Chương I CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG §1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Mục tiêu: - Trình bày được nguyên lý hoạt động của các máy nhiệt; - Trình bày được các thông số cơ bản của môi chất; - Trình bày và tính toán được nhiệt lượng cơ bản; - Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình tính toán. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT 1. Đơn vị đo công, nhiệt lượng và công suất - Công ký hiệu là L(l) và nhiệt lượng ký hiệu là Q(q) ứng với G kg môi chất là các dạng khác nhau của năng lượng và được đo bằng đơn vị Jule(J), Calo(cal) hoặc BTU.
Trong đó J là đơn vị đo năng lượng nói chung của hệ đo cơ bản (hệ SI).Công được định nghĩa là công của lực có cường độ 1N dịch chuyển 1m. Cal cũng là đơn vị đo nhiệt lượng, 1 cal là nhiệt lượng cần thiết khi đốt nóng 1g nước để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ. BTU là đơn vị chuyên biệt đo nhiệt lượng của nước Anh, Mỹ hiện nay. Quan hệ giữa 3 đơn vị đo như sau: 1 cal = 4,1868 J = 0,003968 BTU hoặc 1 kcal = 4,186 KJ = 3,968 BTU - Các đại lượng tương ứng với G kg môi chất được ký hiệu bằng các chữ hoa, còn các đại lượng tương ứng với 1kg môi chất được ký hiệu bằng các chữ thường.
Như vậy công tương ứng với 1 kg môi chất tương ứng sẽ được ký hiệu là l(J/kg) và q(J/kg). - Công suất ký hiệu là P được định nghĩa là công thực hiện trong một đơn vị thời gian. Đơn vị chuẩn đo trong hệ SI là W. Quan hệ giữa các đơn vị đo công suất thường gặp là: 1 W= 3,412 BTU/h = 0.
Dấu của công và nhiệt lượng Trong nhiệt động kỹ thuật, người ta quy ước: 13 - Công do môi chất sinh ra là công dương và công khi môi chất nhận từ môi trường là công âm. Do đó công sinh ra trong các động cơ nhiệt là công dương và công tiêu tốn trong các máy lạnh hoặc bơm nhiệt là công âm. - Nhiệt lượng do môi chất nhận được là nhiệt lượng dương và nhiệt lượng do môi chất tỏa ra là nhiệt lượng âm. Do đó nhiệt lượng mà môi chất lạnh nhận được từ các vật cần làm lạnh trong dàn lạnh là nhiệt lượng dương và nhiệt lượng mà môi chất thảy vào môi trường qua dàn nóng là nhiệt lượng âm.
Định luật nhiệt động II và nguyên lý làm việc của máy nhiệt Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân bằng năng lượng trong các quá trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hoá thành công hoặc công chuyển hoá thành nhiệt. Tuy nhiên nó không cho ta biết trong điều kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành công và toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công không. Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá trình sẽ xảy ra, chiều hướng xảy ra và mức độ chuyển hoá năng lượng của quá trình. Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và thiết bị nhiệt.
Có nhiều cách phát biểu định luật nhiệt động II: - Cách thứ nhất do Thomson-Planck phát biểu năm 1851: Không thể có động cơ nhiệt có khả năng biến toàn bộ nhiệt lượng cung cấp cho nó thành công mà không mất đi một phần nhiệt lượng truyền cho các vật khác. Như vậy nếu động cơ nhiệt nhận được một nhiệt lượng q1 từ nguồn nóng để sinh cho chúng ta một công l thì nó phải mất một nhiệt lượng q2 truyền cho nguồn lạnh q1 = l + |q2| - Cách thứ hai do Carnot-Clausius đề xuất năm 1851: Nhiệt lượng tự nó chỉ có thể truyền từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Muốn truyền ngược lại phải tiêu tốn thêm một năng lượng. Như vậy muốn làm lạnh một vật chúng ta cần phải tiêu tốn một công l nào đó để đưa nhiệt lượng q 2 từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao hơn q1.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh Như vậy, cả động cơ nhiệt cũng như máy lạnh và bơm nhiệt chỉ có thể làm việc khi có hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau.
THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT 1. Định nghĩa Thông số trạng thái là một đại lượng vật lý có một giá trị duy nhất ở một trạng thái. Có 8 thông số trạng thái: thể tích riêng, áp suất, nhiệt độ, nội năng, năng lượng đẩy, entanpy, entropy và execgy. Trong 8 thông số này thì thì có các thông số có thể đo được là: thể tích riêng, áp suất và nhiệt độ 2.
Các thông số trạng thái a. Thể tích riêng v Thể tích riêng v là thể tích của 1 kg môi chất. Do đó nếu gọi V là thể tích của G kg môi chất thì thể tích riêng v được xác định: V v G Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng ρ (kg/m3) 1 G v V b. Áp suất Áp suất là áp lực của các phân tử môi chất tác động lên một đơn vị diện tích thành bình theo phương pháp tuyến.
Pascal là đơn vị đo áp suất chuẩn trong hệ SI. Ngoài ra còn dùng các đơn vị đo khác như atmotphe kỹ thuật (at) 15 atmotphe vật lý(atm), milimet cột thủy ngân, milimet cột nước, PSI… Ta có quan hệ giữa các đơn vị đo như sau: 1 at = 0,9807 bar = 735 mmHg = 10 mH2O (at: Atmosphere technical) 1 at = 735 torr (torr: torricelli) 1 at = 1000 centimeter water (4oC) 1 atm = 101325 Pa (atm: Standard atmosphere )= 760mmHg 1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa= 14,5 PSI=750mmHg 1 kgf/cm2 = 1 at = 98,0665 kPa 1PSI = 6,8948 kPa = 6894,84 N/m2 - Áp suất tuyệt đối của môi chất là một trong ba thông số trạng thái cơ bản và có thể đo được trực tiếp. + Nếu áp suất nơi cần đo lớn hơn áp suất khí quyển (p kq) thì áp suất đo được gọi là áp suất dư hay áp suất tương đối (pd). Khi đó áp suất tuyệt đối (ptđ) được tính bằng: ptđ = pd + pkq + Nếu áp suất nơi cần đo nhỏ hơn áp suất khí quyển (p kq) thì áp suất đo được gọi là áp suất chân không (pck).
Khi đó áp suất tuyệt đối (ptđ) được tính bằng: ptđ = pkq - pck - Dụng cụ đo áp suất khí áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển là áp kế hay manomet. Dụng cụ đo áp suất khi áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là chân không kế hay vaccuummet. Nhiệt độ Nhiệt độ là thông số xác định động năng của các phân tử, hay nói đơn giản nhiệt độ là thông số trạng thái xác định mức độ nóng hay lạnh của vật. • Nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T(K) là đại lượng vật lý tỷ lệ với mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử T: Nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin (K) R: Hằng số phổ biến của chất khí R=8314 (J/kmolK) : Động năng trung bình của các phân tử khí(J/kmol) • Nhiệt độ Celsius ký hiệu t(oC) đã chọn nhiệt độ đông đặc to= 0 oC và nhiệt độ sôi tsôi=100 oC của nước ở áp suất 760mmHg(1,01325 bar) làm điểm mốc và chia làm 100 khoảng bằng nhau.
NHIỆT DUNG RIÊNG 1. Định nghĩa Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết làm nhiệt độ của một đơn vị vật chất đó thay đổi một độ theo một quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng của một chất phụ thuộc vào đơn vị vật chất và quá trình trao đổi nhiệt. Phân loại nhiệt dung riêng Với chất lỏng hoặc chất rắn, đơn vị đo vật chất thường là khối lượng(kg).
Với chất khí có thể có 3 đơn vị đo vật chất: khối lượng(kg), thể tích V(m3tc) và kmol. Về quá trình cung cấp nhiệt cũng có 3 quá trình: quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quá trình cấp nhiệt đẳng áp và quá trình cấp nhiệt đa biến, đo đó ta có các loại nhiệt dung riêng sau: - Nhiệt dung riêng khối lượng C(J/kgK) + Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp(J/kgK) + Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích Cv(J/kgK) + Nhiệt dung riêng khối lượng đa biến Cn(J/kgK) - Nhiệt dung riêng thể tích C’(J/m3tcK) + Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp C’p(J/m3tcK) + Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích Cv(J/m3tcK) + Nhiệt dung riêng thể tích đa biến Cn(J/m3tcK) - Nhiệt dung riêng kmol C (J/kmolK) + Nhiệt dung riêng kmol đẳng áp C p (J/kmolK) + Nhiệt dung riêng kmol đẳng tích C v (J/kmolK) + Nhiệt dung riêng kmol đa biến C (J/kmolK) 3. Cách tính nhiệt lượng Nhiệt lượng được tính theo nhiệt dung riêng hoặc theo entropy.∆t Q: Nhiệt lượng (J) 17 G: Khối lượng chất khí(kg) C: Nhiệt dung riêng khối lượng(J/kgK) C’: Nhiệt dung riêng thể tích(J/m3tcK) Vtc: Thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn(m3tc) Bảng1.1: Nhiệt dung riêng trung bình của một số kim loại Phạm vi nhiệt độ 0oC ÷ 100 oC 0oC ÷ 300 oC 0oC ÷ 500 oC Đơn vị kJ/kg.K Nhôm 0,908 0,954 0,992 Chì 0,131 0,136 - Sắt 0,464 0,469 0,473 Thép 0,2%C 0,473 0,502 0,540 Thép 0,2%C 0,490 0,515 0,552 Gang 0,544 0,573 0,590 Đồng 0,387 0,401 0,408 Bảng 1.2: Bảng nhiệt dung riêng đẳng áp của một số chất rắn, chất lỏng và chất khí Chất kJ/kg.K Chất kJ/kg.K Chất kJ/kg.K Bê tông 0,88 Benzen 1,72 KK khô, 20oC 1,007 Gỗ 2,1 ÷ 2,9 Glyxerin 2,43 Oxy, 20oC 0,915 Gạch 0,84 Thủy ngân 0,138 Nito, 0oC 1,039 Nước đá 2,04 Nước 4,1816 Amoniac, 2,23 100oC 18 Bài tập: 1. Áp suất trên đồng hồ đo một bình chứa hơi có giá trị quan sát được là 7,5 kgf/cm2.
Hãy xác định áp suất tuyệt đối trong bình chứa hơi đó? 2. Hãy tính nhiệt lượng để cung cấp cho 2,5kg nhôm từ 30oC lên 250oC ? Câu hỏi ôn tập: 1. Hãy vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và của máy lạnh? 2. Hãy trình bày công thức xác định áp suất tuyệt đối ? 3.
Hãy trình bày mối liên hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ ? 19 §2. HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI Mục tiêu: - Trình bày được các trạng thái pha của môi chất; - Trình bày và tra được đồ thị Mollier của môi chất lạnh; - Trình bày được các quá trình chuyển pha của môi chất; - Vẽ và trình bày được đồ thị pha của môi chất; - Tính toán được quá trình chuyển pha của nước; - Chú ý cẩn thận tỉ mỉ trong quá trình tính toán.