Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Trung cấp) - Trường Trung cấp Tháp Mười

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật nhiệt (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Trung cấp)" được biên soạn với mục tiêu giúp sinh viên trình bày được các khái niệm, các định luật, các quá trình nhiệt động và truyền nhiệt; giải thích được các hiện tượng trong một quá trình nhiệt; so sánh được ưu nhược điểm của các chu trình nhiệt;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Trung cấp) - Trường Trung cấp Tháp Mười

SỞ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI ĐỒNG THÁP TRƯỜNG TRUNG CẤP THÁP MƯỜI  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT NGHỀ:KỸ THUÂT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-… ngày…….tháng….năm ......... …………........... của………………………………. 1
Đồng tháp, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt là giáo trình được biên soạn ở dạng cơ bản và tổng quát cho học sinh, sinh viên ngành lạnh từ kiến thức nền cho đến kiến thức chuyên sâu. Giáo trình được biên soạn từ tháng 3 năm 2018. Giáo trình là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí. Giáo trình được chia làm 2 chương: Chương 1. Nhiệt động kỹ thuật Chương 2. Truyền nhiệt Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Sở lao động thương binh xã hội Đồng Tháp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành giáo trình này. Đặc biệt là sự giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến trong quá trình biên soạn. Đồng Tháp, ngày…..........tháng…........... năm 2018 Tham gia biên soạn 1. Trịnh Văn Hùng 2. Lê Chí Tâm 3
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU.........................................................................................................3 CHƯƠNG 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT ................................................................ 7 Bài 1. Các khái niệm mở đầu về nhiệt động (4h)................................................... 7 1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................ 7 d. Nội năng: ....................................................................................................... 11 f. Entropy:........................................................................................................... 12 1.2. Phương trình trạng thái chất khí...............................................................12 Bài 2. Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12h)............................................................................................................................ 13 2.1. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công............................................................... 13 2.2. Định luật nhiệt động I...............................................................................18 2.3. Các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng............................................... 20 Bài 3: Định luật nhiệt động II (4h)...........................................................................24 3.2. Chu trình carno thuận nghịch ngược chiều.............................................. 26 Bài 4: Các quá trình nhiệt động thực tế (12h)..........................................................27 4.1. Quá trình lưu động và tiết lưu.................................................................. 27 4.2. Quá trình nén khí......................................................................................29 Năng suất lạnh :Là nhiệt lượng mà máy lạnh lấy được từ môi trường cần làm lạnh trong 1 đơn vị thời gian..............................................................................29 4.3. Quá trình không khí ẩm............................................................................32 e. Độ ồn:..............................................................................................................38 4.4. Chu trình của máy lạnh............................................................................ 40 CHƯƠNG 2: TRUYỀN NHIỆT................................................................................45 1.1. Dẫn nhiệt.................................................................................................. 45 1.2. Dẫn nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng.................................................... 51 1.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ ............................................................... 55 Bài 2: Trao đổi nhiệt đối lưu (8h)............................................................................ 58 2.1. Các khái niệm cơ bản............................................................................... 58 2.3.1.Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên...............................................................61 + Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn:...........................61 2.3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức..........................................................63 * Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy trong ống:........................64 * Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên ngoài ống tròn:....65 Bài 3.Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt (12h)................................................... 72 3.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ................................................72 3.2. Truyền nhiệt qua vách có cánh.................................................................73 3.3. Thiết bị trao đổi nhiệt...............................................................................75 3.3.1 Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt.......................................... 75 Câu 1: Trình bày các thông số cơ bản của chất môi giới...........................................79 ....................................................................................................................................83 4
5
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt Mã môn học: MH09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học Cơ sở kỹ thuật nhiệt được bố trí học sau các môn học chung và học trước các môn học, mô đun chuyên môn. - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, trang bị cho người học kiến thức về các định luật, các hiện tượng và tính toán các thông số tổn thất trong các chu trình lạnh. - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Là môn học cơ sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị các kiến thức cần thiết cho các phần học kỹ thuật chuyên môn tiếp theo. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Trình bày được các khái niệm, các định luật, các quá trình nhiệt động và truyền nhiệt. + Giải thích được các hiện tượng trong một quá trình nhiệt. + So sánh được ưu nhược điểm của các chu trình nhiệt. - Về kỹ năng: + Vận dụng được lý thuyết để tính toán tổn thất nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt. +Xác định được các thông số trạng thái trong một chu trình nhiệt. + Xác định được các quá trình trong một chu trình nhiệt. -Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán. Nội dung của môn học: 6
CHƯƠNG 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở nhiệt động: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động Mục tiêu:. - Phân tích được các khái niệm về nhiệt động lực học. - Trình bày được các kiến thức về hơi và thông số trạng thái hơi. - Trình bày được các quá trình nhiệt động của hơi. - Trình bày được các chu trình nhiệt động. - Phân tích được các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV. Nội dung chính: Bài 1. Các khái niệm mở đầu về nhiệt động (4h) 1.1. Các khái niệm cơ bản 1.1.1. Công và nhiệt lượng Khi các vật tác động lẫn nhau, chúng trao đổi cho nhau một năng lượng nào đó. Sự truyền năng lượng được thực hiện bằng hai cách Thực hiện một công của vật này đối với vật kia. Lúc đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng đúng bằng lượng vật kia mất đi. Công trong nhiệt động kỹ thuật kí hiệu là L và qui ước công do vật sinh ra là dương, và ngược lai công do vật nhận được là công âm. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. Năng lượng được trao đổi dưới dạng này được gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là Q và qui ước nhiệt lượng do vật nhận đươc là nhiệt dương và vật nhả ra là âm. Đơn vị đo công và niệt lượng là Joul (J), trước đây năng lượng được đo bằng đơn vị là calo (cal), giửa cal va J có quan hệ như sau: 7
1cal= 4,1868 J 1.1.2. Hệ nhiệt động Tập hợp tất cả các vật có trao đổi nhiệt lẫn nhau và với môi trường xung quanh gọi là hệ nhiệt động. Nếu hệ nhệt động không trao đổi nhiệt với môi trương xung quanh gọi là hệ đoạn nhiệt. Hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh được gọi là hệ cô lập 1.1.3. Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh Động cơ nhiệt: là loại máy nhận nhiệt và sinh công. Các máy này nhận nhiệt từ nguồn nóng để biến một phần nhiệt lượng này thành công và nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh. Ví dụ như các động cơ đốt trong, các động cơ phản lực, các thiết bị động lực hơi nước Bơm nhiệt và máy lạnh: vế nguyên lý bơm nhiệt và máy lạnh giống nhau. Các máy này nhận công từ bên ngoài để chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ thấp hơn đến môi trường có nhiệt độ cao hơn. Như về mục đích thì bơm nhiệt và máy lạnh có sự khác nhau. Về bơm nhiệt người ta quan tâm đến nhiệt lượng mà nguồn nóng nhận được, còn máy lạnh ngưới ta quan tâm lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh. 1.1.4. Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới Để thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt và công và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động người ta phải dùng một chất trung gian được gọi là chất môi giới. Chất môi giới thường gặp trong kỹ thuật ở dạng khí hoặt hơi, ví thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả năng sinh công lớn. Ơ những điều kiện khác nhau chất môi giới sẽ có các trạng thái khác nhaubiểu thị bằng các đại lượng vật lý thường đặt trưng bởi nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích riêng (v). Các thông số dùng để xác định trang thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái. Ở một trang thái xác định thì các thông sốtrạng thái cũng có những giá trị xác định. Ở trạng thái mà các thông số trạng thái có giá trị giống nhau ở bất kỳ điểm nào trong toàn bộ khối khí thí ta gọi là trạng thaí cân bằng, và ngược lại ta gọi là trạng thái không cân bằng. 8
1.1.5. Các thông số trạng thái của chất môi giới a. áp suất Áp suất là lực tác dụng của vật chất lên 1 đơn vị diện tích của thành bình chứa. Áp suất được ký hiệu là P, đơn vị N/m2 F N P S m2 Khi ta đặt một vật rắn lên một diện tích thì áp suất sẽ phân đường trên diện tích đó. Khi ta chứa nước trong bình thì áp suất dưới đáy bình bằng nhau nhưng áp suất ở thành bên giảm dần theo chiều cao cột nước. Khi nén khí (hoặc hơi) vào trong một bình kín, hơi sẽ tác dụng lên mọi phía bình với giá trị áp suất giống nhau. Trong kỹ thuật có một số khái niệm áp suất như sau: áp suất khí quyển, áp suất chân không, áp suất dư và áp suất tuyệt đối. p Pd (áp suất dư) Ptd (as tuyệt đối) Pck as chân không P0 (as khí quyển) - Áp suất khí quyển (P0): được đo bằng Barometer 1 atm vật lý được biểu thị qua cột thuỷ ngân của Baromer cao 760mmHg, diện tích của ống đo là 1cm 2. (Baromer đặt trên mặt nứơc biển ở 0oC) Trọng lượng thủy ngân: 13,6x0,076 = 1,033kg. Vậy áp suất khí quyển Po = 1 atm = 1,033 kg/cm3 (atmosphe vật lý) 9
- Áp suất chân không (Pck): là áp suất đo bằng Vacummeter, Trị số áp kế nhỏ hơn áp suất khí quyển Pck < Po - Áp suất dư (Pd): là áp suất đo bằng Manometer, trị số áp kế lớn hơn áp suất khí quyển Pd > Po - Áp suất tuyệt đối: không đo đạt được mà chỉ có thể tính toán đựơc từ áp suất khí quyển, áp suất chân không Ptd = Po + Pd Ptd = Po – Pck b. Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý, nó biểu thị mức độ nóng lạnh của vật chất. Nhiệt độ chính là mức độ vận động hoặc rung động trung bình của các phân tử trong nội bộ vật chất ở thời điểm đó. Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,15oC thì tất cả các rung động phân tử sẽ biến mất. Nhiệt độ t = -273.15oC được gọi là “nhiệt độ không tuyệt đối” Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng nhiệt độ bách phân (Celcius) và nhiệt độ Kelvin o K làm đơn vị đo nhiệt độ Thang nhiệt độ Celcius xây dựng trên cơ sở lấy điểm nước đá tan 0 oC và nước sôi là 100oC ở điều kiện chuẩn (P = 1atm = 760mmHg) Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiệt độ Kelvin oK. oK ứng với nhiệt độ không tuyệt đối 0oK = -273.15oC. Do đó: T0K = toC +273.15 Hệ đơn vị Anh – Mỹ sử dụng nhiệt độ Fahrenheit ( oF). Quan hệ giữa nhiệt độ toF và toC như sau: toC = 5/9(toF – 32) toF = 32 + 9/5toC c. Thể tích riêng 10
Một khí có khối lượng là G kg và chiếm một thể tích là V m3, thể tích riêng cùa khối khí đó đươc định nghĩa nhu sau: V v m3/ kg G G 1 Ta có khối lượng riêng là: kg/m3 V v d. Nội năng: Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng. Nội năng gồm 2 thành phần: nội động năng (ud) và nội thế năng (up). - Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. - Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng: u = u (T, v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức: du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) ] Đối với 1kg môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg; Đối với Gkg môi chất, nội năng kí hiệu là U, đơn vị là J. Ngoài ra nội năng còn có một số đơn vị khác như: kCal; kWh; Btu… 1kJ = 0,239 kCal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 Btu e. Enthanpy: Enthalpy (i hoặc h) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = h = u + p.v Như vậy, cũng tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. 11
f. Entropy: Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức : dq ds = [J/K] T 1.2. Phương trình trạng thái chất khí 1.2.1. Định nghĩa về khí lí tưởng Một chất khí là tập hợp vô số các phần tử, giữa các phân tử luôn luôn có lực tương tác, và bản thân các phân tử có một thể tích nhất định. Nhưng một chất khí ta bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và bỏ qua thể tích bản thân thì chúng được gọi là khí lí tưởng. 1.2.2. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng phương trình viết cho 1 kg pv = RT Phương trình viết cho G kg pV = GRT Trong đó: p = (N/m2); v = m3/kg; V= m3; T= (0K) R: Hằng số chất khí 8314 R (J/kgK) µ: Phân tử lượng của khí (kg/kmol) G: Khối lượng khí (kg) Phương trình viết cho 1 kilomol khí pVµ = RµT = 8314 T Trong đó: Vµ : Thể tích của 1 kilomol 12
Rµ = 8314 J/kmol.0 K Phương trình viết cho M kilomol khí pV = M.RµT = 8314MT M: Số kilomol Bài 2. Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12h) 2.1. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công 2.1.1. Các khái niệm chung 13
+ Nhiệt năng (nhiệt lượng): là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ. Đơn vị đo nhiệt năng: Calorie (Cal) - 1 Cal là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gam nước tăng từ 14.50C đến 15.50C. British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.50F lên 60.50F. Joule (J) - 1 [J] 1 Cal = 4.187 J 1 Btu = 252 Cal = 1055 J Hình 2.1: Các hình thức truyền nhiệt + Nhiệt dung và nhiệt dung riêng: Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 10. dQ C= [J/độ] dt Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 10. Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất: C Nhiệt dung riêng khối lượng c = , [J/kg.độ] m C Nhiệt dung riêng thể tích c’ = , [J/m3t c.độ ] Vtc 14
C Nhiệt dung riêng mol c = [J/kmol.độ] N Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động: - NDR đẳng tích cv, cv’, cμv - NDR đẳng áp cp, cp’, cμp Công thức Maye : cp - cv = R cμp - cμv = Rμ = 8314 [J/kmol.độ] Chỉ số đoạn nhiệt: cp k= cv Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ. Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí. Quan hệ giữa c, k và R: 1 k cv = .R ; cp = .R k 1 k 1 + Nhiệt dung riêng của khí thực: NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động : c = f (T, p, quá trình). Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau c = a0 + a1. t + a2. t 2 + ..... + an. tn + Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng: NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Bảng 1.1: Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng 15
Loại khí k cμv [kJ/kmol.độ] cμp [kJ/kmol.độ] Khí 1 nguyên tử 1,6 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 1,4 20,9 29,3 Khí nhiều nguyên tử 1,3 29,3 37,4 + Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí: n n n c= g i .ci ;c= r i .ci, ; c = r i .c i i 1 i 1 i 1 2.1.2. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình * Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t2 khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t : • NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t: t c 0 = a0 + a1. t • Theo định nghĩa NDR: c = dq/dt t2 t2 t • Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2: qt 1 = c.dt = c t2 . (t2 – t1) 1 t1 • Mặt khác có thể viết: t t t q t2 = q 02 - q 01 = t c 02 .(t 2 0) c 01 .(t1 0) t t c 02 .t 2 c 01 .t1 t 1 • Từ đó ta có: t t t2 c 02 .t 2 c 01 .t ct = = a0 + a1.(t2 – t1) 1 t 2 t1 * Tính nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biết NDR thực c = a0 + a1.t: 16
t2 2 t2 t12 t2 c.dt a0 .t 2 a1 . a0 .t1 a1 . ct = t1 2 2 1 t 2 t1 t 2 t1 t t 2 t1 c t 2 = a0 + a1. 1 2 * Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: t2 t q= c.dt = c t2 . (t2 – t1) t1 1 2.1.3. Công Công - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình biến đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng. Về trị số, công bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển: L = (F. cosθ). S Hình 2.2 * Đơn vị: Công là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng lượng. Đơn vị thông dụng là Joule (J). 1J là công của lực 1N tác dụng trên quãng đường 1 m. * Phân loại công: 17
Công thay đổi thể tích (l) - còn gọi là công cơ học - là công do CMG sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén. Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của HNĐ. Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức : v2 l= p.dv => dl = p . dv v1 Công kỹ thuật (lkt) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi. Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức: p2 lkt = v.dp => dlkt = - v . dp p1 Qui ước: Công do HNĐ sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng lên HNĐ mang dấu (-). 2.2. Định luật nhiệt động I 2.2.1. Phát biểu Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng ứng dụng cho các hiện tượng nhiệt và được phát biểu như sau: Năng lượng không mất đi và cũng không tự sinh ra, nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác trong những quá trình vật lý và hoá học khác nhau. Nói một cách khác, tổng số các dạng năng lượng trong một hệ cô lập bất kỳ là không đổi. Trong phạm vi nhiệt động, một lượng nhiệt năng nào đó mất đi thì sinh ra một lượng cơ năng xác định và ngược lại. Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt l−ợng cấp vào cho hệ một phần dùng để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công: dq = du + dl 18
- ý nghĩa của định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động I cho phép ta viết phương trình cân bằng năng lượng cho một quá trình nhiệt động. 2.2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động Định luật nhiệt động I có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau như sau: Trong trường hợp tổng quát: dq = du + dl Đối với 1 kg môi chất: ∆q = ∆u + l Đối với G kg môi chất: ∆Q = ∆U + L Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv, Lấy đạo hàm ta được: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp, thay vào (1-10) và chú ý dl = pdv ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I như sau: dq = di - pdv - vdp + pdv dq = di - vdp Hay: dq = di + dlkt Đối với khí lý tưởng ta luôn có: du = CvdT di = Cp dT thay giá trị của du và di vào ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I : dq = CvdT + pdv dq = CpdT - vdp đối với hệ hở: 19
2.2.3. Nội năng của chất khí Bất kỳ hệ nhiệt động nào bao gồm nhiều vật tác dụng lên nhau đều có năng lượng tổng E. Năng lượng tổng này bao gồm động năng của toàn bộ hệ E đ đặc trưng cho sự chuyển động của toàn bộ hệ, thế năng của toàn bộ hệ E t đặc trưng cho vị trí của toàn bộ hệ trong trường lực nào đó ( ví dụ như trọng trường, điện trường….) và nội năng của toàn bộ hệ đặt trưng cho năng lượng của các phân tử nhỏ bé cấu tạo nên vật Nội năng bao gồm hai thành phần chính: Nội động năng Uđ: là động năng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử vànăng lượng dao dộng của các nguyên trong phân tử. Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng Nội thế năng Ut: là thề năng của lực liên kết giửa các phân tử. Nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giửa các phân tử, nghỉa là phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí. Khi thể tích riêng củakhối khí thay đổi, khoảng cách giửa các phân tử thay đổi, do đó nội thế năng Ut thay đổi 2.3. Các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng 2.3.1. Qúa trình đẳng tích Quá trình đẳng tích là quá trình xảy ra khi thể tích không thay đổi V = Const. Nhiệt dung riêng của quá trình Cv. Trong quá trình này ta có mối quan hệ sau. + Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất T2 p2 T1 p1 + Công thay đổi thể tích 20