Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của khí lý tưởng - Nguyễn Thị Minh Trinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MÔN HỌC: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƢƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 2 Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản 1. HỆ THỐNG NHIỆT ĐỘNG Nguồn nóng . Gắn liền với 3 yếu tố: Chất môi giới Nguồn lạnh . Và trao đổi với môi Nhiệt lƣợng trƣờng xung quanh: Công CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 3 Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản Thiết bị ngƣng tụ Hệ thống nhiệt động kín Van tiết lƣu Máy nén Thiết bị bay hơi Hệ thống nhiệt động hở CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 4 Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản Hệ thống nhiệt động Là hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt không trao đổi nhiệt lƣợng với môi trƣờng xung quanh Q = 0 Q = 0 Hệ thống nhiệt động W = 0 cô lập CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 5 Chƣơng 1 Một số khái niệm cơ bản 2. TRẠNG THÁI Cân bằng Không cân bằng 3. QUÁ TRÌNH -Tập hợp 1 số trạng thái làm việc theo Thuận Không cùng một nguyên tắc. nghịch thuận nghịch - Trạng thái đầu và cuối là cân bằng CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 6 Chƣơng 1 Thông số trạng thái  Các đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của chất môi giới đƣợc gọi là thông số trạng thái  Các thông số trạng thái thƣờng dùng là: . Nhiệt độ: T Thông số trạng thái . Áp suất: p cơ bản . Thể tích riêng: v . Nội năng: u . Entanpy: i . Entropy: s CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 7 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 1. NHIỆT ĐỘ  Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của vật.  Dụng cụ đo: nhiệt kế . Nhiệt kế thủy ngân: Dựa trên sự giãn nở của chất lỏng . Nhiệt kế điện trở: Dựa trên sự thay đổi điện trở . Thermocouple: Dựa trên sự thay đổi dòng điện . Nhiệt kế hồng ngoại: Dựa trên hiệu ứng bức xạ nhiệt dƣới dạng hồng ngoại của vật nóng CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 8 Chƣơng 1 Thông số trạng thái  Trong kỹ thuật thƣờng dùng các thang nhiệt độ sau: Thang nhiệt độ Celcius: Thang nhiệt độ Fahrenheit: . Ký hiệu: t . Ký hiệu: t . Đơn vị: 0C . Đơn vị: 0F Thang nhiệt độ Kelvin: Thang nhiệt độ Rankine: (Nhiệt độ tuyệt đối) (Nhiệt độ tuyệt đối) . Ký hiệu: T . Ký hiệu: T . Đơn vị: K . Đơn vị: 0R CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 9 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 0 0 0 K C R F Mối quan hệ giữa Ñieåm soâi cuûa 373 100 671 212 nöôùc các thang nhiệt độ: 273 0 491 32 Ñieåm ñoùng 0 baêng cuûa nöôùc K = C + 273 0R = 1,8 K 0F = 1,8 0C + 32 Kelvin Celcius Fahrenheit Möùc khoâng cuûa Rankine thang nhieät ñoä tuyeät ñoái 0 - 273 0 - 459 Chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là Chú ý thông số trạng thái CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 10 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 2. ÁP SUẤT  Là lực tác dụng lên một đơn vị F 2 diện tích bề mặt ranh giới theo p  ,N/m phƣơng pháp tuyến với bề mặt đó. A  Có các loại áp suất sau: . Áp suất khí quyển: pkq Xác định bằng . Áp suất dƣ: pd dụng cụ đo . Áp suất chân không: pck . Áp suất tuyệt đối: ptđ CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 11 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Ví dụ về áp suất F1 A1 p1  p 2   F2 A 2 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 12 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất khí quyển: pkq . Là áp lực của không khí tác động lên các vật thể nằm trong nó và lên bề mặt trái đất. . Giá trị trung bình của pkq tại mực nƣớc biển là 760 mmHg . Trong tính toán kỹ thuật cho phép lấy pkq = 1 bar . Dụng cụ đo: Barometer CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 13 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất dƣ: pd . Khi áp suất môi trƣờng khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất môi trƣờng đó với áp suất khí quyển là áp suất dƣ. . Dụng cụ đo: Manometer CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 14 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất chân không: pck . Khi áp suất môi trƣờng khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất môi trƣờng đó với áp suất khí quyển là áp suất chân không. . Dụng cụ đo: Vacumeter CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 15 Chƣơng 1 Thông số trạng thái Áp suất tuyệt đối: ptđ 5 2 . Khi ptđ > pkq: 1bar = 10 N/m = 750 mmHg 2 ptđ = pkq + pd 1at = 0,981 bar = 1 kgf/cm = 10 mH2O . Khi p < p : tđ kq 1 N/m2 = 1 Pa ptđ = pkq – pck 1 psi = 6895 N/m2 Chỉ có áp suất tuyệt đối mới là Chú ý thông số trạng thái CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 16 Chƣơng 1 Thông số trạng thái AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt lôùn hôn aùp suaát khí quyeån AÙp suaát dö AÙp suaát khí quyeån Ñoä chaân khoâng AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån AÙp suaát tuyeätsuaát AÙp ñoái AÙp suaát tuyeät ñoái Chaân khoâng tuyeät ñoái CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 17 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 3. THỂ TÍCH RIÊNG . Thể tích riêng: . Khối lƣợng riêng: V G 1 v     G V v Trong đó: G – Khối lƣợng của khối chất môi giới đang khảo sát, kg V – Thể tích choán chỗ của khối chất môi giới đó, m3 Chỉ có thể tích riêng mới là Chú ý thông số trạng thái CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 18 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 4. NỘI NĂNG . Tổng độ biến thiên năng lƣợng của một hệ thống: E  Eđ  Et  U . Trong phạm vi nhiệt động lực học, hệ thống hầu nhƣ không có sự thay đổi vị trí  E = U . Trong phạm vi vi mô của hệ thống: U  Uđ  Ut . Nếu G = 1 kg: u  uđ  u t CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 19 Chƣơng 1 Thông số trạng thái . Trong bài toán về nhiệt động với chất môi giới là khí lý tƣởng, độ biến thiên nội năng của hệ thống đƣợc xác định nhƣ sau: - Khi G = 1 kg: u  cv T2  T1  , kJ/kg - Khi G ≠ 1 kg: U  G.u  Gc v T2  T1  , kJ Trong đó: cv – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng tích, kJ/kgK T1,T2 – Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình khảo sát, K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 20 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 5. ENTANPY . Entanpy đƣợc định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv . Trong bài toán về nhiệt động với chất môi giới là khí lý tƣởng, độ biến thiên entanpy của hệ thống đƣợc xác định nhƣ sau: - Khi G = 1 kg: i  cp T2  T1  , kJ/kg - Khi G ≠ 1 kg: I  G.i  Gc p T2  T1  , kJ Trong đó: cp – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp, kJ/kgK T1,T2 – Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình khảo sát, K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 21 Chƣơng 1 Thông số trạng thái 6. ENTROPY . Entropy đƣợc định nghĩa bằng biểu thức: q ds  , kJ/kgK T Q . Khi G ≠ 1 kg: dS , kJ/K T hoặc dS G.ds , kJ/K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 22 Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng KHÍ LÝ TƢỞNG  Một chất khí đƣợc xem là khí lý tƣởng nếu nó thỏa 2 điều kiện sau: . Thể tích bản thân các phân tử bằng không . Lực tƣơng tác giữa các phân tử bằng không  Những chất khí không phải là khí lý tƣởng đƣợc gọi là khí thực CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 23 Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI - Khi G = 1 kg: pv  RT - Khi G ≠ 1 kg: pV  GRT Trong đó: p – áp suất tuyệt đối của khối khí, N/m2 v – thể tích riêng của khối khí, m3/kg V – thể tích khối khí, m3 G – Khối lƣợng khối khí, kg T – Nhiệt độ tuyệt đối của khối khí, K CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 24 Chƣơng 1 Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI (tt) Và R – hằng số chất khí , J/kgK R 8314 R      Rμ – hằng số phổ biến của chất khí , J/kmolK μ – phân tử lƣợng của chất khí, kg/kmol Định luật Avogadro: Ở cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn (p = 101,325kPa và T = 273,15K) thể tích 1 kmol của tất cả các khí lý tƣởng đều bằng nhau và bằng 22,4 m3 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 25 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Hỗn hợp khí lý tƣởng: . Các khí lý tƣởng đƣợc trộn lẫn theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học với nhau. . Hỗn hợp của các khí lý tƣởng đƣợc xem là một khí lý tƣởng tƣơng đƣơng.  Có thể sử dụng phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng cho hỗn hợp khí lý tƣởng. . Mỗi thành phần khí lý tƣởng trong hỗn hợp đều có nhiệt độ của hỗn hợp và chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp. CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 26 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng PHÂN ÁP SUẤT (Áp suất riêng phần)  Khi một thành phần của hỗn hợp choán toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất tƣơng ứng của thành phần đó trong hỗn hợp đƣợc gọi là phân áp suất của nó. p, V, T p  pa  pb a b a b a pab b a b a b a b a b a Định luật Dalton: n a a a b b p a a V, T p a b b b b p  pi a a a  b b i1 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 27 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng PHÂN THỂ TÍCH (Thể tích riêng phần)  Phân thể tích là thể tích choán chỗ của một thành phần khí lý tƣởng khi thành phần đó ở áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp. p, V, T a b a b a V  Va  Vb Vab b a b a b a b a b a Định luật Amagat: n a a a b b b Va a a p, T b b Vb V  Vi a a a b b i1 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 28 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng THÀNH PHẦN KHỐI LƢỢNG - gi n Gi gi  G  G1  G 2 ...  G n  Gi G i1 n g1  g2 ...  gn  gi 1 i1 Trong đó: G – Khối lƣợng hỗn hợp khí Gi – Khối lƣợng của chất khí thứ i trong hỗn hợp CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 29 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng THÀNH PHẦN THỂ TÍCH - ri V n i V  V  V ...  V  V ri  1 2 n  i V i1 n r1  r2 ...  rn  ri 1 i1 Trong đó: V – Thể tích hỗn hợp khí Vi – Phân thể tích của chất khí thứ i trong hỗn hợp CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 30 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Tính hằng số chất khí của hỗn hợp khí lý tƣởng n R  8314 R hh  giR i   , J/kgK i1 hh hh 1   hh g g g g , kg/kmol 1  2  3 ...  n 1 2 3 n hh  r11  r22  r33 ...  rnn , kg/kmol CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 31 Chƣơng 1 Hỗn hợp khí lý tƣởng Mối quan hệ giữa thành phần khối lƣợng và thành phần thể tích i .ri gi  hh Xác định giá trị phân áp suất của từng khí trong hỗn hợp pi  p.ri Trong đó: p – Áp suất của hỗn hợp CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 32 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ế ƣơ H t ch ng 1 CBGD: ThS.NGUYỄN THỊ MINH TRINH – ĐHBK TP.HCM 33