các khái niệm cơ bản về nhiệt động học

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1-

CHƢƠNG 1
C
C
A
A
Ù
Ù
C
C


K
K
H
H
A
A
Ù
Ù
I
I


N
N
I
I

E
E
Ä
Ä
M
M


C
C
Ơ
Ơ


B
B
A
A
Û
Û
N
N



1. KHÁI QT
Mục tiêu của nhiệt động lực học là nghiên cứu những qui luật về biến đổi
năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng thơng qua hệ nhiệt động.

Hệ nhiệt động gồm có ba yếu tố cơ bản: nguồn nóng, nguồn lạnh và chất

mơi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đó thì hệ thống sẽ khơng làm việc được.
Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt
động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn
lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng.
Chất mơi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng
lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất mơi giới
phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất mơi giới làm xuất hiện sự
thay đổi cơng và nhiệt lượng giữa chất mơi giới và mơi trường, hoặc ngược lại,
chính cơng và nhiệt lượng trao đổi giữa chất mơi giới và mơi trường làm cho trạng
thái của chất mơi giới bị thay đổi.
Ví dụ:

Nguồn nóng
Nguồn lạnh
Chất mơi giới
Động cơ đốt trong
Xylanh – píttơng
Khơng khí bên
ngồi
Sản phẩm cháy
Máy lạnh
Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị bay hơi
Mơi chất lạnh
(NH
3
, frêon)
Nhà máy nhiệt
điện
Lò hơi

Bình ngưng
Nước – hơi nước
Nhiệt
năng
Cơ
năng
Hệ
nhiệt
động
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2-

Có 4 loại hệ nhiệt động:


Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại:
1. Động cơ nhiệt: chất mơi giới sẽ nhận nhiệt Q
1
từ
nguồn nóng giãn nở sinh cơng W và nhả nhiệt Q
2
cho
nguồn lạnh. Q
1
= |Q
2
| + W
Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt:
1

2
1
21
1
1
Q
Q
Q
QQ
Q
W





2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất mơi giới nhận cơng W từ
Hệ nhiệt
động
Hệ kín: Không
trao đổi chất với
môi trường

Hệ hở: Có trao
đổi chất với môi
trường
Hệ đoạn nhiệt:
Không trao đổi
nhiệt giữa chất
môi giới và môi

trường
Hệ cô lập: chất môi
giới và môi trường
không có bất kỳ sự
trao đổi năng lượng
nào
Nguồ
n lạnh
Nguồn
nóng
Chất
môi giới
Hệ
nhiệt
động
NGUỒN NÓNG
NGUỒN LẠNH
ĐỘNG CƠ NHIỆT
Q
1
Q
2
W
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3-
bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q
2
đến nguồn nóng Q
1

.
|Q
1
| = Q
2
+ |W|
Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta
dùng:
- Hệ số làm lạnh


21
22
QQ
Q
W
Q



- Hệ số làm nóng


21
11
QQ
Q
W
Q




2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới
Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối
lượng riêng), nội năng, entanpi và entrôpi.
Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ
bản (vì đo được). Nội năng, entanpi và entrôpi gọi là thông số dẫn suất.
2.1. NHIỆT ĐỘ T
Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật,
dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế.
Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius và
Kelvin, theo hệ English có thang nhiệt độ Fahrenheit và Rankine. Trong đó
Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối.
NGUỒN NÓNG
NGUỒN LẠNH
MÁY LẠNH,
BƠM NHIỆT
Q
1
Q
2
W
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4-

- Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, trên cơ
sở ở áp suất tiêu chuẩn p = 1,013bar nước đá đang tan ở 0
o

C và nước
sôi ở 100
o
C, trong khoảng này chia thành 100 vạch và mổi vạch là
1
o
C
- Thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin chọn nước đá đang ta là 273K và
nước sôi là 373K, độ chênh giữa
o
C và K được chọn bằng nhau.
- Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine lấy điểm không trùng với thang
nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Độ chênh nhiệt độ giữa điểm sôi và điểm
đông đặc là 180 đơn vò.
- Thang nhiệt độ Fahrenheit: ở áp suất tiêu chuẩn chọn nước đá đang
tan là 32
o
F và nước sôi là 212
o
F.
Lưu ý: chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái.
Thang nhiệt độ
Hệ SI
Hệ English
Fahrenheit (
o
F)

Rankine (R)
Nhiệt độ

tuyệt đối
Celcius (
o
C)
Kelvin (K)
Nhiệt độ
tuyệt đối
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5-
-273
373
32
212
0
-459,67
491,67
671,67
o
C K
o
F
o
R
0
100
273
0

Quan hệ giữa các thang đo;

t(
o
C) = T(K) - 273
T(R) = 1,8T(K)
t(
o
F) = T(R) – 459,67
t(
o
C) =
)Ft(
o
32
9
5



)K(T)C(t
o



)R(T)F(t
o


2.2. ÁP SUẤT
p suất là lực tác động lên một đơn vò diện tích bề mặt theo phương
pháp tuyến với bề mặt đó.

Có 4 loại áp suất:
- p suất khí quyển p
a

- p suất dư p
d

- p suất chân không p
ck

Điểm nước sôi
Điểm nước đông đặc
Điểm không tuyệt đối
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6-
- p suất tuyệt đối p
tđ

p
a
p
a
p
d
p
tđ
p
a
p

d
p
tđ
p
tđ
=0


Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta
có khái niệm áp suất dư p
d
= p
tđ
- p
a

Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta
có khái niệm áp suất chân không p
ck
= p
a
- p
tđ

Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái.
2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯNG RIÊNG
Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vò khối lượng
Gọi V là thể tích, G là khối lượng thì thể tích riêng được tính:

G

V
v 

Khối lượng riêng
V
G
v

1

3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG
Khí lý tưởng là khí có:
- Thể tích bản thân các phân tử bằng không.
- Lực tương tác giữa các phân tử bằng không.
Trong thực tế không có một chất khí nào có đầy đủ các tính chất của khí
lý tưởng. Khái niệm khí lý tưởng để giải quyết các bài toán nhiệt động có liên
Chân không tuyệt đối
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7-
quan đến các chất môi giới có tính chất gần giống khí lý tưởng. Ở trạng thái
thường gặp có thể xen oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước trong không khí
ẩm, … là khí lý tưởng.
Phương trình trạng thái khí lý tưởng:
pV = GRT hay pv = RT
Trong đó:
p- áp suất tuyệt đối của chất khí, N/m
2
(=Pa)
V- thể tích của khối chất khí, m

3

G- khối lượng của khối chất khí, kg
R- hằng số chất khí.
,R


8314
J/kg.K


phân tử lượng của chất khí, kg/kmol
T- nhiệt độ tuyệt đối, K
v- thể tích riêng, m
3
/kg
4. HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG
Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không
xảy ra phản ứng hóa học. Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng.
4.1. ĐỊNH LUẬT GIBBS- DALTON
p, V, T
x
x
x
V, T
V, T
p
A
p
B

x
x
x

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8-
Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện
nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng
các phân áp suất của các thành phần



n
i
i
pp
1

p- áp suất hỗn hợp
p
i
- phân áp suất (áp suất riêng phần) cùa thành phần thứ i
4.2. ĐỊNH LUẬT AMAGAT
p, V, T
x
x
x
p, T
p, T

V
A
V
B
x
x
x

Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành
phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp.




n
i
i
VV
1

V- thể tích hỗn hợp
V
i
- thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i
4.3. THÀNH PHẦN HỖN HP
a) Thành phần khối lượng


i
ii

i
G
G
G
G
g


1
i
g

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9-
G- khối lượng hỗn hợp
G
i
- khối lượng thành phần thứ i
g
i
- thành phần khối lượng
b) Thành phần thể tích


i
ii
i
V
V

V
V
r


1
i
r

V- thể tích hỗn hợp
V
i
- thể tích riêng phần
g
i
- thành phần thể tích
4.4. PHÂN TỬ LƯNG VÀØ HẰNG SỐ CHẤT KHÍ CỦA HỖN HP
- Phân tử lượng của hổn hợp:








n
i
ii
n

i
i
i
hh
r
g
1
1
1

- Hằng số chất khí
hh
R


8314

4.5. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG
Là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vò (khối lượng, thể tích,
kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó.
Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là:
+ Nhiệt dung riêng đẳng áp



n
i
piip
cgc
1

[kJ/kg.K]
+ Nhiệt dung riêng đẳng tích



n
i
viiv
cgc
1
[kJ/kg.K]
Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -10-
v = const
m = 1kg
c
v
= 3,12kJ/kg.K
3,12kJ
p = const
m = 1kg
c
p
= 5,2kJ/kg.K
5,2kJ
(1)
(2)
Minh họa nhiệt dung riêng đẳng tích
và đẳng áp của hêli

Nhiệt dung riêng của các khí lý tưởng
Khí lý tưởng
kcal/kmol.K
kJ/kmol.K
k
c
v

c
p

c
v

c
p

Khí 1 nguyên tử
(Khí trơ: Ar, Xe, He, …)
3
5
12,6
20,9
1,66
Khí 2 nguyên tử
(Không khí, O
2
, N
2

, CO, H
2
, …)
5
7
20,9
29,3
1,4
Khí 3 nguyên tử trở lên
(CO
2
, C
m
H
n
, …)
7
9
29,3
37
1,3
VD: Khí CO
2

Nhiệt dung riêng đẳng tích:
kg/kJ
,
kg/kcal
c
c

p
p
44
329
44
7





Nhiệt dung riêng đẳng áp:
kg/kJkg/kcal
c
c
v
v
44
37
44
9








KT 1

KT 1

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -11-
TOÀN CẢNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
NHIỆT
NĂNG
CƠ
NĂNG
ĐỘNG CƠ NHIỆT
MÁY LẠNH,
BƠM NHIỆT
ĐC ĐỐT TRONG
TB ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC
TUABIN KHÍ
CHẤT THUẦN KHIẾT
KHÍ LÝ TƯỞNG
LƯU ĐỘNG
QUÁ TRÌNH NÉN
KHÍ VÀ HƠI
CHẤT THUẦN KHIẾT
KHÔNG KHÍ ẨM
TIẾT LƯU
MÁY NHIỆT
::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::
::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::
::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::
::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::