Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT Mục tiêu: - Phát biểu đúng các khái niệm và các thông số trạng thái của môi chất - Giải thích được các định luật nhiệt động I, định luật nhiệt động II - Nhận dạng và phân biệt được các thông số trạng thái của môi chất, viết được các phương trình định luật nhiệt động - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực nhiệt kỹ thuật. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Nguồn nhiệt: là những vật trao đổi nhiệt với môi chất; nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh. Môi chất: là những chất mà thiết bị dùng để truyền tải và chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác.
Môi chất có thể là vật chất ở bất cứ pha nào, nhưng thường dùng pha hơi (khí) vì nó có khả năng co dãn rất lớn. Môi chất có thể là đơn chất hoặc hỗn hợp. Yªu cÇu kü thuËt ®èi víi chÊt m«i chất - Cã kh¶ n¨ng sinh c«ng lín: thÓ tÝch thay ®æi đ¸ng kÓ khi nhiÖt ®é thay ®æi. - Cã kh¶ n¨ng truyÒn t¶i nhiÖt n¨ng lín: Cã nhiÖt dung riªng lín.
- RÎ tiÒn, dÔ kiÕm, kh«ng ¨n mßn thiÕt bÞ, kh«ng ®éc h¹i cho ng-êi vµ thiÕt bÞ. - An toµn, kh«ng dÏ ch¸y, dÔ næ. Trong thùc tÕ kh«ng cã chÊt nµo ®¸p øng ®ñ nhu cÇu trªn, v× vËy tuú theo lÜnh vùc ¸p dông ng-êi ta chän ra c¸c chÊt m«i giíi trªn c¬ së ph¸t huy -u ®iÓm vµ h¹n chÕ thÊp nhÊt khuyÕt ®iÓm. Trạng thái: là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi chất hay hệ ở một thời điểm nào đó.
Các đại lượng vật lý đó được gọi 5 là thông số trạng thái. Thông số trạng thái: là một đại lượng vật lý có một giá trị duy nhất ở một trạng thái. Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái. Nghĩa là độ biến thiên của thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối quá trình mà không phụ thuộc vào quá trình (đường đi) đạt đến trạng thái đó.
Máy nhiệt: là hệ thống thiết bị dùng để tiến hành quá trình truyền tải, trao đổi và chuyển hóa nhiệt năng, thực hiện sự chuyển hoá giữa nhiệt và công nói chung. Thiết bị nhiệt là những thiết bị trong thực tế ta gặp nhiều như: máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ, các thiết bị sấy, thiết bị chưng cất, thiết bị nhà máy điện ….chúng thực hiện việc chuyển hóa nhiệt từ vùng này đến vùng khác hoặc biến nhiệt thành công. Động cơ nhiệt: là các loại máy nhiệt tiêu thụ một nhiệt lượng nào đó để sản sinh cho chúng ta một cơ năng tương ứng sau đó có thể được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như điện năng, thế năng. Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt này là nhận nhiệt năng từ nguồn nhiệt chuyển hóa một phần thành cơ năng, phần còn lại tổn thất ra môi trường bên ngoài.
VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v. Ngày nay người ta cũng đã chế tạo thành công một số động cơ nhiệt đặc biệt đó là những động cơ biến trực tiếp nhiệt năng thành điện năng như: pin nhiệt điện, chu trình pin nhiên liệu, động cơ từ thủy động. Máy lạnh: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy được để làm lạnh một vật nào đó. VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.
là loại máy lạnh. Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả ra nguồn nóng để đốt nóng hoặc sấy, sưởi một vật nào đó. VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt. Máy lạnh và bơm nhiệt là các thiết bị nhiệt có chức năng phạm vi ứng dụng khác nhau nhưng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau, nhờ năng lượng hỗ trợ từ bên ngoài nhiệt được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp( nguồn 6 lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao( nguồn nóng), trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp trong môi trường nhiệt độ cao hơn( đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì nhiệt độ cao trong môi trường nhiệt độ thấp hơn(đối với bơm nhiệt) Q1 = L + Phòng ấm (Td: 300C) L Q2 Q2 Môi trường (Td: 50C) Q1 = L + L Q2 Q2 Kho lạnh (Td: -300C) Sơ đồ nguyên lý và chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt 1.
Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ do có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường. Nước sôi (nước bão hoà): là nước khi bắt đầu quá trình hóa hơi hoặc kết thúc ngưng tụ; cũng là phần nước cùng tồn tại với hơi. Hơi bão hòa khô: là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ hoặc khi vừa hóa hơi xong, mà cũng là phần hơi khi hai pha hơi và nước (hoặc là hơi và rắn) cùng tồn tại. Hơi bão hòa ẩm: là hỗn hợp giữa hơi bão hòa khô và nước bão hòa (nước sôi).
Nước chưa sôi: là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ. Hơi quá nhiệt: là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là hơi có áp suất nhỏ hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ. Nhiệt và công Nhiệt và công là hai hình thái của năng lượng, đây là các đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi thực hiện một quá trình. Khi môi chất trao đổi công với môi trường thì kèm thao các chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi nhiệt thì luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ.
- H×nh th¸i c«ng ®-îc thÓ hiÖn kÌm theo sù dÞch chuyÓn ë d¹ng vÜ m«(c¸c ®¹i l-îng vÜ m« lµ c¸c ®¹i l-îng cã thÓ c©n ®o ®ong ®Õm ®-îc, c¸c ®¹i l-îng vi 7 m« lµ c¸c ®¹i l-îng kh«ng thÓ c©n ®o ®ong ®Õm ®-îc). - H×nh th¸i nhiÖt ®-îc thÓ hiÖn trong tr-êng hîp cã sù trªng lÖch nhiÖt ®é gi÷a c¸c vËt; (nÕu kh«ng cã sù trªnh lÖch vÒ nhiÖt ®é th× sÏ kh«ng cã sù trao ®æi n¨ng l-îng nh- vËy kh«ng suÊt hiÖn nhiÖt n¨ng).Khái niệm nhiệt Mét vËt cã nhiÖt ®é kh¸c kh«ng th× c¸c ph©n tö vµ nguyªn tö cña nã sÏ chuyÓn ®éng hçn lo¹n vµ vËt mang mét n¨ng lượng gäi lµ nhiÖt n¨ng hay nhiệt lượng( NhiÖt l-îng lµ mét ®¹i l-îng phô thuéc vµo qu¸ tr×nh) Khi hai vËt tiÕp xóc víi nhau th× néi n¨ng cña vËt nãng h¬n sÏ truyÒn sang vËt l¹nh h¬n. Qu¸ tr×nh chuyÓn néi n¨ng tõ vËt nµy sang vËt kh¸c gäi lµ qu¸ tr×nh truyền nhiÖt. Lưîng néi n¨ng truyÒn ®ưîc trong qu¸ tr×nh ®ã gäi lµ nhiÖt lưîng trao ®æi gi÷a hai vËt.
+ KÝ hiÖu: Q (J) nếu tính cho Gkg, q (J/kg) nếu tính cho 1kg + Qui -íc: - NhiÖt l-îng do vËt nhËn ®-îc (+) - NhiÖt l-îng do vËt nh¶ ra (-) Trong trưêng hîp c©n b»ng (khi nhiÖt ®é c¸c vËt b»ng nhau), vÉn cã thÓ xÈy ra kh¶ n¨ng truyÒn néi n¨ng tõ vËt nµy sang vËt kh¸c (xem lµ v« cïng chËm) ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng. §iÒu nµy cã ý nghÜa quan träng khi kh¶o s¸t c¸c qu¸ tr×nh vµ chu tr×nh lÝ tưëng. NhiÖt dung riªng vµ c¸ch tÝnh nhiÖt a. NhiÖt dung riªng 8 *) §Þnh nghÜa: Nhiệt dung riêng của một chất là l-îng nhiÖt cÇn cÊp cho 1 ®¬n vÞ vËt chÊt của vật nào đó ®Ó lµm nhiÖt ®é cña vËt đó t¨ng thªm 1 ®é theo mét qu¸ tr×nh nµo ®ã.
NhiÖt dung riªng của một chất phô thuéc vµo b¶n chÊt , nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt chất khí đó. KÝ hiÖu: C, ®¬n vÞ (J/kg0K) *) Ph©n lo¹i: + Theo nhiÖt ®é: - NhiÖt dung riªng thùc: lµ nhiÖt dung riªng ®-îc x¸c ®Þnh t¹i 1 nhiÖt ®é nµo ®ã. t2 dq C = dT q = Cdt t1 - NhiÖt dung riªng trung b×nh: lµ nhiÖt dung riªng ®-îc x¸c ®Þnh trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ t1 t2. q C tt12 = t - NhiÖt dung riªng trung b×nh ®-îc tÝnh s½n vµ tra b¶ng sè.
+ Ph©n lo¹i theo ®¬n vÞ l-îng vËt chÊt - NhiÖt dung riªng khèi l-îng: Khi ®¬n vÞ ®o l-îng m«i chÊt lµ kg, chóng ta cã nhiÖt dung riªng 𝑑𝑄 khèi l-îng, ký hiÖu 𝐶= (J/kg) 𝐺𝑑𝑇 - NhiÖt dung riªng thÓ tÝch: NÕu ®¬n vÞ ®o l-îng m«i chÊt lµ mÐt khèi l-îng tiªu chuẩn (ký hiÖu lµ m3 )th× nhiÖt dung riªng ®-îc gäi lµ nhiÖt dung 𝑑𝑄 riªng thÓ tÝch, ký hiÖu lµ 𝐶 ′ = (J/m3 0K) 𝑉𝑑𝑇 - NhiÖt dung riªng Kmol: NÕu ®¬n vÞ ®o khèi l-îng m«i chÊt lµ kilomol ( kmol ) nhiÖt dung riªng ®-îc gäi lµ nhiÖt dung riªng kilomol, ký hiÖu lµ 9 𝑑𝑄 𝐶𝜇 = (J/Kmol0K) 𝑀𝑑𝑇 + Quan hÖ gi÷a C, C', CM: Trong quá trình nhiệt động nhiệt dung riêng của chất khí không đổi Xét một khối khí có khối lượng là G, thể tích V ( m3tc). Nếu gọi M là sô kmol của khối khí, là khối lượng 1kmol khí (kg/kmol) thì nhiệt dung riêng của khối khí có thể được tính là G. 𝐶 = 𝜇 𝐶𝜇 𝑀 Vtc - thÓ tÝch riªng cña m«i chÊt ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn vËt lý. + Ph©n lo¹i theo qu¸ tr×nh: - NhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p ( CP): Qu¸ tr×nh nhËn nhiÖt xÈy ra ë ¸p suÊt kh«ng ®æi, cã nhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p: CP là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp C'P là nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp CP là nhiệt dung riêng mol đẳng áp - NhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch ( CV): Qu¸ tr×nh nhËn nhiÖt xÈy ra ë thÓ tÝch kh«ng ®æi, cã nhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch : CV là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích C'V là nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích CV là nhiệt dung riêng mol đẳng tích * §èi víi khÝ lý t-ëng ¸p dông c«ng thøc Mayer CP - CV = R (1) Với 1mol chất khí lý tưởng ta có: .
độ Trong nhiÖt ®éng cã mèi quan hÖ: CP = k (2) CV 10 Từ (2) có Cp = k. Cv thay vào ( 1) ta có k. Cv – Cv = R hay Cv (k – 1) = R 𝑅 𝑘 suy ra: 𝐶𝑉 = 𝑣à 𝐶𝑃 = 𝑅 𝑘−1 𝑘−1 k: sè mò ®o¹n nhiÖt vµ k chØ phô thuéc vµo b¶n chÊt vµ nhiÖt ®é cña chÊt khÝ. Với khÝ lý t-ëng, trÞ sè k chØ phô thuéc vµo b¶n chÊt( cÊu t¹o ph©n tö ) cña chÊt khÝ.
Khi cã 1 nguyªn tö: k = 1,6 Khi cã 2 nguyªn tö: k = 1,4 Khi cã 3 nguyªn tö: k = 1,3 b.