Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - ĐH Lâm Nghiệp

Chia sẻ: Ermintrudetran Ermintrudetran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:224

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng kỹ thuật nhiệt đưa ra theo hai hướng nghiên cứu, thứ nhất là điều kiện và mức độ của các quá trình biến đổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi nhất. Ví dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong các máy lạnh. Hướng thứ hai là các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt nhằm để giải quyết hai vấn đề chính: xác định sự trao đổi nhiệt và sự phân bố nhiệt độ giữa các vật.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - ĐH Lâm Nghiệp

ThS. Nguyễn Thị Yên - TS. Trịnh Hiền Mai Bài giảng KỸ THUẬT NHIỆT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015 1
2
LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật nhiệt được hình thành và phát triển từ thế kỷ thứ 17 cùng với sự phát triển của máy hơi nước Rankine đã xây dựng đồ thị p-v của hơi nước năm 1872, Nhưng trước đó gần hai thế kỷ những định luật thực nghiệm đầu tiên của Nhiệt động kỹ thuật đã được đề cập trong nghiên cứu của Boyle năm 1662, Mariotte năm 1679 và Gay Lussac. Tiếp theo là những nghiên cứu của Carnot năm 1824 về chu trình lý tưởng, Robert Mayer đã đưa ra khái niệm Nhiệt là một dạng năng lượng và Clausius đã hình thành hai định luật nhiệt động góp phần xây dựng những nội dung cơ bản của môn Nhiệt động kỹ thuật. Bài giảng Kỹ thuật nhiệt đã được Thầy Nguyễn Hữu Cung viết năm 1992. Trong những năm gần đây có nhiều đổi mới về khoa học kỹ thuật đặc biệt là đã phát triển không ngừng các nội dung nghiên cứu về khí thực, hơi nước, các máy nhiệt theo hướng tự động hóa... để góp phần cho sự hoàn thiện các chu trình thiết bị động lực, máy nhiệt và thiết bị lạnh, phục vụ cho sự phát triển của các ngành năng lượng, trao đổi nhiệt lò nhiệt, lò sấy tự động... Bài giảng kỹ thuật nhiệt đưa ra theo hai hướng nghiên cứu, thứ nhất là điều kiện và mức độ của các quá trình biến đổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi nhất. Ví dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong các máy lạnh. Hướng thứ hai là các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt nhằm để giải quyết hai vấn đề chính: xác định sự trao đổi nhiệt và sự phân bố nhiệt độ giữa các vật. Bài giảng này biên soạn do tập thể giáo viên Bộ môn Khoa học gỗ đã cập nhật nhiều kiến thức cần thiết và bổ sung các nội dung mới về kỹ thuật nhiệt cụ thể như sau: ThS. Nguyễn Thị Yên (Chủ biên) biên soạn các chương 1, 2, 3, 4, 6; TS. Trịnh Hiền Mai biên soạn các chương 5, 7. Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học. 3
4
Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Những khái niệm cơ bản Nhiệm vụ quan trọng của Nhiệt động kỹ thuật là tìm cách nâng cao hiệu quả quá trình chuyển hoá giữa nhiệt năng và cơ năng trong máy nhiệt. 1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc tế SI (System International) Hệ thống đơn vị quốc tế SI bao gồm 6 đại lượng cơ bản sau: Bảng 1.1. Các đơn vị cơ bản trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Đơn vị cơ bản Đại lượng cơ bản Tên quốc tế Việt Nam Viết tắt Độ dài Meter Mét m Khối lượng Kilogram Kilôgam Kg Thời gian Second Giây s Cường độ dòng điện Ampere Ampe A Nhiệt độ nhiệt động Kelvin Nhiệt độ tuyệt đối K Cường độ ánh sáng Candela Candela Cd Trên cơ sở những đại lượng vật lý cơ bản, có thể thiết lập được đơn vị của các đại lượng vật lý dẫn xuất: lực, năng lượng, công suất… Bảng 1.2. Một số đơn vị vật lý dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Tên đại lượng Ký hiệu Phương trình vật lý Đơn vị Lực N (Newton) F = G.a N = kg.m/s2 Năng lượng J (Joule) E = F.l J= N.m = kg.m2/s2 Công suất W (Watt) P = E/ W = J/s = kg.m2/s3 1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giới, khí lý tưởng, khí thực và nguồn nhiệt a. Hệ nhiệt động Đối tượng nghiên cứu của Nhiệt động kỹ thuật là các hệ nhiệt động, trong đó chất môi giới (CMG) có thể thực hiện quá trình biến đổi trạng thái và trao đổi năng lượng với môi trường. Hệ nhiệt động có thể là hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt hay hệ cô lập. Trong hệ kín, khối lượng chất môi giới không thay đổi và không đi qua vỏ bọc ngăn cách hệ với môi trường. Ví dụ, môi chất lạnh trong máy lạnh kiểu máy nén. 5
Hệ hở là hệ có thể có sự chuyển động vĩ mô và khối lượng của hệ thay đổi khi chất môi giới đi qua vỏ bọc của hệ vào môi trường. Ví dụ, CMG là sản phẩm cháy trong động cơ đốt trong. Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường, Q = 0. Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường, Q = 0; L = 0. b. Chất môi giới (CMG) Quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong hệ nhiệt động thường phải tiến hành thông qua các chất trung gian được gọi là chất môi giới (CMG). Chất môi giới trong hệ nhiệt động có thể tồn tại ở các pha cơ bản: thể khí (hơi), thể lỏng hoặc thể rắn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới chủ yếu tồn tại ở thể khí (hơi) hoặc lỏng vì quá trình biến đổi giữa nhiệt và công gắn liền với sự thay đổi thể tích. Khi sử dụng, nhiệt biến đổi pha (hơi - lỏng) sẽ đem lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tiết kiệm được công bơm chất môi giới ở pha lỏng và kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới thường là khí thực, được tạo nên từ các phân tử có kích thước và trọng lượng bản thân nhất định, đồng thời giữa chúng có lực tác động tương hỗ. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà vật lý đã đưa ra khái niệm khí lý tưởng là chất khí có thể bỏ qua thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa chúng, vì vậy các phân tử được xem là các chất điểm chuyển động. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển, có thể xem không khí, ôxy, nitơ... là khí lý tưởng. Kết quả tính toán đối với khí thực tồn tại ở trạng thái loãng gần đúng với giả thiết của khí lý tưởng. Khi máy nhiệt sử dụng chất môi giới là khí thực do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất khá lớn đồng thời có sự biến đổi pha của chất môi giới trong chu trình nên người ta thường sử dụng bảng số và đồ thị trạng thái để có thể tính toán chính xác các quá trình nhiệt động khí thực. c. Khí lý tưởng Là chất khí khi bỏ qua động năng trung bình W®n của các phân tử và lực tương hỗ của các phân tử. Với giả thiết đó, chất khí được gọi là khí lý tưởng và tuân theo định luật hợp nhất của chất khí: pV  const , với khối lượng chất khí G = const. T 6
Để đặc trưng cho tính chất của khí thực và khí lý tưởng người ta đưa ra một đại lượng không thứ nguyên gọi là độ nén Z: pV Z RT (1-1) Với khí lý tưởng, độ nén Z  1, với khí thực Z  1, và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và tính chất vật lý của chất khí đó. Trong thực tế không có khí lý tưởng nhưng ở những điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường, chúng ta có thể coi các chất khí O2, N2, không khí là khí lý tưởng mà khi tính toán không phạm phải những sai số lớn. Hơi nước là khí thực nhưng trong không khí ẩm, hơi nước có phân áp suất rất nhỏ nên trong tính toán có thể coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng. d. Khí thực Khí lý thực là khí không bỏ qua lực tương tác của các phân tử (F0) và lực này làm hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có khoảng cách r giữa các phân tử. Khi các phân tử tiến lại gần tiến gần lại nhau (r0), lực tương tác này sẽ tăng rất nhanh và có giá trị vô cùng lớn F. Do vậy không thể nén khí thực để các phân tử của chúng nằm sát với nhau nghĩa là r =0. e. Nguồn nhiệt Trong chu trình nhiệt động, sự thay đổi trạng thái của CMG gắn liền với các quá trình trao đổi năng lượng với các nguồn nhiệt: Nguồn cấp nhiệt và Nguồn nhận nhiệt. Nguồn cấp nhiệt cho CMG có thể là nhiệt lượng thu được từ các quá trình đốt cháy nhiên liệu, từ môi trường hoặc từ vật cần làm lạnh. Nguồn nhận nhiệt từ CMG thường là môi trường không khí và nước trong tự nhiên hoặc vật cần sưởi ấm. Đối với động cơ nhiệt, nguồn nhận nhiệt là môi trường nước/không khí tiếp nhận nhiệt thừa và các khí thải của quá trình cháy nhiên liệu, nguồn cấp nhiệt được lấy từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Ví dụ: Trong Chu trình thiết bị làm lạnh, CMG cần có nguồn nhận nhiệt là môi trường nước/không khí để làm mát CMG trong quá trình ngưng tụ và nguồn cấp nhiệt là vật cần làm lạnh ở nhiệt độ thấp. Khi sử dụng bơm nhiệt, môi trường nước/không khí lại là nguồn cung cấp nhiệt cho vật cần sưởi ấm (nguồn nhận nhiệt). 7
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt Máy nhiệt là những thiết bị nhiệt thực hiện quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Theo chiều của chu trình các máy nhiệt được chia thành hai nhóm: Động cơ nhiệt và Máy lạnh kiểu máy nén/Bơm nhiệt. Động cơ nhiệt: là loại máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều kim đồng hồ, biến một phần nhiệt lượng Q1 thành công cơ học L0 và nhả phần nhiệt thừa Q2 vào môi trường. L0 = Q1 - Q2 Nguồn cấp nhiệt – Q1 T1 Lo Tmt Nguồn nhận nhiệt – Q2 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ nhiệt Trong đó: Q1: nhiệt lượng nhận được từ nguồn cấp nhiệt (Nguồn nóng T1 = 1000-1400oC); Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn nhận nhiệt (Nguồn lạnh Tmt - Nhiệt độ môi trường); L0: công sinh ra trong một chu trình. Máy lạnh kiểu máy nén: là loại máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều kim đồng hồ, tiêu hao công cơ học L0 để nhận nhiệt lượng Q2 từ vật cần làm lạnh và nhả vào môi trường một lượng nhiệt Q1. Q1 = L0 + Q2 Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều kim đồng hồ, nhưng khác với máy lạnh ở chỗ bơm nhiệt tiêu hao công cơ học L0 để nhận nhiệt Qmt từ môi trường cung cấp cho vật cần sưởi ấm nhiệt lượng Q1s. Q1s = L0 + Qmt Nguån nhËn nhiÖt Ts B¬m nhiÖt Q1,s Qmt L0 Tmt Nguån nhËn nhiÖt Nguån cÊp nhiÖt M¸y l¹nh Q1 L0 T0 Q2 Nguån cÊp nhiÖt (VËt cÇn lµm l¹nh) Chú thích: Tmt: nhiệt độ môi trường; Ts: nhiệt độ vật sưởi ấm; To: nhiệt độ vật làm lạnh. 8
1.2. Thông số trạng thái của môi chất (CMG) Theo thuyết động học phân tử, vật chất được cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử, các phân tử và nguyên tử luôn luôn chuyển động. Chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất khí, chất lỏng và chuyển động dao động của các phân tử chất rắn được gọi là chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt của các phân tử và nguyên tử được đặc trưng bằng động năng trung bình của các phân tử Wđn. Còn tương tác giữa các phân tử tạo nên thế năng của các phân tử Wtn. Đối với các chất khí loãng, do khoảng cách giữa các phân tử lớn nên có thể bỏ qua Wtn và người ta có thể tìm được những định luật tổng quát cho các chất khí và các thông số trạng thái cơ bản của chất khí là nhiệt độ, thể tích riêng và áp suất... 1.2.1. Nhiệt độ a. Nhiệt độ tuyệt đối: là đại lượng vật lý tỷ lệ với mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử. 2 W®n T 3 R Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin1 (K); R: hằng số phổ biến của chất khí R = 8314 (J/kmolK); Wđn: động năng trung bình của các phân tử khí (J/kmol). Trong kỹ thuật, nhiệt độ là mức đo nóng lạnh của một vật và được so sánh với nhiệt độ của một số quá trình đẳng nhiệt. b. Nhiệt độ Celsius2 p §¦ êng nãng ch¶y 221,2 bar K §iÓm tíi h¹n N¦íc ®¸ N¦ íc §¦ êng ¸p suÊt h¬i 0,0061 bar A §iÓm 3 thÓ H¬i n¦íc qu¸ nhiÖt o 0,01 C o 374,15 C t Hình 1.2. Điểm 3 thể của nước 1 Lord Kelvin (1824 – 1907)  Nhµ vËt lý ngêi Anh 2 Anders Celsius (1701 – 1744)  Nhµ thiªn v¨n Thuþ §iÓn 9
Thang chia nhiệt độ Celsius ký hiệu là t (oC) đã chọn nhiệt độ đông đặc t0 = 0oC và nhiệt độ sôi tsôi = 100oC của nước ở áp suất 760 mmHg (1,01325 bar) làm điểm mốc và chia làm 100 khoảng bằng nhau. Quan hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối và nhiệt độ Celsius: Theo quy ước thông số của nước ở điểm 3 thể sẽ là: t(oC) = 0,01 oC p = 6,1 mbar = 610 Pa Đối chiếu với nhiệt độ Celsius ta có: - Nhiệt độ đông đặc của nước ở điểm 3 thể tính theo độ Kelvin: T(K) = 273,16 K. - Nhiệt độ sôi của nước tính theo độ Kelvin: T(K) = 373,15 K. Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celsius như sau: T(K)  t( o C)  273,15 (1 - 2a) t( o C)  T(k)  273,15 (1 - 2b) Nhiệt độ 0(K) = 273,15(oC) sẽ tương ứng với trạng thái dừng chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử vì vậy theo thuyết động học phân tử thì không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối. Cần chú ý rằng một độ chia của thang nhiệt độ Celsius và Kelvin là như nhau, vì vậy hiệu số nhiệt độ tính theo độ (oC) hay độ (K) sẽ bằng nhau. Từ đó thống nhất cách viết một độ chia theo nhiệt độ (K) hay nhiệt độ (oC) đều ký hiệu (K), ví dụ đơn vị của nhiệt dung riêng: J/kg.K. ΔT(K)  (T  T )  (t  273,15)  (t  273,15)  (t  t )  Δt(oC) 1 2 1 2 1 2 c. Nhiệt độ Fahrenheit Ngoài các thang nhiệt độ trên, ở các nước (Anh, Mỹ....) thường sử dụng thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu là T(oF). Công thức chuyển đổi từ T(oF) sang t(oC) như sau: t( o C )  5  T ( o F )  3 2  (1-3) 9  Theo công thức trên t(oC) = 0 khi T(oF) = 32, việc tính chuyển giữa (oC) và (oF) được cho trong bảng 1.3. 10
Bảng 1.3. Chuyển đổi giữa t(oC) và T(oF) Nhiệt độ o o o o o o o o C C/F F C C/F F C C/F F C C/F F -3,3 -10 +14,0 -15,0 +5 +41,0 -6,7 +20 +68,0 +1,7 +35 +95,0 -22,8 -9 +15,8 -14,4 +6 +42,8 -6,1 +21 +69,8 +2,2 +36 +96,8 -22,2 -8 +17,6 -13,9 +7 +44,6 -5,5 +22 +71,6 +2,8 +37 +98,6 -21,7 -7 +19,4 -13,3 +8 +46,4 -5,0 +23 +73,4 +3,3 +38 +100,4 -21,1 -6 +21,2 -12,8 +9 +48,2 -4,4 +24 +75,2 +3,9 +39 +102,4 -20,6 -5 +23,0 -12,2 +10 +50,0 -3,9 +25 +77,0 +4,4 +40 +104,0 -20,0 -4 +24,8 -11,7 +11 +51,8 -3,3 +26 +78,8 +5,0 +41 +105,8 -19.4 -3 +26,6 -11,1 +12 +53,6 -2,8 +27 +80,6 +5,5 +42 +107,6 -18.9 -2 +28,4 -10,6 +13 +55,4 -2,2 +28 +82,4 +6,1 +43 +109,4 o Cách đọc: Từ cột C/F- đọc cột bên phải nếu chuyển từ Co F , đọc cột bên trái nếu o o chuyển tử F  C. 1.2.2. Dãn nở nhiệt Trong tự nhiên, khi nhiệt độ chất lỏng và chất khí thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng dãn nở nhiệt, đó là nguyên nhân của các hiện tượng đối lưu tự nhiên trong khí quyển và sự dãn nở của các vật rắn. Trong xây dựng, sự dãn nở nhiệt có thể dẫn đến sự rạn nứt của các công trình có kích thước lớn như: nhà cao tầng, cầu, đường, đê đập… Vì vậy, khi thiết kế các công trình có kích thước lớn cần phải chú ý đến sự dãn nở dài để tránh những hư hỏng do hiện tượng dãn nở nhiệt. Trong kỹ thuật, hiện tượng dãn nở nhiệt thể tích của các chất lỏng (Hg, cồn...) được ứng dụng để chế tạo các dụng cụ đo nhiệt độ trong phạm vi 200oC - 625oC. Ở áp suất không đổi, vật chất dãn nở khi nhiệt độ tăng, hiện tượng này được gọi dãn nở nhiệt. Chỉ có một trường hợp ngoại lệ là nước có thể tích riêng nhỏ nhất ở +4oC đã làm cho nước biển không bị đóng băng hoàn toàn ở các vùng cực. a. Sự dãn nở dài của vật rắn L Hệ số dãn nở dài do nhiệt của một vật phụ thuộc vào loại vật liệu, phạm vi nhiệt độ và được xác định như sau: 1 dl α ; ở p = const (1- 4) L dt  là độ dãn dài của vật liệu so với chiều dài ban đầu khi nhiệt độ tăng 1K. Giá 11
trị của  phụ thuộc vào nhiệt độ nhưng trong tài liệu kỹ thuật thường cho  trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 0oC - toC, do đó độ dãn dài khi nhiệt độ tăng từ 0oC đến t1oC được xác định như sau: l1  l0  l0αtb t1 0  t  0 C 1 0 (1-5) Khi nhiệt độ thay đổi từ t1 đến t2 có thể xác định độ dãn nở nhiệt: t2 l  l2  l1  l0 (α tb 0 t2  α tb 0t1 t1) (m) (1-6a) t2 l  l2  l1  l0α tb t 1 (t 2  t1) (m) (1-6b) t t α 2t α 1t Với α t 2  tb 0 2 tb 0 1 (1/K) tb t t t 1 2 1 t t Thông thường trong tính toán gần đúng có thể lấy: αtb t1  αtb 0 2 2 Và công thức có thể viết lại như sau: t 2 (t  t ) (m) Δl  l α 1 tb t 2 1 (1-7) 1 b. Dãn nở thể tích V Ở áp suất không đổi, dãn nở thể tích của một vật khi nhiệt độ tăng 1K được gọi là hệ số dãn nở thể tích do nhiệt, hệ số này phụ thuộc vào loại vật liệu và phạm vi nhiệt độ. Hệ số dãn nở thể tích do nhiệt được xác định như sau: 1 dV (1-8) β  ; ở p = const V dT : hệ số tăng thể tích so với thể tích ban đầu khi nhiệt độ tăng 1K. 1 Hệ số dãn nở thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ, đối với khí lý tưởng β . T Tương tự với độ dàn dài, độ dãn nở thể tích có thể được xác định: ΔV  V2  V1  V0 (β tb t2 0 t2  β tb 0t1 t1) (m3) (1-9a) ΔV  V2  V1  V0β tb t2 t 1 (t 2  t1) (m3) (1- 9b) t2 t1 β tb 0 t2  β tb 0 t1 Với β tb tt 2  (1/K) 1 t 2  t1 12
Trong tính gần đúng có thể sử dụng công thức: ΔV  V1β tb tt12 (t 2  t1 ) (m3) (1 - 10) Bảng 1.4. Hệ số dãn nở dài trung bình và hệ số dãn nở thể tích của một số vật liệu Hệ số dãn nở dài  0t C ( 1 )0 K Phạm vi nhiệt độ 0oC - 100oC 0oC - 200oC Nh«m (99,5%) 23,8.10-6 24,5.10-6 ThÐp ®óc 10,4.10-6 11,1.10-6 Thuû tinh x©y dùng (3,5 -8,1).10-6 (3,6 - 8,4).10-6 Pha lª 0,5.10-6 0,6.10-6 §ång 16,5.10-6 16,9.10-6 §ång thau (62% Cu) 18,4.10-6 19,3.10-6 ThÐp (0,2-0,6% C) 11,0.10-6 12,0.10-6 Hệ số dãn nở thể tích  0t 0 C (1) K Phạm vi nhiệt độ 0oC - 50oC 0oC - 100oC Thuû ng©n 182,2.10-6 182,6.10-6 Glyxerin 520.10-6 - -3 Níc (H2O) 20 - 70oC (0,21 - 0,58).10 - 1.2.3. Thể tích riêng, khối lượng riêng Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng, hay là thể tích của 1 kg chất môi giới và được ký hiệu là v và xác định bằng biểu thức: V v G ; (m3 kg) (1 -11) Trong đó: V: thể tích của vật (m3); G: khối lượng của vật (kg). Trong điều kiện áp suất không đổi thể tích của khối khí phụ thuộc bậc nhất vào nhiệt độ: Vt = Vo(1 + t) Trong đó: Vo: thể tích của không khí ở 0oC; : hệ số dãn nở thể tích; t: nhiệt độ Celsius (oC). 13
Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng, ký hiệu là : 1 G ρ  ; v V (kg m3 ) (1 - 12) 1.2.4. Áp suất Phương trình Rudolf Clausius biểu thị mối quan hệ giữa áp suất của chất khí với thể tích và động năng trung bình của phân tử như sau: 1 N 2 p m u 3 V (1 -13) Trong đó: p - áp suất; V- thể tích; m - khối lượng; N - số các phân tử trong thể tích V; u - vận tốc toàn phương trung bình của phân tử. Trong nhiệt động, áp suất được hiểu là lực tác dụng của các phân tử chất khí hoặc chất lỏng theo phương pháp tuyến trên một đơn vị diện tích thành bình chứa. áp suất được ký hiệu là p; ở đây: F p ; N/m 2 (1 - 14) S Trong đó: F - lực tác dụng của các phân tử chất khí hoặc chất lỏng (N); S - diện tích thành bình (m2). Đơn vị đo áp suất (N/m2), được gọi là Pascal (Pa). 1 bar = 105 N/ m2, 1 kPa = 103 Pa, 1 MPa = 106 Pa. Ngoài ra còn dùng đơn vị đo áp suất psi, atmốtphe (atm) và để đo giá trị áp suất nhỏ người ta dùng chiều cao cột chất lỏng như thuỷ ngân (mmHg), nước (mmH2O), áp suất khí quyển trên mặt biển pkq = 101325 Pa. Bảng 1.5. Bảng đổi đơn vị áp suất Hệ SI Các đơn vị khác 1 Pa 1 N/m2 - 1 bar 100 000 Pa = 14,5 psi = 750 mmHg 1 kG/cm2 (1 at) 98100 Pa = 14,23 psi = 735,8 mmHg 1 atm (vật lý) 101325 Pa = 1,01325 bar = 760 mmHg 1 mmH2O 9,8 Pa - 1 mmHg (1torr) 133,32 Pa - 1 psi (1 pound/1 inch2) 6895 Pa 0,06895 bar (0,07 bar) 1 in Hg 3387 Pa - 1 in H2O 249 Pa - 1 ft H2O 2989 Pa = 0,02898 (0,03 bar) 14
Các quy đổi trên đúng cho trường hợp khi cột chất lỏng ở 0oC. Nếu cột chất lỏng ở nhiệt độ khác 0oC ta phải hiệu chỉnh cột chất lỏng này về 0oC. Thông thường ở nhiệt độ không lớn ta có thể bỏ qua sự hiệu chỉnh này. Đối với chất khí khi bỏ qua khối lượng bản thân các phân tử thì áp suất tuyệt đối sẽ không thay đổi ở tất cả các vị trí trong hệ thống kín. pb      p1 H1               H2      p2              Hình 1.3. Áp suất trong lòng chất lỏng khi chịu tác động của ngoại lực Đối với chất lỏng, do khối lượng bản thân các phân tử khá lớn, nên áp suất tuyệt đối trong khối chất lỏng không chỉ phụ thuộc vào ngoại lực (bơm, máy nén) mà còn chịu ảnh hưởng của lực trọng trường đã tạo nên áp suất tĩnh khác nhau trong khối chất lỏng (hình 1.3). Có thể thấy p1  pb  H1 , p 2  pb  H2 ; pb - áp suất tuyệt đối của bơm; H1, H2: cột áp của chất lỏng. Áp suất tuyệt đối của chất khí ký hiệu là p và là thông số trạng thái. Áp suất của khí quyển trên mặt đất ký hiệu là pkq, phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí quyển gọi là áp suất dư, ký hiệu pd từ đó có áp suất tuyệt đối của chất khí: p = pkq + pd (1 - 15a) Phân áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là độ chân không, ký hiệu pck, từ đó có áp suất tuyệt đối của chất khí trong bình: p + pck = pkq p = pkq – pck (1 - 15b) Dụng cụ đo áp suất gọi chung là áp kế. Có nhiều loại áp kế: áp kế chất lỏng, áp kế lò xo, áp kế áp điện… và được xác định như sau: Áp kế dùng để đo áp suất tuyệt đối của khí quyển gọi là barometer. Áp kế đo áp suất dư gọi là Manometer, khi sử dụng áp kế Manometer để xác định áp suất tuyệt đối của chất khí thì phải cộng thêm 1 atm (101325 Pa*) với 15
chỉ số áp suất dư pd trên Manometer: p = pkq + pd = 1 atm + pd Áp kế đo độ chân không gọi là chân không kế, áp suất tuyệt đối được xác định khi biết độ. 1.2.5. Nội năng Nội năng ký hiệu là U (J) hay u (J/kg). Nội năng là toàn bộ các phần năng lượng riêng lẻ tạo nên hệ, nó không phụ thuộc vào sự chuyển động của cả hệ cũng như sự có mặt của trường lực bên ngoài. Nội năng U của hệ gồm có động năng chuyển động hỗn loạn của các phần tử trong hệ và thế năng tương tác giữa chúng. Nội năng của hệ là một hàm đơn trị. Theo thuyết động học phân tử, nội năng của khí lý tưởng là năng lượng toàn 3RT phần chuyển động tịnh tiến của các phân tử trong một mol khí: u . 2 Nội năng của khí lý tưởng là hàm của nhiệt độ: u = u(T), chỉ phụ thuộc vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử và bỏ qua tác dụng tương hỗ giữa chúng. Đối với khí lý tưởng, trong mọi quá trình biến đổi, nội năng được xác định bằng biểu thức: du = CvdT và u = u2-u1 = Cv(T2 - T1) (1 - 16) Cv - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích. Trong các quá trình nhiệt động chỉ cần xác định biến đổi nội năng u mà không cần giá trị tuyệt đối của nó, nên có thể chọn điểm gốc tuỳ ý tại đó nội năng có giá trị bằng không. Theo quy ước quốc tế người ta chọn u = 0 ở nhiệt độ 0,01oC, áp suất 6,1 mbar (điểm ba thể của nước). 1.2.6. Năng lượng đẩy Năng lượng đẩy (hay thế năng áp suất) ký hiệu D (J) hay d (J/kg) là nguồn năng lượng thực hiện quá trình lưu động của chất khí trong hệ thống hở. Khi dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, năng lượng đẩy giúp khối khí dịch chuyển, người ta chứng minh được biểu thức năng lượng đẩy là: D = pV hay d = pv (1 - 17) Các biểu thức trên ở dạng vi phân sẽ là: d(D) = d(pV) = pdV + Vdp (1 - 18) 16
Hay d(d) = pdv + vdp Năng lượng đẩy cũng là thông số trạng thái và cần chú ý rằng năng lượng đẩy chỉ có trong hệ hở. Khi dòng khí chuyển động, năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khí dịch chuyển. 1.2.7. Entanpi Entanpi được ký hiệu I (J) hoặc i (J/kg), h (J/kg). Trong nhiệt động, entanpi được định nghĩa bằng biểu thức: I = U + pV và i = u + pv (1 -19) Entanpi là hàm trạng thái, vi phân của nó: di = du + d(pv) là vi phân toàn phần. Entanpi có cả trong hệ hở lẫn hệ kín. Cần lưu ý tích số pv trong hệ kín không mang ý nghĩa năng lượng đẩy, ngược lại trong hệ hở pv có ý nghĩa của năng lượng đẩy. Entanpi của khí thực cũng giống như nội năng là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông số trạng thái cơ bản p, v, T. Riêng đối với khí lý tưởng, entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: i = f(T) và biến đổi entanpi trong mọi quá trình đều được xác định bằng biểu thức: di = CpdT; i = i2 – i1 = Cp(T2 – T1) (1 - 20) Ở đây: Cp - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp. Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần tính biến đổi entanpi mà không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi. Vì vậy có thể chọn tuỳ ý điểm gốc mà tại đó entanpi có giá trị bằng 0, theo quy ước quốc tế chọn i = 0 ở điểm 3 thể của nước. 1.2.8. Entropi Khi hệ nhiệt động nhận nhiệt lượng dq trong quá trình thuận nghịch ở nhiệt độ T, vi phân của hàm entropi được xác định bằng biểu thức : dq ds  (1 - 21) T Độ biến thiên entropi trong quá trình hữu hạn: 2 dq Δs  s 2  s1   T ; J kg.K 1 (1 - 22) Có thể tính nhiệt lượng theo độ biến thiên entropi như sau : s2 dq  Tds  q   Tds; (J/kg) (1 - 23) s1 Trên đồ thị T - s, nhiệt lượng của quá trình được biểu diễn bằng diện tích s112s2 (hình 1.4). 17
T(K) T1 1 T= f(s) s2 q12 = Tds s1 T2 2 s1 s2 s(J/kg.K) ds Hình 1.4. Nhiệt lượng trên đồ thị T-s 1.3. Phương trình trạng thái Các chất khí đều được tạo thành bởi các phân tử và nguyên tử. Các phân tử và nguyên tử có kích thước xác định, giữa chúng có các lực tương tác lẫn nhau. Trong khảo sát các chất khí nếu bỏ qua thể tích bản thân của các phân tử, nguyên tử và lực tương tác giữa chúng thì các chất khí đó được gọi là khí lý tưởng. Không khí ở điều kiện bình thường được coi là khí lý tưởng. 1.3.1. Phương trình trạng thái khí lý tưởng Phương trình trạng thái của khí lý tưởng đã tìm được từ các định luật thực nghiệm về khí lý tưởng (của Boyle- Mariotte và Gay-Lussac). Phương trình trạng thái viết cho 1kg khí lý tưởng: pv = RT (1 - 24) Trong đó: p - áp suất tuyệt đối ( N/m ); 2 v - thể tích riêng ( m3 /kg ); R - hằng số chất khí (J/kg.K); T - nhiệt độ tuyệt đối (K). Phương trình trạng thái viết cho G kg khí lý tưởng: pV = GRT (1-25) Phương trình trạng thái khí lý tưởng đối với 1 kmol khí lý tưởng: pV = R T μ μ (1-26) Từ quan hệ ta có thể tính được giá trị Rμ như sau: pVμ Rμ  T Ta biết rằng, theo định luật Avogadro ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý (p = 760 mm Hg, t = 0oC = 273,15oK) thể tích của 1 kmol khí lý tưởng V = 22,4 m3. Vậy μ ta có: 760 5 10 .22,4 Rμ  750  8314 (J/kmol . K) 273,15 18
Từ đó hằng số chất khí được xác định : Rμ 8314 R  (J/kg . K) (1-27) μ μ Từ phương trình trên, sau khi nhân hai vế của phương trình với số kilomol của chất khí và lưu ý V M  V , ta có phương trình trạng thái đối với M kilomol μ chất khí: pV  MRμ T (1-28) Bảng 1.6. Hằng số chất khí, nhiệt dung riêng đẳng áp Cp và entanpi của một số chất khí ở 15oC Hơi nước Không Chất khí CO2 H2 N2 O2 SO2 (H2O) khí R (kJ/kg . K) 0,189 4,124 0,462 0,297 0,26 0,287 0,13 Cp (kJ/kg . K) 0,835 14,158 1,861 1,038 0,916 1,003 0,616 i (kJ/kg) 65,34 120,4 163,4 91,44 80,3 88,29 53,04 1.3.2. Phương trình trạng thái của khí thực Khí thực là khí có kể đến thể tích và lực tương tác giữa chúng. Phương trình trạng thái của khí thực thường được xác định bằng thực nghiệm cho 1 chất khí hay 1 nhóm chất ở những khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Phương trình khí thực đầu tiên do Vandec Van nêu ra có dạng :  a  p 2  v  b  RT  v  Trong đó : a, b là các hằng số phụ thuộc vào bản chất các chất khí và xác định bằng thực nghiệm. Phương trình này chỉ đúng cho các chất khí ở áp suất nhỏ, thể tích lớn (tức là gần với khí lý tưởng). 1.4. Nhiệt lượng và phương pháp xác định nhiệt lượng 1.4.1. Nhiệt lượng Lượng năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử được truyền từ vật này sang vật khác được gọi là nhiệt lượng Q. Trong hệ SI, nhiệt và công đều được đo bằng Joule (J), về mặt lịch sử nhiệt lượng được đo bằng kcal - là lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt 1 kg nước từ 14,5  15,5oC ở áp suất khí quyển 1,01325 bar: 19
1 kcal = 4185,5 J = 4,1855 kJ Khái niệm nhiệt còn được sử dụng trong một số ý nghĩa khác nhau: - Trước hết nhiệt được hiểu là quá trình truyền năng lượng từ vật này sang vật khác bằng sự trao đổi nhiệt. - Năng lượng chuyển động hỗn loạn của các phân tử và nguyên tử chất lỏng hoặc chất khí và dao động của các phân tử chất rắn được gọi là năng lượng nhiệt. - Năng lượng nhiệt cũng được sử dụng để chỉ phần năng lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi pha: nhiệt ẩn nóng chảy, nhiệt ẩn hoá hơi, nhiệt ẩn thăng hoa,... 1.4.2. Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt lượng a. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất đó lên một độ trong một quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng của chất khí phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ và áp suất. Thông thường ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào áp suất ở các áp suất không quá lớn. Nhiệt dung riêng được ký hiệu là C. Vì nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta có khái niệm nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình. Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng tại một nhiệt độ nào đó. Ta có biểu thức: t2 dq C dt ;q   Cdt t1 (1 - 29a) Nhiệt dung riêng trung bình là nhiệt dung riêng trong một khoảng nhiệt độ t = t2 - t1 nào đó. t2 1 C t1...t2  ΔtCdt t1 (1 - 29b) - Tuỳ theo đơn vị đo lượng vật chất mà ta có các loại nhiệt dung sau: + Nhiệt dung riêng khối lượng: Khi đơn vị đo là kg, chúng ta có nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu C(J/kg.K). + Nhiệt dung riêng thể tích: Nếu đơn vị đo là mét khối tiêu chuẩn (ký hiệu m3) thì nhiệt dung riêng được gọi là nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu là C’ (J/m3.K). Mét khối tiêu chuẩn là mét khối ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý (p = 760 mmHg; t = 0oC). 20