mở đầu về nhiệt động (4h) 1. Các khái niệm cơ bản 1. Công và nhiệt lượng Khi các vật tác động lẫn nhau, chúng trao đổi cho nhau một năng lượng nào đó. Sự truyền năng lượng được thực hiện bằng hai cách Thực hiện một công của vật này đối với vật kia.
Lúc đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng đúng bằng lượng vật kia mất đi. Công trong nhiệt động kỹ thuật kí hiệu là L và qui ước công do vật sinh ra là dương, và ngược lai công do vật nhận được là công âm. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. Năng lượng được trao đổi dưới dạng này được gọi là nhiệt lượng.
Nhiệt lượng trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là Q và qui ước nhiệt lượng do vật nhận đươc là nhiệt dương và vật nhả ra là âm. Đơn vị đo công và niệt lượng là Joul (J), trước đây năng lượng được đo bằng đơn vị là calo (cal), giửa cal va J có quan hệ như sau: 7 1cal= 4,1868 J 1. Hệ nhiệt động Tập hợp tất cả các vật có trao đổi nhiệt lẫn nhau và với môi trường xung quanh gọi là hệ nhiệt động. Nếu hệ nhệt động không trao đổi nhiệt với môi trương xung quanh gọi là hệ đoạn nhiệt.
Hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh được gọi là hệ cô lập 1. Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh Động cơ nhiệt: là loại máy nhận nhiệt và sinh công. Các máy này nhận nhiệt từ nguồn nóng để biến một phần nhiệt lượng này thành công và nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh. Ví dụ như các động cơ đốt trong, các động cơ phản lực, các thiết bị động lực hơi nước Bơm nhiệt và máy lạnh: vế nguyên lý bơm nhiệt và máy lạnh giống nhau.
Các máy này nhận công từ bên ngoài để chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ thấp hơn đến môi trường có nhiệt độ cao hơn. Như về mục đích thì bơm nhiệt và máy lạnh có sự khác nhau. Về bơm nhiệt người ta quan tâm đến nhiệt lượng mà nguồn nóng nhận được, còn máy lạnh ngưới ta quan tâm lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh. Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới Để thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt và công và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động người ta phải dùng một chất trung gian được gọi là chất môi giới.
Chất môi giới thường gặp trong kỹ thuật ở dạng khí hoặt hơi, ví thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả năng sinh công lớn. Ơ những điều kiện khác nhau chất môi giới sẽ có các trạng thái khác nhaubiểu thị bằng các đại lượng vật lý thường đặt trưng bởi nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích riêng (v). Các thông số dùng để xác định trang thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái. Ở một trang thái xác định thì các thông sốtrạng thái cũng có những giá trị xác định.
Ở trạng thái mà các thông số trạng thái có giá trị giống nhau ở bất kỳ điểm nào trong toàn bộ khối khí thí ta gọi là trạng thaí cân bằng, và ngược lại ta gọi là trạng thái không cân bằng. Các thông số trạng thái của chất môi giới a. áp suất Áp suất là lực tác dụng của vật chất lên 1 đơn vị diện tích của thành bình chứa. Áp suất được ký hiệu là P, đơn vị N/m2 F N P S m2 Khi ta đặt một vật rắn lên một diện tích thì áp suất sẽ phân đường trên diện tích đó.
Khi ta chứa nước trong bình thì áp suất dưới đáy bình bằng nhau nhưng áp suất ở thành bên giảm dần theo chiều cao cột nước. Khi nén khí (hoặc hơi) vào trong một bình kín, hơi sẽ tác dụng lên mọi phía bình với giá trị áp suất giống nhau. Trong kỹ thuật có một số khái niệm áp suất như sau: áp suất khí quyển, áp suất chân không, áp suất dư và áp suất tuyệt đối. p Pd (áp suất dư) Ptd (as tuyệt đối) Pck as chân không P0 (as khí quyển) - Áp suất khí quyển (P0): được đo bằng Barometer 1 atm vật lý được biểu thị qua cột thuỷ ngân của Baromer cao 760mmHg, diện tích của ống đo là 1cm 2.
(Baromer đặt trên mặt nứơc biển ở 0oC) Trọng lượng thủy ngân: 13,6x0,076 = 1,033kg. Vậy áp suất khí quyển Po = 1 atm = 1,033 kg/cm3 (atmosphe vật lý) 9 - Áp suất chân không (Pck): là áp suất đo bằng Vacummeter, Trị số áp kế nhỏ hơn áp suất khí quyển Pck < Po - Áp suất dư (Pd): là áp suất đo bằng Manometer, trị số áp kế lớn hơn áp suất khí quyển Pd > Po - Áp suất tuyệt đối: không đo đạt được mà chỉ có thể tính toán đựơc từ áp suất khí quyển, áp suất chân không Ptd = Po + Pd Ptd = Po – Pck b. Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý, nó biểu thị mức độ nóng lạnh của vật chất. Nhiệt độ chính là mức độ vận động hoặc rung động trung bình của các phân tử trong nội bộ vật chất ở thời điểm đó.
Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,15oC thì tất cả các rung động phân tử sẽ biến mất.15oC được gọi là “nhiệt độ không tuyệt đối” Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng nhiệt độ bách phân (Celcius) và nhiệt độ Kelvin o K làm đơn vị đo nhiệt độ Thang nhiệt độ Celcius xây dựng trên cơ sở lấy điểm nước đá tan 0 oC và nước sôi là 100oC ở điều kiện chuẩn (P = 1atm = 760mmHg) Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiệt độ Kelvin oK. oK ứng với nhiệt độ không tuyệt đối 0oK = -273.15 Hệ đơn vị Anh – Mỹ sử dụng nhiệt độ Fahrenheit ( oF). Quan hệ giữa nhiệt độ toF và toC như sau: toC = 5/9(toF – 32) toF = 32 + 9/5toC c. Thể tích riêng 10 Một khí có khối lượng là G kg và chiếm một thể tích là V m3, thể tích riêng cùa khối khí đó đươc định nghĩa nhu sau: V v m3/ kg G G 1 Ta có khối lượng riêng là: kg/m3 V v d.
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. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức: du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) ] 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. Enthanpy: Enthalpy (i hoặc h) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = h = u + p.v 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. Phương trình trạng thái chất khí 1. Định nghĩa về khí lí tưởng Một chất khí là tập hợp vô số các phần tử, giữa các phân tử luôn luôn có lực tương tác, và bản thân các phân tử có một thể tích nhất định. Nhưng một chất khí ta bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và bỏ qua thể tích bản thân thì chúng được gọi là khí lí tưởng.
Phương trình trạng thái của khí lí tưởng phương trình viết cho 1 kg pv = RT Phương trình viết cho G kg pV = GRT Trong đó: p = (N/m2); v = m3/kg; V= m3; T= (0K) R: Hằng số chất khí 8314 R (J/kgK) µ: Phân tử lượng của khí (kg/kmol) G: Khối lượng khí (kg) Phương trình viết cho 1 kilomol khí pVµ = RµT = 8314 T Trong đó: Vµ : Thể tích của 1 kilomol 12 Rµ = 8314 J/kmol.0 K Phương trình viết cho M kilomol khí pV = M.RµT = 8314MT M: Số kilomol Bài 2. Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12h) 2. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công 2. Các khái niệm chung 13 + 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 từ 14. British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.187 J 1 Btu = 252 Cal = 1055 J Hình 2.1: 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] dt Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - 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] m C Nhiệt dung riêng thể tích c’ = , [J/m3t c.độ ] Vtc 14 C Nhiệt dung riêng mol c = [J/kmol.độ] N Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động: - NDR đẳng tích cv, cv’, cμv - NDR đẳng áp cp, cp’, cμp Công thức Maye : cp - cv = R cμp - cμv = Rμ = 8314 [J/kmol.độ] Chỉ số đoạn nhiệt: cp k= 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 = .R k 1 k 1 + Nhiệt dung riêng của khí thực: NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động : c = f (T, p, quá trình). Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau c = a0 + a1.