Phương trình trạng thái biểu diễn quá trình

3) Mối quan hệ giữa các thông số trạng thái ở đầu và cuối4) Lượng thay đổi nội năng ( u)

Đối với khí lý tưởng : dT cdu v

5) Nhiệt năng tham gia quá trình (q1-2)

Tính nhiệt năng theo nhiệt dung riêng :

12212

1

2

1| t t cdt cq

t

t

t

t

Tính nhiệt năng theo định luật nhiệt động 1 :q1-2 = u + w1-2

Tính nhiệt năng theo sự thay đổi entropy :


32/64


32

2

1

21

s

s

dsT q

6) Công dãn nở (w1-2) Tính công dãn nở theo định nghĩa :

2

1

21

v

v

dv pw

Tính theo định luật nhiệt động 1 :

w1-2 = q1-2 - u

7) Công kỹ thuật (wT1-2)

2

1

21

p

p

T dpvw

8) Lượng thay đổi enthalpy ( i)Đối với khí lý tưởng : di = c p . dT

9) Lượng thay đổi entropy ( s)

T

dqds

10) Biểu diễn trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

6.3. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 6.3.1. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH 1) Định nghĩaQuá trình đẳng tích là quá trình diễn ra trong điều kiện thể tích của MCCT

không đổi.

2) Phương trình trạng thái

p. v = R. T v

R

T

p const

T

p (6.1a)

3) Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối

2

2

1

1

T

p

T

p hoặc

2

1

2

1

T

T

p

p (6.1b)

4) Lượng thay đổi nội năngu = c v . (T 2 - T 1) (6.1c)

5) Nhiệt lượng tham gia quá trìnhq1-2 = c v . (T 2 - T 1) = u (6.1d)

6) Công dãn nở

w1-2 = 0 (6.1e)


33/64


33

7) Công kỹ thuật wT1-2 = v. (p2 - p1) (6.1f)

8) Lượng thay đổi enthalpy i = c p . (T 2 - T 1) (6.1g)

9) Lượng thay đổi entropy

T

dT c

T

dqds v

1

2

1

2lnln

p

pc

T

T c s vv (6.1h)

10) Đồ thị công và đồ thị nhiệt của quá trình đẳng tích

T

T1

T2

2

1

p = const

s1p

1 p

s1 s2 sv

p

T1

T2

2

1

p2

v1 = v2

p1

q1-2 = s1-1-2-s2-s1

u = q1-2 i = s1p-1 p-2-s2-s1p

s = s2 - s1

H. 6.3. Quá trình đẳng tích trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

6.3.2. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP 1) Định nghĩaQuá trình đẳng áp là quá trình diễn ra trong điều kiện áp suất của MCCT

không đổi. 2) Phương trình trạng thái

p. v = R. T p

R

T

v const

T

v (6.2a)


1 2

1 2

v v

T T hoặc1 1

2 2

v T

v T (6.2b)

4) Lượng thay đổi nội năngu = c v . (T 2 - T 1) (6.2c)

5) Nhiệt lượng tham gia quá trình q1-2 = u + w = cv (T2 - T1) + p(v2 - v1) (6.2d)

6) Công dãn nở dw = p. dv w1-2 = p(v2 - v1) (6.2e)

7) Công kỹ thuậtw

T1-2 = 0 (6.2f)


34/64


34

8) Lượng thay đổi enthalpyi = c p . (T 2 - T 1) (6.2g)


pc dT dqds

T T

2 2

1 1

ln ln p p

T v s c c

T v (6.2h)

10) Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

v

p

T1 T2

21 p1 = p2

w1-2

v2v1

w1-2 = v1-1-2-v2-v1

q1-2 = s1-1-2-s2-s1

u = s1v-1v-2-s2-s1v

i = s1-1-2-s2-s1

s = s2 - s1

T

T1

T2

2

1

v = const

s1

1v

s2 ss1v

H. 6.4. Quá trình đẳng áp trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

Ghi chú : Từ quan hệT

dT cds

v

vàT

dT cds

p

ta suy ra

p pvv c

T

ds

dT

c

T

ds

dT

vì c p > cv . Như vậy đường cong đẳng tích sẽ dốc hơn

đường cong đẳng áp trên đồ thị T -s.6.3.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT 1) Định nghĩa Quá trình đẳng nhiệt là quá trình diễn ra trong điều kiện nhiệt độ của MCCT

không đổi.

2) Phương trình trạng thái p. v = R. T pv = const (6.3a)


2 1

1 2

p v

p v (6.3b)

4) Lượng thay đổi nội năngu = 0 (6.3c)

5) Công dãn nở

2

1

1

2

21 lnln

p

pT R

v

vT Rw (6.3d)


35/64


35

6) Công kỹ thuậtwT1-2 = w1-2 (6.3e)

7) Nhiệt lượng tham gia quá trình q1-2 = u + w1-2 = w1-2 (6.3f)

8) Lượng thay đổi enthalpy i = 0 (6.3g)


2

1

1

2 lnln p

p R

v

v R s (6.3h)

10) Biểu diễn quá trình đẳng nhiệt trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

v

p

2

1

p2

v1

p1

v2

w1-2

T

T1 = T2 21

p1

q1-2

s1

v1 v2

s2 s

H. 6.5. Quá trình đẳng nhiệt trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

6.3.4. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT 1) Định nghĩaQuá trình đoạn nhiệt - còn gọi là quá trình đẳng entropy - là quá trình diễn ra

trong điều kiện không có trao đổi nhiệt giữa HNĐ và môi trường xung quanh.

2) Phương trình trạng thái :

onstk pv c (6.4a)


2 1

1 2

k

p v

p v

;

1

2 1

1 2

k v p

v p

;

11

2 2 1

1 1 2

k k

k T p v

T p v

(6.4b)

4) Lượng thay đổi nội năng :u = cv .(T2 - T1) (6.4c)

5) Nhiệt lượng tham gia quá trình q1-2 = 0 (6.4d)


36/64


36

6) Công dãn nở

1

2

111

1

1

211

2121 1

11

11

k k

k

v

v

k

v p

p

p

k

v pT T

k

Rw (6.4e)

7) Công kỹ thuậtwT1-2 = k. w1-2 (6.f)

8) Lượng thay đổi enthalpy i = c p. (T2 - T1) (6.4g)


0dq

dsT

; s = 0 ; s1 = s2 (6.4h)

10) Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

v

p

T2

T1

1

2

p1

v2

p2

v1

w1-2

s

T

T1

T2

1

2 p2

s1 = s2

p1

H. 6.6 . Quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công và đồ thị nhiệt

6.3.5. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1) Định nghĩaQuá trình đa biến là quá trình diễn ra trong điều kiện nhiệt dung riêng của

MCCT không thay đổi (cn = const).

2) Phương trình trạng thái

Từ phương trình định luật 1 đối với khí lý tưởng và định nghĩa quá trình đa biến ta có :

dq = cv. dT + p. dv = cn. dT (cn - cv) dT = p. dv

dq = c p. dT - v. dp = cn. dT (cn - c p) dT = - v. dp

Chia 2 vế :dv p

dpv

cc

cc

vn

pn

Ký hiệu : vn

pn

cc

ccn


37/64


37

Vì cn, c p, cv đều là hằng số nên n = const và :

dv p

dpvn

n. p. dv + v. dp = 0

0 p

dp

v

dvn

Lấy tích phân phương trình trên : lnvn + lnp = const

onstn

pv c (6.5a)

trong đó n là chỉ số đa biến.

Nhận xét

Quá trình đa biến là quá trình tổng quát với số mũ đa biến n = ( -) (+)

và nhiệt dung riêng1

n v

n k c c

n

. Các quá trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng

nhiệt và đoạn nhiệt là những trường hợp đặc biệt của quá trình đa biến. Khi n = là quá trình đẳng tích với nhiệt dung riêng cv. Khi n = 0 là quá trình đẳng áp với c p.

Khi n =1 là quá trình đẳng nhiệt với cT = . Khi n = k là quá trình đoạn nhiệt với ck = 0.

3) Mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối

2 1

1 2

n

p v

p v

;

1

2 1

1 2

nv p

v p

;

11

2 2 1

1 1 2

nn

nT p v

T p v

(6.5b)

4) Lượng thay đổi nội năngu = cv .(T2 - T1) (6.5c)

5) Nhiệt lượng tham gia quá trình

2 11

v

n k q c T T

n

(6.5d)

6) Công dãn nở

21211

T T n Rw

=

1

1 1 2

1

p 11

n

n

v p

n p

=

1

1 1 1

2

p1

1

n

v v

n v

=

n

n

p

pT R

n

1

1

2

1 1

1

1

(6.5e)

7) Công kỹ thuậtwT1-2 = n . w1-2 (6.5f)


38/64


38

8) Lượng thay đổi enthalpy i = c p. (T2 - T1) (6.5g)


T

dT c

T

dqds n

1

2ln

T

T c s n (6.5h)

10) Biểu diễn quá trình đa biến nhiệt trên đồ thị công và đồ thị nhiệtQuá trình đa biến 1-2 bất kỳ với n = (- ) (+ ) được biểu diễn trên đồ thị

công và đồ thị nhiệt trên H. 6.7.Dấu của công w, nhiệt q và độ biến đổi nội năng u có đặc điểm như sau : Khi thể tích tăng thì công mang dấu (+) và ngược lại. Như vậy, w > 0

khi quá trình diễn ra ở bên phải đường đẳng tích và ngược lại. Khi entropi tăng thì nhiệt tham gia quá trình sẽ mang dấu (+) và ngược

lại. Như vậy, q > 0 khi quá trình diễn ra ở bên phải đường đoạn nhiệt và ngược lại.

Khi nhiệt độ tăng thì biến đổi nội năng mang dấu dương và ngược lại.

Như vậy, u > 0 khi quá trình diễn ra phía trên đường đẳng nhiệt và ngược lại.

p

1

V s

T

n =

n = 0

n = 1

n = k

u > 0

w > 0

q > 0 1

n =

n = 0

n = 1

n = k

u > 0

w > 0

q > 0

H. 6.7 . Quá trình đa biến trên đồ thị công và đồ thị nhiệt


1) Định nghĩa và cho ví dụ về ý nghĩa của việc nghiên cứu các quá trình nhiệt

động cơ bản của khí lý tưởng.

2)

Phương trình trạng thái của các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng. 3) Tính toán nhiệt các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng. 4) Biểu diễn quá trình đa biến trên đồ thị công và đồ thị nhiệt.

5) Biểu diễn các đại lượng Q1-2, W1-2, U, I, S trên đồ thị công và đồ thị nhiệt.

BÀI TẬP Bài tập 6.1 : Một bình kín có thể tích V = 0,12 m3 chứa oxy có áp suất tuyệt

đối p1 = 10 bar và nhiệt độ t1 = 500C. Sau khi được cấp nhiệt đẳng tích, nhiệt độ

tăng đến 150 0C. Xem oxy như là khí lý tưởng có phân tử lượng O2 = 32 kg/kmol ;


39/64


39

nhiệt dung riêng mole đẳng tích cv = 20,9 kJ/kmol.deg ; nhiệt dung riêng mole đẳng

áp c p = 29,3 kJ/kmol.deg.

1. Tính khối lượng oxy có trong bình (m) và áp suất ở trạng thái cuối (p2).2. Tính toán nhiệt quá trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, U, I, S).3. Biểu diễn quá trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt. 4. Biểu diễn trên đồ thị nhiệt các đại lượng : Q1-2, U, I, S.

Bài tập 6.2 : Hai kg không khí được đốt nóng trong điều kiện đẳng áp từ nhiệtđộ t1 = 20

0C, áp suất p1 = 2 bar đến nhiệt độ t2 = 1100C. Xem không khí như là khí

lý tưởng có phân tử lượng kk = 28,8 kg/kmol, nhiệt dung riêng mole đẳng tích cv =20,9 kJ/kmol. deg và nhiệt dung riêng mole đẳng áp c p = 29,3 kJ/kmol. deg.

1. Tính thể tích không khí ở thời điểm đầu (V1) và cuối quá trình (V2).2. Tính toán nhiệt quá trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, U, I, S).

3. Biểu diễn quá trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt. 4. Biểu diễn trên đồ thị công hoặc đồ thị nhiệt các đại lượng Q1-2, W1-2, U,

I, S.

Bài tập 6.3 : Có m = 12 kg không khí ở nhiệt độ t1 = 270C, áp suất tuyệt đối

p1 = 6 bar, tiến hành quá trình đẳng nhiệt đến thể tích bằng 4 lần thể tích ban đầu

(V2 = 4 V1). Xem không khí như là khí lý tưởng, có k = 28,9 ; cv = 20,9kJ/kmol.deg ; c p = 29,3 kJ/kmol.deg

1. Tính các thông số ở trạng thái cuối (V2, p2).

2. Tính toán nhiệt quá trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, U, I, S).3. Biểu diễn quá trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt.

4. Biểu diễn trên đồ thị công hoặc đồ thị nhiệt các đại lượng : W1-2, Q1-2, S.

Bài tập 6.4 : Không khí được nén đoạn nhiệt trong máy nén từ nhiệt độ t1 =15 0C, áp suất p1 = 1 at đến áp suất p2 = 8 at. Xem không khí như là khí lý tưởng, cók = 28,9 ; cv = 20,9 kJ/kmol.deg ; c p = 29,3 kJ/kmol.deg.

1. Tính nhiệt độ (t2) và thể tích riêng (v2) của không khí ở cuối quá trình nén. 2. Tính công tiêu thụ để nén 1 kg không khí. 3. Biểu diễn quá trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt.

Bài tập 6.5 : 1 kg không khí được nén đa biến (n = 1,2) trong máy nén từnhiệt độ t1 = 20

0C, áp suất p1 = 0,981 bar đến áp suất p2 = 7,845 bar. Xem khôngkhí như là khí lý tưởng, có k = 28,9 ; cv = 20,9 kJ/kmol.deg ; c p = 29,3kJ/kmol.deg.

1. Tính nhiệt độ của không khí sau khi nén (t2).2. Tính toán nhiệt quá trình (Q1-2, W1-2, WT1-2, U, I, S).3. Biểu diễn quá trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt. 4. Biểu diễn trên đồ thị công hoặc đồ thị nhiệt các đại lượng : w1-2, wT1-2, q1-2,

u, s.


40/64


40

Chủ đề 7

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NHIỆT

7.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 Định luật nhiệt động 1 thực chất là định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng

ứng dụng trong phạm vi nhiệt động học, nó đặc trưng về mặt số lượng của quá trình biến đổi năng lượng. Định luật nhiệt động 2 xác định điều kiện và mức độ biến đổi

nhiệt năng thành cơ năng, xác định chiều hướng tiến hành các quá trình xảy ra trongtự nhiên, nó đặc trưng về mặt chất lượng của những quá trình biến đổi năng lượng.

Phát biểu định luật nhiệt động 2 : Kevin-Planck statement applies to heat engines : It is impossible to

construct a cyclic engine that will take heat from a single reservoir and

produce an equal amount of work.

Clausius statement applies to heat pumps and refrigerators : It is

impossible to construct a cyclic device that will cause heat to be

transferred from a low-temperature reservoir to a high-temperature

reservoir without the input of work.

Just as the first law, the second law of thermodynamics is a naturallyobserved law and is not proven, so too these statements of the second law are not

proven. Rather, their validity rests on the fact that there has never been an

experiment with results that have contradicted them.

Fig. 7.1. Heat Engine Fig. 7.2. Heat pump or Refrigerator

High-temperature reservoir

Low-temperature reservoir

Heat engine

q in

q out

w out

High-temperature reservoir

Low-temperature reservoir

Heat pump

Refrigerator

q out

q in

w in


41/64


41

7.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NHIỆT Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và các

dạng năng lượng khác. Động cơ nhiệt và máy lạnh là hai nhóm thiết bị nhiệt thông dụng nhất hiện

nay. Động cơ nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ

diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Máylạnh có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn

nóng (ví dụ : khí quyển).

T

Qin

NH

B

Qout

Wout

a)

T

S

K

2

5

2 '

4

b)

1

3

25

2 '

4

1

3

Q

H. 7.3. Sơ đồ cấu tạo (a) và chu trình nhiệt động (b) của động cơ hơi nước

H- Nồi hơi, Q – Bộ quá nhiệt, T - Turbine, N – Thiết bị ngưng tụ, B – Bơm nước

LN

V

M

Qout Qin

Win

p = 6,52 at

t = + 65 0C

p = 6,52 at

t = + 25 0Cp = 1,52 at

t = - 20 0C

p = 1,52 at

t = + 10 0CT

S

K

1

2

3

5

4

a) b) H. 7.4. Sơ đồ cấu tạo (a) và chu trình nhiệt động (b) của máy lạnh

A- Máy nén, B- Thiết bị ngưng tụ (giàn nóng), C – Van tiết lưu, D - Thiết bị bay hơi (giàn lạnh)


42/64


42

Muốn biến đổi nhiệt năng (Q) thành công cơ học (W) trong các động cơ nhiệtta phải sử dụng MCCT và cho MCCT dãn nở. Để nhận được công liên tục, MCCT

phải dãn nở liên tục. Nhưng MCCT không thể dãn nở liên tục vì kích thước củađộng cơ có hạn. Trong thực tế, người ta đã giải quyết vấn đề này bằng cách nénMCCT đã dãn nở trở lại trạng thái ban đầu rồi lại cho MCCT dãn nở.

Chu trình nhiệt động bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động nối tiếp nhau,trong đó MCCT thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi trở lại trạng thái ban đầu.

Trên các đồ thị trạng thái, chu trình được tiến hành theo chiều kim đồng hồđược gọi là chu trình thuận chiều. Chu trình này được sử dụng để biến đổi nhiệtnăng thành cơ năng. Thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều gọi là động

cơ nhiệt (H. 7.3). Chu trình được tiến hành theo chiều ngược kim đồng hồ gọi là chu

trình ngược chiều. Để thực hiện chu trình ngược chiều phải tiêu hao năng lượng từ

bên ngoài (thông thường là cơ năng). Thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình ngược

chiều được gọi là máy lạnh (H. 7.4).

Để đánh giá hiệu quả kinh tế của chu trình nhiệt động của thiết bị nhiệt,người ta sử dụng đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt (), hệ số làm lạnh () và hệ sốbơm nhiệt () :

Hiệu suất nhiệt (thermal efficiency) của động cơ nhiệt :

in

out

ni

out in

q

q

q

qq

1

Hệ số làm lạnh (coefficient of performance) của máy lạnh :

in

in

w

q

Hệ số bơm nhiệt (coefficient of performance) của bơm nhiệt :

in

out

w

q

trong các công thức trên : q in - nhiệt lượng cấp cho MCCT trong 1 chu trình; qout -nhiệt lượng được nhả ra từ MCCT; w in - công từ bên ngoài tác dụng lên MCCT; wout

- công do MCCT sinh ra.


43/64


43

7.3. CHU TRÌNH CARNOT

H. 7.5. Chu trình CarnotChu trình Carnot thuận chiều được cấu thành từ các quá trình nhiệt động sau

đây :

1) Quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt (1-2);2) Quá trình dãn nở đoạn nhiệt (2-3);3) Quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt (3-4);

4) Quá trình nén đoạn nhiệt (4-1).

Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều :

1

2

1

21 1T

T

T

T T

q

qq

in

out in

Carnot

Nhận xét :

1) Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh mà không

phụ thuộc vào tính chất của MCCT.

2) Carnot tăng khi nhiệt độ của nguồn nóng tăng hoặc nhiệt độ của nguồn lạnhgiảm.

3) Carnot lớn hơn hiệu suất nhiệt của bất kỳ chu trình nhiệt động nào khác có

cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh.

1 q in (+)p

v

T1 T2

2

34

1T

s

2

34

T1 - High temperature reservoir

T2 - Low temperature reservoir

1-2 : Isothermal heat addition process

2-3 : Adiabatic expansion

3-4 : Isothermal heat rejection

4-1 : Adiabatic compression

q in q out

w out

T1

T2

s1 s1

T1 High temperature reservoir

T2 Low temperature reservoir

q out


44/64


44

7.4. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL Các giới hạn kỹ thuật đối với chu trình nhiệt động của động cơ đốt trong : 1) Nhiệt độ nguồn lạnh : Tmin = T0.2) Áp suất nguồn lạnh : pmin = p0.3) Độ bền nhiệt của vật liệu : Tmax ≤ 1 500

0C.

4) Độ bền cơ học của các chi tiết : pmax ≤ 150 bar.

T

Tmax

Tmina

cx

c' z

b

b''

s

p > pmax

pmin

p < pmin

p

a

bcx

z

b'' p0

VC VS

b'

V

H. 7.6. Chu trình nhiệt động của động cơ xăng

T

Tmax

Tmina

c

c' z

b

b''

s

p > pmax

pmin

p < pmin

p

a

b

cz

b'' p0

VC VS

b'

V

H. 7.7. Chu trình nhiệt động của động cơ diesel


1) Phát biểu định luật nhiệt động 2. 2)

Sơ đồ cấu tạo, chu trình nhiệt động và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ

nhiệt và máy lạnh thông dụng.

3) Chu trình Carnot.

4) Thiết lập chu trình nhiệt động của động của động cơ xăng trên cơ sở chu trìnhCarnot và các giới hạn kỹ thuật.

5) Thiết lập chu trình nhiệt động của động của động cơ diesel trên cơ sở chu trình

Carnot và các giới hạn kỹ thuật.


45/64


45

Chủ đề 8

HƠI NƯỚC

8

nhan_nhiet dong kythuat

Documents