Chương I: Những khái niệm cơ bản 1. Khái niệm và phân loại * Khái niệm: Thiết bị nhiệt hay còn gọi là máy nhiệt: là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng ở hai nguồn nhiệt: + Nguồn nóng có nhiệt độ T1 + Nguồn lạnh có nhiệt độ T2 * Phân loại: Có hai nhóm thiết bị nhiệt: + Nhóm động cơ nhiệt là nhóm thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa từ nhiệt sang công. Ví dụ: tua bin hơi, tua bin khí, máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ phản lực. + Nhóm máy lạnh và bơm nhiệt là nhóm thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa từ công sang nhiệt.
Ví dụ: tủ lạnh, điều hòa không khí, máy sưởi, kho lạnh. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt * Nhóm động cơ nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng (như quá trình cháy nhiên liệu hay phản ứng hạt nhân) để dãn nở và biến một phần nhiệt này thành công L0, còn một nhiệt còn lại Q2 nhả cho nguồn lạnh.1) * Nhóm máy lạnh và bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Máy tiêu hao năng lượng L0 (bằng cách nhận công hoặc nhiệt năng) để môi chất nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh (là nhiệt của vật cần làm lạnh) rồi truyền nhiệt Q2 cùng với năng lượng L0 cho nguồn nóng (thường là môi trường xung quanh).2) Vậy: Máy lạnh sử dụng Q2 để làm lạnh các vật Bơm nhiệt sử dụng Q1 để sưởi ấm các vật * Đơn vị của Q1, Q2, L0 là J (Jun), kJ, MJ 1 MJ = 1.000 J 9 * Quy ước dấu: Nhiệt nhận Q > 0 Nhiệt nhả Q < 0 Công do vật sinh ra L > 0 Công do vật nhận được (tiêu hao) L < 0 Theo quy ước dấu, bỏ dấu cho phương trình (1) và (2) ở trên là: Từ (1): Q 1 = L0 - Q 2 (đối với động cơ nhiệt) Từ (2): Q 2 - L0 = - Q 1 (đối với máy lạnh, bơm nhiệt) Hai phương trình trên trùng nhau và được gọi là phương trình nhiệt động thứ nhất của máy nhiệt. Hiệu suất của thiết bị nhiệt * Ý nghĩa: Tính kinh tế của chu trình được đánh giá bởi hiệu suất của thiết bị nhiệt. ă ư í * Cách xác định: ă ư ê Hiệu suất của động cơ nhiệt Hiệu suất của máy lạnh Hiệu suất của bơm nhiệt Gọi là HIỆU SUẤT NHIỆT η Gọi là hệ số làm lạnh ε Gọi là hệ số bơm nhiệt φ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | (1.5) * Đánh giá: - Hiệu suất nhiệt η càng lớn - Hệ số làm lạnh ε của - Hệ số bơm nhiệt càng thì | | càng nhỏ - Hay máy lạnh càng lớn khi lớn khi tiêu hao công | | nhiệt tỏa vào nguồn thu | | càng lớn và | | càng nhỏ và nhiệt nhận từ (nguồn lạnh) càng nhỏ.
càng nhỏ – Hay là nhiệt nguồn lạnh | | càng nhỏ - η = 1 khi | | nhận từ nguồn lạnh càng - Do | | | | | | Tuy nhiên tỏa nhiệt vào lớn và tiêu hao công càng chứng tỏ | | | | nên nguồn thu là điều kiện hoạt nhỏ. φ>1 động cần thiết của động cơ - Do | | | | | | bất kỳ làm việc theo chu kỳ chứng tỏ | | | | nên (| | là điều kiện đủ, ε>0 | | là điều kiện cần). Thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất 1. Khái niệm và sự thay đổi trạng thái Chất trong tự nhiên có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí.
Tồn tại ở trạng thái nào phụ thuộc vào điều kiện áp suất và nhiệt độ xác định. Dù ở trạng thái nào thì chất cũng bao gồm các phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng xung quanh vị trí cân bằng của nó và các phân tử, nguyên tử này liên quan bởi các lực hút và lực đẩy (còn gọi là lực hấp dẫn hay lực tương tác) Ở chất rắn: lực hút giữa các phân tử là rất lớn nên vật thể duy trì hình dạng của mình. Để phá vỡ chất rắn cần tác động vào nó lực rất lớn. Ở chất lỏng: lực hút giữa các phân tử nhỏ hơn nhiều so với chất rắn nên chất lỏng ở trạng thái bình thường không duy trì được hình dạng của mình nên chúng phải mang hình dạng của bình đựng chúng.
Lực phá vỡ liên kết phân tử của chất lỏng nhỏ hơn nhiều so với chất rắn. Ở chất khí: khoảng cách giữa các phân tử, nguyên tử khí lớn hơn nhiều so với chất lỏng và chất rắn nên lực tương tác giữa các phân tử, nguyên tử khí là không đáng kể. Chất khí chiếm toàn bộ không gian mà chúng có ở đó. Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ xác định, chất có thể chuyển từ một trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác.
Rắn Lỏng Khí Quá trình chuyển hóa từ rắn sang lỏng gọi là sự nóng chảy Quá trình chuyển hóa từ lỏng sang khí gọi là sự hóa hơi Quá trình chuyển hóa từ rắn sang khí gọi là sự thăng hoa Quá trình chuyển hóa từ khí sang rắn gọi là sự ngưng kết Quá trình chuyển hóa từ khí sang lỏng gọi là sự ngưng tụ Quá trình chuyển hóa từ lỏng sang rắn gọi là sự đông đặc Các quá trình nóng chảy, hóa hơi và thăng hoa là những quá trình nhận nhiệt (Q > 0). Các quá trình ngưng kết, ngưng tụ và đông đặc là những quá trình nhả nhiệt (Q < 0). 11 Nhiệt lượng cần cho 6 quá trình trên gọi là NHIỆT CHUYỂN PHA 1. Chuyển pha của đơn chất Mỗi đơn chất đều có biểu đồ pha riêng - Trục tung: biểu thị giá trị nhiệt độ theo tỉ lệ xác định.
- Trục hoành: biểu thị giá trị áp suất theo tỉ lệ xác định. (hoặc ngược lại) Góc phần tư thứ nhất của hệ trục tọa độ đề các được các đường Ab, Ac, Ad chia làm 3 vùng: - Vùng I: vùng rắn, - Vùng II: vùng lỏng, - Vùng III: vùng khí. - Đường Ab là đường nóng chảy - Đường Ac là đường hóa hơi - Đường Ad là đường thăng hoa. Đường đẳng áp P1 = const (P1 < PA) biểu thị quá trình chất rắn biến đổi thành chất khí (quá trình thăng hoa) bởi sự thay đổi nhiệt độ của chất.
Đường đẳng áp P1 = const cắt đường thăng hoa Ad tại điểm 1: Với P1 không đổi: - Nếu chất có nhiệt độ t > t1 thì chất ở trạng thái khí - Nếu chất có nhiệt độ t = t1 thì chất ở đồng thời trạng thái rắn và trạng thái khí. - Nếu chất có nhiệt độ t < t1 thì chất ở trạng thái rắn. 12 Nếu nén chất lên áp suất P2 (P2 = const > PA) rồi thay đổi nhiệt độ của chất. Đường đẳng áp P2 = const cắt đường nóng chảy Ab tại điểm 2 và cắt đường hóa hơi Ac tại điểm 3: Với P2 không đổi: - Nếu chất có nhiệt độ t > t3 thì chất ở trạng thái khí - Nếu chất có nhiệt độ t = t3 thì chất ở đồng thời trạng thái lỏng và trạng thái khí.
- Nếu chất có nhiệt độ t thỏa mãn t2 < t < t3 thì chất ở trạng thái lỏng. - Nếu chất có nhiệt đông t = t2 thì chất ở đồng thời trạng thái lỏng và trạng thái. - Nếu chất có nhiệt độ t thỏa mãn t < t2 thì chất ở trạng thái rắn. Ở thiết bị nhiệt người ta sử dụng môi chất để tải nhiệt (biến đổi nhiệt và chuyển hóa năng lượng).
Thực tế các môi chất là khí và hơi vì khi thay đổi nhiệt độ và áp suất thì thể tích riêng v của chúng thay đổi theo. Khi đó môi chất thực hiện công lớn hơn nhiều so với chất rắn và chất lỏng. Vậy các môi chất là các chất sử dụng để biến nhiệt Q thành công L. Biểu đồ pha (t-P) của CO2 Biểu đồ pha (t-P) của H2O 1.
Phân biệt khí thực và khí lý tưởng 1. Khái niệm khí lý tưởng Khí lý tưởng là khí được tạo thành bởi các phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng xung quanh vị trí cân bằng của nó. Các phân tử, nguyên tử của khí lý tưởng không có thể tích bản thân nên bản chất nó chỉ là những chất điểm chuyển động. Giữa các phân tử, nguyên tử của khí lý tưởng không có lực tương tác.
Khái niệm khí thực Khí thực là khí được tạo thành bởi các phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng xung quanh vị trí cân bằng của nó. Các phân tử, nguyên tử của khí thực có thể tích bản thân và giữa chúng có lực tương tác. So sánh sự khác biệt giữa khí thực và khí lý tưởng Khí lý tưởng Khí thực Cấu thành bởi các phân tử, nguyên tử Cấu thành bởi các phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng xung chuyển động hỗn loạn không ngừng quanh vị trí cân bằng của nó. xung quanh vị trí cân bằng của nó.
Các phân tử, nguyên tử không có thể tích Các phân tử, nguyên tử có thể tích bản bản thân thân Giữa các phân tử, nguyên tử không có lực Giữa các phân tử, nguyên tử có lực tương tác: thế năng = 0 tương tác: thế năng ≠ 0 Áp suất tuyệt đối: không đáng kể Áp suất tuyệt đối > 0 Mật độ (khối lượng riêng): không đáng kể Mật độ (khối lượng riêng) > 0 Tốc độ chuyển động và bán kính chuyển Tốc độ chuyển động và bán kính chuyển động của các phân tử, nguyên tử: không động của các phân tử, nguyên tử: đáng đáng kể (nhiệt độ thấp) kể (nhiệt độ cao hơn) Trên thực tế không có khí lý tưởng. Các khí thực như O2, N2, H2, không khí. nếu ở áp suất thấp và nhiệt độ bình thường thì có thể coi chúng là khí lý tưởng để tính toán nhiệt động học đơn giản, nhanh chóng với sai số chấp nhận được. Bình có thể tích V = 5 lít, trong đó có chứa 0,5kg khí H2; 1kg khí O2; 2kg khí N2.
Nhiệt độ của bình là 300C. Vậy: 1- Khối lượng của hỗn hợp khí trong bình là: mhh = mH2 + mO2 + mN2 = 3,5kg 2- Nhiệt độ của các chất khí thành phần là: tH2 = tO2 = tN2 = 300C 3- Thể tích của các chất khí thành phần là: VH2 = VO2 = VN2 = 5 lít (vì chất khí có đặc điểm là chiếm toàn bộ không gian chứa nó). 14 4- Áp suất của các chất khí thành phần là: PH2 ≠ PO2 ≠ PN2 ≠ Phh. Phh = PH2 + PO2 + PN2 1.