Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật: Chương 1 - TS. Nguyễn Minh Phú

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

CHƢƠNG 1 CCAAÙÙCC KKHHAAÙÙII NNIIEEÄÄMM CCÔÔ BBAAÛÛNN

1. KHÁI QUÁT

Mục tiêu của nhiệt động lực học là nghiên cứu những qui luật về biến đổi

năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng thông qua hệ nhiệt động.

Hệ nhiệt động

Cơ năng

Nhiệt năng

Hệ nhiệt động gồm có ba yếu tố cơ bản: nguồn nóng, nguồn lạnh và chất

môi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đó thì hệ thống sẽ không làm việc được.

Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng.

Chất môi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất môi giới phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất môi giới làm xuất hiện sự thay đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường, hoặc ngược lại, chính công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường làm cho trạng thái của chất môi giới bị thay đổi.

Ví dụ:

Nguồn nóng

Động cơ đốt trong Xylanh – píttông Chất môi giới Sản phẩm cháy

Máy lạnh Thiết bị ngưng tụ Nguồn lạnh Không khí bên ngoài Thiết bị bay hơi

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-1-

Lò hơi Bình ngưng Môi chất lạnh (NH3, frêon) Nước – hơi nước Nhà máy nhiệt điện

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Chaát moâi giôùi

Hệ nhiệt động

Nguồn nóng Nguoà n laïnh

Có 4 loại hệ nhiệt động:

Heä nhieät ñoäng

Heä hôû: Coù trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng

Heä kín: Khoâng trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng

Heä coâ laäp: chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng khoâng coù baát kyø söï trao ñoåi naêng löôïng naøo

Heä ñoaïn nhieät: Khoâng trao ñoåi nhieät giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng

Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại:

1. Động cơ nhiệt: chất môi giới sẽ nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng giãn nở sinh công W và nhả nhiệt Q2 cho nguồn lạnh. Q1 = |Q2| + W Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt:

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-2-

2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất môi giới nhận công W từ

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q2 đến nguồn nóng Q1.

|Q1| = Q2 + |W|

Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta dùng:

- Hệ số làm lạnh

- Hệ số làm nóng

2. THOÂNG SOÁ TRAÏNG THAÙI

Laø caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng cho traïng thaùi chaát moâi giôùi

Caùc thoâng soá traïng thaùi goàm: nhieät ñoä, aùp suaát, theå tích rieâng (hay khoái

löôïng rieâng), noäi naêng, entanpi vaø entroâpi.

Trong ñoù nhieät ñoä, aùp suaát vaø theå tích rieâng laø caùc thoâng soá traïng thaùi cô

baûn (vì ño ñöôïc). Noäi naêng, entanpi vaø entroâpi goïi laø thoâng soá daãn suaát.

2.1. NHIEÄT ÑỘ T

Nhieät ñoä laø moät thoâng soá traïng thaùi theå hieän möùc ñoä noùng laïnh cuûa vaät,

duïng cuï ño nhieät ñoä goïi laø nhieät keá.

Coù 4 loaïi thang ño nhieät ñoä: theo heä SI coù thang nhieät ñoä Celcius vaø

Kelvin, theo heä English coù thang nhieät ñoä Fahrenheit vaø Rankine. Trong ñoù

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-3-

Kelvin vaø Rankine laø caùc thang nhieät ñoä tuyeät ñoái.

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Thang nhieät ñoä

Heä SI Heä English

Celcius (oC)

Fahrenheit (oF)

Kelvin (K) Nhieät ñoä tuyeät ñoái Rankine (R) Nhieät ñoä tuyeät ñoái

- Thang nhieät ñoä baùch phaân, coøn goïi laø thang nhieät ñoä Celcius, treân cô sôû ôû aùp suaát tieâu chuaån p = 1,013bar nöôùc ñaù ñang tan ôû 0oC vaø nöôùc soâi ôû 100oC, trong khoaûng naøy chia thaønh 100 vaïch vaø moåi vaïch laø 1oC

- Thang ño nhieät ñoä tuyeät ñoái Kelvin chọn nöôùc ñaù ñang ta laø 273K vaø

nöôùc soâi laø 373K, ñoä cheânh giöõa oC vaø K ñöôïc choïn baèng nhau.

- Thang nhieät ñoä tuyeät ñoái Rankine laáy ñieåm khoâng truøng vôùi thang

nhieät ñoä tuyeät ñoái Kelvin. Ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa ñieåm soâi vaø ñieåm

ñoâng ñaëc laø 180 ñôn vò.

- Thang nhieät ñoä Fahrenheit: ôû aùp suaát tieâu chuaån choïn nöôùc ñaù ñang

tan laø 32oF vaø nöôùc soâi laø 212oF.

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-4-

Löu yù: chæ coù nhieät ñoä tuyeät ñoái môùi laø thoâng soá traïng thaùi.

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Ñieåm nöôùc soâi

Ñieåm nöôùc ñoâng ñaëc

Ñieåm khoâng tuyeät ñoái

Quan heä giöõa caùc thang ño;

t(oC) = T(K) - 273

T(R) = 1,8T(K)

t(oF) = T(R) – 459,67

t(oC) =

2.2. AÙP SUAÁT

Aùp suaát laø löïc taùc ñoäng leân moät ñôn vò dieän tích beà maët theo phöông

phaùp tuyeán vôùi beà maët ñoù.

Coù 4 loaïi aùp suaát:

- Aùp suaát khí quyeån pa

- Aùp suaát dö pd

- Aùp suaát chaân khoâng pck

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-5-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

- Aùp suaát tuyeät ñoái ptñ

Chaân khoâng tuyeät ñoái

Khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng ñang khaûo saùt lôùn hôn aùp suaát khí quyeån ta

coù khaùi nieäm aùp suaát dö pd = ptñ - pa

Khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng ñang khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån ta

coù khaùi nieäm aùp suaát chaân khoâng pck = pa - ptñ

Löu yù: chæ coù aùp suaát tuyeät ñoái môùi laø thoâng soá traïng thaùi.

2.3. THEÅ TÍCH RIEÂNG VAØ KHOÁI LÖÔÏNG RIEÂNG

Theå tích rieâng laø theå tích öùng vôùi moät ñôn vò khoái löôïng

Goïi V laø theå tích, G laø khoái löôïng thì theå tích rieâng ñöôïc tính:

Khoái löôïng rieâng

3. PHÖÔNG TRÌNH TRAÏNG THAÙI KHÍ LYÙ TÖÔÛNG

Khí lyù töôûng laø khí coù:

- Theå tích baûn thaân caùc phaân töû baèng khoâng.

- Löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû baèng khoâng.

Trong thöïc teá khoâng coù moät chaát khí naøo coù ñaày ñuû caùc tính chaát cuûa khí

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-6-

lyù töôûng. Khaùi nieäm khí lyù töôûng ñeå giaûi quyeát caùc baøi toaùn nhieät ñoäng coù lieân

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

quan ñeán caùc chaát moâi giôùi coù tính chaát gaàn gioáng khí lyù töôûng. ÔÛ traïng thaùi

thöôøng gaëp coù theå xen oxy, nitô, argon, helium, hydro, hôi nöôùc trong khoâng khí

aåm, … laø khí lyù töôûng.

Phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng:

pV = GRT hay pv = RT

Trong ñoù:

p- aùp suaát tuyeät ñoái cuûa chaát khí, N/m2 (=Pa)

V- theå tích cuûa khoái chaát khí, m3

G- khoái löôïng cuûa khoái chaát khí, kg

R- haèng soá chaát khí. J/kg.K

phaân töû löôïng cuûa chaát khí, kg/kmol

T- nhieät ñoä tuyeät ñoái, K

v- theå tích rieâng, m3/kg

4. HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG

Laø söï hoøa troän giöõa hai hay nhieàu khí lyù töôûng theo kieåu cô hoïc, khoâng

xaûy ra phaûn öùng hoùa hoïc. Hoãn hôïp khí lyù töôûng cuõng laø khí lyù töôûng.

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-7-

4.1. ÑÒNH LUAÄT GIBBS- DALTON

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Khi mỗi thaønh phaàn chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp vaø ôû ñieàu kieän

nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp thì aùp suaát cuûa hoãn hôïp thì aùp suaát cuûa hoãn hôïp baèng toång

caùc phaân aùp suaát cuûa caùc thaønh phaàn

p- aùp suaát hoãn hôïp

pi- phaân aùp suaát (aùp suaát rieâng phaàn) cuøa thaønh phaàn thöù i

4.2. ÑÒNH LUAÄT AMAGAT

Theå tích cuûa hoãn hôïp baèng toång caùc theå tích rieâng phaàn cuûa caùc thaønh

phaàn khi caùc thaønh phaàn ñoù ôû ñieàu kieän aùp suaát vaø nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.

V- theå tích hoãn hôïp

Vi- theå tích rieâng phaàn (phaân theå tích) cuûa thaønh phaàn thöù i

4.3. THAØNH PHAÀN HOÃN HÔÏP

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-8-

a) Thaønh phaàn khoái löôïng

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

G- khoái löôïng hoãn hôïp

Gi- khoái löôïng thaønh phaàn thöù i

gi- thaønh phaàn khoái löôïng

b) Thaønh phaàn theå tích

V- theå tích hoãn hôïp

Vi- theå tích rieâng phaàn

gi- thaønh phaàn theå tích

4.4. PHAÂN TÖÛ LÖÔÏNG VAØØ HAÈNG SOÁ CHAÁT KHÍ CUÛA HOÃN HÔÏP

- Phaân töû löôïng cuûa hoån hôïp:

- Haèng soá chaát khí

4.5. NHIEÄT DUNG RIEÂNG CUÛA HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG

Laø nhieät löôïng caàn thieát cung caáp cho moät ñôn vò (khoái löôïng, theå tích,

kmol) chaát khí taêng leân moät ñoä theo moät quaù trình naøo ñoù.

Trong nhieät ñoäng löïc hoïc ta quan taâm ñeán hai loaïi nhieät dung rieâng laø:

+ Nhieät dung rieâng ñaúng aùp [kJ/kg.K]

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-9-

+ Nhieät dung rieâng ñaúng tích [kJ/kg.K]

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Nhieät dung rieâng cuûa caùc khí lyù töôûng

Khí lyù töôûng k kcal/kmol.K cp cv kJ/kmol.K cv cp

3 5 12,6 20,9 1,66 Khí 1 nguyeân töû (Khí trô: Ar, Xe, He, …)

5 7 20,9 29,3 1,4 Khí 2 nguyeân töû (Khoâng khí, O2, N2, CO, H2, …)

7 9 29,3 37 1,3 Khí 3 nguyeân töû trôû leân (CO2, CmHn, …)

VD: Khí CO2

Nhieät dung rieâng ñaúng tích:

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-10-

Nhieät dung rieâng ñaúng aùp:

Baøi giaûng Nhieät ñoäng löïc hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 1: CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-11-