chuong 1 khai niem chung

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

1

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

TS. Trần Văn Hƣng

Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh


2

• Tên môn học: Nhiệt động lực học kỹ thuật

• Mã môn học: 210014

• Số tiết: 42 tiết

• Số tín chỉ: 2

• Hình thức đánh giá:

• Kiểm tra giữa kỳ: 15%, 20%, 15%

• Kiểm tra cuối kỳ: 50%

• Tài liệu tham khảo:

• Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997

• Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG

TpHCM, 2002

•Hoàng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001

Sơ lƣợc về môn học


3

NỘI DUNG MÔN HỌC

• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT

• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT

• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai

• Chương 4: Exergy (tham khảo)

• Chương 5: Chất thuần khiết

• Chương 6: Không khí ẩm

• Chương 7: Chu trình thiết bị động lực hơi nước

• Chương 8: Chu trình thiết bị lạnh

• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong

• Chương 10: Quá trình nén khí và hơi

• Chương 11: Quá trình lưu động và tiết lưu

• Chương 12: Chu trình turbine khí và động cơ phản lực


4

CHƢƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG

1. Các vấn đề chung

2. Trạng thái và thông số trạng thái

3. Phương trình trạng thái của chất khí


5

1. Các vấn đề chung

Nhiệt động lực học?

Quy luật biến đổi năng lượng

Nhiệt năng Cơ năng

Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi

Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:

ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…

Bơm, quạt, máy nén

Thiết bị sấy

Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…

Công nghệ tách khí, hóa lỏng

Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều…


6

Hệ nhiệt động:

Khoảng không gian chứa một lượng nhất định chất môi giới đang khảo sát bằng các

biện pháp nhiệt động.

Heä nhieät ñoäng

(Chaát moâi giôùi)

q1

q2

Beà maët ranh giôùi

l

Moâi tröôøng

xung quanh

Chất môi giới?

Mặt ranh giới?

Môi trường?

Chất môi giới (Chất công tác)?

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng

Hoặc có thể tích trữ năng lượng

VD: Trong động cơ nhiệt: không khí

Trong động cơ hơi nước: hơi nƣớc

Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng + khí

Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…)


7

Hệ kín:

Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường

Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi

Máy lạnh

Bơm nhiệt…


8

Hệ hở:

Hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng và khối lượng

Chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống

Động cơ đốt trong

Động cơ phản lực

Turbin khí…

Ví dụ:


9

Hệ cô lập:

Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao

đổi năng lượng nào

Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường

Hệ đoạn nhiệt:

Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh


10

Nguồn nhiệt ?

Nguồn nóng + nguồn lạnh ?

Máy nhiệt ? Động cơ nhiệt,

Bơm nhiệt và máy làm lạnh

Động cơ nhiệt:

- Máy nhiệt dùng để sinh công

- Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ

nguồn nóng đến nguồn lạnh

Ví dụ:

Động cơ đốt trong

Động cơ phản lực

Thiết bị động lực hơi nước

Các loại turbine…


11

- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2

- W: công sinh ra

WQQ 21

Hiệu suất ĐCN

1

2

1

21

1 Q

Q1

Q

QQ

Q

W

1

2

q

q1

Trên 1 đơn vị khối lượng


12

Bơm nhiệt và máy làm lạnh

- Nhận công từ bên ngoài

- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược

từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng

- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2

- W: công sinh nhận

12 QWQ


13

- Bơm nhiệt

21

1

qq

q

Hệ số làm nóng:

21

11

QQ

Q

W

Q


14

- Máy làm lạnh

21

2

qq

q

Hệ số làm lạnh:

21

22

QQ

Q

W

Q


15

Chất môi giới

Pha và chất thuần khiết

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng

Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi.

Khí lý tƣởng

Thể tích bản thân các phân tử bằng không

Lực tương tác giữa các phân tử bằng không

Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng

Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần

hóa học.

Rắn, lỏng, hơi (hay khí)

Chất thuần khiết: là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học.

Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau.


16

2. Trạng thái và thông số trạng thái

Trạng thái

Trạng thái cân bằng

- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của CMG tại

một thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động

- Giá trị các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ

- Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian

Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân

bằng này đến trạng thái cân bằng khác


17

Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

Quá trình


18

Thông số trạng thái?

- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG

- Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông

số trạng thái độc lập

+ Thông số trạng thái cơ bản:

- Nhiệt độ: t (oC)

- Áp suất: p (N/m2)

- Thể tích riêng: v (m3/kg)

Xác định trực tiếp bằng cách đo đạc

+ Một số thông số trạng thái khác:

- Nội năng: u (kJ/kg)

- Enthalpy: i (kJ/kg)

- Entropy: s (kJ/kg.K)

Xác định thông qua thông số trạng thái cơ bản ( hàm trạng thái)


19

Nhiệt độ là gì?

- Biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật

- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt

Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng

trung bình của vô số phân tử chuyển động tịnh tiến

k = 1,3865.10-23 J/ñoäK, haèng soá Boltzmann,

T : nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa khoái chaát khí ñang khaûo saùt

M : khoái löôïng cuûa moät phaân töû

: caên baäc hai cuûa trung bình bình phöông toác ñoä cuûa caùc phaân töû

2M2

1T.k

2

3


20

- Định luật nhiệt động thứ không:

Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì

nhiệt độ của 2 vật đó bằng nhau.

t1 = t3

t2 = t3

t1 = t2

- Các thang đo nhiệt độ:

Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)

Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR

15,273CtKT

67,459RTFt

8,1

32FCt

)K(T.8,1)R(T


21

Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ

°C

Nhieät ñoä ñieåm 3 theå

27

3.1

6

Möùc khoâng cuûa thang

nhieät ñoä tuyeät ñoái

Ñieåm ñoùng baêng cuûa nöôùc

0.0

0

Ke

lvin

Ce

lciu

s

27

3.1

5

Ñieåm soâi cuûa nöôùc

37

3.1

5

°K

49

1.6

9

0.0

1

32

.02

-4

59

.67

-2

73

.15

0.0

0

Ran

kin

e

0.0

0

49

1.6

7

Fah

re

nh

eit

32

.0

67

1.6

7

10

0.0

°R

21

2

°F


22

Áp suất là gì?

Lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với về mặt đó

1 Pa = 1 N/m2. (Kpa, Mpa)

1 bar = 105 N/m2=750 mmHg.

1 at = 0,981.105 N/m2 = 1 kgf/cm2 = 10 mH2O = 735,5 mmHg.

1 mmH2O = 9,81N/m2.

1 mmHg = 133,32 N/m2.

1 psi (lbf/in2 ) = 6895 N/m2.

Đơn vị đo áp suất

A

FlimP n

'AA


23

Các loại áp suất:

Aùp suaát khí quyeån : aùp suaát cuûa coät khoâng khí ñeø treân maët ñaát.

Ñöôïc ño baèng Barometer

pkq

= pkt

= 1 bar

Aùp suaát dö (pd) : khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng khaûo saùt coù trò soá lôùn

hôn aùp suaát khí quyeån, ta goïi ñoä cheânh leäch giöõa aùp suaát cuûa moâi

tröôøng ñoù vôùi aùp suaát khí quyeån laø aùp suaát dö. Ño baèng Manometer

Aùp suaát chaân khoâng (pck) : laø ñoä cheânh aùp suaát khi aùp suaát moâi

tröôøng khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån. Ño baèng Vacummeter

Aùp suaát tuyeät ñoái (p)

p = pkq

+ pd

p = pkq

- pck


24

AÙp suaát tuyeät ñoái

Chaân khoâng tuyeät ñoái

AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt

nhoû hôn aùp suaát khí quyeån

AÙp suaát tuyeät ñoái

AÙp suaát khí quyeån

AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt

lôùn hôn aùp suaát khí quyeån

Ñoä chaân khoâng

AÙp suaát dö

Mối quan hệ giữa các loại áp suất


25

)m/kg(V

G

v

1 3

Thể tích riêng, khối lƣợng riêng?

)kg/m(G

Vv 3

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất

V: thế tích choán chỗ của khối chất môi giới (m3)

G: khối lượng khối chất môi giới đang khảo sát (kg)

v: thể tích riêng (m3/kg)

ρ: Khối lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m3)


26

Nội năng?

121t2t1đ2đ12 UUEEEEEE

Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:

- Động năng Eđ: do sự chuyển động của toàn bộ hệ thống

- Thế năng Et: do sự thay đổi vị trí của toàn bộ hệ thống

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong

hệ thống

UEEE tđ


27

Lượng biến đổi nội năng thực chất là lượng biến đổi nội nhiệt năng:

- Động năng: do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của

các phân tử và do các dao động trong nội bộ phân tử

- Thế năng: do lực tương tác giữa các phân tử

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên

trong hệ thống

tđ UUU

tđ uuu

Xét trên 1kg chất môi giới

uđ: Chỉ phụ thuộc nhiệt độ

ut: Phụ thuộc vào khoảng cách trung bình giữa các phân tử phụ thuộc

thể tích riêng hay mật độ


28

Đơn vị:

kJ, kcal, kWh,

Btu (Bristish thermal unit),

Chu (Centigrade heat unit)

1 kcal = 4,1868kJ = 4,1868kW.s = 1/861,24 kWh

1Btu = 1,055kJ = 0,55555Chu

Nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ và thể tích riêng

U = f(T, v)

Đối với khí lý tƣởng: lực tương tác giữa các phân tử được

xem bằng không

nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ.


29

Entropy S?

T

Qds

Đơn vị:

kJ/kg.K hay kcal/kg.K

- Là một hàm nhiệt động

- Là thông số trạng thái mà giá trị của nó được giữ không đổi khi

chất môi giới tiến hành quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

- Lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó

có giá trị bằng Q/T


30

Entanpi ?

Khi thực hiện các bài toán về nhiệt động ta thường gặp biểu thức u + pv

Kamerlingh Onnes đặt tên là Entanpi

Với khối chất môi giới khảo sát là 1kg

i = u + pv

Với khối chất môi giới khảo sát là G kg

I = G.i = G.(u + pv)

Đối với khí lý tưởng, u và pv phụ thuộc nhiệt độ

i cũng chỉ phụ thuộc t

Về ý nghĩa vật lý của entanpi, lượng biến đổi entanpi mang ý nghĩa năng lượng

Tương tự như nội năng, entanpi không trực tiếp đo được mà phải tính toán.

Đơn vị: kcal, kJ


31

3. Phƣơng trình trạng thái của khí

Khí lý tưởng?

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng?

Khí là tập hợp của vô số các phân tử. Ở các điều kiện thực tế, giữa các phân tử đều có một lực

tương tác nhất định nào đó và bản thân mỗi phân tử đều có một thể tích nào đó.

KLT là chất khí thỏa mãn 2 điều kiện sau :

- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 ( v = 0)

- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 ( f = 0)

Ở điều kiện áp suất khá thấp và nhiệt độ khá cao thì khí thực có thể được xem là KLT.

Trong đó :

p : áp suất tuyệt đối, N/m2.

V : thể tích khối khí, m3.

G : khối lượng khối khí, kg.

T : nhiệt độ tuyệt đối, K.

R : hằng số chất khí, J/kgK.

pV = GRT pv = RT

)K.kg/J(8314R

R


32

Hỗn hợp khí lý tƣởng

- Các thành phần được trộn lẫn lại theo kiểu cơ học,

- Không xảy ra phản ứng hóa học.

- Nếu mỗi thành phần trong hỗn hợp đều có thể được xem là khí lý

tưởng thì hỗn hợp được xem là hỗn hợp khí lý tưởng.

có thể sử dụng PTTT của KLT cho trường hợp của hỗn hợp.

Ví dụ: không khí có thể được xem là hỗn hợp KLT bao gồm N2, O2,

CO2, Ar, hơi nước, …

Cần chú ý, mỗi thành phần trong hỗn hợp đều ở nhiệt độ của hỗn hợp

và chiếm tòan bộ thể tích của hỗn hợp.


33

Áp suất riêng phần:

- Khi một thành phần nào đó của hỗn hợp chóan toàn bộ thể

tích của hỗn hợp và ở nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất tương

ứng của thành phần đó được gọi là áp suất riêng phần hay

phân áp suất của thành phần đó.


34

n

1i

ipp

Định luật Gibbs-Dalton:

“Khi mỗi một thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều

kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân

áp suất của các thành phần và nội năng của hỗn hợp bằng tổng nội năng

của các thành phần”

n

1i

iUU

pi: áp suất riêng phần

p: áp suất hỗn hợp

Ui: nội năng của các thành phần

U: nội năng của hỗn hợp


35

- Thể tích riêng phần (phân thể tích) là thể tích choán chỗ của

thành phần thứ i khi thành phần đó ở điều kiện áp suất và

nhiệt độ của hỗn hợp

Thể tích riêng phần (phân thể tích)


36

n

1i

iVV

Định luật Amagat:

Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần

của các thành phần

Vi: thể tích của từng thành phần có trong hỗn hợp

V: thể tích hỗn hợp


37

Cách biểu diễn thành phần của hỗn hợp

Thành phần khối lượng:

Thành phần thể tích:

G

Gg i

i

n

1i

iGG

1gn

1i

i

V

Vr ii

n

1i

iVV

1rn

1i

i

Ngoài ra còn có thành phần mol,

giá trị bằng với thành phần thể tích n

n

V

Vr iii


38

Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri

n.

n.

G

Gg iii

i

ii

i rg

n

1i

i

iii

n

n

n

nr

n

1i

ii

iii

g

gr

Ngoài ra:


39

Xác định một số đại lƣợng đặc trƣng của hỗn hợp

Phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượng

Theo thành phần thể tích

1gn

1i

i

n

1i

ii 1r

n

1i

ii.r

Theo thành phần khối lượng

1 1

n ni

i

ii i

G G G

n Gn

n

1i i

i 1.

G

G

1

n

1i i

ig

1


40

Hằng số chất khí R của hỗn hợp

T

Vpi

n

1i

in

1i

ii GRT

pV

T

VpRG

n

1i

n

1i

iiii Rg

G

RGR

1

1

8314 83148314.

.

ni

ni i

i i

i

gR

r

Từ PTTT của chất khí thành phần trong hỗn hợp (có pi, Ti = T, Vi = V)

piV = GiRiT hay GiRi =

Có thể viết

Suy ra

Hằng số chất khí của hỗn hợp còn được tính theo công thức


41

Thế tích riêng và khối lƣợng riêng của hỗn hợp

1

1 1

1 1

n

i n ni i i

i ii i

VG g GV

vG G G G

1

ni

i i

gv

1

1

1

n

i ni

i i

i

GG

VV V V

n

1i

iir

Suy ra

Thể tích riêng của hỗn hợp

Khối lượng riêng của hỗn hợp


42

Phân áp suất của các thành phần

GR

RGpp

GRT

TRG

pV

Vp iii

iii

R

Rpgp i

ii

i

i

R

R

i

ii pgp

Ta đã biết R = .R= iRi = 8314 J/kmol.độ

pi = ri.p

Ta có piV = GiRiT và pV = GRT


43

Ví dụ 1. Hỗn hợp khí gồm CO2 và N2 có khối lƣợng G = 0,5 kg, áp suất p =

3,5bar, nhiệt độ t = 480oC và thể tích V = 250 lít. Hãy xác định thành phần khối

lƣợng của hỗn hợp.

Ví dụ 2. Một hỗn hợp khí lý tƣởng gồm có 0,12 kg O2, 0,18 kg CO và 0,1 kg

CO2. Cho biết áp suất của hỗn hợp là 180 kPa. Xác định:

1. Hằng số chất khí của hỗn hợp,

2. Phân áp suất của từng thành phần,


44

Hết chương 1

chuong 1 khai niem chung

Documents