CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 HỆ THỐNG NHIỆT ĐỘNG 1. Hệ nhiệt động và môi trường ngoài Để việc nghiên cứu thuận tiện, thường phải tách đối tượng nghiên cứu ra khỏi các vật khác. Phần đối tượng được cô lập để xem xét, nghiên cứu về mặt nhiệt động, gọi là hệ nhiệt động (Hệ). Phần còn lại gọi là môi trường ngoài.
Hệ và môi trường ngăn cách bằng một mặt kín, gọi là ranh giới hay biên giới. Ranh giới có thể có thực như khi xét riêng quá trình biến đổi năng lượng của khối khi chứa trong buồng đốt động cơ đối trong (hình 1.1), khối khí xem xét là hệ nhiệt động, phần còn lại là môi trường. Ranh giới cũng có thể là tưởng tượng hay di động như trường hợp xét một đoạn không khí nào đó di chuyển trong đường ống (hình 1.1 Ranh giới có thật Hình 1.2 Ranh giới tưởng tượng Giữa hệ và môi trường có thể xảy ra tương tác lẫn nhau thông qua trao đổi năng lượng hay vật chất. Tùy nội dung tương tác, có thể phân loại hệ như sau: Hệ kín và hệ hở Gọi là hệ kín khi hệ chỉ trao đổi về mặt năng lượng (nhiệt và công) với môi trường.
Khi hoạt động, khối lượng môi chất trong hệ kín không đổi và môi chất không vượt qua mặt ranh giới giữa hệ và môi trường. Các loại máy làm lạnh, bơm nhiệt là những ví dụ điển hình của hệ kín vì mọi chất công tác không vào, hoặc ra khỏi hệ thống. Nếu hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng lẫn khối lượng, và có hệ hở. Ở hệ này môi chất có thể xuyên qua một ranh giới để vào hoặc ra khỏi hệ thống và khối lượng môi chấ có thể thay đổi.
Turbin hơi hoặc khí, động cơ đốt trong, máy nén khí ., là những ví dụ về hệ nhiệt động hở. Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt Điểm chung của hai hệ này là khối lượng môi chất trong hệ không đổi nhưng ở hệ cô lập không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào với môi trường, còn ở hệ đoạn nhiệt có thể có sự trao đổi công nhưng không có bất kỳ sự trao đổi nhiệt nào với môi trường. Tuy nhiên, với cùng đối tượng, tùy cách chọn một ranh giới hay tùy quan điểm khảo sát mà cùng một hệ có thể thuộc loại này hay loại kia. Ta xét hệ thống nhiệt động hở trên hình 1.1 (Động cơ đốt trong) nếu xét bề mặt ranh giới là tưởng tượng và nó cùng chuyển động với môi chất công tác, phần xem xét nói trên có thể được xem là hệ kín hoặc khi cần xét sự tương tác giữa một số vật thể nào đó, ta gộp chúng lại thành một hệ, các vật khác trở thành môi trường của hệ.
Môi chất công tác Trong hệ nhiệt động, năng lượng không thể biến đổi từ dụng này sang dạng khác một cách trực tiếp mà phải sử dụng các chất trung gian gọi là môi chất công tác hay môi chất. Vậy môi chất là những chất mà hệ dùng để truyền tải và chuyển hóa năng lượng (chủ yếu là nhiệt năng với các dạng năng lượng khác). Hoặc có thể hiểu: Môi chất là chất trong đó ta có thể tích trữ năng lượng, từ đó ta có thể lấy năng lượng. Ví dụ: sản phẩm cháy của nhiên liệu là môi chất công tác trong động cơ đốt trong hay turbin khí; hơi nước là môi chất công tác trong động cơ hơi nước; chất làm lạnh (fréon hay NH3…) là môi chất công tác trong máy lạnh… Về nguyên tắc, môi chất có thể sử dụng các chất rắn, lỏng và khí.
Tuy nhiên, phần lớn môi chất thường gặp ở thể khí hay các chất lỏng dễ hóa hơi. Thông dụng nhất là các môi chất ở thể khí vì dễ nén và dãn nở (thay đổi thể tích lớn) nên có khả năng trao đổi công lớn. Trong đó không khí và hơi nước là phổ biến vì có sẵn ở khắp nơi, giá thành rẻ và không độc.3 Nguồn nhiệt Khi hệ nhiệt động làm việc, trạng thái môi chất sẽ biến đổi để chuyển tải nhiệt lượng từ nguồn nhiệt này đến nguồn nhiệt khác, gọi là nguồn nóng và nguồn lạnh. Khái niệm nóng và lạnh của nguồn nhiệt chỉ có tính qui ước: Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động cơ nhiệt Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh - Trong cùng một hệ, nguồn nào nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng, thấp hơn là nguồn lạnh.
Ví dụ ở động cơ nhiệt (hình 1.3), sản phẩm cháy của nhiên liệu là nguồn nóng còn môi trường không khí xung quanh là nguồn lạnh. - Trong cùng một nguồn, đối với hệ này nó là nguồn nóng nhưng đối với hệ khác nó lại là nguồn lạnh. Ví dụ, đối với động cơ nhiệt, môi trường không khí xung quanh là nguồn lạnh nhưng đối với các loại máy lạnh thì nó lại là nguồn nóng (hình 1.4 Trạng thái - trạng thái cân bằng Trạng thái của hệ là sự tồn tại của hệ ở mỗi thời điểm xác định. Ở mỗi trang thái, hệ được xác định thông qua các đại lượng vật lý của môi chất, gọi là thông số trạng thái.
Khi hoạt động, các thông số trạng thái của hệ thay đổi và không hoàn toàn giống nhau tại mọi điểm trong hệ, việc nghiên cứu hệ qua nhiều trạng thái khác nhau khá phức tạp. Để giảm khó khăn, nhiệt động học đã đặt nền tảng dựa vào trạng thái cân bằng và chỉ khảo sát sự biến đổi trạng thái của chất môi giới từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác. Trong cơ học, khái niệm cân bằng của một vật được hiểu là tình trạng tồn tại của vật đó dưới tác động của các lực đối nghịch bằng nhau. Trong nhiệt động học, ngoài yêu cầu về cân bằng lực tác động, một hệ được xem là ở trạng thái cân bằng khi: - Giá trị của các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ - Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian.
Trạng thái cân bằng của hệ sẽ mất đi khi xảy ra sự tương tác giữa hệ và môi trường, tức có sự trao đổi về mặt năng lượng nào đó giữa hệ và môi trường. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Trong nhiệt động học, môi chất có khá nhiều thông số trạng thái, trong đó các thông số nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng gọi là các thông số trạng thái cơ bản vì chúng có thể xác định trực tiếp qua đo đạc. Các thông số khác như nội năng u, entropy s, entanpy I. không đo trực tiếp mà phải xác định thông qua các thông số trạng thái cơ bản, còn gọi là hàm trạng thái.
Một số thông số trạng thái cơ bản được định nghĩa như sau: 1.1 Thể tích riêng Là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất, ký hiệu v, xác định bằng biểu thức: V v = , m3 /kg (1.1) G Trong đó: V - Thể tích của hệ hay môi chất, m³ G - Khối lượng của môi chất, kg Đại lượng nghịch đảo của v gọi là khối lượng riêng (hay mật độ), là khối lượng của một đơn vị thể tích, ký hiệu 𝜌 G 1 = = , kg/m3 (1. Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh của của một vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ biểu thị giá trị động năng trung bình của các phân tử chuyển động tịnh tiến, thể hiện qua biểu thức: 3 1 kT = Mω2 (1.3) 2 2 Trong đó: T - nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát, K k - hằng số Boltzmann, J/độ; (k = 1,3805.10-23 J/độ) M - khối lượng của 1 phân tử chất khí, kg/kmol ω = căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ các phân tử, m/s Nhiệt độ có thể đo trực tiếp dựa vào cơ sở của định luật nhiệt động thứ không: “Nếu 2 vật (hệ) có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật (hệ) thứ 3, thì ta có t1 = t2 ” Như vậy, nếu chọn một vật có những tính chất thay đổi theo nhiệt độ làm chuẩn so sánh gọi là nhiệt biểu và cho nhiệt biểu này tiếp xúc và cân bằng nhiệt với các vật khác nhau, ta có thể so sánh được nhiệt độ của các vật đó. Nếu qui ước lấy một đại lượng đặc trưng nào đó của vật làm nhiệt biểu (ví dụ độ dài, thể tích, áp suất.) và ứng với mỗi giá trị của đại tượng đó ta gán cho một giá trị của nhiệt độ, thì ta có được một thang nhiệt độ còn gọi là nhiệt giai.
Ví dụ: nhiệt giai của nhiệt biểu thủy ngân, nhiệt giai của nhiệt biểu khí. Hiện tại, thường dùng phổ biến hai loại thang đo nhiệt độ sau: Nhiệt độ bách phân, còn gọi nhiệt độ Celcius, ký hiệu t, đơn vị °C. Được xác định dựa trên 2 điểm chuẩn: nhiệt độ nước đá đang tan ứng với 0°C và nhiệt độ nước đang sôi ứng với Hình 1.5 Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ 100°C, tất cả xảy ra ở áp suất tiêu chuẩn 1 atm. Trong thang nhiệt độ này nhiệt độ có thể âm, bằng 0 hoặc dương, nhiệt độ thấp nhất là -273 °C Nhiệt độ xác định theo nhiệt giai này được dùng phổ biến trong đời sống và trong kỹ thuật.
Nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin, ký hiệu T, đơn vị K. Được xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt động hai, thường được dùng trong khoa học, do sự đơn giản của các công thức.4) Cũng theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động năng của các phân tử. Vậy nhiệt độ thấp nhất của vật chất là nhiệt độ ứng với trạng thái vật chất mà ở đó các phân tử ngừng chuyển động. Nhiệt độ thấp nhất này gọi là không độ tuyệt đối 0 K.
Từ quan hệ (1.4), ta có: 0 K - 273 0C Rõ ràng, nhiệt độ tuyệt đối Kelvin không giá trị âm (lý do gọi là nhiệt độ tuyệt đối) Ngoài ra, nhiều nước như Anh, Mỹ, Úc … còn sử dụng thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine, ký hiệu º R và thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu ºF. Quan hệ giữa các nhiệt độ K, ºC, °R và ºF theo minh họa như hình (1.5), cho thấy: - Điểm không của nhiệt độ Rankine trùng với điểm không của nhiệt độ Kelvin. - Về giá trị, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nước sôi và nước đá đang tan của 2 nhiệt độ K và 0C là 100 đơn vị, còn của 2 nhiệt độ °R và 0F là 180 đơn vị. Chuyển đổi giữa các nhiệt độ trên, có thể sử dụng các công thức sau: t (0C) = T(K) – 273,15 (1.