Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 1: Một số khái niệm cơ bản. Phương trình trạng thái của chất khí - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 1: Một số khái niệm cơ bản. Phương trình trạng thái của chất khí - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ¾ Bộ môn: Công nghệ Nhiệt Lạnh –Khoa Cơ Khí ¾ Số tiếthọc: 42 tiết kéo dài trong 8 tuần -Tuần 1 Æ 4 : 5 chương đầu tiên -Tuần 4 : KIỂM TRA giữa học kỳ 20%20% -Tuần 5 Æ 8 : 5 chương cuối - THI CUỐI HỌC KỲ 80%80% p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Mục đích môn học ¾ Nắm vững những qui luật về biến đổi năng lượng (chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng) Æ nâng cao hiệu quả sự dụng năng lượng ¾ là môn cơ sở để nghiên cứu và thiết kế các loại máy nhiệt nói riêng và các hệ thống nhiệt động nói chung VD: -Các loại động cơ nhiệt: ĐC đốt trong, ĐC phản lực -HTĐHKK, Tủ lạnh -Cácthiếtbị sấy, lò hơi -Bơm, máy nén -Các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời, vv . p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Nội dung môn học ¾ Chương 1: Một số khái niệm cơ bản – Phương trình trạng thái của chất khí ¾ Chương 2: Định luật Nhiệt động thứ nhất (Nguyên lý bảotoànnăng lượng) ¾ Chương 3: Định luật Nhiệt động thứ hai ¾ Chương 4: Chất thuần khiết ¾ Chương 5: Mộtsố quá trình đặc biệt của khí và hơi ¾ Chương 6: Không khí ẩm ¾ Chương 7: Quá trình nén khí và hơi ¾ Chương 8: Chu trình thiết bị động lực hơi nước ¾ Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong ¾ Chương 10: Chu trình máy lạnh p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Tài liệu tham khảo 1. Hoàng đình Tín – Lê chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB Đại họcquốc gia Tp HCM, 2007. 2. Hoàng Đình Tín – Bùi Hải: Bài tập Nhiệt động lực học KT & truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2008. 3. Hoàng đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB Đại họcquốc gia Tp HCM, 2001. 4. Cengel, Y. A. – Boles, M. A., Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th Edition, McGraw-Hill’ publisher, 2006. p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM CHƯƠNG 1 (Phần1): Một số khái niệm cơ bản 1.1 Các vấn đề chung 1.2 Những khái niệm cơ bản 1.3 Thông số trạng thái của môi chất p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.1 Các vấn đề chung ™ Tất cả các bài toán về NHIỆT chung qui cũng chỉ nhằm: Xác định NĂNG LƯỢNG của hệ thống cũng như SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG trong hệ thống • VD1: m VD2: Bơm xe đạp nóng lên khi bơm p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.2 Những khái niệm cơ bản 1.2.1 Nhiệt lượng và công 1.2.2 Hệ nhiệt động 1.2.3 Máy nhiệt p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.2.1 Nhiệt lượng và công ¾ Nhiệt lượng: là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ - Qui ước: + Vật nhận nhiệt: Q (+) + Vật thải nhiệt: Q (-) ¾ Công: là lượng năng lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả năng dịch chuyển một vật nào đó. - Qui ước: + Vật sinh ra công: W (+) + Vật nhận công: W (-) Đơn vị đo: - Hệ SI: 1 J (jun) = 1N.m = 107 erg ; 1 cal (calo) = 4.18 J - Hệ khác: 1 Btu = 1055 J = 252 cal ; 1 Wh = 3.413 Btu p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Mechanical Equivalent of Heat Joule demonstrated that water can be heated by doing (mechanical) work, and showed that for every 4186 J of work done, the temperature of water rose by 1C0 per kg. p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.2.21.2.2 HHệệ nhinhiệệtt độđộngng - Hệ nhiệt động (HNĐ) khoảng không gian có chứa một lượng nhất định chất môi giới đang được khảo sát bằng các biện pháp nhiệt động. Chất môi giới ?? Nguồn nóng ?? Nguồn lạnh ?? Khi xem xét một Công và nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi trạng thái HNĐ cần chú ý: Bề mặt ranh giới ngăn cách giữa chất môi giới và môi trường ?? Ví dụ minh họa p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM MMộộtt ssốố víví ddụụ vvềề hhệệ nhinhiệệtt độđộngng (1)(1) p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM MMộộtt ssốố víví ddụụ vvềề hhệệ nhinhiệệtt độđộngng (2)(2) p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM MMộộtt ssốố víví ddụụ vvềề hhệệ nhinhiệệtt độđộngng (3)(3) p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM PhânPhân loloạạii hhệệ nhinhiệệtt độđộngng - HNĐ kín: lượng chất môi giới trong hệ thống được duy trì không đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn cách giữa hệ thống và môi trường. ( VD: máy lạnh) - HNĐ hở: chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống xuyên qua bề mặt ranh giới. ( VD: động cơ đốt trong, tuabin khí, động cơ phản lực, etc.) - HNĐ đoạn nhiệt: trong hệ thống này, chất môi giới không có sự trao đổi nhiệt với môi trường trong quá trình hoạt động. - HNĐ cô lập: trong hệ thống này, chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào trong quá trình hoạt động. p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề hhệệ nhinhiệệtt độđộngng kínkín p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề hhệệ nhinhiệệtt độđộngng hhởở p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề hhệệ côcô llậậpp p.17
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.2.31.2.3 MáyMáy nhinhiệệtt A/ Động cơ nhiệt: đây là loại máy dùng nhiệt để Nguồn nóng sinh công. Trong loại máy này, Q1 chất môi giới sẽ vận chuyển nhiệt W lượng theo chiều thuận từ nguồn Động cơ nhiệt nóng đến nguồn lạnh và giãn nở sinh công. ( VD: động cơ đốt trong, Q2 động cơ phản lực, tuabin, vv ) Nguồn lạnh ¾ Xét bảo toàn năng lượng cho Động cơ nhiệt: Q1 = Q2 +W W Q2 q2 ¾ Hiệu suất nhiệt: η = = 1− = 1− Q1 Q1 q1 p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề độđộngng ccơơ nhinhiệệtt p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM B/ Bơm nhiệt, máy làm lạnh: Nguồn nóng Q đây là loại máy nhận công từ 1 bên ngoài để vận chuyển nhiệt Bơm nhiệt, W lượng theo chiều ngược từ Máy làm lạnh nguồn lạnh đến nguồn nóng. Q2 (VD: máy lạnh, bơm nhiệt) Nguồn lạnh ¾ Xét bảo toàn năng lượng cho bơm nhiệt hay máy làm lạnh: Q1 = Q2 + W Q Q q ¾ Hệ số làm nóng (cho bơm nhiệt): ϕ = 1 = 1 = 1 > 1 W Q1 − Q2 q1 − q2 Q Q q ¾ Hệ số làm lạnh (cho máy lạnh): ε = 2 = 2 = 2 W Q1 − Q2 q1 − q2 p.20
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM MáyMáy đđiiềềuu hòahòa nhinhiệệtt độđộ p.21
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Tủ lạnh - Refrigeration Animation p.22
23. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Bơm nhiệt–Máy ĐHKK p.23
24. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 1.31.3 ThôngThông ssốố trtrạạngng tháithái „ Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của chất môi giới có thể được xác định = 2 thông số trạng thái độc lập (Ví dụ) ¾ Các thông số trạng thái thường dùng là: - Nhiệt độ T - Áp suất p - Thể tích riêng v - Nội năng u - Entanpi i - Entropi s p.24
25. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề thôngthông ssốố trtrạạngng tháithái p.25
26. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM NhiNhiệệtt độđộ TT ¾ Thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật - NK thủy ngân, NK rượu: dựa trên sự giãn nở của chất lỏng ¾ Dụng cụ đo: Nhiệt kế (NK) - NK điện trở: dựa trên sự thay đổi điện trở - Thermocouple: dựa trên sự thay đổi dòng ¾ Đơn vị: điện 5 - Độ bách phân (oC): oC = (o F − 32) 9 - Độ Fahrenheit (oF): o F = 1.8 oC + 32 - Độ Kelvin (oK): o K = oC + 273 p.26
27. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM TTươươngng quanquan gigiữữaa cáccác thangthang nhinhiệệtt độđộ p.27
28. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Absolute Zero and the Kelvin Scale t (oC) The pressure-temperature relation leads to the design of a constant-volume gas thermometer. Extrapolation of measurements made using different gases leads to the concept of absolute zero, when the pressure (or volume) is zero. p.28
29. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ÁpÁp susuấấtt pp ¾ Lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. (Ví dụ) - Manometer (áp kế): dùng để đo áp suất dư pd, phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí trời ¾ Dụng cụ đo: - Parometer: đo áp suất khí trời pkt - Vacumeter (chân không kế): đo áp suất chân không pck, phần áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời pck = pkt − p 1 Pa (Pascal) = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa = 750 mmHg ¾ Đơn vị: 4 1 at = 9.81 x 10 Pa = 0.981 bar = 10 mH2O = 735.6 mmHg 1 mmHg = 133.3 N/m2 2 1 mmH2O = 9.81 N/m p.29
30. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề ápáp susuấấtt (1)(1) p.30
31. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề ápáp susuấấtt (2)(2) F1 A1 p1 = p2 ⇒ = F2 A2 p.31
32. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề ápáp susuấấtt (3)(3) Đáp số: 111.7 kPa p.32
33. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề ddụụngng ccụụ đđoo ápáp susuấấtt p.33
34. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM NguyênNguyên lýlý hohoạạtt độđộngng ccủủaa ParometerParometer VD: với 1mm H2O 2 1 mmH 2O = ρgh = 1000 x 9.81 x 0.001 = 9.81 N / m = 9.81 Pa p.34
35. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM NguyênNguyên lýlý hohoạạtt độđộngng ccủủaa ManometerManometer 3 VD: với ρ = 850 kg / m ; h = 55 cm; Patm = 96 kPa 850 x 9.81 x 0.55 P = P + ρgh = 96 + = 100.6 kPa Gas atm 103 p.35
36. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ: dùng Manometer đo chênh áp suất củadòngchảy Ta có: P1 + ρ1 g(a + h) = P2 + ρ1 ga + ρ 2 gh P1 − P2 = (ρ 2 − ρ1 )gh p.36
37. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ThThểể tíchtích riêngriêng vv ¾ Thể tích ứng với một đơn vị khối lượng V v = (m3/kg) G 1 hay: v = ρ trong đó: + G: khối lượng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg) + V: thể tích choán chỗ của khối chất môi giới đó(m3) + ρ: khốI lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m3) ¾ Lưuý: thể tích riêng v mới là thông số trạng thái, còn thể tích V không phải là thông số trạng thái p.37
38. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM VíVí ddụụ vvềề tínhtính ththểể tíchtích riêngriêng p.38
39. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM NNộộii nnăăngng uu ¾ Là loại thông số trạng thái không đo trực tiếp được mà phải tính toán ¾ Nội năng U của một hệ thống bao gồm: - Động năng Ud do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của các phân tử, và do các dao động trong nội bộ phân tử bên trong hệ thống - Thế năng Ut do lực tương tác giữa các phân tử trong hệ thống U = U d +U t ¾ Nếu khảo sát 1kg khối lượng chất môi giới: u = ud + ut (kJ/kg) trong đó: ud là nội động năng; ut là nội thế năng của 1 kg khối lượng chất môi giới p.39
40. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM u = ud + ut ¾ Theo thuyết động học phân tử: -Nội động năng ud chỉ phụ thuộc nhiệt độ -Nội thế năng ut phụ thuộc khoảng cách trung bình giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng u = f (T,v) ¾ Đối với khí lý tưởng: lực tương tác giữa các phân tử được xem bằng không, do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. ¾ Đơn vị: kJ, kcal, kWh (hệ SI) hoặc BTU (British Thermal Unit) ¾ Lưuý: trong các bài toán về nhiệt động, nói chung không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng mà chỉ cần biết lượng biến đổi nội năng p.40
41. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Nói thêm về nội năng U ¾ Là năng lượng bên trong, gây ra do chuyển động và tương tác giữa các phân tử trong vậtthể. Ví dụ: - đối với vật rắn p.41
42. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Ví dụ: (đối với chất khí) p.42
43. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM EntanpiEntanpi ii ¾ Là loại thông số trạng thái không đo trực tiếp được mà phải tính toán ¾ Entanpi của 1 kg khối lượng chất môi giới đuợc tính theo công thức: i = u + pv (kJ/kg) ¾ Đối với khí lý tưởng, do u và pv chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên i cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ¾ Lưuý: trong các bài toán về nhiệt động, nói chung không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi mà chỉ cần biết lượng biến đổi entanpi p.43
44. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM EntropiEntropi ss ¾ Lượng biến đổi entropi ds của 1 kg khối lượng chất môi giới trong 1 quá trình thuận nghịch đuợc tính theo công thức: δq δQ ds = hay dS = cho G kg chất môi giới T T (dS = G ds) trong đó: - δq là nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá trình thuận nghịch vô cùng bé - T là nhiệt độ tuyệt đối ¾ Đơn vị: kJ/kg.K, kcal/kg.K ¾ Lưuý: - Δ∫ ds = 0 dù chu trình là thuận nghịch hay không δQ - Δ = 0 nếu chu trình là thuận nghịch ∫ T δQ - Δ∫ < 0 nếu chu trình là không thuận nghịch T p.44
45. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM HẾT CHƯƠNG 1 (Phần 1) p.45