Nhiệt Động Kỹ Thuật Hóa học MÁY hơi nước

MỞ ĐẦU
Nhiệt động học cổ điển đã vươn lên với tư cách là khoa học của các động cơ nhiệt hay
khoa học về nhiệt động năng. Sự nghiên cứu vi mô, trung mô và vĩ mô về các hệ đã cho
chúng ta thấy được các ứng dụng của nhiệt động học trong đời sống hằng ngày. Trong bài
tiểu luận này tôi tìm hiểu về Máy hơi nước, một trong những phát mĩnh vĩ đại nhất của
thế kỷ 18 và nó đánh dấu một mốc quan trọng trong sự tiến bộ của khoa học và là đòn
bẩy cho những động cơ và máy nhiệt khác ra đời.

1


MÁY HƠI NƯỚC
1. Mô tả nguyên lý hoạt động
Chúng ta xét máy hơi nước đơn giản , thí dụ máy hơi nước của WATT chế tạo năm
1769. nước chảy theo một mạch kín giữa nồi hơi, một xylanh, một bộ ngưng tụ và một
cái bơm ( hình 1)
Chúng ta có thể mô tả hoạt động của máy, một cách lý tưởng hóa. Trong nồi hơi,
nước lỏng cân bằng với hơi. Như vậy, nhiệt độ T 2 liên hệ với áp suất P2, chính nhiệt độ đó
được quy định bởi xupap thoát

∑1 . Ở mỗi chu kỳ của xylanh, một khối lượng hơi nước

m0, ở điều kiện (P2, T2) đi qua xupap
giá trị V0 thì tổng

∑1

để vào xylanh. Thể tích của xylanh đạt được

∑1 đóng lại. Chất lưu dẫn theo cách đẳng entropi cho đến khi thể tích

xylanh đạt cực đại V1P: áp suất lúc đó là P1 và hơi bị ngưng tụ một phần. Gọi x là hàm
lượng hơi nước có trong xylanh ở cuối quá trình dãn. Pittông trở lại trạng thái ban đầu
( thể tích xylanh gần như bằng không) bằng cách đẩy hơi nước đến buồng ngưng thông
qua xupap

∑ 2 . Hơi nước sẽ bị ngưng tụ ở lại áp suất không đổi P 1 và chảy ra khỏi bình

ngưng ở trạng thái lỏng với nhiệt độ là T1 .
Máy bơm nâng áp suất nước lỏng từ P 1 đến P2 , và nước được phun vào nồi hơi ( nén
đoạn nhiệt gần như đẳng tích).
Xylanh thực hiện N chu kỳ trong một đơn vị thời gian. Chuyển động qua lại của
pittông kéo theo một hệ cơ, nhờ đó cung cấp công suất. Máy này nhận năng lượng dưới
dạng nhiệt và sinh ra công cơ học.

2


Hình 1: Sơ đồ máy hơi nước WATT
2. Các giản đồ Watt của xylanh và bơm
P là áp suất của hơi trong xylanh và V là thể tích của xylanh, vẽ giản đồ P(V) của
xylanh (hình 2) ( điều này bao hàm áp suất P là đồng nhất).

Hình 2: Giản đồ của xylanh
Ta sơ đồ hóa cái bơm thành một cái bình có thể tích cực đại là V’
Ở mỗi chu kỳ, nước lỏng không nén được, được nhận vào ở áp suất P 1, sau đó đưa lên
áp suất P2. Việc chuyển từ P1 sang P2 được tiến hành hầu như không thay đổi thể tích vì
V1(H2O)<< V’. Giản đồ Watt của bơm được vẽ ở hình 3.

3

Hình 3: Giản đồ Watt của bơm
3. Giản đồ CLAPEYRON
Chúng ta có thể biểu diễn biến thiên của một đơn vị khối lượng chất lưu trên giản đồ
CLAPEYRON P(v), ở đây P là áp suất chất lỏng và V là thể tích riêng (hình 4). Chu
trình được phân ra như sau:
-

AB: nén chất lỏng trong bơm;

-

BC: làm nóng chất lỏng trong nồi hơi;

-

CD: bay hơi;

-

DE: dãn trong xylanh;

-

EA: hóa lỏng.

Hình 4: Giản đồ CLAPEYRON của chất lưu. Các trạng
thái B và C gần như trùng nhau ở giản đồ

4

Các điểm B và C trùng nhau trên giản đồ: các đường đẳng nhiệt T 1 và T2 của chất
lỏng chồng lên nhau .Chú ý rằng những phần khác nhau của giản đồ CLAPEYRON
không cần tương ứng với các giản đồ Watt: khi nạp vào pittông, chất lỏng vẫn ở trạng
thái D và khi nó được đưa vào buồng ngưng, nó vẫn ở trạng thái E. Trong một máy cần
phân biệt rõ các bộ phận và chất lưu chạy trong đó.
Mỗi phần tử của chất lưu vẽ một chu trình ABCDEA. Nhưng một chu trình của máy
thông thường tương ứng với một chu trình của chất lưu. Nếu lượng nước trong nồi hơi
nhiều thì chu trình chất lưu dài hơn.
4. Cân bằng entanpi
Chúng ta có thể xác định công hay nhiệt trao đổi xuất phát từ cân bằng entanpi. Bởi vì
chúng ta luôn bỏ qua các biến của thế năng và động năng, cân bằng được rút lại là:
∆h = Wm + q

Trong khi qua xylanh, chất lỏng đi từ trạng thái D ( T2, P2, x=1) sang trạng thái E (T1,
P1, x). Có thể xác định entanpi riêng cho hai trạng thái này.
Quá trình dãn là nhanh, chúng ta giả thiết là đoạn nhiệt:
W m = hE - h D
Trong một chu trình, khối lượng m0 đi qua xylanh và:
Wcyl= m0(hE- hD)
Xylanh thực hiện N chu trình trong một đơn vị thời gian. Công suất cơ học máy nhận
được từ xylanh là:
Pcyl= Nm0 (hE- hD)
Công suất này là âm.
Cũng vậy, về phía bơm công suất cơ học nhận được ở máy là
Pbơm= Nm0 (hB- hA)
Về phía nồi hơi, chất lỏng đi từ trạng thái B ( P 2, T1, x=0) sang trạng thái D (P2, T2,
x=1). Nó không trao đổi công hữu ích và cân bằng entanpi được quy về :
qnh = hD- hB

Chúng ta có thể biểu diễn sự trao đổi nhiệt này nhơ nhiệt dung riêng C của nước lỏng
và lh (T2) là entanpi riêng của sự bay hơi ở nhiệt độ T2:
5


qnh= c (T2-T1) + lh(T2)
Vậy nhiệt nhận được bởi chất lỏng trong nồi hơi ở mỗi chu trình là:
Qnh= m0 [ c (T2-T1) + lh(T2)

]

Và công suất nhiệt nhận được là:
Pnh= Nm0 [ c (T2-T1) + lh(T2)

]

Về phía buồng ngưng, máy nhường năng lượng dưới dạng truyền nhiệt cho một máy
làm lạnh (có thể đơn giản là khí quyển). Với cùng những ký hiệu, nhiệt trao đổi ở đây là
Qngưng= hA- hE = -xm0lh(T1) và Pngưng= Nxm0lh(T1)
5. Cân bằng năng lượng và hiệu suất
Bắt đầu một chu trình của xylanh, máy sẽ cùng ở một trạng thái theo nguyên lý thứ
nhất:
∆ u= 0 và ∆ u= W + Qnh+Qngưng

W và Qngưng là âm, Qnh là dương. Từ đó rút ra:
W< Qnh
Máy chỉ chuyển một phần năng lượng tiêu thụ ở nồi hơi thành công cung cấp cho cơ
cấu cơ học. Vì W là năng lượng “nhận được” và Q nh là năng lượng hao tổn, hiệu suất ρ
được xác định như sau:
ρ=

W
Qnh

=-

W Qnh + Qngung
=
Qnh
Qnh

Rõ ràng là ρ nhỏ hơn 1.
Chú ý : chúng ta có được cùng kết luận như trên khi cân bằng entapi ứng với một chu
trình chất lưu :
∆h = Wm+ qnh + qngưng= 0

6. Hiệu suất và nhiệt độ
Trong một bảng hàm nhiệt động
của nước (bảng bên) ta thấy :
-

PS : áp suất hơi bão hòa ;

6


-

V : thể tích riêng của hơi bão hòa ;

-

Lh : ẩn nhiệt bay hơi riêng ;

-

S(l) : entropi riêng của nước bão hòa;

-

S(l): entropi của hơi bão hòa.

Ta giả thiết rằng quá trình dãn là đủ nhanh để đoạn nhiệt và ma sát là không đáng kể.
Vậy đó là dãn đẳng entropi.
*) Trường hợp thứ nhất:
Nhiệt độ nồi hơi T2= 150oC và nhiệt độ buồng ngưng là 100oC. Hàm lượng x là:
S(h)T2= (1-x) S(l)(T1) + xS(h)(T1), vậy x= 0,91
Chúng ta từ đó có thể suy ra qngưng và qnh , và chúng ta tìm được hiệu suất ρ = 0,13 .
Ngay khi toàn bộ năng lượng thoát ra do đốt cháy được sử dugnj và nếu bỏ qua cả
năng lượng do ma sát, thì cũng chỉ có một phần nhỏ của năng lượng cung cấp cho nồi
hơi là được chuyển một cách có hiệu quả và thành công.
*) Tường hợp thứ 2:
Nếu nhiệt độ T2 được đưa đến 200oC , hiệu suất tăng lên:
x= 0,85 và ρ = 0,19
Nghiên cứu đầy đủ hơn cho thấy với cùng một giá trị T 1, hiệu suất là một hàm tăng
theo T2.

7

7. Một số ứng dụng đầu tiên của máy hơi nước

Máy kéo bằng động cơ hơi nước

Tàu hỏa chạy bằng động cơ hơi nước

Tàu thuyền chạy bằng động cơ hơi nước

8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Giáo trình nhiệt động học và động học ứng dụng – PGS. TS Phạm Tinh Dĩnh
và Lê Xuân Khuông

2.

Giáo trình hóa lý- tập 1 – Cơ sở nhiệt động lực học – Nguyễn Đình Huề

3.

Giáo trình nhiệt động học 1 và 2 – nhà xuất bản Giáo Dục

4.



9

KẾT LUẬN
Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu về động cơ hơi nước trong môn nhiệt động
học chúng ta có thể hiểu rộng và sâu hơn nữa về việc biến đổi năng lượng của một hệ,
định nghĩa năng lượng, trao đổi nhiệt, entropi và các nguyên lý của nhiệt động học. Từ
đó, dựa vào nhiệt động học có thể giải thích được những hiện tượng xung quanh cuộc
sống của chúng ta.

10