CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã chương: MH10- 01 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh 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: - Hiểu đuợc các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh. - Nắm rõ các khái niệm về nhiệt động lực học. - Hơi và thông số trạng thái hơi. - Các quá trình nhiệt động của hơi.
- Các chu trình nhiệt động. - Trình bày dẫn nhiệt và truyền nhiệt và các thiết bị trao đổi nhiệt. - Phân tích đựoc 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 HSSV. Nội dung chính: 1.
NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT: 1. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới: 1.Các khái niệm và định nghĩa: a.Thiết bị nhiệt : là loại thiết bị có chức năng chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết bị nhiệt đƣợc chia thành 2 nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh. Động cơ nhiệt: Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng nhƣ động cơ hơi nƣớc, turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v.
Máy lạnh: có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.1: Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt 5 b. 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 đƣợc 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 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 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. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới: a.
Khái niệm chất môi giới (CMG): 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 lƣợng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của CMG. Các thông số trạng thái của chất môi giới: 1. 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. 6 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.3: Nhiệt kế Thang nhiệt độ Thang nhiệt độ Celsius (0C) 1) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) 2) Thang nhiệt độ Kelvin (0K) 3) Thang nhiệt độ Rankine (0R) Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ: 2. 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.
Theo thuyết động học phân tử : Trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; 7 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. 10 Pa = 2116 psf (lbf/ft ) 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. Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lƣu chất so với chân không tuyệt đối.Áp suất chân không (pck) - phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.4: Các loại áp suất Áp kế 8 Hình 1.5: Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 C.
t) [1-7] Trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, 0C h - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh về nhiệt độ 0C h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t0C 3. 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 : 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 : 4. 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) [1-10] 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. Enthanpy : Enthalpy (i) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : i = u + p.v [1-11] 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 1.
Nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng a. Các khái niệm chung - 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 1.Calorie (Ca) - 1 Ca 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 Ca = 1055 J Hình 1.6: Các hình thức truyền nhiệt a. 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 1.
dQ C= [J/độ] [1-13] 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 1. Hơi và các thông số trạng thái của hơi: 10 1. Các thể (pha) của vật chất: Chất môi giới là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lƣợng trong các thiết bị nhiệt. Dạng đồng nhất về vật lý của CMG 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 CMG ở pha khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng thực hiện công lớn.7: Đồ thị biểu diễn pha của chất thuần khiết 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 lƣợng cấp cho 1kg CMG lỏng hóa hơi hoàn toàn gọi là nhiệt hóa hơi (rhh), nhiệt lượng tỏa ra khi 1kg CMG ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng tụ (rnt). Nhiệt hóa hơi và nhiệt ngưng tụ có trị số bằng nhau. Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa hơi của nước là 2258 kJ/kg.
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 (r nc), 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.8: Các quá trình chuyển pha của nước 11 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. Quá trình hoá hơi đẳng áp: Giả sử có 1 kg nước trong xylanh, trên bề mặt nước có một piston có khối lƣợng không đổi. Như vậy, áp suất tác dụng lên nước sẽ không đổi trong quá trình hóa hơi.
Giả sử nhiệt độ ban đầu của nước là t0, nếu ta cấp nhiệt cho nước, quá trình hóa hơi đẳng áp sẽ diễn ra.10 thể hiện quá trình hóa hơi đẳng áp, trong đó nhiệt độ phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp : t = f(q). Đoạn OA biểu diễn quá trình đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu t0 tến nhiệt độ sôi ts.