Bài giảng kỹ thuật nhiệt chương 4 energy analysis of closed system

3/26/2018

School of Mechanical Engineering
VIỆN CƠ KHÍ

Chapter 4: Energy Analysis of Closed
System
Bảo tồn năng lượng cho hệ kín
Định luật nhiệt động 1 cho hệ kín

-

CONTENTS







Cơng thay đổi thể tích (Moving boundary work) - Ứng
dụng cho các máy có chuyển động tịnh tiến
(reciprocating machines) như động cơ đốt trong, máy
nén khí;
Tính cơng giãn nở cho các q trình, chu trình, đồ thị
cơng;
Cân bằng năng lượng đối với hệ kín;
Nội năng, enthalpy, nhiệt dung riêng của khí lý tưởng (hệ
kín);
Nội năng, enthalpy, nhiệt dung riêng của chất lỏng, chất
rắn.

1


3/26/2018

Closed systems


Khơng có trao đổi mơi chất
với mơi trường;

Ví dụ: Piston-Cylinder trong các đ/cơ đốt trong:
- Giả thiết quá trình nạp khí sạch/thải khí cháy triệt tiêu
nhau về khối lượng:
mass(in) = air + fuel = mass(out) = exhaust gas.
- Quá trình cháy được thay bằng quá trình cấp nhiệt (Qin );
- Quá trình thải được thay bằng quá trình thải nhiệt (Qout ).

4.1. Cơng thay đổi thể tích


Piston-Cylinder:




Áp suất P;
Diện tích A;
Piston dịch chuyển ds.



Cơng tạo ra:



Nhận xét:


 = 
 = . .
 = .





Dấu phụ thuộc vào dV, dV dương (giãn nở) thì cơng
dương; dV âm (nén) thì cơng âm;
Phổ biến ở các thiết bị piston-cylinder (internal
combustion engines, displacement compressors, …)

2


3/26/2018

Cơng giãn nở - đồ thị cơng
Q trình giãn nở (expansion) 1-2;
 Công giãn nở:


 = 
→ 
=  



Nhận xét:






Cơng thay đổi thể tích chính là diện
tích phía dưới đường q trình trên
đồ thị P-V.
Đồ thì P-V được gọi là đồ thị cơng.

Work –function of path



Quá trình giãn nở từ state 1 – state
2, theo các đường A, B, C.
Nhận xét:


Diện tích phía dưới đường quá trình
phụ thuộc đường đi:

 

 >  
 >  








Cơng là hàm của q trình.
Cơng chỉ phát sinh khi hệ thống diễn ra
quá trình bằng cách trao đổi với mơi
trường qua biên hệ.
Khi V tăng, q trình giãn nở
(expansion), Cơng dương (sinh cơng);
Khi V giám, q trình nén
(compression), Công âm (tiêu thụ công).

3


3/26/2018

Work of cycle
Hệ kín thực hiện chu trình:
 =   
= 
  
= !

!  ! 
!




Nhận xét:


Các hệ ln hoạt động theo chu trình.
Cơng có ích theo chu trình


Vận dụng: Động cơ đốt trong,
- W sinh ra ở đâu (chi tiết nào)?
- W chu trình có được sử dụng có ích cả
khơng. Nếu khơng mất mát cho những gì?

Cơng q trình: Constant-Volume




Đẳng tích, V = const: ! = " 
= 0



Nhận xét:



Quá trình đẳng tích khơng sinh cơng.
Nhiệt cấp vào hay nhả ra chỉ làm thay đổi nội năng.

4


3/26/2018

Cơng q trình: Constant-Pressure


Áp suất khơng đổi: P2 = P1 = P0



Nhận xét: Nhiệt lượng cấp vào làm hệ giãn nở, sinh
cơng qua biên hệ.

Q trình đẳng nhiệt (Isothermal)
Nhiệt độ khơng đổi: T2 = T1 = T0
 Với khí lý tưởng:


(C = const)

5


3/26/2018

Cơng QT đa biến (Polytropic)
Là q trình có chỉ số nén đa biến (n) có thể thay đổi.
  = $ = %&'(.
 Cơng q trình:




Với KLT:

Q trình đa biến


Nhận xét:







Khi n = 1:  = $ →
Quá trình đẳng nhiệt.
Khi n = 0:  ) =
%&'( →  = %&'(
(Đẳng áp).
Khi n = k:  * =
%&'(, quá trình đoạn
nhiệt.

Khi n = ∞: q trình
đẳng tích.

6


3/26/2018

4.2. Cân bằng năng lượng hệ kín


Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:



3 dạng truyền năng lượng:






Dạng nhiệt (Heat);
Dạng cơng (Work);
Khi có trao đổi chất (Mass flow).

Với hệ kín: Khơng có trao đổi mass.

Hệ kín thực hiện chu trình
Hệ kín:

 Hệ kín thực hiện Cycle:





first state ≡ final state;
+đầ. = +.ố0 → ∆+  0.

Cân bằng năng lượng hệ kín:
20  2. 3 40  .5 =0
→ 2,0  ,.
 Nhận xét: Trong hệ kín làm việc
theo chu trình, công sinh ra bằng
lượng nhiệt thực nhận.


7