CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở nhiệt động và truyền nhiệt: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động cũng như quy luật của các hình thức truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt. 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. - Trình bày được các quá trình dẫn nhiệt và truyền nhiệt và các thiết bị trao đổi nhiệt. - Phân tích được các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh và các quy luật truyền nhiệt nói chung.
- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho sinh viên. 2 Nội dung chính: 1. Nhiệt động kỹ thuật 1. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới Chất môi giới là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lượng trong các thiết bị nhiệt.
❖ Các thông số trạng thái của chất môi giới: • 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 .ω 2 = kT [1-1] 3 Trong đó: mμ - khối lượng phân tử ω - vận tốc trung bình của các phân tử k - hằng số Bonzman, k = 1,3805.105 J/độ 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. Thang nhiệt độ: + Thang nhiệt độ Celsius (0C) + Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) + Thang nhiệt độ Kelvin (K) + Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: o C = (oF – 32) 3 o C = K – 273 o C = oR – 273 • 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= [1-2] A Theo thuyết động học phân tử: mµω 2 p = α. [1-3] 3 Trong đó: 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 2) Pa (Pascal) 3) at (Technical Atmosphere) 4) atm (Physical Atmosphere) 5) mmHg 6) mm H2O 7) psi (Pound per Square Inch) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1 atm = 760 mm Hg (at 0oC) = 10,13.10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2) 4 1 at = 2049 psf 1at = 0,981bar = 9,81.104Pa = 10mH20 = 735,5mmHg = 14,7psi Phân loại áp suất: Áp suất khí quyển (po): 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 [1-4] Áp suất tuyệt đối (p): Áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d+ p 0 [1-5] Áp suất chân không (pck): Phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
pck = po - p [1-6] Hình 1.1 Các loại áp suất 5 Hình 1.2 Áp kế - dụng cụ đo áp suất • Thể tích riêng và khối lượng riêng: Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó: V ν= [m3/kg] [1-7] m Khối lượng riêng (ρ) - còn gọi là mật độ của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó: m ρ= [kg/m3] [1-8] V • 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) 6 Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức: du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) [1-9] 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 • Enthalpy: Enthalpy (i hoặc h) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức: i = h = u + p.v [1-10] Như vậy, cũng tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái.
Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. • Entropy: Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức: dq ds = [1-11] T • Nhiệt dung riêng: 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 lên 1oC Joule (J) 1 Cal = 4.187 J, 1 Btu = 252 Cal 7 Hình 1.3 Các hình thức truyền nhiệt Nhiệt dung và nhiệt dung riêng: 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] [1-12] dt Nhiệt dung riêng 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.
Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất: C Nhiệt dung riêng khối lượng c = , [J/kg.độ] [1-13] m C Nhiệt dung riêng thể tích c’ = , [J/m3t c.độ ] [1-14] Vtc C Nhiệt dung riêng mol c µ = [J/kmol.độ] [1-17] Hệ số đoạn nhiệt: cp k= [1-18] 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 =. Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng: chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.1 Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí k c [kJ/kmol.độ] μv μp 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 9 • 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.4 Công cơ học 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. Phân loại: 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 hệ nhiệt động. Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức: v2 l= ∫ p. dv v1 [1-20] 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.
Hơi và các thông số trạng thái của hơi ❖ Các thể (pha) của vật chất: Chất môi giới là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lượng trong các thiết bị nhiệt. Dạng đồng nhất về vật lý của chất môi giới được gọi là pha. Ví dụ, nước có thể tồn tại ở pha lỏng, pha rắn và pha hơi (khí). Thiết bị nhiệt thông dụng thường sử dụng chất môi giới ở pha khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng thực hiện công lớn.5 Đồ thị biểu diễn pha của chất thuần khiết 11 Hình 1.6 Các quá trình chuyển pha của nước ❖ Ví dụ các quá trình chuyển pha của nước: • Sự hóa hơi và ngưng tụ: Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi.
Ngược lại, quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ. Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho CMG. Ngược lại, khi ngưng tụ CMG sẽ nhả nhiệt. Nhiệt lượng cấp cho 1kg CMG lỏng hóa hơi hoàn toàn gọi là nhiệt ẩn hóa hơi (rhh), nhiệt lượng tỏa ra khi 1kg CMG ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng tụ (rnt).
Nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ngưng tụ có trị số bằng nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt ẩn hóa hơi của nước là 2257 kJ/kg. 12 • Sự nóng chảy và đông đặc: Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trình ngược lại được gọi là đông đặc. Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy CMG.
Ngược lại, khi đông đặc CMG sẽ nhả nhiệt. Nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg CMG nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa ra khi 1 kg CMG đông đặc gọi là nhiệt đông đặc (rdd). Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có trị số bằng nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy của nước bằng 333 kJ/kg.
• Sự thăng hoa và ngưng kết: Thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi. Ngược lại với quá trình thăng hoa là ngưng kết. CMG nhận nhiệt khi thăng hoa và nhả nhiệt khi ngưng kết. Nhiệt thăng hoa (rth) và nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số bằng nhau.
Ở áp suất p = 0,006 bar, nhiệt thăng hoa của nước bằng 2818 kJ/kg. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi. ❖ Định luật Nhiệt động học thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng, với các dạng năng lượng của một hệ thống nhiệt động.