Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1. 1 Một số khái niệm cơ bản

Một sô ́ kha ́i niê ̣m cơ ba ̉n 1.1 Các vấn đề chung 1.2 Những khái niệm cơ bản 1.3 Thông số trạng thái của môi chất p.5 1. 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 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 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 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 1.2.2 Hệ nhiệt động - 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. Ví dụ minh họa Khi xem xét một HNĐ cần chú ý: Chất môi giới ?? Nguồn nóng ?? Nguồn lạnh ?? Công và nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi trạng thái Bề mặt ranh giới ngăn cách giữa chất môi giới và môi trường ?? p.10 Một số ví dụ về hệ nhiệt động (1) p.11 Phân loại hệ nhiệt động - 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 Ví dụ về hệ nhiệt động kín Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.15 1.2.3 Máy nhiệt đây là loại máy dùng nhiệt để sinh công. Trong loại máy này, chất môi giới sẽ vận chuyển nhiệt lượng theo chiều thuận từ nguồn nóng đến nguồn lạnh và giãn nở sinh công. ( VD: động cơ đốt trong, động cơ phản lực, tuabin, vv..) Nguồn nóng Nguồn lạnh Động cơ nhiệt Q1 Q2 W ¾ Xét bảo toàn năng lượng cho Động cơ nhiệt: WQQ += 21 ¾ Hiệu suất nhiệt: 1 2 1 2 1 11 q q Q Q Q W −=−==η A/ Động cơ nhiệt: p.18 B/ Bơm nhiệt, máy làm lạnh: đây là loại máy nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng. (VD: máy lạnh, bơm nhiệt) Nguồn nóng Nguồn lạnh Bơm nhiệt, Máy làm lạnh Q1 Q2 W ¾ Xét bảo toàn năng lượng cho bơm nhiệt hay máy làm lạnh: WQQ += 21 ¾ Hệ số làm nóng (cho bơm nhiệt): 21 1 21 11 qq q QQ Q W Q −=−==ϕ ¾ Hệ số làm lạnh (cho máy lạnh): 21 2 21 22 qq q QQ Q W Q −=−==ε 1> p.20 Máy điều hòa nhiệt độ p.21 Tủ lạnh - Refrigeration Animation p.22 Bơm nhiệt – Máy ĐHKK p p.23 1.3 Thông số trạng thái „ 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 Nhiệt độ T ¾ Thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật ¾ Đơn vị: ¾ Dụng cụ đo: Nhiệt kế - NK thủy ngân, NK rượu: dựa trên sự giãn nở của chất lỏng (NK) - NK điện trở: dựa trên sự thay đổi điện trở - Thermocouple: dựa trên sự thay đổi dòng điện - Độ bách phân (oC): ( )32 9 5 −= FC oo - Độ Fahrenheit (oF): 328.1 += CF oo 273+= CK oo- Độ Kelvin (oK): p.26 Tương quan giữa các thang nhiệt độ p.27 Áp suất p ¾ Lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. (Ví dụ) ¾ Dụng cụ đo: - Manometer (áp kế): dùng để đo áp suất dư pd, phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí trời - 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 ppp ktck −= ¾ Đơn vị: 1 Pa (Pascal) = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa = 750 mmHg 1 at = 9.81 x 104 Pa = 0.981 bar = 10 mH2O = 735.6 mmHg 1 mmHg = 133.3 N/m2 1 mmH2O = 9.81 N/m2 p.29 Ví dụ về áp suất (1) p.30 Ví dụ về dụng cụ đo áp suất p.33 Nguyên lý hoạt động của Parometer VD: với 1mm H2O PamNxxghOmmH 81.9/81.9001.081.910001 22 ==== ρ p.34 Nguyên lý hoạt động của Manometer VD: với kPaPcmhmkg atm 96;55;/850 3 ===ρ kPaxxghPP atmGas 6.10010 55.081.985096 3 =+=+= ρ p.35 Ví dụ: dùng Manometer đo chênh áp suất của dòng chảy ( ) ghgaPhagP 21211 ρρρ ++=++Ta có: ( )ghPP 1221 ρρ −=− p.36 Thể tích riêng v ¾ Thể tích ứng với một đơn vị khối lượng G Vv = (m3/kg) hay: ρ 1=v 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 Lưu ý: thể tích riêng v mới là thông số trạng thái, còn thể tích V không phải là thông số trạng thái p.37 Ví dụ về tính thể tích riêng p.38 Nội năng u 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 td UUU += ¾ Nếu khảo sát 1kg khối lượng chất môi giới: td uuu += trong đó: ud là nội động năng; ut là nội thế năng của 1 kg khối lượng chất môi giới (kJ/kg) p.39 td uuu += 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 ),( vTfu = 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 Lưu ý: 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 Entanpi i 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: pvui += (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 Lưu ý: 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 Entropi s 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: T qds δ= trong đó: - 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 hay T QdS δ= cho G kg chất môi giới (dS = G ds) ¾ Đơn vị: kJ/kg.K, kcal/kg.K ¾ Lưu ý: ∫ =Δ 0ds- dù chu trình là thuận nghịch hay không 0=Δ∫ TQδ- nếu chu trình là thuận nghịch 0<Δ∫ TQδ- nếu chu trình là không thuận nghịch qδ p.44