MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT ĐỘNG Mã chương: MH09 – 01 Thời gian: 06 giờ (LT: 01;TH: 02;Tự học: 03) Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở nhiệt động: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt động cũng như quy luật chuyển động của nhiệt động. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Trình bày được các khái niệm, các thông số trạng thái của nhiệt động lực học. - 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 học sinh sinh viên. Các khái niệm cơ bản 1.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động: Nhiệt động nghiên cứu các qui luật biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Nhiệt động học nghiên cứu các hướng có thể xảy ra được của các quá trình vật lý và hóa học. - 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, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái: a) Hệ nhiệt động: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 hệ nhiệt động được gọi là môi trường xung quanh.
Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của hệ nhiệt động. Hệ nhiệt động được phân loại như sau : Hệ nhiệt động kín– Hệ nhiệt động trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. Hệ nhiệt động hở- Hệ nhiệt động trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh. Hệ nhiệt động cô lập– Hệ nhiệt động không trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.
Hệ nhiệt động không cô lập – Hệ nhiệt động có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh. Hệ đoạn nhiệt – Hệ nhiệt động là hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường xung quanh. b) Chất môi giới: Chất môi giới hay môi chất công tácđược 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 chất môi giớilà các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của chất môi giới c) Các thông số trạng thái của chất môi giới: 6 - Nhiệt độ 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. ω2 =kT 3 [1-1] 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 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= ( o F−32 ) 9 o C=K −273 o 5 C= .1 Nhiệt kế - Áp suất 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 A p= [1-2] Theo thuyết động học phân tử : m μ ω2 α. 3 p= [1-3] Trong đó : p – áp suất ; F – lực tác dụng của các phân tử ; A – diện tích thành bình chứa ; 7 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: 1 atm = 760 mm Hg (at 0 0C) = 10,13. 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2) 1 at = 2049 psf 1at = 0,981 bar = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg = 14,7 psi Phân loại áp suất 1) Áp suất khí quyển (p0)– áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất.
2) Áp suất dư (pd) – là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển pd=p–p0 [1-4] 3) Áp suất tuyệt đối (p)– áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p=pd+p [1-5] 4) Áp suất chân không (pck)– phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.2 Các loại 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 V ν= m lượng chất đó : [m3/kg] [1-7] • 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 ρ= V [kg/m3] [1-8] - 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. 8 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: Δu = Cv(T2– T1) Đối với 1 (kg) môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg; Đối với G (kg) 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 - Entanpy :(i) – là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = u + p.v [1-9] 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, entanpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. - Entropy : (s) là một hàm trạng thái của chất môi giới 1. Phương trình trạng thái của chất khí : 1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng : - Phương trình trạng thái khi viết cho 1kg khí có dạng : p.T [1-10] 2 Trong đó: p : áp suất tuyệt đối (N/m ) v: thể tích riêng ( m3/kg) R: hằng số chất khí (J/kg.độ) T : nhiệt độ tuyệt đối ( K) - Phương trình trạng thái đối với G kg khí : p.T [1-11] Rμ Trong đó: R = μ Với Rμ = 8314 (J/kmol.độ) μ :là khối lượng 1 kmol phân tử (μkk = 29, μoxi = 16,…) 1.
Phương trình trạng thái của khí thực: - Trong thực tế các khi sử dụng đều là khí thực và việc tính toán của nó rất phức tạp.Để thiết lập phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương trình của khí lý tưởng rồi thêm vào các hệ số điều chỉnh được rút ra từ thực nghiệm. - Theo Vander Waals phương trình có dạng: a (p + 2 ).T [1-12] v Trong đó: a/v2: Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ. b: Hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử. a,b: còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo các loại chất khí.
Bài tập: Cho không khí có các thông số trạng thái như sau: áp suất p = 1 bar, nhiệt độ t = 27 oC. Hãy xác định thể tích của khối khí. * Để giải bài tập này cần thực hiện các bước sau Bước 1: Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng ta có: p.T Với p = 1bar = 105 Pa, t = 27 oC = 300K 9 R μ 8314 = =287 μ 29 R= Bước 2: Tính thể tích của khối không khí : R .T 287×300 v= = 5 =0 ,861(m3 /kg) p 10 Bước 3: Kết luận * Thực hành : Mỗi học sinh làm một bài tập tren giấy trong khoảng thời gian 30 phút Câu hỏi ôn tập: 1) Hệ nhiệt động là gì? Phân loại hệ nhiệt động. 2) Chất môi giới là gì ? Nêu các thông số trạng thái của chất môi giới.
3) Trình bày phương trình trạng thái của khí lý tưởng. 10 CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Mã chương: MH09 – 02 Thời gian: 12 giờ (LT: 02;TH: 04;Tự học: 06) Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số trạng thái , các quá trình nhiệt động cũng như quy luật của các hình thức dẫn nhiệt. Mục tiêu của bài: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Trình bày được các khái niệm về nhiệt, công, nhiệt dung riêng - Phát biểu được định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản khí lý tưởng - Giải được các bài toán về nhiệt động của khí lý tưởng - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán 2. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công: Nhiệt và công là 2 phương tiện mà môi chất dung để trao đổi năng lượng khi thực hiện một quá trình.Khi trao đổi năng lượng bằng công thì bao giờ cũng kèm theo một sự chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi năng lượng bằng nhiệt thì bao giờ cũng tồn tại sự chênh lệch về nhiệt độ.
Nhiệt dung riêng: - Nhiệt năng (nhiệt lượng):là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ.