Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản như: Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu của nhiệt động học; hệ thống (nhiệt), hệ kín, hệ hở, hệ cô lập; chất môi giới, tính chất, sự cân bằng, trạng thái, quá trình; đơn vị, thứ nguyên, hệ SI;… Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Chương 1 Những khái niệm cơ bản Mục đích ■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến; ■ Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống, trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình; ■ Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất); ■ Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ; ■ Khái niệm về áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp suất môi trường, đo áp suất; ■ Sự truyền năng lượng, tương tác Công-Nhiệt ■ Giới thiệu kỹ thuật giải quyết các vấn đề hệ thống nhiệt động lực học 1
1. Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu của nhiệt động học Nhiệt động KT nghiên cứu gì? ■ Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác (Energy cannot be created or destroyed, it transforms) 2
Nhiệt động KT nghiên cứu gì? ■ Năng lượng có các thuộc tính là số lượng và chất lượng (Nhiệt truyền theo chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động 2 (2nd law)) Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and Microscopic Views of Thermodynamics) ■ Vật chất được tạo thành từ các phân tử. Tính chất của vật chất phụ thuộc vào bản chất ứng của các phân tử. ■ Áp suất khí trong một bình kín là tổng hợp lực va đạp phân tử lên thành bình: ■ Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên một diện tích vô cùng bé thành bình để xác định áp suất. ■ Thay vào đó, có thể gắn vào một áp kế (xác định lực tác dụng trung bình lên một diện tích thành bình) để xác định áp suất. Đây là quan điểm vĩ mô. Áp kế ■ Nhiệt độ biểu thị sự nóng lạnh của vật chất và tỷ lệ với tốc độ chuyển động phân tử: ■ Quan điểm vi mô, có thể tính được nhiệt độ (thuyết động học phân tử); ■ Thay vào đó chỉ cần nhiệt kế để đo nhiệt độ. Nhiệt động học chỉ nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô 3
2. Hệ thống (nhiệt), Hệ kín, Hệ hở, Hệ cô lập Hệ thống nhiệt (Thermodynamic systems) ■ Trong kỹ thuật, một bước quan trọng khi nghiên cứu là xác định rõ đối tượng nghiên cứu. ■ Trong cơ học, nếu chuyển động của vật được nghiên cứu, thì cần xác định vật ở trạng thái tự do, sau đó xác định các lực tác động. Cuối cùng là áp dụng Định luật 2 Newton. ■ Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system) dùng để chỉ đối tượng được nghiên cứu (ví dụ, coffee trong cốc). ■ Một khi hệ thống được định nghĩa, các tương quan với các hệ thống khác được xác định. Khi đó, các định luật vật lý hoặc các quy luật phù hợp có thể được áp dụng để nghiên cứu. 4
■ Hệ thống nhiệt là bất kỳ thứ gì chúng ta muốn nghiên cứu. Nó có thể đơn giản chỉ là một cốc coffee hay phức tạp như là một tổ hợp hóa chất lọc dầu. Chúng ta có thể quan tâm nghiên cứu vật chất bên trong một bình kín, hay chất khí lưu chuyển trong một đường ống dẫn khí. ■ Mọi thứ bên ngoài hệ thông được gọi là Môi trường (surroundings). ■ Hệ thống được phân biệt với môi trường bởi Ranh giới (boundary). Ranh giới có thể cố định hoặc di động. ■ Việc xác định chính xác ranh giới có ý nghĩa quan trọng khi nghiên cứu. Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu: - Hệ thống kín (closed systems): Không trao đổi chất với môi trường - và Hệ thống hở (control volumes): Có trao đổi chất với môi trường. Các dạng biến thể khác: Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường); Hệ thống cô lập (không trao đổi bất cứ điều gì). Hệ thống kín (closed system/control mass) ■ Là HT có lượng vật chất trong hệ thống không đổi. ■ Được sử dụng khi có số lượng nhất định vật chất được nghiên cứu; ■ Không có sự trao đổi vật chất qua ranh giới; ■ Hệ thống gồm khí chứa trong cylinder và piston phía trên (giả thiết kín tuyệt đối). ■ Ranh giới hệ thống là bề mặt trong của cylinder và piston (đường nét đứt). ■ Khi đun nóng, khí bên trong tăng nhiệt, giãn nở, đẩy piston đi lên, một phần ranh giới phía dưới piston dịch chuyển đi lên: ■ Không có lượng vật chất nào ra khỏi hệ thống. ■ Có năng lượng (nhiệt) truyền qua ranh giới với môi trường. 5
Hệ thống hở (control volume) ■ Là một phần được lựa chọn nghiên cứu trong không gian. ■ Thường bao gồm các thiết bị liên quan đến dòng chảy như ống phun (nozzle), bơm/quạt/máy nén (pump/fan/compressor), động cơ tuabin (turbine). ■ Khi nghiên cứu dòng chảy, người ta chọn ra một phần trong thiết bị. ■ Cả vật chất (mass) và năng lượng (energy) có thể trao đổi qua ranh giới được chọn. ■ Không có quy luật cố định nào khi chọn ranh giới cho hệ thống hở. Việc chọn đúng sẽ đem lại kết quả nghiên cửu chính xác và dễ dàng hơn. ■ Ranh giới của hệ thống hở được gọi là mặt ranh giới (boundary surface) ■ Mặt ranh giới có thể là thực hoặc tưởng tượng. ■ Hệ thống hở có thể cố định về kích thước, hình dáng, cũng có thể có ranh giới thay đổi. Open Systems (continued) ■ Hệ thống kín mà không có trao đổi năng lượng qua ranh giới thì gọi là gì? 6
Open systems Open systems 7
Phạm vi ứng dụng ■ Hệ thống kín: Trong các chu trình động cơ đốt trong khi coi quá trình nạp và thải của động cơ là triệt tiêu nhau (khí nạp và nhiên liệu cháy sinh công, thải khí cháy ra ngoài môi trường). ■ Hệ thống hở: Quá trình lưu động của các dòng môi chất trong các đường ống, thiết bị. Tiêu biểu như các ống phun (nozzles) các tầng cánh của động cơ turbines. ■ Hệ thống cô lập: Hiếm khi ứng dụng. 3. Chất môi giới, Tính chất, Sự cân bằng, Trạng thái, Quá trình 8
Chất môi giới (Working medium) ■ Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (chủ yếu Nhiệt-Công). ■ Môi chất thường là vật chất ở thể lỏng, thể khí, hay có biến đổi pha giữa lỏng và hơi. ■ Ví dụ: ■ Khí cháy (không khí + nhiên liệu) trong các động cơ đốt trong, turbine khí; ■ Nước+hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện; ■ Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí. Chất môi giới 9
Tính chất (thông số) của hệ thống (Properties) ■ Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử của nó, cần kiến thức về các tính chất của nó và mối quan hệ giữa chúng ■ Tính chất của một hệ thống là các đặc tính vĩ mô của nó. ■ Một số tính chất phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể tích (volume-V) và khối lượng (mass-m). ■ Các thông số mô tả trạng thái của một hệ thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state). ■ Không phải tất cả các thông số là độc lập. Mật độ hay khối lượng riêng (density-) là thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ. Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo nhau. Mật độ là một thuộc tính ■ Mật độ/Khối lượng riêng là khối lượng/đơn vị thể tích; ■  = mass/volume (kg/m3) ■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): là tỷ số giữa mật độ của một chất với mật độ của một chất tiêu chuẩn ở điều kiện nhất định (thường lấy là nước ở 4 oC) ■ Thể tích riêng (specific volume) là thể tích của một đơn vị khối lượng. ■  = Volume/mass, (m3/kg) ■  = 1/  Water Gases Liquids P T 10
Tính chất mở rộng (extensive properties) ■ Tính chất của hệ là các thông số không phụ thuộc vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng. ■ Tính chất mở rộng là các thông số đặc trựng cho quy mô của hệ thống, ví dụ: khối lượng (G), thể tích (V), năng lượng toàn phần (E). Trạng thái (state) ■ Một trạng thái của hệ thống được định nghĩa là một điều kiện có thể được mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định (T, P, ,  ...). Nói cách khác: Trạng thái được mô tả bằng các thông số trạng thái. ■ Ở hình trên, nếu không có tác động gì, tất cả các thuộc tính của hệ thống được xác định và đồng nhất trong toàn bộ hệ thống. Khi đó, hệ thống được mô tả bằng một loạt thông số: gọi là trạng thái 1. ■ Nếu thay đổi chỉ một thông số, hệ thống chuyển sang trạng thái 2 (hình dưới). ■ Câu hỏi: ■ Điều gì làm hệ thống chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2? ■ Ngoài thể tích thay đổi, còn thông số nào thay đổi, thay đổi tăng hay giảm? 11
Phương trình trạng thái (state equation) ■ Trạng thái của một hệ thống ở thời điểm nào đó được mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định (T, P, ,  ...). Nói cách khác: Trạng thái được mô tả bằng các thông số trạng thái. ■ Quan hệ giữa các thông số trạng thái được gọi là Phương trình trạng thái: f (P, v, T, , …) ■ Một trong những nhiệm vụ là tìm ra mối liên hệ giữa các thông số trạng thái của hệ Cân bằng (equilibrium) ■ Nhiệt động KT chỉ nghiên cứu hệ thống ở trạng thái cân bằng (equilibrium states). ■ Trạng thái cân bằng là trạng thái các thông số đồng nhất trong toàn hệ thống. ■ Một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động khi duy trì cân bằng về nhiệt (thermal), về cơ (mechanical), về pha (phase) và về hóa học (chemical). 12
Cân bằng về nhiệt (Thermal Equilibrium) ■ Là không có sự khác nhau về nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống. 20 C 30 C 32 C 32 C 30 C 32 C 35 C 40 C 32 C 32 C No thermal equilibrium Thermal equilibrium Cân bằng về cơ học (Mechanical Equilibrium) ■ Là không có sự khác nhau về áp suất trong toàn bộ hệ thống. 13
Cân bằng về pha (Phase Equilibrium) ■ Cân bằng pha nghĩa là lượng vật chất ở các pha đạt trạng thái ổn định và không thay đổi. Vapor, P Vapor, P = Pv Vacuum t= 0, P = 0 Water Water Water After some time After long time At t = 0 Cân bằng hóa học (Chemical Equilibrium) ■ Nghĩa là không có thay đổi về thành phần hóa học của vật chất. Định đề trạng thái (State Postulate) ■ Cần bao nhiêu thông số để xác định một trạng thái phụ thuộc vào mức độ phức tạp của hệ thống. ■ Theo Định đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định một trạng thái. ■ Hai thông số được coi là độc lập khi một thông số có thay đổi mà thông số còn lại giữ không đổi. Ví dụ: nhiệt độ và thể tích riêng. ■ Nhiệt độ và áp suất có thể không phải là thông số độc lập khi môi chất có biến đổi pha. Ví dụ khi nước đang sôi. ■ Định luật pha: ■ Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần 2 thông số; ■ Môi chất có biến đổi pha: cần 1 thông số. 14
Quá trình và chu trình (Processes and Cycles) ■ Sự thay đổi của hệ từ một trạng thái cân bằng sang trạng thái cân bằng khác gọi là quá trình. ■ Quá trình thường được biểu diễn trên đồ thị ■ Tập hợp những trạng thái mà hệ đi qua là đường đi của quá trình. Nhiệt động KT thường chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối. ■ Một quá trình có trạng thái đầu và cuối giống nhau gọi là chu trình. ■ Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal process) T = constant . ■ Quá trình đẳng áp (Isobaric process) P = constant . ■ Qua trình đẳng tích (Isochoric process/constant volume). 15
Quá trình thuận nghịch (Quasi-Equilibrium process) ■ Là quá trình tạo bởi tập hợp các trạng thái cân bằng. ■ Quá trình thuận nghịch có tính chất hai chiều (nếu diễn ra theo chiều ngược lại sẽ trùng). ■ Công sinh ra hoặc tiêu tốn là lớn nhất. Là mục tiêu để hướng tời và là tiêu chuẩn để so State 2 Process path sánh. P Intermediate states - Ví dụ: Nén thật chậm không khí trong 20 State 1 cyliner, áp lực khí nén sẽ tự giãn nở và đẩy piston ngược lại. V - Quá trình thuận nghịch chỉ diễn ra với 20 pa 20 pa điều kiện lý tưởng (không có ma sát, 20 pa truyền nhiệt). Thực tế không tồn tại. 20 pa 20 pa (a) Slow compression (quasi-equilibrium) Quá trình không thuận nghịch (Non-Quasi- Equilibrium process) ■ Quá trình nén diễn ra nhanh, không đạt được yếu tố cân bằng cho các trạng thái trung gian. ■ Các trạng thái trung gian là không thể xác định. Không vẽ được đường đi của quá trình. Mô tả bằng nét đứt. Intermediate states can not be determined and the process path can not be defined. Instead we represent it as dashed line. 16
Một số câu hỏi ■ Nhiệt động học kỹ thuật nghiên cứu sự biến đổi giữa 2 đại lượng cơ bản là gì? ■ Có mấy loại hệ thống nhiệt, lấy ví dụ? ■ Sự khác nhau giữa HT kín và HT hở? ■ Người ta sử dụng chất môi giới để làm gì, kể tên một số chất môi giới? ■ Thế nào là trạng thái, quá trình, cân bằng, thuận nghịch, chu trình? 4. Đơn vị, Thứ nguyên, Hệ SI 17
Đơn vị và thứ nguyên ■ Thứ nguyên: Là đại lượng bất kỳ nào đó có thể đo được: ■ Ví dụ: Chiều dài, khối lượng, thời gian, … ■ Đơn vị: Là hệ thống số đo cho mỗi thứ nguyên, ví dụ: ■ Thứ nguyên Chiều dài có các đơm vị là mm, cm, m, km, …; ■ Thứ nguyên Khối lượng có đơn vị là g, kg, tấn, …; ■ Thứ nguyên Thời gian có đơn vị là giây (s), phút (min), giờ (h), … ■ Hệ đơn vị quốc tế (SI): Là hệ thống các thứ nguyên/đơn vị được sử dụng rộng rãi nhất. 7 thứ nguyên cơ bản trong hệ SI - Đơn vị cơ bản (base unit): Là đơn vị chuẩn. - Đơn vị dẫn xuất: Là đơn vị có thể suy ra từ các đơn vị gốc. - Ví dụ: Thể tích là dẫn xuất từ đơn vị gốc là chiều dài (V = L3) Symbol Name Quantity The SI base A ampere electric current units K kelvin temperature s second time Hãy truy cập internet và tìm m metre length kiếm với từ khóa “unit kg kilogram mass converter” và làm quen với cd candela luminous intensity công cụ chuyển đổi đơn vị mol mole amount of substance 18
Dimensions and Units SI British System Conversion Length Meter (m) Foot (ft) 1 ft = 0.3048 m Time Second (s) Second (s) Slug 1 slug =14.59 kg Pound mass (lbm) 1 lbm = 0.4536 kg Mass Kg 1 slug = 32.2 lbm Newton (N) Pound force (lbf) Force 1 N = (1Kg).(1 m/s2) 1 lbf = (1 slug)(1. ft/s2) 1 lbf = 4.448 N Definition Newton (N): is the force Pound force (lbf) is the force C = (5/9)*(F –32) of required to give a mass of required to give a mass of 1 Unit force 1 kg an acceleration of 1 slug an acceleration of 1 ft/s2. R = (9/5)*K m/s2. Degree Celsius.(C) Degree Fahrenheit (F) C = (5/9)*(F –32) Tempe- Absolute Temp.: Kelvin (K). Absolute Temp.: Rankine (R) rature K = C + 273.15 R = F + 459.67 R = (9/5)*K 5. Nhiệt độ 19
Nhiệt độ và Định luật nhiệt động thứ Không (Temperature and the Zeroth Law) ■ Nhiệt độ: là đại lượng biểu thì sự nóng, lạnh của vật chất. ■ The zeroth law of thermodynamics states that: If two bodies are in thermal equilibrium with the third body, they are also in thermal equilibrium with each other. ■ Quan điểm vi mô: Nhiệt độ là đại lượng tỷ lệ với động năng của chuyển động phân tử và có thể tính được. ■ Quan điểm vĩ mô: Nhiệt độ đo bằng các thiết bị đo Nhiệt độ và đơn vị đo   T K   T oC  273.15 (Temperature scales) T R   T  F   459.67 o ■ Nhiệt độ Kelvin, hay nhiệt độ tuyệt đối, T(K) – lưu ý không có ký hiệu “0”. T R   1.8T K  ■ Nhiệt độ Celcius, hay nhiệt độ bách phân, T(0C).     T o F  1.8T oC  32 ■ Nhiệt độ Fahrenheit, T(0F). ■ Nhiệt độ Rankine, T(0R) T K   T  C  o ■ T(K) = 0: độ không tuyệt  T  R   T  F  o đối, vật chất không chuyển động. ■ Thang đo T(K) = T(0C). 20