›
›

Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 2 (Phần 1): Định luật nhiệt động thứ nhất - Hà Anh Tùng

pdf 41 trang Gia Huy 25/05/2022 2160
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 2 (Phần 1): Định luật nhiệt động thứ nhất - Hà Anh Tùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_nhiet_dong_luc_hoc_chuong_2_phan_1_dinh_luat_nhiet.pdf

Nội dung text: Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 2 (Phần 1): Định luật nhiệt động thứ nhất - Hà Anh Tùng

  1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ChChươươngng 22 ((phphầầnn 1):1): ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 2.1 Ý nghĩa ĐLNĐ 1 2.2 Công – Nhiệt lượng 2.3 ĐLNĐ 1 cho hệ kín 2.4 ĐLNĐ 1 cho hệ hở p.1
  2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2.1 Ý nghĩa ĐLNĐ thứ 1 ¾ Thựcchấtlàđịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ứng dụng trong phạmvi NHIỆT Năng lượng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi mà chỉ có thể chuyểntừ dạng này sang dạng khác Tổng năng lượng của 1 hệ CÔ LẬP là không đổi E1 = E2 p.2
  3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ: Ut = 10 kJ Ud = 0 kJ h Ut = 7 kJ Ud = 3 kJ E = N t + N d +U = const Thế năng Động năng Nội năng 1 2 N t = mgh N = mω U = f (T, x) đ 2 p.3
  4. 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 vật thể. Ví dụ: - đối với vật rắn p.4
  5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Chú ý ¾ Nếu hệ không trao đổi năng lượng (CÔNG, NHIỆT) với bên ngoài E = N t + N d +U = const hay ΔE = 0 ¾ Nếu hệ có trao đổi năng lượng (CÔNG, NHIỆT) với bên ngoài Δ E ≠ 0 p.5
  6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Ví dụ: hệ trao đổi NĂNG LƯỢNG với bên ngoài p.6
  7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Định luật nhiệt động thứ 1 Δ E = Q − W Lượng biến Nhiệt lượng đổi năng lượng mà hệ Công do hệ của hệ NHẬN VÀO SINH RA ¾ Chú ý: -Khi thế năng và động năng hệ không thay đổi: Δ E = ΔU - Q mang dấu dương (+) khi hệ nhận nhiệt âm (-) khi hệ sinh nhiệt - W mang dấu dương (+) khi hệ sinh công âm (-) khi hệ nhận công p.7
  8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Định luật nhiệt động thứ 1 – Ví dụ ¾ Vd 1: tính công suất động cơ gió P = ?? 3 ρ kk = 1.25 kg / m 1 ΔE = E − E = Q −W 0 − mω 2 = 0 − Pt 2 1 2 1 1 m 1 ⎛ 602 ⎞ 2 ⎜ ⎟ 2 P = ω1 = ⎜10π * *1.25⎟ *10 = 1766250 ()W ≈ 1766 (kW ) 2 t 2 ⎝ 4 ⎠ p.8
  9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Vd 2: làm nguội bình chứa bằng máy khuấy ΔU = U 2 −U1 = Q −W U 2 = U1 + Q −W = 800 + (− 500)(− −100)= 400 (kJ ) p.9
  10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Vd 3: nhiệt tỏa ra từ tủ lạnh Qout = ?? • W = 2 kW Qin=360 kJ/min ΔU = U 2 −U1 = (Qin − Qout )− (−W ) = 0 • • • • • • Q in − Q out +W = 0 ⇒ Q out = Q in + W = 360 + 2*60 = 480 kJ / min p.10
  11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2.2 Công – Nhiệt lượng ¾ 2.2.1 Công: * Nếu lực không đổi W = F x (J ) 2 * Nếu lực thay đổi W = ∫ F()x dx (J ) 1 p.11
  12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Công = Công kỹ thuật + Công lưu động CÔNG KỸ THUẬT ¾ Công giãn nở (nén) trong hệ thống kín ¾ Công liên quan đến trục quay ¾ Công liên quan đến hiệu ứng điện ¾ Công lưu động trong hệ thống hở p.12
  13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Công giãn nở (hoặcnén)trong hệ thống kín δW = pdV V2 Công sinh ra khi chất môi giới thay W = pdV đổi thể tích từ trạng thái 1 Æ 2 là: 12 ∫ V1 p.13
  14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ về tính công giãn nở (nén) Trường hợp đẳng áp p = const V2 W = pdV 12 ∫ V1 W12 = p (V2 −V1 ) p.14
  15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ về tính công giãn nở (nén) Trường hợp đẳng nhiệt T=const GRT p = (Khí lý tưởng) V V2 V2 dV W = pdV = GRT 12 ∫∫V V1 V1 ⎛V2 ⎞ = GRT ln⎜ ⎟ ⎝ V1 ⎠ ⎛V ⎞ ⎜ 2 ⎟ W12 = P1V1 ln⎜ ⎟ ⎝ V1 ⎠ p.15
  16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ về tính công liên quan đến trục quay Công suất trục quay P = ?? P = 2π nT ⎛ 4000 ⎞ P = 2π *⎜ ⎟ * 200 = 83733 ()W ⎝ 60 ⎠ P = 83.7 ()kW p.16
  17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Công lưu động (dòng chảy) trong hệ thống hở A1 v1 F1 p1 Hệ G1 khảo sát x1 - Tại đầu vào: hệ NHẬN một công lưu động: - Tại đầu ra: hệ SINH một công lưu động: (1) V1 (2) V2 Wlđ = −F1 x1 = −F1 * = − p1V1 Wlđ = F2 x2 = F2 * = p2V2 A1 A2 (1) (2) Wlđ = −G1 ()p1v1 Wlđ = G2 ()p2v2 Wlđ = G2 (p2v2 )(− G1 p1v1 ) p.17
  18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2.2.2 NHIỆT LƯỢNG A/ Tính Nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng B/ Tính Nhiệt lượng theo sự thay đổi Entrôpi p.18
  19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM A. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Q = Gc (t2-t1) trong đó: * Q (kJ): nhiệt lượng cung cấp cho quá trình * G (kg): khối lượng chất môi giới * c (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của quá trình o * t1, t2 ( C): nhiệt độ đầu và cuối của quá trình p.19
  20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Tóm tắt về nhiệt dung riêng (NDR) ¾ Định nghĩa: NDR của1 chất được định nghĩa là năng lượng cần cung cấp để 1kg chất tăng thêm 1 độ C. ¾ Đơn vị: (kJ/kg.độ), (kcal/kg.độ) ¾ Phân loại: Q p G - cp: NDR đẳng áp t1 t2 Q - cv: NDR đẳng tích G p.20
  21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Tính toán NDR A1. Tính NDR cho chất khí ΔU - Quá trình đẳng tích (v = const) Q dU = Q = Gcv dT ⎛ ∂u ⎞ W = pΔV cv = ⎜ ⎟ KT ⎝ ∂T ⎠v ΔU - Quá trình đẳng áp (p = const) Q dU = Q −WKT ⇒ dU = Gc p dT − pdV ⎛ ∂i ⎞ d(U + pV ) = Gc p dT c p = ⎜ ⎟ ⎝ ∂T ⎠ p * Chú ý: ta luôn có cp> cv p.21
  22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ™ Riêng đối với khí lý tưởng: pv = RT i = u + RT Vì u của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ u = u (T ) i = i (T ) Suy ra: di du = + R c p = cv + R dT dT c p k = được gọi là số mũ đoạn nhiệt của khí lý tưởng cv p.22
  23. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM A2. Tính NDR cho chất lỏng và chất rắn - Đối với chất lỏng và rắn: v = const Æ cp = cv = c ™ Nội năng: chỉ phụ thuộcvào nhiệt độ du = c(T )dT ⇒ Δu = cTB (T2 − T1 ) ™ Entanpi: di = d(u + pv) = du + pdv + vdp = du + vdp Δi = cTB ΔT + v Δp (kJ / kg) -Chấtrắn: v Δp không đáng kể: Δi = Δu = cTB ΔT -Chấtlỏng: + Quá trình đẳng áp: Δi = Δu = cTB ΔT + Quá trình đẳng nhiệt(BƠM): Δi =v Δp p.23
  24. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM B. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entrôpi 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 2 ds = q = T ds T ∫ 1 T 2 1 Q bằng diện tích a12b a b s p.24
  25. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2.3 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ KÍN WKT ΔE Q Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: E1 + Q = E2 +WKT ⇒ ΔE = Q −WKT Trong các hệ nhiệt động kín, thường không có sự thay đổi về động năng và thế năng: ΔE = ΔU ΔU = Q −WKT p.25
  26. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 2.6 sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật” G = 5 kg (hơi nước) Wkhuấy Q = 80 kJ Wkhuấy = -18.5 kJ u1 = 2709.9 kJ/kg u = 2659.6 kJ/kg Q ΔV 2 1 2 Wpiston = ?? ΔU = Q −W = 80 − (W piston −18.5) (Cùng đơn vị kJ) W piston = 80 +18.5 − 5*(2659.6 − 2709.9) = 350 kJ Công dương Æ Piston sinh công: hơi nước giãn nở p.26
  27. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2.4 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ HỞ W KT Bảo toàn khối lượng G i E1=E2=const ∑Gi = ∑Ge Ge i e Q Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: ⎛ ω 2 ⎞ ⎛ ω 2 ⎞ E G ⎜u i gz ⎟ G p v Q E G ⎜u e gz ⎟ G p v W 1 + i ⎜ i + + i ⎟ + i ()i i + = 2 + e ⎜ e + + e ⎟ + e ()e e + KT ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ Đối với hệ hở hoạt động ở chế độ ổn định: E1 = E2 ; Gi = Ge suy ra: 2 2 ⎡ (ω e − ω i ) ⎤ G ⎢()ie − ii + + g()ze − zi ⎥ = Q −WKT ⎣ 2 ⎦ p.27
  28. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ứng dụng Định luật Nhiệt động thứ 1 1. Tuabin Æ sinh công p.28
  29. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM •• Gm Pturbine Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho Tuabin • ⎛ ω 2 ⎞ • ⎛ ω 2 ⎞ ⎜ 1 ⎟ ⎜ 2 ⎟ G ⎜i1 + + gz1 ⎟ = G ⎜i2 + + gz2 ⎟ + Pturbine + Q ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ - Tuabin cách nhiệt với xung quanh (Q = 0) -Sự thay đổi động năng và thế năng của lưu chất trong tuabin là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi • Pturbine ≈ G ()i1 − i2 (W, kW,MW) p.29
  30. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 2. Máy nén (khí), bơm (nước) Æ tăng áp suất MỘT SỐ LOẠI MÁY NÉN p.30
  31. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Bơmnước p.31
  32. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho máy nén khí • • ⎛ ω 2 ⎞ • ⎛ ω 2 ⎞ ⎜ 1 ⎟ ⎜ 2 ⎟ P Nén + G ⎜i1 + + gz1 ⎟ = Q + G ⎜i2 + + gz2 ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ • P Nén - Máy nén cách nhiệt với xung quanh (Q = 0) Máy nén -Sự thay đổi động năng và thế năng của chất khí hoạt động trong máy nén là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi • • • P Nén ≈G()i2 − i1 (W, kW,MW) G (Công cung cấp làm tăng entanpi Æ tăng áp suất và nhiệt độ dòng khí ra khỏi máy nén) p.32
  33. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho bơm nước • • ⎛ ω 2 ⎞ • ⎛ ω 2 ⎞ ⎜ 1 ⎟ ⎜ 2 ⎟ P Bom + G ⎜i1 + + gz1 ⎟ = Q + G ⎜i2 + + gz2 ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ -Bơm cách nhiệt với xung quanh (Q = 0) -Sự thay đổi động năng của chất lỏng hoạt động trong bơm là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi • • P Bom = G[]()i2 − i1 + g(z2 − z1 ) Với bơm: i2 − i1 = v(p2 − p1 ) • • P Bom = G[]v Δp + g Δz p.33
  34. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 3. Bình trao đổi Nhiệt -Xét hệ nhiệt động là toàn hệ 1 thống: • • • • 2 G A i2 + G B i1 = GA i4 + G B i3 4 3 • • G A ()i4 − i2 = G B (i1 − i3 ) p.34
  35. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 4. Ống tăng tốc/ Ống tăng áp ω1 ω2 > ω1 ω1 ω2 < ω1 Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho ống tăng tốc: • ⎛ ω 2 ⎞ • ⎛ ω 2 ⎞ ⎜ 1 ⎟ ⎜ 2 ⎟ G ⎜i1 + ⎟ = G ⎜i2 + ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ω 2 − ω 2 i − i = 1 2 2 1 2 p.35
  36. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 5. Ống giãn nở Æ giảm áp, giảm nhiệt độ (VD: ứng dụng trong máy lạnh) p.36
  37. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho ống giãn nở i = const u1 + p1v1 = u2 + p2v2 -Khi môi chất ở trạng thái bão hòa đi qua van giãn nở Æ có sự tăng tốc dòng chảy tạivan Æ áp suất dòng chảy giảm Æ 1 phần môi chất từ trạng thái LỎNG chuyển sang HƠI Æ thể tích riêng v2 tăng Æ KẾT QUẢ: p2v2 tăng lên trong khi u2 giảm. p.37
  38. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Mô phỏng van giãn nở : giảm áp, giảm nhiệt độ p.38
  39. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 6. Bộ phận hòa trộn ⎛ • • ⎞ -Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 ⎜G1 + G2 ⎟ cho bộ phận hòa trộn: ⎝ ⎠ • • ⎛ • • ⎞ G1 i + G 2 i = ⎜G + G ⎟i 1 2 ⎝ 1 2 ⎠ 3 • • • G2 G1 ()i1 − i3 = G 2 (i3 − i2 ) • G 1 -Riêng đối với chất lỏng: di = c dT + v dp • • G1 ()T1 − T3 ≈ G 2 (T3 − T2 ) p.39
  40. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 2.11: công suất bơm nước hệ thống 2 3 m v = 0.001 m / kg φ = 40mm 1 Bơm nước 0 2 1 p2 = 101 kPa φ1 = 60mm 2 2 p1 = 70 kPa ⎡ ω − ω ⎤ G ()i − i + 2 1 + g()z − z = −W ω = 2 m / s ⎢ 2 1 2 1 ⎥ Bom 1 ⎣ 2 ⎦ Đối với chất lỏng: Δi = Δu + vdp = cΔT + vdp Quá trình bơmnướcxemnhưđẳng nhiệt Δi = vdp 2 2 ⎡ ω 1 − ω 2 ⎤ WBom = G ⎢v()p1 − p2 + − gh⎥ = −775.6 ()W ⎣ 2 ⎦ p.40
  41. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 2.12: turbine nối với bình chứa kín Hơi nước p2 = 15 bar V=0.6 p1 = 15 bar o m3 T2 = 400 C o T1 = 320 C Æ u2 =2951.3 kJ/kg Æ i1 = 3081.9 kJ/kg Turbine Bình chứa 3 Æ v2 = 0.203 m /kg HỆ KHẢO SÁT Bảo toàn năng lượng cho hệ khảo sát: G i1 = WTurbine + G u2 WTurbine = G (i1 − u2 ) p.41