Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô) - Trường Cao đẳng Hàng hải II

Chia sẻ: Cố Tiêu Tiêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô) giúp sinh viên nghiên cứu các quy luật về nhiệt động của khí, hơi nước và các đại lượng đặc trưng của nó, chu trình động cơ đốt trong và các dạng truyền nhiệt. Giáo trình còn giúp sinh viên có điều kiện tự học, tự nghiên cứu môn học này trong quá trình học tập và vận dụng để giải quyết các bài tập của môn học và thực tế sản xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô) - Trường Cao đẳng Hàng hải II

CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II GIÁO TRÌNH NHIỆT KỸ THUẬT NGHỀ CÔNG NGHỆ Ô TÔ (Ban hành theo quyết định số 820/QĐ-CĐHHII, ngày 22 tháng 12 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Hàng Hải II) (Lưu hành nội bộ) TP.HCM, năm 2020
LỜI NÓI ĐẦU HiÖn nay, nhu cÇu gi¸o tr×nh d¹y nghÒ ®Ó phôc vô cho c¸c trư êng Trung häc chuyªn nghiÖp vµ D¹y nghÒ trªn toµn quèc ngµy mét t¨ng, ®Æc biÖt lµ nh÷ng gi¸o tr×nh ®¶m b¶o tÝnh khoa häc, hÖ thèng, æn ®Þnh vµ phï hîp víi ®iÒu kiÖn thùc tÕ c«ng t¸c d¹y nghÒ ë nư íc ta. Trư íc nhu cÇu ®ã, trư êng Cao ®¼ng nghÒ C«ng nghiÖp Thanh Hãa thùc hiÖn biªn so¹n c¸c gi¸o tr×nh phôc vô cho viÖc gi¶ng d¹y vµ häc tËp trªn c¬ së tËp hîp vµ chän läc c¸c gi¸o tr×nh tiªn tiÕn ®ang ®ư îc gi¶ng d¹y t¹i mét sè trư êng cã bÒ dµy truyÒn thèng thuéc c¸c ngµnh nghÒ kh¸c nhau. Cuèn Gi¸o tr×nh nhiÖt kü thuËt ®ư îc biªn so¹n trªn c¬ së ®óc rót nh÷ng kinh nghiÖm cña c¸c gi¸o tr×nh vµ kinh nghiÖm gi¶ng d¹y cña c¸c gi¸o viªn. Nội dung môn học Nhiệt kỹ thuật nghiên cứu các quy luật về nhiệt động của khí, hơi nước và các đại lượng đặc trưng của nó, chu trình động cơ đốt trong và các dạng truyền nhiệt ....Gi¸o tr×nh cßn giúp sinh viên có điều kiện tự học, tự nghiên cứu môn học này trong quá trình học tập và vận dụng để giải quyết các bài tập của môn học và thực tế sản xuất. Các kiến thức trong giáo trình này được trình bày ngắn gọn, đảm bảo thể hiện những kiến thức chính, quan trọng của môn học. Các công thức được trình bày có hệ thống, đầy đủ, rõ ràng, bám sát chương trình của môn học. MÆc dï ®· cã nhiÒu cè g¾ng trong qu¸ tr×nh biªn so¹n như ng kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt nhÊt ®Þnh, rÊt mong ®ưîc b¹n ®äc gãp ý ®Ó gi¸o tr×nh ®ư îc hoµn thiÖn h¬n trong lÇn t¸i b¶n sau. Tổ bộ môn
Chương I KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1. Những khái niệm và thông số cơ bản 1.1. Nhiệt động học và phương pháp nghiên cứu nhiệt động học Nhiệt động học là môn khoa học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lượng trong các quá trình biến đổi nhiệt năng thành công. Môn nhiệt động học được xây dựng trên cơ sở hai định luật thực nghiệm: Định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai. - Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, nó đặc trưng về mặt số lượng của những quá trình biến đổi năng lượng. - Định luật nhiệt thứ hai xác định chiều hướng và mức độ tiến hành các quá trình xảy ra trong tự nhiên. Đặc trưng cho mặt chất lượng của những quá trình biến hoá năng lượng. - Dựa trên hai định luật này, bằng phương pháp toán học có thể rút ra những kết luận cơ bản của nhiệt động học. 1.2. Những khái niệm cơ bản 1.2.1. Công và nhiệt lượng Khi các vật tác dụng lẫn nhau, chúng truyền cho nhau một năng lượng nào đó. Sự truyền năng lượng này có thể thực hiện bằng hai cách: a. Thực hiện công của vật này đối với vật kia, khi đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng bằng công nhận từ vật kia. Công trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là l(j/kg) đối với 1kg môi chất và L(j) đối với G(kg) Quy ước công do vật sinh ra là dương, công do vật nhận vào là âm.
b. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau, năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng ký hiệu là q(j/kg) đối với 1(kg) môi chất và Q(j) đối với G(kg), quy ước nhiệt lượng do vật nhận được là dương, nhiệt lượng do vật toả ra là âm. Đơn vị đo công và nhiệt lượng ngoài jun còn đo bằng Calo (ký hiệu Cal). 1 Cal = 4,1868 J, bội số của Cal là KCal. 1KCal = 103Cal. 1.2.2. Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới - Để thực hiện quá trình biến hoá năng lượng giữa nhiệt và công trong kỹ thuật người ta phải dùng một chất trung gian gọi là chất môi giới. - Chất môi giới có thể ở thể khí, lỏng hay rắn. - Trong các động cơ nhiệt chất môi giới thường ở thể khí, vì thể khí có khả năng thay đổi thể tích lớn, do đó có khả năng sinh công lớn. - Ở những điều kiện khác nhau, chất môi giới ở trạng thái khác nhau. Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái của chất môi giới gọi là thông số trạng thái của chất môi giới. ë mỗi trạng thái xác định thông số trạng thái là những đại lượng xác định. - Các thông số trạng thái: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng. 1.2.3. Cân bằng nhiệt động - Nếu trạng thái của hệ nhiệt động không thay đổi theo thời gian nghĩa là nếu ở hai thời điểm khác nhau tính chất của hệ như nhau, ta nói hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động đơn giản là trạng thái cân bằng. - Khi ở trạng thái cân bằng không có trao đổi nhiệt và dịch chuyển cơ học, nghĩa là nhiệt độ và áp suất ở mọi thời điểm trong hệ bằng nhau. (Không có cân bằng tuyệt đối). 4
2. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái của chất môi giới 2.1. Hệ nhiệt động - Tập hợp tất cả các vật có trao đổi nhiệt, công lẫn nhau và với môi trường xung quanh gọi là hệ nhiệt động. - Nếu hệ nhiệt động không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh gọi là hệ đoản nhiệt, hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh gọi là hệ cô lập. - Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trưêng xung quanh. - Hệ hở là hệ có trao đổi chất với môi trưêng xung quanh. 2.2. Các thông số trạng thái 2.2.1. Áp suất - Áp suất là lực tác dụng của các phân tử chất khí theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí đó. P=F/S (1.1) Trong đó F: Tổng lực tác dụng lên các phân tử khí lên thành bình chứa (N) S: Diện tích thành bình chứa chất khí (m2) P: Áp suất chất khí. ư Đơn vị đo áp suất N/m2, bar (1bar = 105N/m2). Ngoài ra người ta còn đo áp suất bằng atmotfe (at), chiều cao cột thuỷ ngân (mm Hg) và milimét nước (mm H2O). - Quan hệ giữa các đơn vị đo: 1 at = 0,981 bar = 735,6 mm Hg = 10 mm H 2O. 1 bar = 750 mm Hg. - Đo áp suất dùng 3 loại dụng cụ đo: + Manomet: Đo phần áp suất chất khí lớn hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất Pk P t Pt 5
thừa tức là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí trời, ký hiệu là P t. + Baromet: Dùng để đo áp suất khí trời, ký hiệu là Pkt. + Chân không kế: Đo phần áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời, ký hiệu là P Cck. - Áp suất tuyệt đối: P = Pkt + Pt. (1.2) Trị số áp suất tuyệt đối bằng tổng số đo bằng 2 dụng cụ Baromet và Manomet. ck - Nếu áp suất bé hơn áp suất khí trời P dùng Baromet và chân không kế. kt P P Áp suất tuyệt đối là: P = Pkt ư Pck. (1.3) 2.2.2. Nhiệt độ - Nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất, nó biểu thị tốc độ chuyển động (hay động năng) của các phần tử vật chất. - Có nhiều nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau: Giãn nở chất lỏng (nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế rượu ...) Nhiệt tiếp xúc (cặp nhiệt). - Hiện nay sử dụng thang đo nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối. + Nhiệt độ bách phân còn gọi là nhiệt độ Censius, ký hiệu t, đơn vịC (0 tương ứng với nước đá đang tan; 100 tương ứng với nước sôi ở áp suất tiêu chuẩn P = 760 mmHg). Từ 0C 100C chia 100 phần bằng nhau, mỗi phần tương ứng với 1C. + Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi nhiệt độ Kenvin, ký hiệu là T, đơn vị làK. - Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ: T(K) = t(C) + 273 (1.4)
Chú ý: Một độ trong nhiệt độ bách phân cũng tương ứng với một độ trong nhiệt độ tuyệt đối. 2.2.3. Thể tích riêng - Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng. 3 Ký hiệu là v đơn vị (m /kg). 3 - Nếu một lượng khí có khối lượng G kg thể tích là V(m ), thì thể tích riêng sẽ là:v V m3 kg (1.5) G - Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng: 3 1  G kg m (1.6) v V 2.2.4. Nội năng - Bất kỳ hệ nhiệt động nào cũng bao gồm nhiều vật tác dụng lẫn nhau đều có năng lượng tổng (E) bằng động năng của toàn hệ đặc trưng cho sự chuyển động của toàn bộ hệ (Eđ), thế năng của toàn hệ đặc trưng cho vị trí của toàn bộ hệ trong một trường nào đó (Et) và nội năng toàn hệ U được đặc trưng bởi năng lượng của các phần tử nhỏ bế cấu tạo nên hệ: E = Eđ + Et + U. - Nội năng U = Uđ + Ut + Nội động năng Uđ là tổng của động năng tịnh tiến với động năng quay của các nguyên tử và phân tử là năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử. Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt 0 𝑖𝑅𝑇 0 độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng (𝑈đ = , trong đó 𝑈đ là nội năng 2 của 1 Kmol khí, i là số bậc tự do của phân tử khí, R là hằng số chất khí, T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí).
+ Nội thế năng Ut là thế năng của lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí, khi thể tích riêng của khối khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, do đó thế năng cũng thay đổi. + Nội năng của chất khí phụ thuộc P 1 vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất a khí đó, tức phụ thuộc vào thông số b c nội năng là một thông số trạng thái. d + Nếu ký hiệu U là nội năng của 1 2 kg chất khí ta có thể viết: U = f(T, V) (1.7) 0 V Đối với chất khí lý tưởng, không có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng không (Ut = 0). Do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. U = f(T) (1.8) Nội năng là một thông số trạng thái nên độ biến thiên của nội năng không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái. Độ biến thiên nội năng của chất khí đi theo những quá trình khác nhau, nhưng có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối bằng nhau. Trên đồ thị, hình vẽ các quá trình: 1b2, 1c2, 1d2 ... có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối sẽ có cùng một lượng thay đổi nội năng. 2 UaUbUcUd∫1 𝑑𝑈 U2 U1 fP2 , V2 fP1, V1 Trong nhiệt động học không yêu cầu xác định giá trị tuyệt đối của nội năng mà chỉ cần tính độ biến thiên nội năng U. Giá trị nội năng cho trong các sổ tay kỹ thuật thực ra là hiệu số U - U0, với U0 được quy ước
bằng 0 ở một điều kiện nào đó, thí dụ đối với nước, theo quy ước Quốc tế chọn U0 = 0 ở 0,01C và áp suất bằng 0,006228 at (trạng thái này là điểm ba của nước). Giá trị U0 được chọn tùy ý và không ảnh hưởng đến trị số biến thiên của U. 2.2.5. Entanpi Đối với 1kg, entanpi được kí hiệu là i, đối với Gkg kí hiệu I, và được định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv (j/kg) I = G.i = G(u + pv) = U + pV (J) Đối với khí thực thì entanpi cũng như nội năng là hàm trạng thái phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích I = f(T,v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, do đó entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là I = f(T). Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng: di = CP dT vài = Cp(T 2 – T1 ) 2.2.6. Entropi 1 Theo nhiệt động học thường gặp P dq a tỷ số: ds (1.9) b T c Trong đó dq là nhiệt lượng tham gia d vào một quá trình vô cùng bé nào đó, S 2 được gọi là Entrôpi đơn vị đo KJ/Kg.độ. 0 V Entrôpi là một thông số trạng thái còn gọi là hàm số trạng thái. Độ biến thiên của Entrôpi không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình. 9
Trên đồ thị sự biến thiên Entrôpi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 theo quá trình 1a2, 1b2, ... là bằng nhau. S = (S2 ư S1)a = (S2 ư S1)b = (S2 ư S1)c = ... = S2 - S1 2.2.7. Execgi Là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài. Ký hiệu: e với e = (i ư i0) T0 (S ư S0) i: entanpi ë tr¹ng th¸i cÇn x¸c ®Þnh i0: entanpi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng T0: NhiÖt ®é tuyÖt ®èi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng S : entr«pi ë tr¹ng th¸i cÇn x¸c ®Þnh S0: entr«pi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng 3. Phư¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ 3.1. KhÝ thùc vµ khÝ lý tưëng Mäi chÊt khÝ cã trong tù nhiªn lµ khÝ thùc, chóng do c¸c ph©n tö, nguyªn tö t¹o thµnh. C¸c nguyªn tö, ph©n tö cã thÓ tÝch b¶n th©n gi÷a chóng cã lùc tư ¬ng t¸c lÉn nhau. ChÊt khÝ kÝch thư íc b¶n th©n ph©n tö vµ nguyªn tö rÊt bÐ so víi kho¶ng c¸ch gi÷a chóng. §Ó tiÖn viÖc nghiªn cøu bá qua lùc tư ¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö, nguyªn tö chÊt khÝ vµ thÓ tÝch b¶n th©n cña chóng, chÊt khÝ như vËy gäi lµ khÝ lý tư ëng. 3.2. §Þnh luËt Av«ga®r« - ë cïng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt, thÓ tÝch Kmol cña tÊt c¶ c¸c khÝ lý tư ëng ®Òu b»ng nhau. - Mét Kilomon (viÕt t¾t Kmol) lµ mét ®¹i lư îng khi cã M kg ư Trong ®ã M lµ trÞ sè ph©n tö lư îng cña chÊt khÝ ®ã. ThÓ tÝch Kmol lµ thÓ tÝch cña M kg khÝ. 10
- Trong ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn, tøc ë ¸p suÊt P = 760 mmHg hoÆc lµ 1at, nhiÖt ®é 0C thÓ tÝch Kmol cña tÊt c¶ c¸c chÊt khÝ ®Òu b»ng nhau vµ b»ng 22,4 m3. 3.3. Phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ - Tr¹ng th¸i c©n b»ng ®ư îc x¸c ®Þnh hoµn toµn b»ng hai th«ng sè ®éc lËp, thÝ dô P vµ t, P vµ v, t vµ v v.v... C¸c th«ng sè cßn l¹i cã thÓ x¸c ®Þnh theo hai th«ng sè ®· cho. Mèi quan hÖ hµm sè: f(P, v, t) = 0. Gäi lµ phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ ư §ư îc øng dông réng r·i. 3.3.1. Phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ lý tư ëng ư Phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®èi víi 1 kg khÝ lý tư ëng: Pv = RT (1.10) Trong ®ã: P: ¸p suÊt tuyÖt ®èi N/m2 (pa) v: ThÓ tÝch riªng m3/kg R: H»ng sè chÊt khÝ J/kg. 0K T: NhiÖt ®é tuyÖt ®èi K - NÕu khèi khÝ cã khèi lư îng G kg, ta cã: P.G.v = G.R.T Do G.v = V lµ thÓ tÝch cña G kg khÝ. Do ®ã: P.V = GRT (1.11) ư §èi víi 1 Kmol khÝ, nh©n 2 vÕ phư ¬ng tr×nh 1.10 víi M kg, ta cã: NÕu ký hiÖu v.M = VM: ThÓ tÝch cña G(Kmol) khÝ, ta cã: P.VM = M.T.T (1.12) - Trong ®ã M.R = RM: Gäi lµ h»ng sè phæ biÕn chÊt cña chÊt khÝ. - øng dông cña ®Þnh luËt Avoga®r« vµ thay c¸c gi¸ trÞ cña c¸c th«ng sè ë tr¹ng th¸i tiªu chuÈn (P = 1,013 bar; T = 273,15 K) vµo phư ¬ng tr×nh 1.12 P.V 1,013.105.22,4 RM = M = = 8314 N.m/Kmol.0K T 273,15 11
RM = 8314 J/Kmol.0K (1.13) - H»ng sè cña chÊt khÝ kh«ng phô thuéc vµ tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ. - H»ng sè chÊt khÝ ®èi víi 1 kg khÝ lµ R  8314J/kg.®é (1.14) MM ư Thay gi¸ trÞ cña RM vµo 1.12 ta ®ư îc: P.VM.M = M.8314T (1.15) hay PV = M.8314T (1.16) Trong ®ã M lµ tæng sè Kmol. Phư ¬ng tr×nh 1.16 cßn gäi lµ phư ¬ng tr×nh Clap©yr«ng - Men®ªlªÐp. 3.3.2. Phư¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ thùc - Bëi khÝ thùc kh«ng thÓ bá qua ®ư îc lùc tư ¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö, nguyªn tö vµ thÓ tÝch b¶n th©n cña chóng, nªn kh«ng thÓ øng dông phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña khÝ tư ëng. - D¹ng phư ¬ng tr×nh khÝ thùc rÊt phøc t¹p, cho ®Õn nay vÉn chư a cã phư ¬ng tr×nh nµo rót ra tõ lý luËn cã thÓ øng dông cho tÊt c¶ c¸c chÊt khÝ vµ ®óng víi c¸c vïng tr¹ng th¸i kh¸c nhau. - Vµo c¸c n¨m kho¶ng 1937 1946, nhµ vËt lý ngư êi Mü J. Maye ®ång thêi víi viÖn sü to¸n häc Liªn X« N. N. B«g¬liubèp b»ng phư ¬ng ph¸p thèng kª ®· ®ư a ra d¹ng tæng qu¸t cña phư ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ thùc: n 1 R= ri = ∑ g i . R i (1.17) ∑n 1 R i i=1 Trong ®ã Bi lµ hÖ sè phô thuéc nhiÖt ®é (cßn gäi lµ hÖ sè Vªrial). Khi V , phư ¬ng tr×nh 1.12 cã d¹ng: Pv = RT Phư ¬ng tr×nh ®¬n gi¶n khÝ thùc cña Van®ÐcVan ®Ò ra n¨m 1873: 𝑎 (𝑃 + 2 ) ( 𝑣 − 𝑏) = RT (1.18) 𝑣
𝑎 Trong ®ã ( 𝑣2 ) lµ trÞ sè hiÖu chØnh kÓ ®Õn lùc tư ¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö, nguyªn tö, gäi lµ ¸p suÊt néi; h»ng sè a, b ®ư îc x¸c ®Þnh theo tõng chÊt khÝ. IV. NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI 1. Trạng thái cân bằng Trong cơ học, ta biết rằng trạng thái cân bằng của một vật là trạng thái mà vật đó đứng yên đối với một hệ quy chiếu quán tính nhất định. Trong nhiệt động lực học khái niệm trạng thái cân bằng của một hệ là trạng thái trong đó các đại lượng vĩ mô (p, V, T) xác định trạng thái của hệ là không thay đổi. Những đại lượng xác định trạng thái của một vật còn gọi là thông số trạng thái. Ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không thể xảy ra các hiện tượng truyền nhiệt, các phản ứng hóa học, biến đổi trạng thái giữa khí, lỏng, rắn. Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khác với trạng thái cân bằng cơ học ở chỗ là mặc dù các đại lượng vĩ mô đặc trưng cho hệ không đổi nhưng các phần tử cấu tạo nên hệ vẫn không ngừng chuyển động hỗn loạn. Chẳng hạn một hệ gồm một chất lỏng, đựng trong bình kín, trên mặt của chất lỏng có hơi bão hoà của nó. Hệ này ở trạng thái cân bằng nên các đại lượng p, V, T là không đổi. Tuy nhiên bên trong hệ vẫn có những phân tử bay hơi ra khỏi chất lỏng và ngược lại cũng có những phân tử thuộc phần hơi bão hoà bay trở lại vào chất lỏng. Dĩ nhiên số phân tử bay ra và bay trở vào chất lỏng trong cùng một thời gian nào đấy phải bằng nhau. Chất khí ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nó tại mọi điểm của nó đều giống nhau và không đổi theo thời gian. Tuy nhiên tại một miền nhỏ nào đó trong không gian và ở một thời điểm nhất định nào đấy, các phân tử chất khí có thể có động năng trung bình lớn hơn động năng 13
trung bình các phân tử chất khí ở những miền khác. Do đó nhiệt độ ở miền nhỏ nói trên có thể lớn hơn nhiệt độ ở các miền khác. Như vậy, sẽ xảy ra sự dẫn nhiệt từ miền có nhiệt độ cao đến miền có nhiệt độ thấp. Sự dẫn nhiệt này chỉ có thể xảy ra trong một phạm vi không gian nhỏ so với toàn bộ thể tích chất khí. Ta thấy tuy rằng chất khí được giữ ở trạng thái cân bằng nhưng giá trị áp suất không phải hoàn toàn bất biến mà dao động ít nhiều chung quanh giá trị trung bình. Những dao động nhỏ như vậy được gọi là những thăng giáng. Như vậy có hai đặc điểm của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. 1. Ở trạng thái cân bằng thong số trạng thái không nhất thiết có một giá trị hoàn toàn không đổi mà có những giá trị thay đổi quanh gia strij cân bằng. 2. Chỉ có thể nói đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học trong trường hợp hệ cấu tạo bởi một số rất lớn các hạt phần tử hoặc nguyên tử…. Cuối cùng ta cần phân biệt trạng thái cân bằng và trạng thái dừng. Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh được giữ ở hai nhiệt độ xác định và khác nhau. Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại đã xảy ra quá trình truyền nhiệt (vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn. Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt ổn định từ các nguồn. Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ
không xảy ra các quá trình như dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha.v.v... 2. Quá trình chuẩn cân bằng Khi một hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một chuổi các trạng thái nối tiếp nhau xảy ra, tạo nên một quá trình. Những trạng thái nối tiếp nhau này là những trạng thái cân bằng vì sự biến thiên của các thông số trạng thái theo thời gian là đủ chậm so với khoảng thời gian giữa hai trạng thái kế tiếp được chọn tuỳ ý .Một quá trình diễn biến vô cùng chậm như thế được gọi là quá trình chuẩn cân bằng (chuẩn tĩnh) và có thể coi nó là một dãy nối tiếp các trạng thái cân bằng. Những quá trình xảy ra trong thực tế không phải là những quá trình chuẩn cân bằng nhưng nếu chúng xảy ra càng chậm bao nhiêu thì càng gần đúng là quá trình chuẩn cân bằng bấy nhiêu. Chỉ với trạng thái cân bằng và quá trình chuẩn cân bằng ta mới được phương pháp đồ thị để nghiên cứu vì khi đó các thong số mới có giá trị xác định. Giả sử các thông số đủ để đặc trưng cho hệ là thể tích V và áp suất P. Ta vẽ một hệ trục tọa độ vuông góc OV (trục hoành) và OP (trục tung). Mỗi trạng thái cân bằng của hệ được biểu diễn bằng một điểm trên đồ thị còn quá trình chuẩn cân bằng được biểu diễn bằng một đoạn cong lien tục trên hình vẽ. C©u hái «n tËp: 1. Nªu kh¸i niÖm vÒ c«ng vµ nhiÖt lư îng? §¬n vÞ ®o cña chóng? 2. a. ThÕ nµo lµ nhiÖt ®éng? b. Sù kh¸c nhau gi÷a hÖ c« lËp vµ hÖ ®o¹n nhiÖt? 3. ThÕ nµo lµ tr¹ng th¸i c©n b»ng vµ kh«ng c©n b»ng? 15
4. NhiÖt ®é lµ g×, c¸c d¹ng ®o nhiÖt ®é? Chóng kh¸c nhau thÕ nµo? 5. ¸p suÊt lµ g×? §¬n vÞ ®o ¸p suÊt chÝnh hiÖn nay lµ g×, ngoµi ra cßn cã nh÷ng ®¬n vÞ g×? Quan hÖ gi÷a chóng như thÕ nµo? 6. a. ThÕ nµo lµ qu¸ tr×nh nhiÖt ®éng? b. Sù kh¸c nhau gi÷a qu¸ tr×nh c©n b»ng vµ qu¸ tr×nh thuËn nghÞch? 7. ViÕt c¸c d¹ng c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh tr¹ng th¸i khÝ lý tư ëng, khÝ thùc? Bµi tËp: Bµi1. Khi dïng kh«ng khÝ nÐn ¸p suÊt trong b×nh chøa kh«ng khÝ gi¶m xuèng tõ 60at 45at. TÝnh lư îng kh«ng khÝ ®· dïng. BiÕt b×nh chøa cã thÓ tÝch 70 lÝt. NhiÖt ®é cña kh«ng khÝ 27 C. H»ng sè chÊt khÝ 287 J/Kg.®é Bµi2. X¸c ®Þnh thÓ tÝch riªng, khèi lư îng riªng cña khÝ N2 ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn vËt lý vµ ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt dư 0,2 at, nhiÖt ®é 127 0C. BiÕt ¸p suÊt khÝ quyÓn 760 mmHg. §S: a) v0 = 0,8 m3/kg ; 0 = 1,25 kg/m3 b) v = 0,98 m3/kg; = 1,02 kg/m3 Bµi3. X¸c ®Þnh thÓ tÝch cña 2 kg khÝ O2 ë ¸p suÊt 4,157 bar, nhiÖt ®é 470C. §S: v = 0,4 m3 Bµi4. X¸c ®Þnh khèi lư îng cña 2 kg khÝ O2 ë ¸p suÊt 4,157 bar, nhiÖt ®é 470C. §S: G = 10kg 16
Chư¬ng II: MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT 1. Kh¸i niÖm, ph©n lo¹i khÝ lý tưëng vµ khÝ thùc 1.1. KhÝ lý tưëng Các loại khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được tạo nên từ các phân tử, mỗi phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất định, các phân tử trong chất khí tương tác với nhau. Để đơn giản cho việc nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm khí lý tưởng. Khí lý tưởng là chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử. Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí như oxy (O 2), hydro (H2), nitơ (N2), không khí, v.v. ở điều kiện áp suất và nhiệt độ không quá lớn, có thể xem chúng như là khí lý tưởng. 1.2. KhÝ thùc Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể sử dụng để tính toán cho nhiều loại khí thực trong phạm vi áp suất và nhiệt độ không quá lớn với một độ chính xác nhất định. Khi những điều kiện giả định đối với
khí lý tưởng khác quá nhiều đối với khí thực, việc áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể dẫn đến những sai số lớn. Cho đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chưa tìm được phương trình trạng thái dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái mà mới chỉ xác định được một số phương trình trạng thái gần đúng cho một hoặc một nhóm khí ở những phạm vi áp suất và nhiệt độ nhất định. 1.3. Hçn hîp khÝ lý tư ëng Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chất khí lý tưởng khi không xảy ra phản ứng hóa học giữa các chất khí thành phần. Ví dụ: không khí có thể được xem như là hỗn hợp khí lý tưởng với các chất khí thành thành gồm nitơ (N2), oxy (O2), đioxit carbon (CO2), v.v. Hỗn hợp khí được sử dụng có thể có tỷ lệ các chất khí thành phần rất khác nhau nên việc xây dựng các bảng hoặc đồ thị cho chúng là không thực tế. Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định các thông số nhiệt động và tính toán với hỗn hợp khí lý tưởng. * §Æt ®iÓm hçn hîp khÝ lý tưëng 1) Thể tích của khí thành phần trong HHK bằng thể tích của bình chứa. V1 = V2 = V3 = ...... = V (2.1) 2) Nhiệt độ của khí thành phần bằng nhiệt độ của HHK. T1 = T2 = T3 = ...... = T (2.2) 3) Phân áp suất (p i) ư là áp suất của khí thành phần. Tổng phân áp suất của các khí thành phần bằng áp suất của HHK. p 1 + p 2 + p 3 + ...... p n = p (2.3) 4) Hỗn hợp của các khí lý tưởng cũng ứng xử như là một khí lý tưởng, tức là các khí thành phần và HHK đều tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng: p1V1 = m1R1T1 → p1V = m1R1T 18
p2V2 = m2R2T2 → p2V = m2R2T......................... p iV i = m iR iT i → p iV = m iR iT pV = m R T 2. Kh¸i niÖm, ph©n lo¹i sù truyÒn nhiÖt TruyÒn nhiÖt: Qu¸ tr×nh vËn chuyÓn nhiÖt lư îng tõ mét lư u thÓ nµy sang lư u thÓ kh¸c (cÊp nhiÖt, dÉn nhiÖt vµ bøc x¹ nhiÖt). TruyÒn nhiÖt ®¼ng nhiÖt x¶y ra trong trư êng hîp nhiÖt ®é cña hai lư u thÓ ®Òu kh«ng thay ®æi theo c¶ vÞ trÝ vµ thêi gian, tøc lµ hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a hai l ư u thÓ lµ mét h»ng sè ë mäi vÞ trÝ vµ thêi gian. TruyÒn nhiÖt biÕn nhiÖt x¶y ra trong trư êng hîp nhiÖt ®é cña lư u thÓ cã thay ®æi trong thêi gian lµm viÖc, do ®ã hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a hai lư u thÓ cã thay ®æi. TruyÒn nhiÖt biÕn nhiÖt æn ®Þnh: khi hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a hai lư u thÓ biÕn ®æi theo vÞ trÝ như ng kh«ng biÕn ®æi trong kh«ng gian. ChØ x¶y ra víi c¸c qu¸ tr×nh lµm viÖc liªn tôc. TruyÒn nhiÖt biÕn nhiÖt kh«ng æn ®Þnh khi hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a hai lư u thÓ cã biÕn ®æi theo c¶ vÞ trÝ vµ thêi gian. ChØ x¶y ra trong c¸c qu¸ tr×nh lµm viÖc gi¸n ®o¹n. 2.1. Trưêng nhiÖt ®é §Ó m« ta ph©n bè nhiÖt ®é trong kh«ng gian theo thêi gian, ta dïng kh¸i niÖm trư êng nhiÖt ®é. Trư êng nhiÖt ®é lµ tËp hîp tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ nhiÖt ®é tøc thêi trong kho¶ng thêi gian ®ang xÐt cña mäi ®iÓm trong hÖ vËt kh¶o s¸t. Gi¸ trÞ nhiÖt ®é tøc thêi t¹i mçi ®iÓm trong kh«ng gian ®ư îc x¸c ®Þnh duy nhÊt như mét ®¹i lư îng v« hư íng, do ®ã, trư êng nhiÖt ®é lµ mét trư êng v« hư íng. 19
BiÓu thøc cña trư êng nhiÖt ®é m« ta luËt ph©n bæ nhiÖt ®é, cho phÐp x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhiÖt ®é tøc thêi t¹i thêi ®iÓm τ theo täa ®é (x,y,z) cña mét ®iÓm bÊt kú trong hÖ: t = t(x,y,z,τ ). Theo thêi gian, trư êng nhiÖt ®é ®ư îc ph©n ra hai lo¹i: kh«ng æn ®Þnh vµ æn ®Þnh. NÕu gi¸ trÞ nhiÖt ®é tøc thêi t¹i mäi ®iÓm trong hÖ kh«ng thay ®æi theo thêi gian, tøc t = 0 víi mäi (x,y,z) vµ mäi τ , th× trư êng nhiÖt ®é ®ư îc gäi lµ æn ®Þnh: t = t(x,y,z) NÕu cã mét ®iÓm (x,y,z) t¹i thêi ®iÓm τ khiÕn cho t ≠ 0, th× trư êng nhiÖt ®é ®ư îc gäi lµ kh«ng æn ®Þnh. Tïy theo tÝnh ®èi xøng cña trư êng sè täa ®é kh«ng gian mµ trư êng phô thuéc (thư êng ®ư îc gäi lµ sè chiÒu cña trư êng) cã thÓ lµ 0,1,2,3. VÝ dô biÓu thøc cña trư êng nhiÖt ®é 0, 1, 2, 3 chiÒu cã thÓ lµ: t = t (τ ); t = t (x,τ ); t = t(y, z, τ ); t = t (x, y, z, τ ). 2.2. MÆt ®¼ng nhiÖt T¹i mét thêi ®iÓm cho trư íc tËp hîp c¸c ®iÓm cã cïng mét gi¸ trÞ nhiÖt ®é t¹o ra trong kh«ng gian cña trư êng mét mÆt, ®ư îc gäi lµ mÆt ®¼ng nhiÖt. Phư ¬ng tr×nh cña mÆt ®¼ng nhiÖt lµ: t = f(x,y,z) = const hay: f(x, y, z) = const V× nhiÖt ®é tøc thêi t¹i mét ®iÓm lµ duy nhÊt, nªn c¸c mÆt ®¼ng nhiÖt kh«ng giao nhau. Trªn mçi mÆt ®¼ng nhiÖt th× t = const, do ®ã nhiÖt ®é chØ thay ®æi theo hư íng c¾t mÆt ®¼ng nhiÖt, mÆt ®¼ng nhiÖt cã thÓ lµ mÆt cong kÝn hoÆc hë. 2.3. Gradient nhiÖt ®é XÐt hai mÆt ®¼ng nhiÖt t = const vµ t + dt = const víi dt > 0 Gäi vËn tèc thay ®æi nhiÖt ®é cña ®iÓm M theo hư íng 1 cho trư íc. Gäi gradient nhiÖt ®é cña ®iÓm M lµ vËn tèc thay ®æi nhiÖt ®é cña m«I chÊt theo hư íng ph¸p tuyÕn n cña mÆt ®¼ng nhiÖt t = const, chiÒu tõ nhiÖt ®é thÊp ®Õn nhiÖt ®é cao. BiÓu thøc cña vect¬ gradient nhiÖt ®é t¹i ®iÓm M (x,y,z) lµ: 20