CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã Bài: MH11 - 01 Giới thiệu: Bài học này rất quan trọng là nền tảng kiến thức để học sinh tính toán những bài tập nhiệt và thiết bị lạnh, cũng như là nền tảng cho những môn học thực hành Mục tiêu: - Hiểu đuợc các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh; - 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. Hệ nhiệt động Tập hợp các vật thể có liên quan với nhau về cơ và nhiệt ta nghiên cứu bằng nhiệt động lực học được gọi là hệ nhiệt động. Tất cả các vật khác không nằm trong hệ nhiệt động được gọi là môi trường xung quanh. Người ta có thể phân loại các hệ nhiệt động như sau: Hệ thống kín và hệ thống hở: Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.
Còn hệ hở là hệ có khả năng trao đổi vật chất với môi trường xung quanh. Hệ thống cô lập và không cô lập: Hệ cô lập là hệ không trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt và cơ năng. Nếu hệ và môi trường chỉ không trao đổi nhiệt với nhau thì gọi là hệ đoạn nhiệt. Nếu hệ và môi trường không trao đổi cơ năng thì được gọi là hệ cô lập về phương diện cơ học.
Hệ không cô lập là hệ có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng cơ và nhiệt năng. Khí lý tưởng và khí thực Khí lý tưởng là khí không có lực tác dụng tương hổ giữa các phân tử và không có thể tích của bản thân các phân tử. Ngược lại khí thực là khí mà giữa các phân tử của nó có lực tác dụng tương hổ và có thể tích của bản thân các phân tử. Như vậy trong thực tế không có khí lý tưởng.
Nếu khí thực có áp suất rất thấp và nhiệt độ rất cao thì lúc đó trong tính toán có thể xem nó là khí lý tưởng, vì khi đó lực tác dụng tương hổ giữa các phân tử rất nhỏ so với năng lượng chuyển động của chúng, đồng thời kích thước của bản thân các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách trung bình của các phân tử (hay so với toàn bộ thể tích mà khối khí chiếm chổ). Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới a. Chất môi giới Là chất trung gian để thực hiện quá trình biến hóa giữa nhiệt và công. 5 Trên nguyên tắc mọi chất đều có thể là chất môi giới, nhưng người ta thường sử dụng khí và hơi vì chúng thay đổi thể tích rất lớn khi có sự biến thiên nhiệt độ.
các thông số trạng thái của chất môi giới + Thể tích riêng Là thể tích của một đơn vị khối lượng V v [m3/kg] G Nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng (khối lượng của một đơn vị thể tích). G 1 [kg/ m3] V v Đôi khi người ta còn dùng thông số trọng lượng riêng, là trọng lượng của một đơn vị thể tích.g [N/ m3] v g: gia tốc trọng trường [m/s2] + Nhiệt độ Là một đại lượng biểu thị trạng thái nhiệt của vật chất. Theo thuyết động lực học phân tử thì nhiệt độ biểu thị tốc độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử trong nội bộ vật chất. Hiện nay người ta thường sử dụng hai thang đo nhiệt độ: - Nhiệt độ bách phân còn gòi là nhiệt độ Celsius, ký hiệu t, đơn vị 0C.
- Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi là nhiệt độ Kenvin, ký hiệu T, đơn vị độ 0K Mối quan hệ giữa hai thang nhiệt độ này được biểu diễn bằng công thức T (0K) = t (0C) + 273,15 Giá trị tại mỗi độ chia trong hai thang đo này bằng nhau, do đó dt=dT. Ngoài ra ở các nước Anh, Mỹ còn dùng thang đo nhiệt độ Fahrenheit, 0F. t(0C) = 9 5 0 t F 32 Lưu ý chỉ có nhiệt độ tuyệt đối T (0K) mới là thông số trạng thái. + Áp suất Là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích theo phương vuông góc với phương của lực.
P p [N/m2] F p: áp suất P: lực tác dụng 6 F: diện tích bình quân Áp suất do không khí ngoài trời gây ra gọi là áp suát khí quyển, ký hiệu pk đo bằng barometer. Nếu áp suất tuyệt đối p của chất khí trong bình nào đó lớn hơn áp suất khí quyển pk (p>pk) thì hiệu số của chúng (p-pk) được gọi là áp suát dư (thừa), ký hiệu pd đo bằng manometer. Pd = p – pk Nếu áp suất tuyệt đối trong bình nhỏ hơn áp suất khí quyển (p<pk) thì hiệu số (pk-p) được gọi là độ chân không, ký hiệu pck đo bằng chân không kế vacummeter. Pck = pk – p Lưu ý chỉ có áp suất tuyệt đối p mới là thông số trạng thái.
Đơn vị áp suất thường dùng trong nhiệt động lực học là Pascal, ký hiệu Pa, bội số của nó là bar 1Pa = 1N/m2 1bar = 105Pa Nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Nhiệt lượng Khi hai vật tiếp xúc nhau thì nội năng của vật nóng sẽ tự phát truyền sang vật lạnh hơn. Quá trình chuyển nội năng từ vật này sang vật khác được gọi là quá trình truyền nhiệt. Số lượng nội năng truyền đi được trong quá trình này gọi là nhiệt lượng, ký hiệu Q(kJ). Nếu tính cho 1 kg chất môi giới ta gọi là nhiệt lượng riêng, ký hiệu q(kJ/kg).
Nhiệt dung riêng Định nghĩa nhiệt dung và nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị đo lường của chất dó tăng thêm 1 độ trong một quá trình nào đó. Khảo sát một quá trình nguyên tố. Nếu cung cấpđQcho C vật một nhiệt lượng vô cùng nhỏ đQ thì nhiệt độ thay đổi một lượng dt. Tỉ số dt (kJ/độ) được gọi là nhiệt dung của vật.
Đối với chất khí nhiệt dung phụ thuộc vào quá trình mà chất khí nhận nhiệt, vì đối với các quá trình khác nhau nhiệt lượng trao đổi đQ cũng khác nhau. Nếu quá trình đẳng áp ta co nhiệt dung đẳng áp, ký hiệu Cp Nếu quá trình đẳng tích ta có nhiệt dung đẳng tích, ký hiệu Cv Nếu quá trình đa biến ta có nhiệt dung đa biến, ký hiệu Cn 7 Tỉ số giữa nhiệt dung của vật với khối lượng của nó được gọi là nhiệt dung riêng khối lượng C đQ đq c (kJ/kg.độ) G Gdt dt Như vậy nhiệt dung riêng khối lượng là nhiệt dung riêng cấp cho 1kg chất môi giới tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng thể tích: là nhiệt lượng cung cấp cho 1m3 chất môi giới qui về điều kiện tiêu chuẩn tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó.độ) Vtc Nhiệt dung riêng kmol: là nhiệt lượng cung cấp cho 1kmol chất môi giới tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó.độ) Giữa 3 loại nhiệt dung riêng này có mối quan hệ sau c c c , .Vtc c c c, Vtc 22,4 Cũng giống như nhiệt dung riêng chất khí, tùy thuộc vào quá trình xảy ra mà ta có nhiệt dung riêng đẳng áp, nhiệt dung riêng đẳng tích , nhiệt dung riêng đa biến. Đối với khí lý tưởng, tùy thuộc vào quá trình xảy ra mà ta có nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích xác định bằng công thức Mayer cp – cv = R Tỉ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích được gọi là số mũ đoạn nhiệt.
cp k cv Suy ra cp – cv = R kcv –cv = R R cv k 1 k cp R k 1 8 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng q t2 dq c c t1 t 2 t1 ta có thể tính được Từ định nghĩa nhiệt dung riêng dt và nhiệt lượng cung cấp cho 1kg chất môi giói trong quá trình nào đó dq = c.dt t2 t2 q cdt c t 2 t1 t1 t1 Nếu ta có một lượng vật chất bất kỳ, ta tính: Q G.t G: khối lượng kg Vtc: thể tích ở điều kiện chuẩn m3tc M: số kmol t : t2 – t1 1. Hơi và các thông số trạng thái của hơi 1. Các thể (pha) của vật chất Hơi nước được sư dụng rộng rãi trong các ngành năng lượng cũng như trong nhiều ngành công nghiệp khác vì nó có rất nhiều tính ưu việtso với các chất khác. Trước hết nước có rất nhiều trong tự nhiên, rẻ tiền, không độc hại và không ăn mòn thiết bị, sau nữa hơi nước có đầy đủ mọi tính chất nhiệt động cần thiết đối với vai trò một chất môi giới trong các thiết bị nhiệt.
Phương pháp nghiên cứu và các kết luận rút ra sau đây không những sử dụng được cho hơi nước mà còn dùng được cho hơi các chất khác như: amoniac, thủy ngân… Hơi nước thường dùng ở trạng thái bảo hòa hay không xa trạng thái bảo hòa mấy, cho nên không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử cũng như thể tích bản thân các phân tử. Vì vậy không thể dùng phương trình trạng thái của khí lý tưởng để tính toán được. Hiện nay người ta sử dụng phương trình Vucalovich – Novikov làm cơ sở để tính toán hơi nước. a c (p )(v b) RT (1 3 2 m ) v2 2 vT 9 a,b,c,m là những hệ số không đổi xác định bằng thực nghiệm.
Nước có thể biến thành hơi nước nhờ sự bay hơi hay sôi, ta gọi chung là quá trình hóa hơi. Nếu quá trình hóa hơi chỉ xảy ra trên bề mặt chất lỏng ở nhiệt độ bất kì thì ta gọi đó là quá trình bay hơi… Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng. Nhiệt độ tăng, cường độ bay hơi tăng. Trong không gian vô hạn chất lỏng có thể bay hơi hoàn toàn.
Cung cấp nhiệt cho chất lỏng, nhiệt độ và cường độ bay hơi của chất lỏng tăng, đến nhiệt độ hoàn toàn xác định nào đó, tùy theo bản chất chất lỏng và áp suất trên chất lỏng thì hiện tượng tạo thành hơi nước không chỉ tiên hành trên bề mạt còn tiến hành trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Hiện tượng này gọi là sự sôi.