ĐI N L NH C B N 1Ệ Ạ Ơ Ả
PH N 1: CÁC KHÁI NI M C B N V NHI T ĐNGẦ Ệ Ơ Ả Ề Ệ Ộ
1.1. Khái ni m v nhi t đng và máy l nhệ ề ệ ộ ạ :
Máy nhi t là thi t b th c hi n quá trình chuy n hoá gi a nhi t năng và c năng hai ngu nệ ế ị ự ệ ể ữ ệ ơ ở ồ
nóng (T1) và l nh (Tạ2).
Máy nhi t đc chia làm hai nhóm: Nhóm đng c nhi t và nhóm máy l nh, b m nhi t.ệ ượ ộ ơ ệ ạ ơ ệ
Đng c nhi t:ộ ơ ệ G mồ máy h i n c, đng c đt trong, đng c ph n l c, turbine h i,ơ ướ ộ ơ ố ộ ơ ả ự ơ
turbine khí,… lo i này làm vi c theo nguyên lý ch t môi gi i nh n nhi t (Qạ ệ ấ ớ ậ ệ 1) t ngu n nóngừ ồ
(quá trình cháy nhiên li u), k đn là giãn n đ bi n m t ph n nhi t thành công (Lệ ế ế ỡ ể ế ộ ầ ệ 0), sau đó
ch t môi gi i nh ph n nhi t (Qấ ớ ả ầ ệ 2) cho ngu n l nh. Qồ ạ 1 - Q2 = L0 .
Máy l nh và b m nhi tạ ơ ệ : Làm vi c theo nguyên lý máy tiêu hao năng l ng Lệ ượ 0, ch t môiấ
gi i nh n nhi t (Qớ ậ ệ 2) t ngu n l nh đ làm l nh v t, r i truy n (Qừ ồ ạ ể ạ ậ ồ ề 2) và (L0) cho ngu n nóng.ồ
Máy l nh s d ng nhi t (Qạ ử ụ ệ 2) đ làm l nh v t còn b m nhi t s d ng (Qể ạ ậ ơ ệ ử ụ 1) đ s i m ho cể ưở ấ ặ
s y.ấ
Nhi t và công là các d ng năng l ng là các đi l ng v t lý ph thu c vào quá trình.ệ ạ ượ ạ ượ ậ ụ ộ
Qui cướ : Nhi t nh n Q > 0ệ ậ
Nhi t nh Q < 0ệ ả
Công sinh ra L > 0
Công tiêu hao L < 0
Đn vơ ị: 1cal = 4,18 J
1 Btu = 252 cal (British Thermal Unit)
1 Btu/h = 0,3 W.
1.2. Tr ng thái và thông s tr ng tháiạ ố ạ
1.2.1 Tr ng thái:ạ
Tr ng thái là t p h p các đi l ng xác đnh tính ch t v t lý c a ch t môi gi i t i th iạ ậ ợ ạ ượ ị ấ ậ ủ ấ ớ ạ ờ
đi m nào đó. Các thông s dùng đ xác đnh tr ng thái c a ch t môi gi i đc g i là thông sể ố ể ị ạ ủ ấ ớ ượ ọ ố
tr ng thái, m i tr ng thái xác đnh thì thông s tr ng thái cũng có nh ng giá tr xác đnh.ạ ở ỗ ạ ị ố ạ ữ ị ị
M t tr ng thái đc g i là cân b ng c a ch t môi gi i khi các thông s tr ng thái có cùngộ ạ ượ ọ ằ ủ ấ ớ ố ạ
m t giá tr m i đi m trong toàn b kh i ch t môi gi i. Ng c l i g i là tr ng thái ch t môiộ ị ở ọ ể ộ ố ấ ớ ượ ạ ọ ạ ấ
gi i không cân b ng.ớ ằ
1.2.2 Thông s tr ng thái:ố ạ
Đ bi u di n tr ng thái c a ch t môi gi i ng i ta nh đn ba thông s tr ng thái c b n:ể ể ễ ạ ủ ấ ớ ườ ờ ế ố ạ ơ ả
Nhi t đ, áp su t, th tích riêng. Ngoài 3 thông s này còn dùng đn các thông s khác nh :ệ ộ ấ ể ố ế ố ư
N i năng, Enthanpy, Entropy, Exergy, …ộ
a/ Nhi t đệ ộ:
Nhi t đ là thông s bi u th m c đ nóng l nh c a v t, còn theo thuy t đng h c phân tệ ộ ố ể ị ứ ộ ạ ủ ậ ế ộ ọ ử
nhi t đ bi u th giá tr đng năng trung bình c a các phân t chuy n đng t nh ti n.ệ ộ ể ị ị ộ ủ ử ể ộ ị ế
1
kT
m
23
2
2
(1-1)
Trong đó: T : Nhi t đ tuy t đi, Kệ ộ ệ ố
m : Kh i l ng phân t , kgố ượ ử
: V n t c trung bình các phân t , m/sậ ố ử
k : H ng s Boltzmann.ằ ố
k = 1,3805 .10-23 (J/đ)ộ
Đ xác đnh nhi t đ ng i ta th ng dùng 2 thang đo nhi t đ:ể ị ệ ộ ườ ườ ệ ộ
Nhi t đ bách phân. ( Nhi t đ Celcius : t, ệ ộ ệ ộ 0C )
Nhi t đ tuy t đi. ( Nhi t đ Kelvin : T, K )ệ ộ ệ ố ệ ộ
M i quan h :ố ệ
T(K) = t(0C) + 273,15
Ngoài ra còn có các thang nhi t đ khác nh : Nhi t đ Fahrenheit t(ệ ộ ư ệ ộ 0F), Rankine T(0R).
M i quan h :ố ệ
32
9
5 FtCt oo
(1-2)
15,273
9
5 RTCt
oo
(1-3)
b/ Áp su tấ:
Ap su t là l c tác d ng các phân t theo ph ng pháp tuy n lên m t đn v di n tích thànhấ ự ụ ử ươ ế ộ ơ ị ệ
bình ch a. ứ
S
F
p
(N/m2) (1-4)
đây:Ởp : áp su t tuy t đi (N/mấ ệ ố 2)
F : l c tác d ng (N)ự ụ (1 N = 1 kgm/s2)
S : di n tích thành bình (mệ2)
Đ đo áp su t ng i ta dùng nhi u đn v đo khác nhau, ta có m i quan h gi a các đn vể ấ ườ ề ơ ị ố ệ ữ ơ ị
đo áp su t nh sau : ấ ư
1at = 9,81 . 104 (N/m2) 0,981bar 9,81 . 104 Pa
= 1 kG/cm2 = 14,7 psi
= 10 mH2O = 735,5 mmHg
Ngoài ra ta có các khái ni m khác v áp su t nh :ệ ề ấ ư
2
P
Pk
t
Pkt
Pck
P
Trong đó:
p : áp su t tuy t điấ ệ ố
pd : áp su t dấ ư
pKT : áp su t khí tr iấ ờ
pCK : áp su t chân khôngấ
* Khi đo áp su t b ng chi u cao c t th y ngân ph i qui v đi u ki n 0ấ ằ ề ộ ủ ả ề ề ệ 0C tr c khi chuy nướ ể
đi đn v , theo công th c:ổ ơ ị ứ
h00C = h (1- 0,000172.t)
Trong đó : h00C : chi u cao c t thu ngân 0ề ộ ỷ ở 0C .
h : chi u cao c t thu ngân t ề ộ ỷ ở 0C.
c/ Th tích riêngể:
Th tích riêng là th tích c a m t đn v kh i l ng. ể ể ủ ộ ơ ị ố ượ
N u m t l ng khí có kh i l ng là G kg, th tích là V mế ộ ượ ố ượ ể 3 thì th tích riêng s là:ể ẽ
v =
G
V
, (m3/kg) (1-5)
Kh i l ng riêng là đi l ng ngh ch đo c a th tích riêng.ố ượ ạ ượ ị ả ủ ể
v
1
, (kg/m3) (1-6)
d/ N i năngộ: ( ký hi u: u, J/kg)ệ
N i năng c a m t v t bao g m: nhi t năng, hoá năng, năng l ng nguyên t . Đi v i quáộ ủ ộ ậ ồ ệ ượ ử ố ớ
trình nhi t đng hoá năng và năng l ng nguyên t không thay đi nên s thay đi n i năngệ ộ ượ ử ổ ự ổ ộ
c a v t ch là s thay đi nhi t năng.ủ ậ ỉ ự ổ ệ
N i năng bao g m: N i đng năng và n i th năng.ộ ồ ộ ộ ộ ế
N i đng năng sinh ra là do chuy n đng t nh ti n, chuy n đng dao đng, chuy n đngộ ộ ể ộ ị ế ể ộ ộ ể ộ
quay c a các phân t .ủ ử
N i th năng sinh ra là do l c t ng tác các phân t .ộ ế ự ươ ử
Theo thuy t đng h c phân t thì n i đng năng ph thu c vào nhi t đ, n i th năng phế ộ ọ ử ộ ộ ụ ộ ệ ộ ộ ế ụ
thu c vào kho ng cách các phân t , là hàm đn tr c a th tích, do v y:ộ ả ử ơ ị ủ ể ậ
u = f (T, v)
Đi v i khí lý t ng thì:ố ớ ưở
u = f (T)
M t khác n i năng là m t thông s tr ng thái, ch ph thu c vào tr ng thái đu và cu i,ặ ộ ộ ố ạ ỉ ụ ộ ạ ầ ố
không ph thu c vào quá trình ti n hành.ụ ộ ế
du = cv dT.
Khi cho quá trình ti n hành t tr ng thái 1đn tr ng thái 2 đ bi n thiên n i năng s là:ế ừ ạ ế ạ ộ ế ộ ẽ
u = cv ( T2 – T1) (1-7)
đây: cỞv là nhi t dung riêng kh i l ng đng tích(J/kg.đ)ệ ố ượ ẳ ộ
e/ Năng l ng đyượ ẩ : (d : J/kg)
Đi v i dòng khí ho c ch t l ng chuy n đng, ngoài đng năng và th năng bên ngoài cònố ớ ặ ấ ỏ ể ộ ộ ế
m t năng l ng giúp kh i khí d ch chuy n, g i là năng l ng đy. Năng l ng đy đc xácộ ượ ố ị ể ọ ượ ẩ ượ ẩ ượ
đnh b ng bi u th c :ị ằ ể ứ
d = pv (1-8)
3
Năng l ng đy là m t thông s tr ng thái và ch có h h , khi dòng khí chuy n đng thìượ ẩ ộ ố ạ ỉ ở ệ ở ể ộ
năng l ng đy thay đi và t o ra công l u đng đ đy dòng khí d ch chuy n.ượ ẩ ổ ạ ư ộ ể ẩ ị ể
f/ Enthalpy: (i, h: J/kg)
Enthalpy là m t thông s tr ng thái.ộ ố ạ
Trong nhi t đng enthalpy đc đnh nghĩa b ng bi u th c:ệ ộ ượ ị ằ ể ứ
i = u + pv (1-9)
Đi v i khí th c enthalpy ph thu c vào 2 trong 3 thông s tr ng thái c b n, còn đi v iố ớ ự ụ ộ ố ạ ơ ả ố ớ
khí lý t ng thì:ưở
(1-9) di = du + d(R.T)
di = cvdt + RdT
di = cpdT.
Đ bi n thiên enthalpy gi a hai tr ng thái 1 và 2 s là:ộ ế ữ ạ ẽ
i = cp (T2 – T1) (1-10)
g/ Entropy: (s: J/kg.đ)ộ
Entropy là m t đi l ng v t lý mà s thay đi c a nó ch ng t có s trao đi nhi t.ộ ạ ượ ậ ự ổ ủ ứ ỏ ự ổ ệ
Ph ng trình vi phân entropy có d ng :ươ ạ
T
dq
ds
( 1-11)
dq : nhi t l ng trao đi gi a ch t môi gi i và môi tr ng trong quá trình vô cùng bé.ệ ượ ổ ữ ấ ớ ườ
1.2.3: Ph ng trình tr ng thái :ươ ạ
Ph ng trình tr ng thái c a ch t khí m t cách t ng quát đc bi u di n theo m i quan hươ ạ ủ ấ ộ ổ ượ ể ễ ố ệ
hàm s nh sau:ố ư
F ( p,v,T) = 0 (1-12)
Nó cho phép ta xác đnh đc m t tr ng thái b t k khi bi t 2 trong 3 thông s tr ng thái.ị ượ ộ ạ ấ ỳ ế ố ạ
a/ Ph ng trình tr ng thái c a khí lý t ngươ ạ ủ ưở :
+ Ph ng trình tr ng thái khi vi t cho 1 kg khí có d ng :ươ ạ ế ạ
p.v = R.T (1-13)
Trong đó : p : áp su t tuy t đi (N/mấ ệ ố 2)
v : Th tích riêng (mể3/kg)
R : H ng s ch t khí (J/kg.đ)ằ ố ấ ộ
T : Nhi t đ tuy t đi (K)ệ ộ ệ ố
+ Ph ng trình tr ng thái đi v i G kg khí :ươ ạ ố ớ
p.v.G = G.R.T
p.V = G.R.T (1-14)
+ Ph ng trình khi vi t cho 1 kmol ch t khí:ươ ế ấ
T (1-13) ừ
4
p.v. = .R.T
pV = .R.T
v i : Vớ = v. : Th tích 1 kmol khí. (mể3/kmol)
Đt : Rặ = .R : H ng s ph bi n ch t khí (J/kmol.đ)ằ ố ổ ế ấ ộ
pV = RT (1-15)
R =
T
pV
(1-16)
Theo Avogadro – Ampere: đi u ki n tiêu chu n : p = 760 mmHg, t = 0ở ề ệ ẩ 0C = 273,15
K, th tích 1 kmol khí lý t ng Vể ưở = 22,4 m3 v y :ậ
R =
R =
8314
(J/kmol.đ)ộ
R =
8314
R
.
b/ Ph ng trình tr ng thái khí th cươ ạ ự :
Trong th c t các khí s d ng đu là khí th c và vi c tính toán nó r t ph c t p. Đ thi tự ế ử ụ ề ự ệ ấ ứ ạ ể ế
l p ph ng trình cho khí th c ng i ta d a vào ph ng trình c a khí lý t ng r i thêm vàoậ ươ ự ườ ự ươ ủ ưở ồ
m t s h s đi u ch nh đc rút ra t th c nghi m.ộ ố ệ ố ề ỉ ượ ừ ự ệ
Theo Vander Waals ph ng trình có d ng:ươ ạ
TRbv
v
a
p..
2
(1-17)
Trong đó: a/v2: H s đi u ch nh v áp su t n i b , khi k đn l c tác d ng t ng hệ ố ề ỉ ề ấ ộ ộ ể ế ự ụ ươ ỗ
gi a các phân t .ữ ử
b : H s đi u ch nh v th tích b n thân phân t .ệ ố ề ỉ ề ể ả ử
a,b: Còn g i là các h ng s cá bi t bi n thiên theo các lo i ch t khí. ọ ằ ố ệ ế ạ ấ
1.3 Nhi t dung riêng:ệ
1.3.1. Đnh nghĩa:ị
Nhi t dung riêng là l ng nhi t l ng c n thi t đ đa m t đn v ch t môi gi i lên 1 đệ ượ ệ ượ ầ ế ể ư ộ ơ ị ấ ớ ộ
theo m t quá trình nào đó. Ký hi u c .ộ ệ
- N u ta có 1 đn v ch t môi gi i là 1 kg, c n m t nhi t l ng là dq làm cho nó thay điế ơ ị ấ ớ ầ ộ ệ ượ ổ
nhi t đ là dt thì:ệ ộ
c =
dt
dq
: Nhi t dung riêng th cệ ự (1-18)
- Còn n u ta cung c p cho 1 kg ch t môi gi i m t nhi t l ng là q làm cho nó thay điế ấ ấ ớ ộ ệ ượ ổ
nhi t đ t tệ ộ ừ 1 đn tế2 thì:
5