Kỹ thuật nhiệt - Trịnh Văn Quang

Chia sẻ: Trinh Van Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:163

Thêm vào BST

Báo xấu

191
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt do Trịnh Văn Quang biên soạn cung cấp cho các bạn những kiến thức về nhiệt động học (khái niệm cơ bản, quá trình nhiệt động, chu trình nhiệt động, chu trình tiêu hao động, chu trình sinh công,...); truyền nhiệt; thiết bị lạnh;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật nhiệt - Trịnh Văn Quang

Trịnh Văn Quang Bài Giảng KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình dành cho các lớp Cơ khí - 75 tiết Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà nội Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Hà nội – 2004 0
Mục lục Trang Lời nói đầu 7 Phần I . NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Hệ thống nhiệt động và các đặc trưng của hệ 8 1. Hệ thống nhiệt động 8 2.Trạng thái của hệ , trạng thái cân bằng 9 3. Thông số trạng thái của hệ 9 4. Phương trình trạng thái 11 1.2. Năng lượng của hệ 12 1. Năng lượng tổng 12 2. Nội năng U 13 3. Entanpy 13 Chương 2. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG . ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.1. Quá trình nhiệt động 16 1. Định nghĩa 16 2. Phân loại 16 3. Phương trình của quá trình 17 2.2. Các dạng trao đổi năng lượng trong quá trình 17 1. Công 17 2. Nhiệt 19 3. Đặc điểm của công và nhiệt 20 2.3. Định luật 1 nhiệt động học 20 1. Định luật Bảo toàn và biến hoá năng lượng 20 2. Động cơ vĩnh cửu loại 1 20 3. Định luật 1 Nhiệt động học 21 2.4. Định luật 1 viết cho hệ kín 21 2.5. Định luật 1 áp dụng cho dòng chảy 22 2.6. Nhiệt dung 24 1. Khái niệm 24 2. Tính U,  I công thức May-e 26 3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung 27 Chương 3. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN 3.1. Quá trình đẳng tích 28 1. Phương trình 28 2. Liên hệ các thông số trạng thái 28 3. Tính u ,  i,  s 28 4. Tính công l , nhiệt q 29 5. Đồ thị 29 3.2. Quá trình đẳng áp 29 1. Phương trình 29 1
2. Liên hệ các thông số trạng thái 29 3.Tính u,  i,  s 30 4.Tính công l , nhiệt q 30 5. Đồ thị 30 3.3. Quá trình đẳng nhiệt 30 1. Phương trình 30 2. Liên hệ các thông số trạng thái 30 3. Tính u, i,  s 31 4. Tính công l , nhiệt q 31 5. Đồ thị 31 3.4. Quá trình đoạn nhiệt 32 1. Phương trình 32 2. Liên hệ các thông số 32 3. Tính u, i, s 33 4. Tính công l , nhiệt q 33 5. Đồ thị 34 3.5. Quá trình đa biến 34 1. Phương trình 34 2. Tính u, i,  s 35 3. Liên hệ thông số 35 4. Công và nhiệt 36 5. Đồ thị 36 Chương 4. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG. ĐỊNH LUẬT 2 NHIỆT ĐỘNG HỌC 4.1. Chu trình nhiệt động 38 1. Định nghĩa 38 2. Phân loại 38 3. Nguồn nhiệt 40 4.2. Đặc tính thuận nghịch và không thuận nghịch 40 1. Quá trình thuận nghịch 40 2. Thí dụ 41 3. Một số yếu tố không thuận nghịch nhiệt động 41 4. Mức độ biến hoá giữa công và nhiệt 42 4.3. Định luật 2 Nhiệt động học 42 1. Phát biểu theo Clodiúyt 42 2 . Phát biểu theo Kenvanh - Plăng: 42 4. 4. Chu trình Các nô 42 1. Đặc tính 42 2. Định lý Các nô 43 3. Biểu thức tính hiệu suất nhiệt chu trình Các nô 44 4.5. En-trô-py 46 1. Định lý Clodiúyt 46 2. Entrôpy 49 3. Biến thiên entrôpy trong quá trình không thuận nghịch 49 4. Nguyên lý tăng entrôpy của hệ cô lập đoạn nhiệt 50 2
Chương 5. CHU TRÌNH TIÊU HAO CÔNG 5.1. Chu trình máy nén pít tông 1 cấp 52 1. Sơ đồ & nguyên lý làm việc 52 2. Công tiêu hao của máy nén 52 3. Chu trình thực tế 54 4. Ảnh hưởng của không gian chết 55 5.2. Máy nén pit tông nhiều cấp 55 1. Sơ đồ 55 2. Nguyên lý làm việc 56 3. Tính công tiêu hao 56 3. Thể tích xy lanh các cấp 57 4. Lượng nhiệt toả ra của khí nén 57 5.3. Máy lạnh dùng không khí 57 1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc 57 2. Tính hệ số lạnh 58 5.4. Máy lạnh hơi nén 58 1. Đặc điểm của chất hơi 58 2. Máy lạnh dùng hơi nén 59 Chương 6. CHU TRÌNH SINH CÔNG 6.1. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích 60 1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc 60 2.Tính hiêu suất nhiệt 60 6.2. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp 61 1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc 61 2. Tính hiệu suất nhiệt 62 6.3. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp 62 1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc 62 2. Tính hiệu suất nhiệt 63 6.4. So sánh hiệu suất nhiệt của 3 loại chu trình 64 1. Khi cùng tỷ số nén  và q1 64 2. Khi cùng q2 và nhiệt độ & áp suất cực đại 65 Chương 7 . DÒNG CHẢY CỦA CHẤT KHÍ VÀ HƠI 7.1. Khái niệm 66 1. Các giả thiết 66 2. Phương trình cơ bản 66 7.2. Các đại lượng đặc trưng của dòng chảy 67 1. Công phân bố 67 2. Tốc độ của dòng tại cửa ra 67 3. Lưu lượng 68 7.3. Lưu lượng cực đại, áp suất tới hạn, tốc độ tới hạn 68 1. Lưu lượng cực đại 68 2. Áp suất tới hạn 69 3. Tốc độ tới hạn 69 7.4. Quy luật thay đổi tốc độ trong ống La van 70 3
1. Quy luật thay đổi tốc độ 70 2. Ống La -van 71 7.5. Ma sát và tổn thất trong dòng chảy 72 7.6. Quá trình tiết lưu - Hiệu ứng Jun -Tômsơn 73 1. Quá trình tiết lưu 73 2. Hiệu ứng Jun-Tôm sơn 74 Phần 2. TRUYỀN NHIỆT Chương 1. DẪN NHIỆT 1.1. Khái niệm 75 1. Đặc điểm 75 2. Trường nhiệt độ 75 3. Mặt đẳng nhiệt 75 4. Gradient nhiệt độ : grad t 75  5. Véc tơ mật độ dòng nhiệt q 76 6. Định luật Furiê 77 7. Hệ số dẫn nhiệt  77 1.2. Phương trình vi phân dẫn nhiệt và điều kiện đơn trị 78 1. Phương trình vi phân dẫn nhiệt 78 2. Điều kiện đơn trị 80 1.3. Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại 1 qua vách phẳng 81 1. Vách phẳng một lớp 81 2. Vách phẳng nhiều lớp 82 1.4. Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại 1 qua vách trụ 84 1. Vách trụ một lớp 84 2. Vách trụ nhiều lớp 86 1.5. Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại 3 qua vách phẳng 87 1. Vách phẳng 1 lớp 87 2. Vách phẳng nhiều lớp 88 1.6. Dẫn nhiệt ổn định điều kiện biên loại 3 qua vách trụ 89 1. Vách trụ một lớp 89 2. Vách trụ nhiều lớp 90 1.7. Tăng cường và hạn chế truyền nhiệt 91 1. Tăng cường truyền nhiệt 91 2. Hạn chế truyền nhiệt - đường kính tới hạn của lớp cách nhiệt . 92 Chương 2. TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU 2.1. Khái niệm 95 1. Đặc điểm 95 2. Các loại đối lưu 95 3. Phương trình toả nhiệt cơ bản, hệ số toả nhiệt 95 4. Các nhân tố ảnh hưởng 96 2.2. Hệ phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu, điều kiện đơn trị 98 1. Phương trình vi phân toả nhiệt 98 2. Phương trình năng lượng 99 4
3. Phương trình chuyển động 99 4. Phương trình liên tục 100 5. Điều kiện đơn trị 100 6. Phương hướng giải bài toán toả nhiệt đối lưu 100 2.3. Khái quát về lý thuyết đồng dạng 101 1. Xuất phát điểm 101 2. Các khái niệm cơ bản 102 3. Ba định lý đồng dạng 103 4. Các tiêu chuẩn đồng dạng quan trọng 104 5. Phương trình tiêu chuẩn 108 6. Nhiệt độ và kích thước xác định 108 2.4. Phương trình tiêu chuẩn toả nhiệt đối lưu 109 1. Khi đối lưu cưỡng bức 109 2. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên 111 Chương 3. BỨC XẠ NHIỆT 113 3.1. Những khái niệm cơ bản 113 1. Đặc điểm 113 2. Các đại lượng đặc trưng 114 3.2. Các định luật bức xạ cơ bản 116 1. Định luật Plăng 116 2. Định luật Viên 116 3. Định luật Stêphan -Bônzơman 117 4. Định luật Kiếc-Sốp 118 3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng song song 119 1. Hai tấm phẳng rộng vô hạn không có màn chắn giữa 119 2. Bức xạ của hai tấm phẳng song song có màn chắn giữa 120 Chương 4. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 122 4.1. Khái niệm 122 4.2. Các phương trình cơ bản tính nhiệt 122 1. Phương trình cân bằng nhiệt 122 2. Phương trình truyền nhiệt 123 4.3. Độ chênh trung bình của nhiệt độ giữa hai chất lỏng 124 Phần 3. THIẾT BỊ LẠNH Chương 1. KHÁI NIỆM 126 1.1. Giới thiệu 126 1. Mục đích và phân loại thiết bị lạnh 126 2. Các chu trình làm lạnh cơ bản 126 1.2. Môi chất lạnh và chất tải lạnh 127 1. Tính chất nhiệt động của các chất hơi 127 2 . Môi chất lạnh 128 3. Môi chất lạnh theo quan điểm mới 131 4. Chất tải lạnh 134 5
1.3 Chu trình làm lạnh dùng máy nén hơi 134 1. Chu trình khô 134 2. Chu trình quá lạnh, quá nhiệt 136 3. Chu trình hồi nhiệt 137 4. Ảnh hưởng các nhân tố tới năng suất lạnh 138 Chương 2. HỆ THỐNG LẠNH 2.1. Các hệ thống lạnh tĩnh tại điển hình 140 1. Khái niệm chung 140 2. Tủ lạnh gia đình 141 3. Hệ thống lạnh cỡ trung bình 143 2.2. Hệ thống lạnh trong vận tải 144 1. Khái niệm chung 144 2. Xe tải lạnh 145 3. Côngtennơ lạnh 147 4. Toa xe lạnh 148 Chương 3. ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 3.1. Khái niệm 150 1. Điều kiện tiện nghi vi khí hậu 150 2. Các đại lượng đặc trưng và đồ thị i-d của không khí ẩm 151 3.2. Chu trình điều hoà không khí 153 1. Quá trình làm lạnh không khí trong phòng trên đồ thị id 153 2. Chu trình điều hoà không khí 154 3. Xác định các điểm đặc trưng của chu trình điều hoà không khí 154 4. Xác định công suất thiết bị 157 3.3. Các hệ thống điều hoà không khí điển hình 158 1. Điều hoà không khí trong phòng kiểu cửa sổ 1 chiều 158 2. Điều hoà không khí hai chiều 159 3. Điều hoà không khí ô tô 160 Tài liệu tham khảo 162 6
Lời nói đầu Nội dung môn học Kỹ thuật nhiệt dành cho sinh viên ngành Cơ khí gồm hai phần là Nhiệt động học và Truyền nhiệt. Tài liệu giảng dạy môn học đã được các giảng viên bộ môn Kỹ thuật nhiệt biên soạn thành cuốn sách Kỹ thuật nhiệt và đã được sử dụng làm giáo trình giảng dạy của bộ môn qua nhiều năm. Trước sự thâm nhập mạnh mẽ của công nghệ lạnh trong các lĩnh vực kỹ thuật, đời sống và ngay cả trên các phương tiện giao thông vận tải như ô tô, toa xe ... đều có trang bị điều hòa không khí, máy làm lạnh… Bởi thế các bộ môn chuyên ngành như Cơ khí ô tô, Đầu máy toa xe, Máy Xây dựng… đã yêu cầu Bộ môn Kỹ thuật nhiệt biên soạn thêm phần Thiết bị lạnh để giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ khí. Được sự phân công của Bộ môn, tác giả đã biên soạn Bài giảng có phần Thiết bị lạnh nhằm đáp ứng phần nào yêu cầu trên. Do biên soạn lần đầu nên chắc chắn có những khiếm khuyết. Người viết rất mong nhận được sự đóng góp xây dựng của đồng nghiệp và bạn đọc. TS. Trịnh Văn Quang 7
Phần I . NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Hệ thống nhiệt động và các đặc trưng của hệ 1. Hệ thống nhiệt động Nhiệt động học khảo sát các quá trình biến đổi năng lượng xảy ra trong các vật thể, gọi chúng là hệ thống nhiệt động. Hệ thống nhiệt động là đối tượng cần khảo sát a . Định nghĩa Hệ thống nhiệt động là tập hợp các vật thể vĩ mô, tại đó xảy ra sự biến đổi năng lượng hoặc cả năng lượng và khối lượng * Phần bên ngoài Hệ thống nhiệt động được gọi là Biên giới môi trường của hệ Hệ thống * Hệ ngăn cách với môi trường bởi biên giới. Biên nhiệt động Môi trường giới có thể thay đổi và đuợc chọn tuỳ ý, biểu thị bằng đường nét đứt, hình 1.1. Hình 1.1 b . Phân loại - Hệ đóng : không trao đỏi khối lượng với môi trường . - Hệ mở : có trao đổi khối lượng với môi trường . Tuỳ theo đặc tính trao đổi năng lượng mà hệ đóng có thể là : - Hệ cô lập : không trao đổi năng lượng và khối lượng với môi trường - Hệ cô lập đoạn nhiệt : không trao đổi nhiệt với môi trường c. Chất công tác Chất công tác là các môi chất trung gian dùng trong các thiết bị nhiệt để thực hiện các quá trình trao đổi năng lượng với bên ngoài. Để thoả mãn yêu cầu làm chất công tác , các môi chất phải có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ dàng khi trao đổi năng lượng. Chất công tác thường là các chất khí hoặc hơi. 8
Khi khảo sát các đặc tính nhiệt động của hệ thống nhiệt động chính là khảo sát tính chất của chất công tác . Vậy chất công tác chính là hệ thống nhiệt động . Mọi vật chất tuỳ theo điều kiện vật lý (nhiệt độ và áp suất) mà có thể tồn tại trong các trạng thái pha: pha rắn, pha lỏng, pha hơi. Các chất hơi khi có áp suất nhỏ nhiệt độ cao được coi là chất khí. 2 . Trạng thái của hệ , trạng thái cân bằng a. Trạng thái của hệ Trạng thái của hệ là một thuộc tính biểu thị sự tồn tại của hệ, được đặc trưng bởi những đại lượng vật lý nhất định. b. Trạng thái cân bằng Trạng thái cân bằng là trạng thái mà trong hệ không xảy ra bất cứ biến đổi nào, tức là các đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ đồng nhất tại mọi điểm và không thay đổi theo thời gian và giữa các vật thể trong hệ cũng như giữa hệ và môi trường không có tương tác. 3 . Thông số trạng thái của hệ : a . Định nghiã Thông số trạng thái là các đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ và mối quan hệ giữa hệ với môi trường ở một thời điểm nào đó. b. Phân loại Thông số trạng thái được phân làm 2 loại : - Thông số dung độ : Thông số dung độ là những đại lượng vật lý có giá trị phụ thuộc vào khối lượng. - Thông số cường độ: Thông số cường độ là những đại lượng vật lý có giá trị không phụ thuộc vào khối lượng. ở mỗi trạng thái, hệ có thể có nhiều đại lượng đặc trưng. Để phân biệt hai loại thông số trên, có thể chia hệ làm nhiều phần, nếu đại lượng nào thay đổi thì đó là thông số dung độ vì phụ thuộc vào khối lượng. Các đại lượng không thay đổi sau khi chia là các thông số cường độ. Thí dụ hệ có các đại lượng nhiệt lượng Q, thể tích V, thể tích riêng v, áp suất p, nhiệt độ T… Khi chia Q V v đôi , mỗi hệ con có Q' = , V' = , v' = , p = p , T = T. Vậy Q, V, v là các thông số dung độ; 2 2 2 còn p, T là các thông số cường độ. c Các thông số trạng thái của hệ khí Để xác định trạng thái nhiệt động, hệ khí cần có 3 thông số sau : + Nhiệt độ : 9
Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của vật thể. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể. Nhiệt độ là một đại lượng thống kê. - Các đơn vị đo nhiệt độ nhiệt độ bách phân 0C (nhiệt độ Celsius), nhiệt độ tuyệt đối K (nhiệt độ Kelvin), nhiệt độ 0F ( nhiệt độ Fahrenheit ), nhiệt độ 0R (nhiệt độ Rankine ). Quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ như sau: T K = t0C + 273,15 (như vậy T = t) t0F = 1,80C + 32 t0R = 1,8 K = 1,80C + 491,67 + Áp suất : Áp suất là áp lực của chất khí (hoặc lỏng) trên một đơn vị diện tích bề mặt . Trong chất khí áp suất luôn tác dụng vuông góc với thành bình. áp suất là kết quả của sự va đập liên tục các phân tử khí vào thành bình , đó là một đại lượng thống kê. - Đơn vị đo : trong hệ SI : N/m2, ngoài ra còn dùng : Bar, at,mmHg, Psi, Torr , Pas... quan hệ giữa các đơn vị : 1 Bar = 105 N/m2 =105 pas = 1,02 at = 750 mmHg - Thông số trạng thái của hệ là áp suất tuyệt đối của hệ, ký hiệu p. áp suất tuyệt đối p không đo trực tiếp được mà chỉ đo được độ chênh giữa áp suất của chất khí với áp suất khí trời pkt. p kt đo bằng Barômét - Nếu p > p kt thì p - p kt = p dư . p dư gọi là áp suất dư đo bằng Manômét . Vậy: p = p kt + p dư - Nếu p < p.kt thì p kt - p = p.ck . pck gọi là độ chân không, đo bằng chân không kế. Vậy: p = p kt - p ck + Thể tích riêng : Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng : V v G Trong đó : V - thể tích khối khí ( m3 ) G - khối lượng khối khí (kg ) v- thể tích riêng ( m3/kg) 10
Đại lượng ngịch đảo của thể tích riêng : 1   - gọi là mật độ chất khí (kg/m3) v d. Thông số trạng thái các chất hơi : ở ngoài vùng hơi bão hoà , ba thông số như trên là đủ để xác định mỗi trạng thái nhiệt động của hơi .Trong vùng hơi bão hoà , do có mặt các hạt chất lỏng nên ngoài ba thông số trên cần phải có thêm độ ẩm ( hoặc độ khô) . 4. Phương trình trạng thái a. Dạng tổng quát Phương trình trạng thái là biểu thức mô tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của hệ ở trạng thái cân bằng . Dạng tổng quát là : F (p,v,T) = 0 (1.1) Đó là phương trình mô tả một mặt không gian trong hệ toạ độ P, v, T, hình 1.2, gọi đó là mặt nhiệt động. Thấy rằng mọi trạng thái mà hệ có thể có, phải nằm Hình 1.2 trên mặt nhiệt động , vì chúng thoả mãn phương trình trạng thái trên b. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng + Đặc điểm của khí lý tưởng : Khí lý tưởng là chất khí có các phân tử là những chất điểm (không có kích thước) và giữa chúng không có tương tác. Hầu hết các chất khí hoặc ở nhiệt độ cao, hoặc áp suất thấp, hoặc ở nhiệt độ không quá thấp và áp suất không quá cao như điều kiện bình thường đều được coi là khí lý tưởng vì nó đủ loãng. Theo định luật Avôgađrô , ở điều kiện tiêu chuẩn ( 00C , 760 mmHg ) 1 kmol mọi chất khí đều có thể tích bằng nhau là V = 22,4 m3 + Phương trình trạng thái của khí lý tưỏng : -Viết cho 1 Kmol : P.V = R.T (1.2) ở đây : p - áp suất tuyệt đối (N/m2) V- thể tích của 1 Kmol (m3/ kmol) T - nhiệt độ tuyệt đối (0K ) 11
R- hằng số khí vạn năng. R = 8314 (J/Kmol độ) - Viết cho 1 kg : chia hai vế phương trình trên cho  ( khối lượng của 1 kmol (kg/ Kmol)) sẽ được : V R P.  .T , hay là:   pv = RT (1.3) - Viết cho G Kg : nhân hai vế phương trình trên với G ( Kg ) P.v.G = G.R.T , hay là: pV = GRT (1.4) b. Phương trình trạng thái khí thực Các chất khí có nhiệt độ thấp, hoặc ở áp suất cao có mật độ lớn, các chất hơi được gọi là khí thực. Trạng thái của khí thực có thể biểu diễn dựa trên cơ sở phương trình khí lý tưởng. Một trong các phương trình trạng thái đó là phương trình Van đéc van. + Phương trình Van đéc van : a (p  )(v  b)  R.T (1.5) v2 trong đó : a - số hiệu chỉnh kể đến tương tác giữa các phân tử của chất khí thực. v2 b - số hiệu chỉnh kể đến kích thước riêng của phân tử khí thực. 1.2. Năng lượng của hệ 1. Năng lượng tổng Năng lượng là số đo mức độ chuyển động của vật chất. Vật chất luôn vận động bởi vậy ở một trạng thái bất kỳ, hệ thống luôn tồn tại một năng lượng nhất định. Năng lượng tổng của hệ nói chung bao gồm động năng Eđ, thế năng Et và nội năng U: E = Eđ + E t + U - Động năng Eđ do chuyển động của các phần tử của hệ tạo thành : Mw2 Ed  2 - Thế năng Et : do hệ đặt trong trường lực nào đó tạo thành : trường hấp dần, trường điện từ. Nếu chỉ có trọng trường thì : Et = Mgh 12
- Nội năng U : là năng lượng tiềm ẩn bên trong các phần tử của hệ : E = Eđ + Et + U Mw2 E  Mgh  U (1.6) 2 2. Nội năng U Nội năng là năng lượng của các phần tử vi mô tạo nên hệ . Nội năng gồm nội động năng Uđ và nội thế năng Ut. Nội động năng Uđ do chuyển động của các phân tử tạo nên: chuyển động quay, dao động… Nội thế năng Ut do tương tác giữa các phân tử gây nên. ở một trạng thái xác định, nội năng U của hệ có một có một giá trị xác định và duy nhất. Khi thay đổi trạng thái mới, nội năng của hệ có giá trị xác định mới. Giá trị mới cũng là xác định và duy nhất, bởi vậy thay đổi nội năng của hệ chỉ phụ thuộc vào trạng thái của đầu và cuối của quá trình chứ không phụ thuộc vào quá trình: U1a2 = U1b2 = U2 - U 1 (1.7) Hình 1.3 Vậy nội năng là một hàm trạng thái, biến thiên của nội năng không phụ thuộc vào quá trình. Nội năng được biểu thị là hàm của 2 trong 3 thông số trạng thái của hệ , thường viết ở dạng: U = f (v,T) (1.8) Khi đó vi phân của nội năng là một vi phân toàn phần : U U dU  ( )v dT  ( )T dv (1.9) T v Với khí lý tưởng , không có tương tác giữa các phân tử nên nội năng chỉ là hàm của nhiệt độ : U = f(T) , nên U dU  ( )v dT  f (T ) (1.10) T Trong tính toán chỉ quan tâm tới U, nên có thể chọn điểm gốc tuỳ ý nào đó có nội năng bằng 0 3. Entanpy a . Thế năng áp suất Xét một khối khí trong xy lanh đặt đứng có pít tông diện tích S có trọng lượng rất nhỏ và có thể di chuyển không ma sát. Đặt một vật khối lượng M lên trên pít tông. Khi cân bằng, vật được giữ nguyên ở độ cao h, tương ứng với thể tích V và áp suất p của khối khí trong xy lanh. 13
Lúc này trọng lực N của vật phải bằng với lực áp suất là F = S.p của khối khí trong xy lanh: N = F = S.p Trong đó : S là diện tích pít tông N là trọng lực ; N = M.g . g là gia tốc trọng trường , Khi pít tông giữ vật ở độ cao h, vật đã có thế Hình 1.4 năng Et bằng : Et = M.g.h = N.h Từ trên thấy rằng thế năng của vật E t = M.g.h = S.p.h. Vì S.h = V ; nên thế năng của vật: Et = pV (1.11) Tích số (pV) của khối khí tạo ra thế năng của vật, được gọi là thế năng áp suất. Khi đặt vật khác (M’  M ) , khối khí cũng sẽ có tích ( p'V') có giá trị xác định khác . Nghĩa là pV là hàm trạng thái , gọi nó là thế năng áp suất của khối khí. b. Entanpy Khi khảo sát hệ thống nhiệt động gặp biểu thức (U + pV) đặt là I , gọi I là entanpy. Biểu thức entanpi viết cho G kg: I = pV + U , (J) (1.12) viết cho 1 kg : i = pv + u . (J/kg) Thấy rằng ( p.V) và U đều là hàm trạng thái nên I cũng là hàm trạng thái, nghĩa là ở mỗi trạng thái Entanpy có một giá trị xác định và duy nhất, khi biến đổi sang trạng thái mới, Entapy của hệ có giá trị mới xác định và duy nhất. Như vậy biến thiên entanpy I của hệ không phụ thuộc vào quá trình, mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối : Hình 1.5 I1a2 = I1b2 = I2 - I1 (1.13) Entanpy là hàm của 2 trong 3 thông số trạng thái, thường được viết dạng : I = f(p,T) (1.14) 14
vi phân dI là một vi phân toàn phần : I I dI  ( )T dp  ( ) p dT (1.15) p T với khí lý tưởng, entanpy là hàm của chỉ nhiệt độ. Thực vậy: I = U + pV = f (T) + GRT =  (T) ở dạng vi phân : I dI  ( ) p dT (1.16) T Ý nghĩa của entanpy Xét G kg khí chứa trong xy lanh có cửa sổ ở cuối thông ra ngoài diện tích s, hình 1.6. Khi đẩy 1 kg khí ra môi trường có áp suất p, hệ phải sinh công đẩy để các phần tử khí dịch chuyển khoảng x : x.s.p = v.p đồng thời 1 kg khí đó có nội năng u ra môi trường nên năng lượng tổng cộng hệ mất đi là : pv + u = i khi đẩy toàn bộ khối khí G kg ra ngoài thì năng lượng hệ trao đổi với bên ngoài là : p.V + U = I Hình 1.6 Vậy entapy I là năng lượng trao đổi của hệ mở, đó là năng lượng toàn phần của hệ . 15
Chương 2 QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC 2.1. Quá trình nhiệt động 1. Định nghĩa Quá trình nhiệt động là tập hợp những trạng thái thay đổi liên tục của hệ. Thí dụ : ở trạng thái đầu hệ có các thông số : p1, v1, T1 khi thay dổi liên tục đến trạng thái cuối hệ có thông số p2, v2 , T2 . Tập hợp toàn bộ các trạng thái trên tạo thành quá trình. 2 . Phân loại Theo tính chất quá trình nhiệt động được chia làm 2 loại là qúa trình cân bằng và qúa trình không cân bằng. a - Qúa trình cân bằng Qúa trình cân bằng là một dãy liên tục các trạng thái cân bằng . Trong quá trình cân bằng tại mỗi trạng thái thông số của hệ tại mọi điểm đều bằng nhau và bằng với môi trường , tức là hệ luôn thoả mãn điều kiện cân bằng nhiệt động . Quá trình xảy ra với tốc độ hết sức chậm có thể coi là quá trình cân bằng vì tại hai trạng thái kế tiếp nhau sự khác biệt của các thông số trạng thái là hết sức nhỏ , nên tại mỗi trạng thái các thông số được coi là đồng đều ở mọi điểm bên trong hệ b- Qúa trình không cân bằng là qúa trình đi qua những trạng thái không cân bằng. Trong qúa trình không cân bằng thông số cường độ tại tại các điểm thuộc hệ sẽ khác nhau. c - Thí dụ : Nén một khối khí trong xy lanh với tốc độ vô cùng chậm bằng cách xếp dần một số vật nhỏ lên mặt trên của pít tông, hình 2.1. Khi đó trọng lượng pít tông tăng lên dần dần làm pít tông di chuyển rất chậm xuống phía dưới. Lớp khí sát mặt dưới pít tông sẽ di chuyển chậm bằng tốc độ pít tông. Do tốc độ chuyển động chậm, thời gian đủ lớn nên chuyển động của lớp khí đó được truyền cho các lớp khí ở xa hơn, làm toàn bộ khối khí cùng bị dồn lại. Như vậy ở mỗi thời điểm áp suất trong khối khí là luôn luôn đồng nhất tại mọi điểm, đó chính là trạng thái cân bằng. Tập hợp các trạng thái của quá Hình 2.1 trình đó tạo thành quá trình cân bằng . 16
Ngược lại khi nén nhanh khối khí, tại mỗi trạng thái lớp khí phía dưới pít tông chuyển động không kịp với tốc độ của pít tông nên bị dồn nén trước làm áp suất cao hơn các lớp khí ở xa mặt dưới pít tông. Kết quả tại mỗi trạng thái, áp suất không đồng nhất tại mọi điểm, đó là trạng thái không cân bằng. Như vậy toàn bộ quá trình nén nhanh là quá trình không cân bằng. 3. Phương trình của quá trình Phương trình của quá trình là biểu thức mô tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của hệ thống nhiệt động trong qúa trình cân bằng. Qúa trình nhiệt động được mô tả bởi 1 đường cong liền trên mặt nhiệt động, gọi là đường quá trình. Hình chiếu của nó xuống các mặt phẳng toạ độ được biểu thị bởi các phương trình 2 biến, hình 2.2: f 1(p,v) = 0 ; f2 (T,v) = 0 ; f3 (p,T) = 0 . Hình 2.2 Đường qúa trình và phương trình qúa trình chỉ biểu thị cho qúa trình cân bằng. Các qúa trình không cân bằng được quy ước là đường nét đứt và không thể biểu thị bằng phương trình qúa trình 2.2. Các dạng trao đổi năng lượng trong quá trình 1. Công a . Định nghĩa : Công là dạng năng lượng trao đổi được thực hiện bằng sự dịch chuyển vật thể một cách có hướng dưới tác dụng của lực . Quá trình sinh công luôn gắn liền với sự chuyển dời vật thể vĩ mô, nên công là dạng trao đổi năng lượng vĩ mô. b. Phân loại : - Công thể tích : gắn liền với sự thay đổi thể tích của hệ . Ký hiệu L - Công dòng chảy : gồm . Công phân bố Lpb gắn liền với sự thay đổi tốc độ dòng chảy . Công đẩy Lđ , gắn liền với sự thay đổi tích số ( p.v ) tức là tương tác giữa dòng chảy với môi trường . Khi hệ trao đổi cơ năng với bên ngoài thông qua các tác động kỹ thuật như bơm , quạt ...thì còn có thể có công kỹ thuật . TD: vật nặng hạ xuống làm quay cánh quạt khuấy hệ cấp công kỹ thuật Lkt cho hệ c. Biểu thức tính công thể tích L : 17
Công thể tích là công thường gặp hơn cả. Xét G kg khí trong xy lanh có pít tông di chuyển không ma sát. áp suất khí trong xy lanh p, môi trường bên ngoài có áp suất po. Pít tông có diên tích F. Khi hệ dãn nở đẩy pít tông di chuyển 1 đoạn dS, thì hệ phải sinh ra một công nguyên tố để thắng áp lực poF của môi trường là : dL = Po.F.dS = po.dV nếu hệ dãn nở từ trạng thái 1 tới 2 thì công dãn nở là : 2 L12   p0.dV 1 xét cho 1 kg : 2 l12   p0.dv 1 Nếu quá trình dãn nở là cân bằng , tức p = po thì Hình 2.3 2 L12( danCB )   p.dV (2.1) 1 Nếu quá trình dãn là không cân bằng, tức p > po thì 2 L12 ( danKCB )   p 0 .dV . 1 Từ đó thấy rằng : L 12 (dãn CB ) > L12 (dãn KCB ) Tương tự có thể thấy trong quá trình nén : L12 ( nén CB ) < L 12 ( nén KCB ) d. Biểu diễn trên đồ thị pv : 18
Lượng công sinh ra của 1kg chính bằng diện tích dưới đường cong của quá trình trên đồ thị pv, hình 2.4. Trong môn học chỉ khảo sát công trong quá trình cân bằng, nên tính toán áp dụng công thức (2.1) d. Quy ước dấu : Công hệ sinh ra mang dấu dương : (+) Hình 2.4 Công hệ nhận được mang dấu âm : ( -) 2. Nhiệt a Định nghĩa : Nhiệt là một dạng năng lượng trao đổi giữa hai hệ thống, thực hiện bởi sự có mặt của độ chênh nhiệt độ . Quá trình truyền nhiệt không gắn liền với sự dịch chuyển vật thể vĩ mô mà là quá trình phân tử, bởi vậy truyền nhiệt là dạng trao đổi năng lượng vi mô. Nhiệt có thể truyền bằng 3 phương thức : dẫn nhiệt, toả nhiệt đối lưu, bức xạ. Nhiệt động học không quan tâm đến phương thức cụ thể mà chỉ quan tâm đến lượng nhiệt được truyền giữa các hệ thống hoặc hệ với môi trường. b. Biểu thức tính nhiệt trong quá trình cân bằng : - Trong vật lý, lượng nhiệt vi phân hệ trao đổi trong quá trình cân bằng được xác định bởi : dQ = TdS (J) (2.2) trong đó : T - nhiệt độ tuyệt đối của hệ (oK) S - entrôpy là hàm trạng thái của hệ (J/độ ) viết cho 1kg: dq = Tds. Vậy lượng nhiệt trao đổi trong quá trình 12 là: 2 2 Q   T .dS , q   T .ds 1 1 c. Biểu thị trên đồ thị Ts : 19