Chương 1 1. Hiểu được các khái niệm, định nghĩa về Hệ cô lập, hệ không cô lập, hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt; chất môi giới; nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, nội năng, enthalpy, entropy, khí lý tưởng và khí thực. Lưu ý cách đổi đơn vị đo các thông số trạng thái của hệ nhiệt động. Phương trình trạng thái khí lý tưởng (Clapeyron), phương trình trạng thái khí thực.
Phân tích bài toán đưa về phương trình trạng thái khí lý 2 tưởng để giải. Những khái niệm cơ bản 1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật Nhiệt động học nghiên cứu những quy luật về biến đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng nhằm tìm ra các biện pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. 3 Phương pháp nghiên cứu: Nhiệt động học được nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai.
• Phương pháp giải tích: Ứng dụng các định luật vật lý kết hợp với các biến đổi toán học để tìm ra công thức thể hiện quy luật của các hiện tượng, các quá trình nhiệt động. • Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thí nghiệm để xác định giá trị các thông số thực nghiệm, từ đó tìm ra các quy luật và công thức thực nghiệm. Hệ thống nhiệt động học Hệ thống nhiệt động học thực hiện việc chuyển tải nhiệt từ vùng này đến vùng khác hoặc biến đổi nhiệt thành công. Hệ thống nhiệt động học: Là tập hợp các vật thể có liên quan với nhau về nhiệt năng và cơ năng.
Biên giới Môi trường xung quanh: Là tập Hệ Môi trường Năng lượng hợp các vật thể không nằm trong xung quanh thống Vật chất hệ thống nhiệt động học. Biên giới: Là bề mặt ngăn cách giữa hệ thống nhiệt động học và môi trường xung quanh. 5 * Phân loại hệ thống nhiệt động học: Hệ cô lập là hệ thống nhiệt động (thường gọi tắt là hệ) không trao đổi vật chất, nhiệt lượng và công với môi trường xung quanh. Hệ không cô lập là hệ có khả năng trao đổi vật chất, nhiệt lượng và công với môi trường xung quanh.
Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh. Hệ hở là hệ có trao đổi vật chất với môi trường xung quanh. Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt lượng với môi trường xung quanh. Chất môi giới Chất môi giới (còn gọi là môi chất hay chất công tác) là chất trung gian dùng để thực hiện việc truyền tải nhiệt và chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng hoặc ngược lại trong các thiết bị nhiệt.
Trong thực tế, môi chất thường ở thể lỏng, thể hơi hoặc thể khí vì chúng dễ dàng nén, ép và có khả năng thay đổi thể tích lớn, thuận lợi cho việc trao đổi công. Các thông số trạng thái của một hệ nhiệt động Trạng thái của vật chất trong một hệ nhiệt động là tâp hợp các đại lượng đặc trưng cho tính chất cơ, lý của vật chất. Trong nhiệt động kỹ thuật, thường dùng các thông số trạng thái sau đây: Nhiệt độ tuyệt đối: T [K]. Áp suất tuyệt đối: p [Pa] hoặc [N/m2].
Thể tích riêng: v [m3/kg]. Nội năng riêng: u [J/kg]. Enthalpy riêng: h hoặc i [J/kg]. Entropy riêng: s [J/kg.
• T, p, v có thể đo trực tiếp trên vật nên được gọi là thông số trạng thái. • u, i, s không thể đo trược tiếp trên vật mà phải tính toán thông qua các thông số trạng 8 thái nên được gọi là hàm số trạng thái. * Nhiệt độ tuyệt đối: Nhiệt độ là một thông số trạng thái đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của vật chất, biểu thị giá trị động năng trung bình của các phân tử vật chất. m 2 T [K] 3k Trong đó: T : nhiệt độ tuyệt đối của vật [K], m : khối lượng phân tử của vật [kg], : vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử [m/s], k : hằng số Bozman, k = 1,3805.
9 Trong hệ thống SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ: Thang nhiệt độ bách phân: Nhiệt độ ký hiệu bằng chữ t, đơn vị đo là độ Celcius [0C]. Thang nhiệt độ tuyệt đối: Nhiệt độ ký hiệu bằng chữ T, đơn vị đo là độ Kelvin [K]. T [K] = t [0C] + 273,15 Ngoài ra, một số nước như Anh, Mỹ còn dùng thang nhiệt độ Fahrenheit, đơn vị đo là 0F và thang nhiệt độ Renkine, đơn vị đo là 0R. t [0C] = T [K] - 273,15 = 5/9(t [0F] - 32) = 5/9(t [0R]) - 273,15 10 Bảng quy đổi các thang nhiệt độ thông dụng Thang nhiệt độ Thang nhiệt độ Thang nhiệt độ Kelvin [K] Celcius [0C] Fahrenheit [0F]` Thang nhiệt độ t 32 T T = t + 273,15 T F 273,15 Kelvin [K] 1,8 Thang nhiệt độ t F 32 t = T - 273,15 t t Celcius [0C] 1,8 Thang nhiệt độ tF = 1,8(T - tF = 1,8t + 32 tF Fahrenheit [0F] 273,15) + 32 * Mỗi K trong thang đo (độ chia/nhiệt giai) Kelvin (1K) bằng một độ trong thang đo Celsius (10C) * Fahrenheit với điểm đóng băng của nước là 320F và điểm sôi là 212 11 0F * Áp suất tuyệt đối: Áp suất là lực tác dụng của môi chất theo phương vuông góc lên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc.
F p [N/m2] S Trong đó: p : áp suất tuyệt đối [N/m2] hoặc [Pa], F : lực tác dụng của môi chất [N], S : diện tích của bề mặt tiếp xúc [m2] 12 Đơn vị tiêu chuẩn đo áp suất là Pascal, ký hiệu là Pa 1Pa = 1N/m2, 1KPa = 103Pa, 1MPa = 106Pa. Hiện nay trong các thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo khác như: • Atmôtphe kỹ thuật [at] hay [kG/cm2] (1at = 1kG/cm2); • Bar [bar]; • Milimet cột nước [mmH2O]; • Milimet thuỷ ngân [mmHg] Quan hệ giữa chúng như sau: 5 1 5 1 1 1Pa 1N / m 10 bar 2 10 at mmH 2O mmHg 0,981 9,81 133,32 13 Bảng quy đổi các thang áp suất thông dụng: Pa at mmH2O mmHg Pa 1 1,01937.105 1 104 735,559 kG/cm2] mmH2O 9,81 10-4 1 735,559.10-3 13,5951 1 1 psi = 0,069 bar Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thuỷ ngân với độ chính xác cao cần phải quy về điều kiện nhiệt độ 00C vì có sự thay đổi thể tích thuỷ ngân theo nhiệt độ. Công thức quy đổi như sau: h(00C) = h(t).t) Với h(00C): chiều cao cột thuỷ ngân ở 00C. Quan hệ giữa các loại áp suất Áp suất của không khí ngoài trời (ở trên mặt đất) gọi là áp suất khí quyển, ký hiệu là pk hoặc B, đo bằng barometer.
Một chất khí chứa trong bình kín có áp suất tuyệt đối là p. • Nếu áp suất p > pk thì hiệu giữa chúng được gọi là áp suất dư, ký hiệu là pd, đo bằng manometer. pd = p - p k • Nếu áp suất p < pk thì hiệu giữa chúng được gọi là áp suất chân không, ký hiệu là pck, đo bằng chân không kế vacuumeter. pck = pk - p p p>pk pd p pck pk p<pk p v 15 Quan hệ giữa các loại áp suất * Thể tích riêng: Thể tích riêng là thể tích được chiếm bởi 1 đơn vị khối lượng của vật: V v [m3/kg] G Trong đó: V là thể tích của vật, [m3].
G là khối lượng của vật, [kg]. Khối lượng riêng: G [kg/m3] V 16 * Nội năng: Nội năng của một vật là toàn bộ năng lượng bên trong vật đó, gồm nội nhiệt năng, hoá năng và năng lượng nguyên tử. Trong nhiệt động học, nội năng là nội nhiệt năng. Nội năng bao gồm hai thành phần: Nội động năng và nội thế năng, đơn vị đo nội năng là Joule [J].
Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích v: U = f(T, v) Đối với khí lý tưởng: U = f(T) (vì lực tương tác giữa các phân tử bằng không) 17 Trong mọi quá trình, nội năng được xác định bằng: du = cvdT hoặc u = cv(T2 - T1) cv : nhiệt dung riêng đẳng tích. Ở một số quốc gia dùng các đơn vị đo khác như: KCal; KWh; Btu, … Quan hệ giữa các đơn vị đó là: 1kJ = 0,239 kCal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 Btu Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết biến thiên nội năng mà không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng, do đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý mà tại đó nội năng bằng không. Theo qui ước, đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0,010C và áp suất p = 0,0062 at (điểm 3 thể của nước). 18 * Enthalpy: Enthalpy là năng lượng toàn phần của vật chất, bằng tổng nội năng U và ngoại năng W của vật, được ký hiệu là E, đơn vị đo enthalpy là Joule [J]: E = (Uđ + Ut) + (Wđ + Wt) [J].
Wđ thay đổi không đáng kể. Wt = pV Do đó: E = U + pV [J]. Đối với Gkg, enthalpy thường được ký hiệu là I (hoặc H); đối với 1kg, enthalpy được ký hiệu là i hoặc h (nhiệt lượng riêng), và được định nghĩa bằng biểu thức: I = G.(u + pv) = U + pV; [J] i = u + pv; [J/kg] Vi phân của enthalpy: di = du + d(pv) là vi phân toàn phần 19 * Entropy: Entropy là một đại lượng đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ xác định T, được ký hiệu là s, đơn vị đo entropy là [J/kg.độ] và có vi phân toàn phần bằng: ds = dq/T [J/kg. Entropy được ký hiệu bằng s đối với 1 kg và S đối với G kg.
Đối với Gkg thì: dS = G. Entropy là hàm trạng thái, đặc trưng cho xác suất tồn tại của hệ nhiệt động, trị số của S càng cao thì khả năng tồn tại của hệ càng lớn. Chọn điểm gốc tính toán: Thông thường hay chọn gốc của entropy cùng gốc của nội năng U và enthalpy I ở 0[0C] 20 * Tính chất của thông số trạng thái - Thông số trạng thái có vi phân toàn phần. - Thông số trạng thái là hàm đơn trị của trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình.
Nhiệt lượng và công trao đổi trong một quá trình phụ thuộc vào đường đi của quá trình nên không phải là thông số trạng thái, chúng là hàm của quá trình.