Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 7
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 - Trung cấp) kết cấu gồm 7 chương, cung cấp cho học viên những kiến thức về: chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới; nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng; định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình cơ bản của chất khí; hơi và các thông số trạng thái của hơi;... Mời các bạn cùng tham khảo!

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 - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỰ ĐỘNG HÓA GIÁO TRÌNH Môn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: 979/QĐ-CĐVX-ĐT ngày 12 tháng 12 năm 2019 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Việt Xô Nình Bình, năm 2019
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 hoặc 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. 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. Do đó có một số nội dung mang tính chung không đi vào cụ thể. Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có được kiến thức chung rất hữu ích khi cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu hơn. Mặc khác giáo trình cũng đã đưa vào các nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề khi va chạm trong thực tế. Ngoài ra giáo trình cũng có thể sử dụng cho các khối không chuyên muốn tìm hiểu thêm về ngành nhiệt lạnh và điều hòa không khí. Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Hoàng Thị Hoài Thu 2. Ủy viên: Phạm Tiến Dũng 3. Ủy viên: Phạm Thành Nhơn
MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 2 LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT 5 CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIỚI 9 1. Các khái niệm và định nghĩa 9 1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt 9 1.2. Hệ nhiệt động (HNĐ) 9 1.3. Khí lý tưởng, khí thực 10 2. Thông số trạng thái của chất môi giới 11 2.1. Trạng thái và các thông số trạng thái 11 2.2. Nhiệt độ tuyệt đối 11 2.3. Áp suất tuyệt đối 11 2.4. Thể tích riêng và khối lượng riêng 12 2.5. Nội năng 13 3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng 13 3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 13 3.2. Phương trình trạng thái của khí thực 13 CHƯƠNG 2. NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO NHIỆT DUNG RIÊNG 15 1. Nhiệt và công 15 1.1 Nhiệt lượng 15 1.2. Công 15 2. Nhiệt dung riêng 16 2.1. Định nghĩa 16 2.2. Phân loại 16 2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 17 CHƯƠNG 3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ 18 1. Định luật nhiệt động thứ nhất 18 1.1. Định luật nhiệt động I 18 1.2. Phương trình định luật nhiệt động I 18 2 .Qúa trình hỗn hợp của chất khí 19 2.1. Hỗn hợp khí trong thể tích đã cho 20 2.2. Hỗn hợp theo dòng 20 2.3. Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định 21 3. Các qúa trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng 21 3.1. Quá trình đẳng tích 21 3.2. Quá trình đẳng áp 22 3.3. Quá trình đẳng nhiệt 24 CHƯƠNG 4. HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI 26
1. Các thể (pha) của vật chất 26 1.1. Qúa trình thăng hoa và ngưng kết 26 1.2. Quá trình nóng chảy và đông đặc 26 1.3. Quá trình hóa hơi và ngưng tụ 26 1.4. Một số định nghĩa về trạng thái của môi chất 27 2. Quá trình hóa hơi đẳng áp 27 2.1. Mô tả quá trình 27 2.2. Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi 28 3. Xác định trạng thái của hơi bão hòa ẩm 29 3.1. Bảng thông số trạng thái của nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt độ 30 3.2. Bảng thông số trạng thái của nước và hơi nước bão hòa theo áp suất 31 CHƯƠNG 5. DẪN NHIỆT 36 1. Các khái niệm và định nghĩa 36 1.1. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt 36 1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt 36 2. Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng 37 2.1. Định luật fourier về dẫn nhiệt 37 2.2. Dẫn nhiệt qua vách phẳng 38 2.3. Dẫn nhiệt qua vách trụ 40 CHƯƠNG 6. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU, BỨC XẠ 43 1. Trao đổi nhiệt đối lưu 43 1.1. Các khái niệm và định nghĩa. 43 1.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu 44 1.3. Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp 45 2. Trao đổi nhiệt bức xạ 52 2.1. Các khái niệm và định nghĩa 52 2.2. Dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật 56 2.3. Bức xạ của mặt trời (nắng) 56 CHƯƠNG 7. TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 59 1. Truyền nhiệt tổng hợp 59 1.1. TĐN phức hợp giữa vật rắn và các môi trường 59 1.2. Cân bằng nhiệt cho hệ TĐN phức hợp 59 2. Truyền nhiệt qua vách phẳng 59 2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp 59 2.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 59 3. Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt 60 3.1. Tăng cường truyền nhiệt 60 3.2. Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT Mã môn học: MH10 Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt Mã môn học: MH 10 Thời gian thực hiện môn học: 45 giờ (Lý thuyết: 22 giờ; Thực hành: 19 giờ: Kiểm tra: 4 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học - Vị trí: Môn học 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. II. Mục tiêu môn học - Về kiến thức: Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật nhiệt; - Về kỹ năng: Học sinh cần đạt được kỹ năng tra bảng các thông số trạng thái của môi chất, sử dụng được đồ thị, biết chuyển đổi một số đơn vị đo và giải được một số bài tập đơn giản; - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện khả năng tư duy logic của sinh viên; các ứng dụng trong thực tế vận dụng để tiếp thu các kiến thức chuyên ngành. III. Nội dung môn học Thời gian (giờ) Thực Kiểm hành, tra thí TT Tên chương/ mục Tổng Lý nghiệm số thuyết , thảo luận, Bài tập I Chương 1: Chất môi giới và các 9 3 5 1 thông số trạng thái của chất môi giới 1. Các khái niệm và định nghĩa 1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt 1 1 1.2. Hệ nhiệt động 1.3. Khí lí tưởng, khí thực 2. Thông số trạng thái của chất môi 2 1 1 giới 2.1. Trạng thái và các thông số trạng thái 2.2. Nhiệt độ tuyệt đối 2.3. Áp suất tuyệt đối 2.4. Thể tích riêng và khối lượng riêng
2.5. Nội năng 3. Phương trình trạng thái của chất 6 1 4 1 khí lý tưởng 3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 3.2. Phương trình trạng thái của khí thực 2 Chương 2: Nhiệt dung riêng và 4 2 2 tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 1. Nhiệt và công 2 1 1 1.1 Nhiệt lượng 1.2 Công 1.2.1. Công thay đổi thể tích 1.2.2. Công kỹ thuật 2. Nhiệt dung riêng 2 1 1 2.1. Định nghĩa 2.2. Phân loại 2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 3 Chương 3: Định luật nhiệt động 7 4 2 1 thứ nhất và các quá trình cơ bản của chất khí 1.Định luật nhiệt động thứ nhất 1 1 1.1. Định luật nhiệt động I 1.2. Phương trình định luật nhiệt động I 2. Quá trình hỗn hợp của khí 2 1 1 2.1. Hỗn hợp theo thể tích đã cho 2.2. Hỗn hợp theo dòng 2.3. Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định 3. Các qúa trình nhiệt động cơ bản 3 2 1 của khí lý tưởng 3.1. Quá trình đẳng tích 3.2. Quá trình đẳng áp 3.3. Quá trình đẳng nhiệt 4. Kiểm tra. 1 1 4 Chương 4: Hơi và các thông số 3 3 trạng thái của hơi 1. Các thể (pha) của vật chất 1 1 1.1. Quá trình thăng hoa và ngưng kết 1.2. Quá trình nóng chảy và đông
đặc 1.3. Quá trình hóa hơi và ngưng tụ 1.4. Một số định nghĩa về trạng thái của môi chất 2. Quá trình hóa hơi đẳng áp 1 1 2.1. Mô tả quá trình 2.2. Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi; 3. Xác định trạng thái của hơi bão 1 1 hòa ẩm 3.1. Bảng thông số trạng thái của nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt độ 3.2. Bảng thông số trạng thái của nước và hơi nước bão hòa theo áp suất 5 Chương 5: Dẫn nhiệt 9 3 5 1 1.Các khái niệm và định nghĩa 1 1 1.1. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt 1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt 2. Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách 7 2 5 phẳng 2.1. Định luật fourier về dẫn nhiệt. 2.2. Dẫn nhiệt qua vách phẳng. 2.3 Dẫn nhiệt qua vách trụ 3. Kiểm tra 1 1 6 Chương 6: Trao đổi nhiệt đối lưu, 4 4 bức xạ 1. Trao đổi nhiệt đối lưu 2 2 1.1. Các khái niệm và định nghĩa. 1.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu 1.3. Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp 2. Trao đổi nhiệt bức xạ 2 2 2.1. Các khái niệm và định nghĩa 2.2. Dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật 2.3. Bức xạ của mặt trời (nắng) 7 Chương 7: Truyền nhiệt và thiết 9 3 5 1 bị trao đổi nhiệt 1. Truyền nhiệt tổng hợp 1 1 1.1. TĐN phức hợp giữa vật rắn và
các môi trường 1.2. Cân bằng nhiệt cho hệ TĐN phức hợp 2. Truyền nhiệt qua vách phẳng 4 1 3 2.1.Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp 2.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 3. Tăng cường truyền nhiệt và cách 3 1 2 nhiệt 3.1. Tăng cường truyền nhiệt 3.2. Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt Kiểm tra 1 1 Cộng 45 22 19 4
CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIỚI Mã chương: MH10 - 01 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về chất môi giới và các thông số trạng thái chất môi giới Mục tiêu: - Trình bày được các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt - Lạnh. - 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. - 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: 1. Các khái niệm và định nghĩa 1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt Là loại thiết bị có chức năng chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh. * Động cơ nhiệt: Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng như động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v.v. * Máy lạnh: Có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng. 1.2. Hệ nhiệt động (HNĐ) Là hệ gồm một hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh.
Hình 1.1: Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ. Hệ nhiệt động được phân loại như sau : Hình 1.2: Hệ nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở * Hệ nhiệt động kín: HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. * Hệ nhiệt động hở: HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. * Hệ nhiệt động cô lập: HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh. 1.3. Khí lý tưởng, khí thực Khí lý tưởng là một chất khí mà các phân tử của nó có các đặc tính sau đây:
Các phân tử của khí lý tưởng không có thể tích riêng, ta có thể coi chúng là những chất điểm và lực tương tác giữa các phân tử bằng không. Các chất điểm chuyển động hỗn loạn và không tương tác với nhau (bằng các lực hút phân tử ) trừ khi chúng va chạm với nhau hoặc khi va chạm với thành bình. Khi va chạm ta có thể coi các phân tử chất khí lý tưởng như là các viên bi đàn hồi. Va chạm giữa chúng và với thành bình được xem như va chạm hoàn toàn đàn hồi. Kích thước riêng của các phân tử không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng. Khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tử khác không và tồn tại lực tương tác giữa các phân tử. Trong thực tế không có khí lý tưởng, có thể xem khí lý tưởng là trạng thái giới hạn của khí thực khi áp suất p rất nhỏ. Trong kỹ thuật ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường có thể coi các chất như Hyđrô , Oxy, Nitơ, không khí . . . là khí lý tưởng. 2. Thông số trạng thái của chất môi giới 2.1. Trạng thái và các thông số trạng thái * Chất môi giới hay môi chất công tác: Được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. * Thông số trạng thái của CMG: Là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của CMG. 2.2. Nhiệt độ tuyệt đối Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử . T - nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt kế: Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v. Thang nhiệt độ: 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: 5 o C = 9 (oF – 32) Hình 1.3: Nhiệt kế o C = K – 273 5 o C = 9 .oR – 273 2.3. Áp suất tuyệt đối - Khái niệm: Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa.
F p= A Theo thuyết động học phân tử : m  2 P   .n. 3 trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử. - Đơn vị áp suất: 1) N/m2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1at = 0,981 bar = 9,81.104 N/m2 = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi - Phân loại áp suất: + Áp suất khí quyển (p 0): Áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất. + Áp suất dư (pd): Là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển p d= p - p 0 + Áp suất tuyệt đối (p): Áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d+ p 0 + Áp suất chân không (pck): Phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển. pck = p0 - p Hình 1.4: Các loại áp suất 2.4. Thể tích riêng và khối lượng riêng Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn V vị khối lượng chất đó :   [m3/kg] m Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :
m P [kg/m3] V 2.5. 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 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 3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng 3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Đối với khối khí có khối lượng là G kg, thể tích V m3 thì ta có: G.pv = G.RT Hay pV = GRT * Tính hằng số R: Từ phương trình trạng thái ta có: pV R   T Ở điều kiện tiêu chuẩn, áp suất p = 101.326Pa, nhiệt độ t = 0 0C thì 1 mol khí lý tưởng chiếm một thể tích là Vμ = 22,4 m3, vậy hằng số phổ biến của chất khí bằng: pV R     8314 J / kmol  T Hoặc cũng có thể tính: Rμ = Nμ.k = 6,0228.1026.1,3805.10-23 =8314j/kmol, thay vào ta được: J / kg 0 K  R 8314 R     3.2. Phương trình trạng thái của khí thực Trong thực tế, không tồn tại khí lí tưởng. Các quá trình nhiệt động kĩ thuật thường gặp là xẩy ra với khí thực. Do khí thực có nhiều khác biệt với khí lý tưởng, nên nếu áp dụng phương tình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực thì sẽ gặp phải sai số lớn. Do đó cần thiết phải thiết lập các phương tình trạng thái cho khí thực để giải quyết vấn đề trên. Cho đến nay, chúng ta chưa tìm được một phương trình trạng thái nào dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái, mà chỉ tìm được các phương trình gần đúng
cho một chất khí hoặc một nhóm chất khí ở khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Hiện nay có rất nhiều phương tình trạng thái viết cho khí thực, dưới đây ta khảo sát một số phương tình trạng thái khí thực thường gặp trong thực tế. Phương tình Vandecvan là một trong những phương trình viết cho khí thực có độ chính xác cao và được áp dụng khá rộng rãi. Như đã nói ở trên, khí thực khác với khí lý tưởng là thể tích bản thân phân tử khác không và có lực tương tác giữa các phân tử. Do đó khi thμnh lập phương tình trạng thái cho khí thực, xuất phát từ phương tình trạng thái khí lý tưởng, để hiệu chỉnh các sai số, Vandecvan đã đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh được xác định bằng thực nghiệm kể đến ảnh hưởng của thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa các phân tử của chất khí đó. Về áp suất: đối với khí lý tưởng, giữa các phân tử không có lực tương tác nên các phân tử tự do chuyển động và va đập tới mọi nơi với năng lượng của chúng. Còn ở khí thực, trong quá trình chuyển động và va đập các phân tử tự do sẽ chịu lực hút và đẩy của các phân tử xung quanh, do đó lực va đập sẽ giảm đi. Vì vậy áp suất khí thực mà ta đo được sẽ nhỏ hơn giá trị áp suất thực tế một đại lượng là Δp, đại lượng này tỷ lệ với bình phương khối lượng riêng và bằng: a p  2 v Áp suất thật của khí thực sẽ là: a p  p  p  2 v Về thể tích: Các phân tử khí thực có thể tích khác không. Giả sử tổng thể tích bản thân các phân tử có trong 1kg khí là b thì không gian tự do cho chuyển động của chúng sẽ giảm xuống và chỉ còn là (v - b). Với phương trình trạng thái khí thực Vandecvan sẽ là:  a   p  2 v  b   RT  v  Trong đó : a và b là các hệ số có giá trị xác định, phụ thuộc vào bản chất của mỗi chất khí, b chính là tổng thể tích bản thân các phân tử có trong 1kg khí. Trong phương trình này, chưa kể đến ảnh hưởng của một số hiện tượng vật lý phụ như hiện tượng phân li và kết hợp các phân tử.
CHƯƠNG 2. NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO NHIỆT DUNG RIÊNG Mã chương: MH10 – 02 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản về nhiệt dung riêng và tính nhiệt theo nhiệt dung riêng. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm nhiệt và công - Trình bày được định nghĩa nhiệt dung riêng và phân loại được các loại nhiệt dung riêng - Tính toán được nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng - 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: 1. Nhiệt và công 1.1 Nhiệt lượng 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 1.6: Các hình thức truyền nhiệt 1.2. 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 1.7. Công di chuyển 1 vật một quãng đường s * 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. 1.2.1. Công thay đổi thể tích 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 1.2.2. Công kỹ thuật 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 Hệ nhiệt động sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng lên hệ nhiệt động mang dấu (-). 2. Nhiệt dung riêng 2.1. Định nghĩa 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. 2.2. Phân loại 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 c C Nhiệt dung riêng mol = [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 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 2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: t2 t q=  c.dt = c t 2 . (t2 – t1) 1 t1
CHƯƠNG 3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ Mã chương: MH10 – 03 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình cơ bản của chất khí. Mục tiêu: - Trình bày được định luật nhiệt động thứ nhất. - Phân tích được các quá trình hỗn hợp của chất khí. - Trình bày được các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng. - Tính toán được các thông số trong quá trình hỗn hợp của chất khí - 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: 1. Định luật nhiệt động thứ nhất 1.1. Định luật nhiệt động I Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động. Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng thì năng lượng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình luôn luôn bằng tổng đại số năng lượng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lượng nhận vào hay nhảra trong quá trình đó. Trong các quá trình nhiệt động, khi không xẩy ra các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lượng hoá học và năng lượng hạt nhân không thay đổi, khi đó năng lượng toàn phần của vật chất thay đổi chính là do thay đổi nội năng U, trao đổi nhiệt và công với môi trường. Xét 1kg môi chất, khi cấp vào một lượng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi một lượng dT và thể tích riêng thay đổi một lượng dv. Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ nội động năng thay đổi; khi thế tích v thay đổi chứng tỏ nội thế năng thay đổi và môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích, Như vậy khi cấp vào một lượng nhiệt dq thì nội năng thay đổi một lượng là du và trao đổi một công là dl. - Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt lượng cấp vào cho hệ một phần dùng để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công: dq = du + dl - 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. 1.2. Phương trình định luật nhiệt động I 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: Δq = Δu + l Đối với G kg môi chất: ΔQ = ΔU + 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 (2- 1) 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 = CpdT thay giá trị của du và di vào (2-1) và (2-4) ta có dạng khác của biểu thức định luậtnhiệt động I : dq = CvdT + pdv dq = CpdT - vdp 2 .Qúa trình hỗn hợp của chất khí Các thành phần của hỗn hợp - Thành phần khối lượng gi Thành phần khối lượng của cấu tử thứ i được định nghĩa bằng tỉ số giữa khối lượng của nó và khối lượng của hỗn hợp G gi  i G Trong đó: Gi, G là khối lượng của khí thành phần và của hỗn hợp. - Thành phần thể tích Thành phần thể tích của cấu tử thứ I là tỉ số giữa phân thể tích của nó so với tổng phân thể tích của tất cả các chất khí thành phần. V vi  i V Trong đó: Vi, V là thể tích của khí thành phần và của hỗn hợp. - Thành phần mol của chất khí Thành phần mol của chất khí thành phần thứ i là tỷ số giữa số mol của nó và số mol của hỗn hợp M ri  i M Trong đó: Mi, M là số kilomol của khí thành phần và của hỗn hợp. Chứng minh được rằng thành phần thể tích bằng thành phần mol. Xác định các đại lượng của hỗn hợp khí - Phân tử lượng của hỗn hợp: n n G  G i  M ii n n M   i 1  i1   i i   rii M M M i 1 M i 1 1  n gi  i 1  i
- Hằng số chất khí của hỗn hợp: 8314 8314 R    ri  i n R   giR i i 1 Trong đó: Ri - hằng số chất khí của khí thành phần, μ – kilomol của hỗn hợp khí - Nhiệt dung riêng hỗn hợp C C = ΣgiCi Trong đó: Ci, C là nhiệt dung riêng của khí thành phần và của hỗn hợp. 2.1. Hỗn hợp khí trong thể tích đã cho Xét hỗn hợp hai chất khí trong bình kín. Chất khí khí thứ nhất có các thông số: V1, T1, P1. Chất khí thứ hai có các thông số: , V2 ,T2, P2. Theo tính chất của hỗn hợp khí ta có: V = V1 + V2 G = G1 + G2 Với G: Khối lượng của hỗn hợp khí. G1,G2: Khối lượng của khí thành phần Năng lượng toàn phần của hệ được bảo toàn U = U1 + U2 Với khí lý tưởng ta có: U = G.Cv.T Vậy: G.Cv.T = G1.Cv1.T1 + G1.Cv2.T2 g C T  g 2 C v 2 T2 T  1 v1 1 Cv Với Cv = g1Cv1 + g2Cv2 Khi biết thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp ta xác định được áp suất của hỗn hợp dựa vào phương trình trạng thái PV = GRT GRT T T PV P V P  GR  ( 1 1  2 2 ) V V V T1 T2 2.2. Hỗn hợp theo dòng Hỗn hợp được tạo thành khi ta nối ống dẫn các dòng khí vào một ống chung. Ở đây áp suất của hỗn hợp p thường cho trước. Entanpi của hỗn hợp được xác định theo công thức: I = ΣIi Trong đó: Ii, I là entanpi của khí thành phần và của hỗn hợp. Xét hỗn hợp theo dòng gồm 2 dòng khí ta có: I = I1 + I2 Mà I = G.Cp.T Vậy ta có: G.Cp.T = G1.Cp1.T1 + G2.Cp2.T2 Cp là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khí thành phần.