Chương I KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1. Những khái niệm và thông số cơ bản 1. Nhiệt động học và phương pháp nghiên cứu nhiệt động học Nhiệt động học là môn khoa học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lượng trong các quá trình biến đổi nhiệt năng thành công. Môn nhiệt động học được xây dựng trên cơ sở hai định luật thực nghiệm: Định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai.
- Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, nó đặc trưng về mặt số lượng của những quá trình biến đổi năng lượng. - Định luật nhiệt thứ hai xác định chiều hướng và mức độ tiến hành các quá trình xảy ra trong tự nhiên. Đặc trưng cho mặt chất lượng của những quá trình biến hoá năng lượng. - Dựa trên hai định luật này, bằng phương pháp toán học có thể rút ra những kết luận cơ bản của nhiệt động học.
Những khái niệm cơ bản 1. Công và nhiệt lượng Khi các vật tác dụng lẫn nhau, chúng truyền cho nhau một năng lượng nào đó. Sự truyền năng lượng này có thể thực hiện bằng hai cách: a. Thực hiện công của vật này đối với vật kia, khi đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng bằng công nhận từ vật kia.
Công trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là l(j/kg) đối với 1kg môi chất và L(j) đối với G(kg) Quy ước công do vật sinh ra là dương, công do vật nhận vào là âm. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau, năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng ký hiệu là q(j/kg) đối với 1(kg) môi chất và Q(j) đối với G(kg), quy ước nhiệt lượng do vật nhận được là dương, nhiệt lượng do vật toả ra là âm. Đơn vị đo công và nhiệt lượng ngoài jun còn đo bằng Calo (ký hiệu Cal).
1 Cal = 4,1868 J, bội số của Cal là KCal. Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới - Để thực hiện quá trình biến hoá năng lượng giữa nhiệt và công trong kỹ thuật người ta phải dùng một chất trung gian gọi là chất môi giới. - Chất môi giới có thể ở thể khí, lỏng hay rắn. - Trong các động cơ nhiệt chất môi giới thường ở thể khí, vì thể khí có khả năng thay đổi thể tích lớn, do đó có khả năng sinh công lớn.
- Ở những điều kiện khác nhau, chất môi giới ở trạng thái khác nhau. Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái của chất môi giới gọi là thông số trạng thái của chất môi giới. ë mỗi trạng thái xác định thông số trạng thái là những đại lượng xác định. - Các thông số trạng thái: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng.
Cân bằng nhiệt động - Nếu trạng thái của hệ nhiệt động không thay đổi theo thời gian nghĩa là nếu ở hai thời điểm khác nhau tính chất của hệ như nhau, ta nói hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động đơn giản là trạng thái cân bằng. - Khi ở trạng thái cân bằng không có trao đổi nhiệt và dịch chuyển cơ học, nghĩa là nhiệt độ và áp suất ở mọi thời điểm trong hệ bằng nhau. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái của chất môi giới 2. Hệ nhiệt động - Tập hợp tất cả các vật có trao đổi nhiệt, công lẫn nhau và với môi trường xung quanh gọi là hệ nhiệt động.
- Nếu hệ nhiệt động không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh gọi là hệ đoản nhiệt, hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh gọi là hệ cô lập. - Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trưêng xung quanh. - Hệ hở là hệ có trao đổi chất với môi trưêng xung quanh. Các thông số trạng thái 2.
Áp suất - Áp suất là lực tác dụng của các phân tử chất khí theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí đó.1) Trong đó F: Tổng lực tác dụng lên các phân tử khí lên thành bình chứa (N) S: Diện tích thành bình chứa chất khí (m2) P: Áp suất chất khí. ư Đơn vị đo áp suất N/m2, bar (1bar = 105N/m2). Ngoài ra người ta còn đo áp suất bằng atmotfe (at), chiều cao cột thuỷ ngân (mm Hg) và milimét nước (mm H2O). - Quan hệ giữa các đơn vị đo: 1 at = 0,981 bar = 735,6 mm Hg = 10 mm H 2O.
1 bar = 750 mm Hg. - Đo áp suất dùng 3 loại dụng cụ đo: + Manomet: Đo phần áp suất chất khí lớn hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất Pk P t Pt 5 thừa tức là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí trời, ký hiệu là P t. + Baromet: Dùng để đo áp suất khí trời, ký hiệu là Pkt. + Chân không kế: Đo phần áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời, ký hiệu là P Cck.
- Áp suất tuyệt đối: P = Pkt + Pt.2) Trị số áp suất tuyệt đối bằng tổng số đo bằng 2 dụng cụ Baromet và Manomet. ck - Nếu áp suất bé hơn áp suất khí trời P dùng Baromet và chân không kế. kt P P Áp suất tuyệt đối là: P = Pkt ư Pck. Nhiệt độ - Nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất, nó biểu thị tốc độ chuyển động (hay động năng) của các phần tử vật chất.
- Có nhiều nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau: Giãn nở chất lỏng (nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế rượu. - Hiện nay sử dụng thang đo nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối. + Nhiệt độ bách phân còn gọi là nhiệt độ Censius, ký hiệu t, đơn vịC (0 tương ứng với nước đá đang tan; 100 tương ứng với nước sôi ở áp suất tiêu chuẩn P = 760 mmHg). Từ 0C 100C chia 100 phần bằng nhau, mỗi phần tương ứng với 1C.
+ Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi nhiệt độ Kenvin, ký hiệu là T, đơn vị làK. - Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ: T(K) = t(C) + 273 (1.4) Chú ý: Một độ trong nhiệt độ bách phân cũng tương ứng với một độ trong nhiệt độ tuyệt đối. Thể tích riêng - Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng. Ký hiệu là v đơn vị (m3/kg).
- Nếu một lượng khí có khối lượng G kg thể tích là V(m3), thì thể tích riêng sẽ là:v V m3 kg (1.5) G - Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng: 3 1 G kg m (1. Nội năng - Bất kỳ hệ nhiệt động nào cũng bao gồm nhiều vật tác dụng lẫn nhau đều có năng lượng tổng (E) bằng động năng của toàn hệ đặc trưng cho sự chuyển động của toàn bộ hệ (Eđ), thế năng của toàn hệ đặc trưng cho vị trí của toàn bộ hệ trong một trường nào đó (Et) và nội năng toàn hệ U được đặc trưng bởi năng lượng của các phần tử nhỏ bế cấu tạo nên hệ: E = Eđ + Et + U. - Nội năng U = Uđ + Ut + Nội động năng Uđ là tổng của động năng tịnh tiến với động năng quay của các nguyên tử và phân tử là năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử. Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt 𝑖𝑅𝑇 độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng (𝑈đ0 = , trong đó 𝑈đ0 là nội năng 2 của 1 Kmol khí, i là số bậc tự do của phân tử khí, R là hằng số chất khí, T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí).
+ Nội thế năng Ut là thế năng của lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí, khi thể tích riêng của khối khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, do đó thế năng cũng thay đổi. + Nội năng của chất khí phụ thuộc P 1 vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất a khí đó, tức phụ thuộc vào thông số b c nội năng là một thông số trạng thái. d + Nếu ký hiệu U là nội năng của 1 2 kg chất khí ta có thể viết: U = f(T, V) (1.7) 0 V Đối với chất khí lý tưởng, không có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng không (Ut = 0). Do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.8) Nội năng là một thông số trạng thái nên độ biến thiên của nội năng không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái.
Độ biến thiên nội năng của chất khí đi theo những quá trình khác nhau, nhưng có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối bằng nhau. Trên đồ thị, hình vẽ các quá trình: 1b2, 1c2, 1d2. có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối sẽ có cùng một lượng thay đổi nội năng. 2 UaUbUcUd∫1 𝑑𝑈 U2 U1 fP2 , V2 fP1, V1 Trong nhiệt động học không yêu cầu xác định giá trị tuyệt đối của nội năng mà chỉ cần tính độ biến thiên nội năng U.
Giá trị nội năng cho trong các sổ tay kỹ thuật thực ra là hiệu số U - U0, với U0 được quy ước bằng 0 ở một điều kiện nào đó, thí dụ đối với nước, theo quy ước Quốc tế chọn U0 = 0 ở 0,01C và áp suất bằng 0,006228 at (trạng thái này là điểm ba của nước). Giá trị U0 được chọn tùy ý và không ảnh hưởng đến trị số biến thiên của U. Entanpi Đối với 1kg, entanpi được kí hiệu là i, đối với Gkg kí hiệu I, và được định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv (j/kg) I = G. Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng: di = CP dT vài = Cp(T 2 – T1 ) 2.
Entropi 1 Theo nhiệt động học thường gặp P dq a tỷ số: ds (1.9) b T c Trong đó dq là nhiệt lượng tham gia d vào một quá trình vô cùng bé nào đó, S 2 được gọi là Entrôpi đơn vị đo KJ/Kg. 0 V Entrôpi là một thông số trạng thái còn gọi là hàm số trạng thái. Độ biến thiên của Entrôpi không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình. 9 Trên đồ thị sự biến thiên Entrôpi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 theo quá trình 1a2, 1b2,.
là bằng nhau.