Phần 1 nhiệt động học kỹ thuật

NHIỆT KỸ THUẬT

Phần 1
Nhiệt động học kỹ thuật


KS. Ngô Phi Mạnh
Giảng viên khoa CN Nhiệt – Điện lạnh
PN: 0905.560.171
Email:


Giáo trình Nhiệt Kỹ Thuật – NXB Giáo dục
Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Bốn; PGS.TS. Hoàng Ngọc
Đồng
 Giáo trình cơ sở kỹ thuật nhiệt


Tác giả: Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú
 Bài tập cơ sở kỹ thuật nhiệt
Tác giả: Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú


PHẦN I : NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng liên quan đến nhiệt năng
nhằm tìm ra những qui luật biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ
năng.
PHẦN II : TRUYỀN NHIỆT
Nghiên cứu các qui luật phân bố nhiệt độ và trao đổi nhiệt giữa các vật có
nhiệt độ khác nhau.

Nhiệt kỹ
thuật
Phần I
Nhiệt động
học
(14 giờ)

Phần II
Truyền nhiệt
( 16 giờ )


Hình thức đánh giá

Chuyên cần

Kiểm tra giữa kỳ

Thi cuối kỳ

Điểm danh
danh,,
chuẩn bị bài
và giải BT

20%

30%

50%

30 câu trắc
nghiệm
Phần I
30 câu trắc
nghiệm
Phần I, II


CHƯƠNG 1:

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
◦ Đối tượng:
 NC các qui luật biến đổi NL (Nhiệt-công) ➠ tối ưu
Nhà máy nhiệt điện, động cơ đốt trong,…

 = max
Nhiệt

Đối tượng
nghiên cứu

Công

 =  max
Máy lạnh

 Phương pháp nghiên cứu:
Lý thuyết, thực nghiệm và kết hợp.


1.1.2. Hệ nhiệt động
a. Môi chất: Chất trung gian để thực hiện quá trình biến
đổi Công ⇒ Nhiệt hoặc ngược lại
b. Định nghĩa Hệ nhiệt động (HNĐ):
Tập hợp các vật thể hay không gian có liên hệ với
nhau về cơ nhiệt => HNĐ.
c. Phân loại HNĐ:
+ Hệ cô lập
+ Hệ đoạn nhiệt
+ Hệ kín
+ Hệ hở


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.3. Trạng thái và thông số trạng thái của 1 HNĐ
1. Trạng thái:




Tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của 1 HNĐ tại

một thời điểm t nào đó.
Các thông số trạng thái cơ bản: p, t, v
Các hàm trạng thái: u, i, s.

2. Các thông số trạng thái cơ bản
a. Áp suất tuyệt đối:
Áp suất
tuyệt đối
p

Lực mà môi chất ( chất khí hay chất lỏng )
F vuông góc lên một đơn vị diện tích
tác dụng
tiếp xúc.
S
Đơn vị: Pa ( Pascal); N/m2


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Áp suất
khí quyển
Kí hiệu:pk
pk =
760mmHg
( áp suất khí
quyển chuẩn)
Thay đổi theo
độ cao, điều
kiện thời tiết

Dụng cụ đo:
Baromet

Áp suất dư

Nếu p> pk:
pd = p-pk
Trong thực
tế các thiết bị
đo áp suất
đều thể hiện
áp suất này

Áp suất
chân không

Nếu p< pk:
pck = pk – p
Dụng cụ đo:
Chân không
kế

Những đơn vị đo áp suất
thông dụng
1 bar = 105 Pa = 105 N/m2
1 atm =101,325 kPa =1,01325 bar
1 at = 9,807.104 Pa = 0,9807 bar
760mmHg = 1 atm = 101,325 kPa
= 10,3 mH2O

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
b. Nhiệt độ tuyệt đối (T)
- Nhiệt độ T = f(tốc độ chuyển động tịnh tiến  của các phân tử và
nguyên tử).
m. 2
T
3.k
Trong đó : T - Nhiệt độ tuyệt đối của vật, oK
m - Khối lượng phân tử, kg
 - Vtốc ch.động tịnh tiến trung bình của p.tử
k - Hằng số Bônzman, k = 1,3805.10-23, J/oK
-

Thang đo nhiệt độ:
+ Bách phân: t [0C]
+ Kenvin: T [0K]
+ Thang nhiệt độ Farenheit: tF[0 F]

 Mối liên hệ:


T = t + 273,15
tF = 1,8.t +32


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
c. Thể tích riêng và khối lượng riêng
- Thể tích riêng: là thể tích của 1kg khối lượng vật chất
V

v = G , [m3/kg]

Trong đó:

G - khối lượng vật, [kg]
V - thể tích vật, [m3]
- Khối lượng riêng: là đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng

1 G
 =v  V ,

[kg/m3]

Chú ý:
Thông thường  = f(p, T), nhưng với chất lỏng, rắn (không chịu nén), thì sự thay
đổi khối lượng riêng (thể tích riêng) theo áp suất và nhiệt độ là rất nhỏ và có thể bỏ
qua
Ví dụ:
Nước 200C có khối lượng riêng 998 kg/m3 ở 1 atm và 1003 kg/m3 ở 100 atm, như
vậy sự thay đổi khối lượng riêng chỉ 0,5%.
Ở áp suất 1 atm, khối lượng riêng của nước thay đổi từ 998 kg/m3 ở 200C đến 975
kg/m3 ở 750C, thay đổi 2,3% - trong kỹ thuật thì sai số này chấp nhận được.


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
d. Nội năng
- ĐN: Toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật (nội nhiệt
năng, nội hóa năng, năng lượng nguyên tử…).

- Trong nhiệt động:

Nội năng = Nội nhiệt năng = Nội động năng + Nội thế năng
U = Ud + Ut = f(T, v)

• Đối với khí lí tưởng: Ut = 0 => U = Ud = f (T)
du = Cv.dT
Trong đó:

=>

Δu = Cv(T2 – T1)

Cv – Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
e. Entanpi, i
- ĐN:
i = u + pv
- Đối với KLT:
di = d(u+pv)
di = du + d(pv) = CvdT + RdT

=>
Trong đó:

Cp – Nhiệt dung riêng đẳng áp

di = Cp.dT

f. Entropi, s

- ĐN:

=>

Δi = Cp(T2 – T1)

ds = q/T


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.4. Quá trình và chu trình nhiệt động
1. Quá trình nhiệt động:
- ĐN: Là sự thay đổi liên tục của một hay nhiều thông số trạng thái
từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối.
- Phân loại:
+ Quá trình cân bằng
+ Quá trình không cân bằng
+ Quá trình thuận nghịch

2. Chu trình nhiệt động
- Là một quá trình có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.5. Nhiệt và Công
1. Nhiệt, q [kJ/kg]:

- ĐN: Quá trình truyền nội năng giữa 2 vật có nhiệt độ khác nhau
- Kí hiệu:
Q (J) và q (J/kg)
- Qui ước:
q > 0 ➠ Nhận nhiệt

q < 0 ➠ Nhả nhiệt


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.5. Nhiệt và Công
2. Công, l [kJ/kg]

- ĐN: Đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi NL giữa MC và môi
trường khi có chuyển động.
 Kí hiệu:
L (J) và l (J/kg)
 Qui ước:
l > 0 ➠ Vật sinh công
l < 0 ➠ Vật nhận công


1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


1.1.5. Nhiệt và Công
3. Các loại công,

a. Công giãn nở:
 l  pdv
v2

l

 pdv

 S (12 v 2 v11)

v1

b. Công kỹ thuật:
lkt  vdp
p2

lkt    vdp  S (12 p2 p11)
p1


1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT
1. Khí lý tưởng (KLT) và khí thực
- ĐN: khí có thể tích bản thân các phân tử bé và lực tương tác giữa
các phân tử = 0. Ngược lại, là khí thực.
- Ở điều kiện bình thường có thể xem các khí H2, O2, N2… là KLT

2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng (Claperon)
a. Viết cho 1kmol khí
◦

p.Vμ = Rμ.T
Trong đó:

p - Áp suất tuyệt đối của môi chất, [N/m2]
T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0k]

Vμ -

Thể tích của 1 kmol khí ở ĐKTC, [m3/kmol]
Rμ = 8314 J/kmol độ - Hằng số phổ biến với mọi chất khí


1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KLT
b. Viết cho 1kg khí
◦
p.v = R.T
Trong đó:

T - Nhiệt độ tuyệt đối, [0K]
v - Thể tích riêng của chất khí, [m3/kg]
R=

8314

- Hằng số của chất khí, [J/kg.độ]


μ – khối lượng phân tử của chất khi [kmol]
c. Viết cho G kg khí, thể tích V m3
◦

p.V = G.R.T


1.3. Nhiệt dung riêng của chất khí
1. Nhiệt dung riêng
a. Định nghĩa: là nhiệt lượng cần để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị
đo lường vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó
t2
C = f(bản chất, T, p)
q

C

b. Phân loại:

 Theo đơn vị đo:

dt

 q   C.dt
t2

Q
C
 Nhiệt dung riêng khối lượng
G.dt

Q
 Nhiệt dung riêng thể tích:
C'

V .dt
 Nhiệt dung riêng mol: C  Q


 Theo quá trình:

G, V, M là khối lượng
[kg], thể tích tiêu
chuẩn[m3], khối
lượng mol[kmol]

M .dt

 NDR Khối lượng đẳng áp Cp, [J/kg.độ]
 NDR Khối lượng đẳng tích Cv, [J/kg.độ]

 Theo nhiệt độ:
 NDR thực : là NDR tại một nhiệt độ nào đó.
 NDR trung bình : là NDR trong một khoảng nhiệt độ nào đó.


1.3. Nhiệt dung riêng của chất khí
2. Quan hệ giữa Cp, Cv và cách tính
a. Quan hệ giữa Cp và Cv:
Đối với khí lý tưởng ta có:

Cp – Cv = R
Cp/Cv = k

(*)

(**)

Cv 

R
k 1

Cp  k 

R
k 1

b. Cách tính Cv và Cp:



Cách 1: tính theo công thức trên
Cách 2: Theo bảng sau:

Cv 
Cp 

Cv


Cp



BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. The basic barometer can be used to measure the height of a building. If the
barometric readings at the top and at the bottom of a building are 730 and 755
mmHg, respectively, determine the height of the building. Assume an average
air density of 1.18 kg/m 3
2. Intravenous infusions are usually driven by gravity by hanging the fluid bottle at sufficient
height to counteract the blood pressure in the vein and to force the fluid into the body. The
higher the bottle is raised, the higher the flow rate of the fluid will be. (a) If it is observed that
the fluid and the blood pressures balance each other when the bottle is 1.2 m above the arm
level, determine the gage pressure of the blood. (b) If the gage pressure of the fluid at the arm
level needs to be 20 kPa for sufficient flow rate, determine how high the bottle must be placed.
Take the density of the fluid to be 1020 kg/m3
.


Năng lượng nguyên tử nuclear power
When a uranium-235 atom absorbs a neutron and splits during a fission process, it
produces a cesium-140 atom, a rubidium-93 atom, 3 neutrons, and 3,2 .10 11J of energy.
In practical terms, the complete fission of 1 kg of uranium-235 releases 6,73 .1010 kJ
of heat, which is more than the heat released when 3000 tons of coal are burned.
EXAMPLE 2–1 A Car Powered by Nuclear Fuel
An average car consumes about 5 L of gasoline a day, and the capacity of the
fuel tank of a car is about 50 L. Therefore, a car needs to be refueled once
every 10 days. Also, the density of gasoline ranges from 0.68 to 0.78 kg/L choose 0.75
kg/L, and
its lower heating value is about 44,000 kJ/kg (that is, 44,000 kJ of heat is re
leased when 1 kg of gasoline is completely burned). Suppose all the problems
associated with the radioactivity and waste disposal of nuclear fuels are re
solved, and a car is to be powered by U-235. If a new car comes equipped with
0.1-kg of the nuclear fuel U-235, determine if this car will ever need refueling

under average driving conditions
Solution:
1) Calculate the mass flow a day
2) Amount of heat energy consume a day [kJ/day]
3) Amount of heat energy release from 0,1 kg U-235[kJ]
4) Proportion between 3/2 [day refuel]