Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
(cid:190) Bộ môn: Công nghệ Nhiệt Lạnh – Khoa Cơ Khí
(cid:190) Số tiết học: 42 tiết kéo dài trong 8 tuần
- Tuần 1 (cid:198) 4 : 5 chương đầu tiên
- Tuần 4 : KIỂM TRA giữa học kỳ
20%20%
- Tuần 5 (cid:198) 8 : 5 chương cuối
- THI CUỐI HỌC KỲ
80%80%
p.1p.1
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Mục đích môn học
(cid:190) Nắm vững những qui luật về biến đổi năng lượng (chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng) (cid:198) nâng cao hiệu quả sự dụng năng lượng
(cid:190) là môn cơ sở để nghiên cứu và thiết kế các loại máy nhiệt nói riêng và các hệ thống nhiệt động nói chung
VD: - Các loại động cơ nhiệt: ĐC đốt trong, ĐC phản lực
- HTĐHKK, Tủ lạnh
- Các thiết bị sấy, lò hơi
- Bơm, máy nén
p.2p.2
- Các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời, vv….
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Nội dung môn học
(cid:190) Chương 1: Một số khái niệm cơ bản – Phương trình trạng thái của chất khí
(cid:190) Chương 2: Định luật Nhiệt động thứ nhất (Nguyên lý bảo toàn năng lượng)
(cid:190) Chương 3: Định luật Nhiệt động thứ hai
(cid:190) Chương 4: Chất thuần khiết
(cid:190) Chương 5: Một số quá trình đặc biệt của khí và hơi
(cid:190) Chương 6: Không khí ẩm
(cid:190) Chương 7: Quá trình nén khí và hơi
(cid:190) Chương 8: Chu trình thiết bị động lực hơi nước
(cid:190) Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong
(cid:190) Chương 10: Chu trình máy lạnh
p.3p.3
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Tài liệu tham khảo
1. Hoàng đình Tín – Lê chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB Đại học quốc gia Tp HCM, 2007.
2. Hoàng Đình Tín – Bùi Hải: Bài tập Nhiệt động lực học KT & truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2008.
3. Hoàng đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB Đại học quốc gia Tp HCM, 2001.
p.4p.4
4. Cengel, Y. A. – Boles, M. A., Thermodynamics: An 5th Edition, McGraw-Hill’ Engineering Approach, publisher, 2006.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
CHƯƠNG 1 (Phần 1):
Một số khái niệm cơ bản
1.1 Các vấn đề chung
1.2 Những khái niệm cơ bản
1.3 Thông số trạng thái của môi chất
p.5p.5
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
1.1 Các vấn đề chung
(cid:153) Tất cả các bài toán về NHIỆT chung qui cũng chỉ nhằm:
• m
Xác định NĂNG LƯỢNG của hệ thống cũng như SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG trong hệ thống
VD1:
p.6p.6
VD2: Bơm xe đạp nóng lên khi bơm
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
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.7p.7
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
1.2.1 Nhiệt lượng và công
(cid:190)(cid:190) Nhiệt lượng
- Qui Qui ướcước: + Vật nhận nhiệt: Q (+)
+ Vật thải nhiệt: Q (-)
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
(cid:190)(cid:190) CôngCông: là lượng năng lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả
- Qui Qui ướcước: + Vật sinh ra công: W (+)
+ Vật nhận công: W (-)
năng dịch chuyển một vật nào đó.
Đơn vị đo: - Hệ SI: 1 J (jun) = 1N.m = 107 erg ; 1 cal (calo) = 4.18 J Đơn vị đo
- Hệ khác: 1 Btu = 1055 J = 252 cal ; 1 Wh = 3.413 Btu
p.8p.8
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Mechanical Equivalent of Heat
p.9p.9
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.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
nhiệt động 1.2.2 Hệ Hệ nhiệt động 1.2.2
Chất môi giới ?? Nguồn nóng ?? Nguồn lạnh ??
- 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.
Khi xem xét một
Công và nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi trạng thái
HNĐ cần chú ý:
Bề mặt ranh giới ngăn cách giữa chất môi giới và môi trường ??
p.10p.10
Ví dụ minh họa
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Một số ví dụ về hệ nhiệt động (1)(1) Một số ví dụ về hệ nhiệt động
p.11p.11
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Một số ví dụ về hệ nhiệt động (2)(2) Một số ví dụ về hệ nhiệt động
p.12p.12
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Một số ví dụ về hệ nhiệt động (3)(3) Một số ví dụ về hệ nhiệt động
p.13p.13
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Phân loại hệ nhiệt động 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.)
nhiệt với môi trường trong quá trình hoạt động.
- HNĐ đoạn nhiệt: trong hệ thống này, chất môi giới không có sự trao đổi
p.14p.14
- 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.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về hệ nhiệt động kínkín Ví dụ về hệ nhiệt động
p.15p.15
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về hệ nhiệt động hởhở Ví dụ về hệ nhiệt động
p.16p.16
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
cô lập Ví dụ về hệ cô lập Ví dụ về hệ
p.17p.17
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Máy nhiệt 1.2.3 Máy nhiệt 1.2.3
Nguồn nóng
A/ Động cơ nhiệt:
Q1
W Động cơ nhiệt
Q2
Nguồn lạnh
(cid:190) Xét bảo toàn năng lượng cho Động cơ nhiệt: =
WQ +
Q 1
2
Q
q
(cid:190) Hiệu suất nhiệt:
1 −=
1 −=
=η
W Q 1
2 q 1
2 Q 1 p.18p.18
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..)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về động cơ nhiệt Ví dụ về động cơ nhiệt
p.19p.19
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Nguồn nóng
1/2009
B/ Bơm nhiệt, máy làm lạnh:
Q1
W
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.
Q2
Nguồn lạnh
WQ +
Q 1
= 2
(cid:190) Xét bảo toàn năng lượng cho bơm nhiệt hay máy làm lạnh:
(cid:190) Hệ số làm nóng (cho bơm nhiệt):
=ϕ
=
=
1>
Q 1 W
q
Q 1 QQ −
q 1 −
1
2
q 1
2
(cid:190) Hệ số làm lạnh (cho máy lạnh):
=ε
=
=
Q 2 W
q
Q 2 QQ −
q 2 −
1
2
q 1
2
p.20p.20
(VD: máy lạnh, bơm nhiệt)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Máy điều hòa nhiệt độ Máy điều hòa nhiệt độ
p.21p.21
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Tủ lạnh - Refrigeration Animation
p.22p.22
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Bơm nhiệt – Máy ĐHKK
p.23p.23
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Thông số trạng thái 1.31.3 Thông số trạng thái
(cid:132) 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)
(cid:190) Các thông số trạng thái thường dùng là:
- Nhiệt độ T
- Áp suất p
Thể tích riêng v -
- Nội năng u
Entanpi i -
p.24p.24
s Entropi -
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về thông số trạng thái Ví dụ về thông số trạng thái
p.25p.25
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Nhiệt độ TT Nhiệt độ
- NK thủy ngân, NK rượu: dựa trên sự giãn nở của chất lỏng
(cid:190) Thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật
- NK điện trở: dựa trên sự thay đổi điện trở
(cid:190) Dụng cụ đo: Nhiệt kế
- Thermocouple: dựa trên sự thay đổi dòng điện
(NK)
o
o
C
F
=
−
- Độ bách phân (oC):
(cid:190) Đơn vị:
(
)32
5 9
o
o
- Độ Fahrenheit (oF):
F
8.1
C
32
=
+
o
- Độ Kelvin (oK):
K
273
o = C
+
p.26p.26
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Tương quan giữa các thang nhiệt độ Tương quan giữa các thang nhiệt độ
p.27p.27
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Absolute Zero and the Kelvin Scale
t (oC)
p.28p.28
The pressure-temperature relation leads to the design of a constant-volume gas thermometer. Extrapolation of measurements made using different gases leads to the concept of absolute zero, when the pressure (or volume) is zero.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Áp suất pp Áp suất
(cid:190) Lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. (Ví dụ)
- 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
p
p
p
=
−
ck
kt
(cid:190) Dụng cụ đo:
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.29p.29
(cid:190) Đơn vị:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về áp suất (1)(1) Ví dụ về áp suất
p.30p.30
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về áp suất (2)(2) Ví dụ về áp suất
p
=⇒=
p 1
2
F 1 F 2
A 1 A 2
p.31p.31
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về áp suất (3)(3) Ví dụ về áp suất
p.32p.32
Đáp số: 111.7 kPa
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về dụng cụ đo áp suất Ví dụ về dụng cụ đo áp suất
p.33p.33
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Parometer Nguyên lý hoạt động của Parometer Nguyên lý hoạt động của
2
1
mmH
O
gh
1000
x
81.9
x
001.0
81.9
/ mN
81.9
Pa
= ρ
=
=
=
2
p.34p.34
VD: với 1mm H2O
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Manometer Nguyên lý hoạt động của Manometer Nguyên lý hoạt động của
3
850
hmkg
;
/
55
; cm
96
kPa
=ρ
=
=
P atm
850
x
x
55.0
P
gh
96
100
6.
kPa
=
+
ρ
=
+
=
P Gas
atm
81.9 3 10
p.35p.35
VD: với
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Ví dụ: dùng Manometer đo chênh áp suất của dòng chảy
ga
gh
+
=
+
+
( hag +
)
1/2009
P 1
ρ 1
P 2
ρ 1
ρ 2
=
)gh
PP − 1 2
( ρρ − 1
2
p.36p.36
Ta có:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Thể tích riêng vv Thể tích riêng
v =
(cid:190) Thể tích ứng với một đơn vị khối lượng
V G
(m3/kg)
=v
1 ρ
hay:
+ 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)
trong đó: + G: khối lượng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg)
p.37p.37
(cid:190) Lưu ý: thể tích riêng v mới là thông số trạng thái, còn thể tích V không phải là thông số trạng thái
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Ví dụ về tính thể tích riêng Ví dụ về tính thể tích riêng
p.38p.38
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Nội năng uu Nội năng (cid:190) Là loại thông số trạng thái không đo trực tiếp được mà phải tính toán
- 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
UU =
d U +
t
(cid:190) Nội năng U của một hệ thống bao gồm:
u
u
u
=
+
(cid:190) Nếu khảo sát 1kg khối lượng chất môi giới:
d
t
trong đó: ud là nội động năng; ut là nội thế năng của 1 kg khối lượng chất môi giới
p.39p.39
(kJ/kg)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
u
u
u
=
+
d
t
1/2009
(cid:190) Theo thuyết động học phân tử:
vTf ),(
u =
- 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
(cid:190) 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.
(cid:190) 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.40p.40
(cid:190) Đơn vị: kJ, kcal, kWh (hệ SI) hoặc BTU (British Thermal Unit)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Nói thêm về nội năng U (cid:190) Là năng lượng bên trong, gây ra do chuyển động và tương
tác giữa các phân tử trong vật thể.
p.41p.41
Ví dụ: - đối với vật rắn
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.42p.42
(cid:190) Ví dụ: (đối với chất khí)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Entanpi ii Entanpi (cid:190) Là loại thông số trạng thái không đo trực tiếp được mà phải tính toán
i
pv
u +=
(cid:190) Entanpi của 1 kg khối lượng chất môi giới đuợc tính theo công thức:
(kJ/kg)
(cid:190) Đối với khí lý tưởng, do u và pv chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên i cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
p.43p.43
(cid:190) 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
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
Entropi ss Entropi (cid:190) Lượng biến đổi entropi ds của 1 kg khối lượng chất môi giới trong 1 quá trình thuận nghịch đuợc tính theo công thức:
cho G kg chất môi giới
ds
=
hay
dS
=
q δ T
(dS = G ds)
Q δ T
trong đó: -
qδ
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
0
=
0=
dù chu trình là thuận nghịch hay không
nếu chu trình là thuận nghịch
0<
nếu chu trình là không thuận nghịch
p.44p.44
(cid:190) Đơn vị: kJ/kg.K, kcal/kg.K ∫ (cid:190) Lưu ý: ds - Δ Qδ- Δ∫ T Qδ- Δ∫ T
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
---------------------------------------
HẾT CHƯƠNG 1 (Phần 1)
p.45p.45
