CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIỚI Mã chương: MH10 - 01 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về chất môi giới và các thông số trạng thái chất môi giới 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. - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV. Nội dung chính: 1. Các khái niệm và định nghĩa 1.
Hệ thống thiết bị nhiệt Là loại thiết bị có chức năng chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh. * Động cơ nhiệt: Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng như động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v. * Máy lạnh: Có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.
Hệ nhiệt động (HNĐ) Là hệ gồm một hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh.1: Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ. Hệ nhiệt động được phân loại như sau : Hình 1.2: Hệ nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở * Hệ nhiệt động kín: HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. * Hệ nhiệt động hở: HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh.
* Hệ nhiệt động cô lập: HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh. Khí lý tưởng, khí thực Khí lý tưởng là một chất khí mà các phân tử của nó có các đặc tính sau đây: Các phân tử của khí lý tưởng không có thể tích riêng, ta có thể coi chúng là những chất điểm và lực tương tác giữa các phân tử bằng không. Các chất điểm chuyển động hỗn loạn và không tương tác với nhau (bằng các lực hút phân tử ) trừ khi chúng va chạm với nhau hoặc khi va chạm với thành bình. Khi va chạm ta có thể coi các phân tử chất khí lý tưởng như là các viên bi đàn hồi.
Va chạm giữa chúng và với thành bình được xem như va chạm hoàn toàn đàn hồi. Kích thước riêng của các phân tử không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng. Khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tử khác không và tồn tại lực tương tác giữa các phân tử. Trong thực tế không có khí lý tưởng, có thể xem khí lý tưởng là trạng thái giới hạn của khí thực khi áp suất p rất nhỏ.
Trong kỹ thuật ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường có thể coi các chất như Hyđrô , Oxy, Nitơ, không khí. là khí lý tưởng. Thông số trạng thái của chất môi giới 2. Trạng thái và các thông số trạng thái * Chất môi giới hay môi chất công tác: Được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
* Thông số trạng thái của CMG: Là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của CMG. Nhiệt độ tuyệt đối 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. 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: 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) 4) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: 5 o C = 9 (oF – 32) Hình 1. Áp suất tuyệt đối - Khái niệm: 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= A Theo thuyết động học phân tử : m 2 P .
3 trong đó : p - áp suất ; 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 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1at = 0,981 bar = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi - Phân loại áp suất: + Áp suất khí quyển (p 0): 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 + Áp suất tuyệt đối (p): Áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d+ p 0 + Áp suất chân không (pck): Phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
Thể tích riêng và khối lượng riêng Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn V vị khối lượng chất đó : [m3/kg] m Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó : m P [kg/m3] V 2. 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) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ 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. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng 3.
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Đối với khối khí có khối lượng là G kg, thể tích V m3 thì ta có: G.RT Hay pV = GRT * Tính hằng số R: Từ phương trình trạng thái ta có: pV R T Ở điều kiện tiêu chuẩn, áp suất p = 101.326Pa, nhiệt độ t = 0 0C thì 1 mol khí lý tưởng chiếm một thể tích là Vμ = 22,4 m3, vậy hằng số phổ biến của chất khí bằng: pV R 8314 J / kmol T Hoặc cũng có thể tính: Rμ = Nμ.10-23 =8314j/kmol, thay vào ta được: J / kg 0 K R 8314 R 3. Phương trình trạng thái của khí thực Trong thực tế, không tồn tại khí lí tưởng. Các quá trình nhiệt động kĩ thuật thường gặp là xẩy ra với khí thực. Do khí thực có nhiều khác biệt với khí lý tưởng, nên nếu áp dụng phương tình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực thì sẽ gặp phải sai số lớn.
Do đó cần thiết phải thiết lập các phương tình trạng thái cho khí thực để giải quyết vấn đề trên. Cho đến nay, chúng ta chưa tìm được một phương trình trạng thái nào dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái, mà chỉ tìm được các phương trình gần đúng cho một chất khí hoặc một nhóm chất khí ở khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Hiện nay có rất nhiều phương tình trạng thái viết cho khí thực, dưới đây ta khảo sát một số phương tình trạng thái khí thực thường gặp trong thực tế. Phương tình Vandecvan là một trong những phương trình viết cho khí thực có độ chính xác cao và được áp dụng khá rộng rãi.
Như đã nói ở trên, khí thực khác với khí lý tưởng là thể tích bản thân phân tử khác không và có lực tương tác giữa các phân tử. Do đó khi thμnh lập phương tình trạng thái cho khí thực, xuất phát từ phương tình trạng thái khí lý tưởng, để hiệu chỉnh các sai số, Vandecvan đã đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh được xác định bằng thực nghiệm kể đến ảnh hưởng của thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa các phân tử của chất khí đó. Về áp suất: đối với khí lý tưởng, giữa các phân tử không có lực tương tác nên các phân tử tự do chuyển động và va đập tới mọi nơi với năng lượng của chúng. Còn ở khí thực, trong quá trình chuyển động và va đập các phân tử tự do sẽ chịu lực hút và đẩy của các phân tử xung quanh, do đó lực va đập sẽ giảm đi.
Vì vậy áp suất khí thực mà ta đo được sẽ nhỏ hơn giá trị áp suất thực tế một đại lượng là Δp, đại lượng này tỷ lệ với bình phương khối lượng riêng và bằng: a p 2 v Áp suất thật của khí thực sẽ là: a p p p 2 v Về thể tích: Các phân tử khí thực có thể tích khác không. Giả sử tổng thể tích bản thân các phân tử có trong 1kg khí là b thì không gian tự do cho chuyển động của chúng sẽ giảm xuống và chỉ còn là (v - b).