CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
MÔN HỌC:
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
CBGD: PHAN THÀNH NHÂN
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
•Tênmônhọc: Nhiệt động lựchọckỹ thuật
• Mã môn học: 210014
•Số tiết:42 tiết
•Số tín chỉ: 2
•Hìnhthức đánh giá:
•Kiểmtragiữakỳ: 20%
•Kiểmtracuốikỳ: 80%
•Tàiliệu tham khảo:
•
Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lựchọckỹ thuật, NXB KHKT, 1997
• Hoàng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001
• Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động họckỹ thuậtvàtruyền nhiệt, NXB ĐHQG
TpHCM, 2002
• Yunus A. Cengel, Micheal A. Boles, Thermodynamic: An engineering approach,
International edition, 1994
Sơ lượcvề môn học
4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
NỘI DUNG MÔN HỌC
•Chương 1: Các khái niệmcơ bản và PTTT KLT
•Chương 2: Định luậtnhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bảncủakhílýtưởng
•Chương 3: Định luậtnhiệt động thứ hai
•Chương 4: Exergy (tham khảo)
•Chương 5: Chấtthuầnkhiết
•Chương 6: Không khí ẩm
•Chương 7: Chu trình thiếtbịđộng lựchơinước
•Chương 8: Chu trình thiếtbị lạnh
•Chương 9: Chu trình động cơđốttrong
•Chương 10: Quá trình nén khí và hơ
i
•Chương 11: Quá trình lưu động và tiếtlưu
•Chương 12: Chu trình turbine khí và động cơ phảnlực
5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
CHƯƠNG 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
1. Các vấn đề chung
2. Trạng thái và thông số trạng thái
3. Phương trình trạng thái củachất khí
6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nhiệt động lựchọc?
Quy luật biến đổi năng lượng
Nhiệt năng

Cơ năng
Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi
Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:
1. Các vấn đề chung
9 ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…
9 Thiết bị sử dụng hơi nước
9 Bơm, quạt, máy nén
9 Thiết bị sấy
9 Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…
9 Công nghệ tách khí, hóa lỏng
9 Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều…
7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Hệ nhiệt động:
Khoảng khơng gian chứa một lượng nhất định chất mơi giới đang khảo sát bằng
các biện pháp nhiệt động.
Hệ nhiệt động
(Chất môi giới)
q
1
q
2
Bề mặt ranh giới
l
Môi trường
xung quanh
Chất mơi giới?
Mặt ranh giới?
Mơi trường?

Chất mơi giới?
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Hoặc có thể tích trữ năng lượng
VD: Trong động cơ nhiệt: khơng khí
Trong động cơ hơi nước: hơi nước
Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng + khí
Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…)
8
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Hệ kín:
9 Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường
9 Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi
Ví dụ:
Máy lạnh
Bơm nhiệt…
9
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Hệ hở:
Hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng và khối lượng
Chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống
Ví dụ:
Động cơ đốt trong
Động cơ phản lực
Turbin khí…
10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Hệ cô lập:

Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào
Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường
Hệ đoạn nhiệt:
Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nguồn nhiệt ?
Nguồn nóng + nguồn lạnh ?
Máy nhiệt ?
Động cơ nhiệt,
Bơm nhiệt và máy làm lạnh
9 Động cơ nhiệt:
- Máy nhiệt dùng để sinh công
-Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ
nguồn nóng đến nguồn lạnh
Ví dụ:
Động cơ đốt trong
Động cơ phản lực
Thiết bị động lực hơi nước
Các loại turbine…
12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
-Q
1
: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T
1
-Q
2

: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T
2
- W: công sinh ra
WQQ
21
+=
Hiệu suất ĐCN
1
2
1
21
1
Q
Q
1
Q
QQ
Q
W
−=
−
==η
1
2
q
q
1−=η
Trên 1 đơn vị khối lượng
13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
9 Bơm nhiệt và máy làm lạnh
-Nhận công từ bên ngoài
-Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược
từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng
-Q
1
: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T
1
-Q
2
: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T
2
- W: công sinh nhận
12
QWQ =+
14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
- Bơm nhiệt
21
1
qq
q
−
=ϕ
Hệ số làm nóng:
21
1
1

QQ
Q
W
Q
−
==ϕ
15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
- Máy làm lạnh
21
2
qq
q
−
=ε
Hệ số làm lạnh:
21
22
QQ
Q
W
Q
−
==ε
16
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Chất môi giới
Pha và chất thuần khiết

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi.
Khí lý tưởng
Thể tích bản thân các phân tử bằng không
Lực tương tác giữa các phân tử bằng không
Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng
Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần
hóa học.
Rắn, lỏng, hơi (hay khí)
Chất thuần khiết: là chấ
t có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học.
Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau.
17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
2. Trạng thái và thông số trạng thái
9 Trạng thái
9 Trạng thái cân bằng
-Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý của CMG tại một
thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động
- Giá trị 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
Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân bằng này
đến trạng thái cân bằng khác
18
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
9 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch
9 Quá trình
19

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
9 Thông số trạng thái?
- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG
-Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông
số trạng thái độc lập
Thông số trạng thái cơ bản:
-Nhiệt độ: t (
o
C)
-Áp suất: p (N/m
2
)
-Thể tích riêng: v (m
3
/kg)
Æ Xác định trực tiếp bằng cách đo đạc
Một số thông số trạng thái khác:
-Nội năng: u (kJ/kg)
- Enthalpy: i (kJ/kg)
- Entropy: s (kJ/kg.K)
Æ Xác định thông qua thông số trạng thái cơ bản (
Æ
hàm trạng thái)
20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
¾ Nhiệt độ là gì?
-Biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật
-Làyếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt

Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng trung bình của
vơ số phân tử chuyển động tịnh tiến
k = 1,3865.10-23 J/độK, hằng số Boltzmann,
T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát
M : khối lượng của một phân tử
ω : căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ của các phân tử
2
M
2
1
T.k
2
3
ω=
21
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
- Định luật nhiệt động thứ không:
Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì nhiệt độ
của 2 vật đóbằng nhau.
t
1
= t
3
t
2
= t
3
t
1

= t
2
- Các thang đo nhiệt độ:
Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)
Thang nhiệt độ Fahrenheit _
o
F
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine
o
R
(
)
15,273CtKT
+
°
=
67,459RTFt
−
°
=
°
8,1
32F
Ct
−
°
=°
)K(T.8,1)R(T
=

°
22
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ
°C
Nhiệt độ điểm 3 thể
273.16
Mức không của thang
nhiệt độ tuyệt đối
Điểm đóng băng của nước
0.00
Kelvin
Celcius
273.15
Điểm sôi của nước
373.15
°K
491.69
0.01
32.02
-459.67
-273.15
0.00
Rankine
0.00
491.67
Fahrenheit
32.0
671.67

100.0
°R
212
°F
23
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
¾ Áp suấtlàgì?
Lựctácđộng lên một đơnvị diệntíchbề mặtranhgiớitheophương pháp tuyếnvớivề mặt đó
1 Pa = 1 N/m
2
. (Kpa, Mpa)
1 bar = 10
5
N/m
2
.
1 at = 0,981.10
5
N/m
2
= 1 kgf/cm
2
= 10 mH
2
O = 735,5 mmHg.
1 mmH
2
O = 9,81N/m
2

.
1 mmHg = 133,32 N/m
2
.
1 psi = 6895 N/m
2
.
Đơnvịđoápsuất
A
F
P
n
AA
δ
δ
δδ
'
lim
→
=
24
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Các loạiápsuất:
¾
p suất khí quyển
: áp suất của cột không khí đè trên mặt đất. Được đo
bằng Barometer
p
kq

= p
kt
= 1 bar
¾
p suất dư (pd)
: khi áp suất của môi trường khảo sát có trò số lớn hơn
áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất của môi trường đó với áp suất
khí quyển là áp suất dư. Đo bằng Manometer
¾
psuấtchânkhông(pck)
: là độ chênh áp suất khi áp suất môi trường
khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển. Đo bằng Vacummeter
¾
p suất tuyệt đối (p)
p = p
kq
+ p
d
p = p
kq
-p
ck
25
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Áp suất tuyệt đối
Chân không tuyệt đối
Áp suất môi trường khảo sát
nhỏ hơn áp suất khí quyển
Áp suất tuyệt đối

Áp suất khí quyển
Áp suất môi trường khảo sát
lớn hơn áp suất khí quyển
Độ chân không
Áp suất dư
Mối quan hệ giữacácloạiápsuất