Bài giảng Nhiệt động lực học và Truyền nhiệt Tiến sĩ Trần Văn Hưng ĐH Bách Khoa TPHCM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
&
TRUYỀN NHIỆT
TS. Trần Văn Hƣng
Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

1


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Sơ lƣợc về môn học
• Tên môn học: Nhiệt động lực học & Truyền nhiệt
• Mã môn học: ME2013
• Số tiết: 45 tiết (Lý thuyết +bài tập) + 15 tiết (Thí nghiệm)
• Số tín chỉ: 3

• Nội dung môn học:
 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc
nghiệm 1 và thi giữa kỳ.
 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:
o

Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn):

15%

o

Kiểm tra giữa kỳ:

20%

o

Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn):

10%,

o

Thí nghiệm:

15%

o

Thi cuối kỳ:

40%

2


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Sơ lƣợc về môn học

• Tên môn học: Nhiệt động lực học & Truyền nhiệt
• Mã môn học: ME2013
• Số tiết: 45 tiết (Lý thuyết +bài tập) + 15 tiết (Thí nghiệm)
• Số tín chỉ: 3

• Nội dung môn học:
 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc
nghiệm 1 và thi giữa kỳ.
 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:
o

Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn):

15%

o

Kiểm tra giữa kỳ:

20%

o

Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn):

10%,

o

Thí nghiệm:

15%

o

Thi cuối kỳ:

40%

3


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

PHẦN 1
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
KỸ THUẬT
Thời gian: Từ tuần 1 đến tuần 9 bao gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 1
và thi giữa kỳ.
Tài liệu tham khảo:
1. Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB
KHKT, 1997
2. Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền
nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002
3. Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt,
NXB Đại học kỹ thuật TpHCM, 2001.
4. Yunus A. Cengel, Micheal A. Boles- Thermodynamic: an engineering
approach, International edition- 1994

4


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

NỘI DUNG PHẦN 1: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT
• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai

• Chương 4: Chất thuần khiết
• Chương 5: Chu trình thiết bị động lực hơi nước
• Chương 6: Không khí ẩm
• Chương 7: Chu trình thiết bị lạnh

• Chương 8: Quá trình lưu động và tiết lưu (tham khảo)
• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong (tham khảo)

5


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

CHƢƠNG 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (BASIC CONCEPTS),
PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG
(THE IDEAL-GAS EQUATION OF STATE)

1. Các vấn đề chung

2. Trạng thái và thông số trạng thái
3. Phương trình trạng thái của chất khí
6


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

1. Các vấn đề chung
Quy luật biến đổi năng lượng
Nhiệt năng

Nhiệt động lực học?

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:
 ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…
 Bơm, quạt, máy nén
 Thiết bị sấy
 Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…

 Công nghệ tách khí, hóa lỏng
 Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều…
7


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hệ nhiệt động:
Khoảng khơng gian chứa một lượng nhất định chất mơi giới đang khảo sát bằng các
biện pháp nhiệt động.
Bề mặt ranh giới
q1
Hệ nhiệt động
(Chất môi giới)

Chất mơi giới?

q2

Mặt ranh giới?
Môi trường
xung quanh

l

Mơi trường?

Chất mơi giới (Chất cơng tác)?
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 nƣớc
Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng +k. khí
Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…)

8

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hệ kín:
 Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường
 Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi

Máy lạnh
Bơm nhiệt…
9


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

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


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Hệ đoạn nhiệt:

Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh

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

11


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Nguồn nhiệt ?
Nguồn nóng + nguồn lạnh ?

Máy nhiệt ?

Động cơ nhiệt,
Bơm nhiệt và máy làm lạnh

 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


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1
- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2
- W: công sinh ra

Q1  Q 2  W
Hiệu suất ĐCN

Q2
W Q1  Q 2


 1
Q1
Q1
Q1
Trên 1 đơn vị khối lượng

q2
  1
q1

13


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 Bơm nhiệt và máy làm lạnh
- Nhận công từ bên ngoài
- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược
từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng

- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1 (T1> T2)
- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2

- W: công nhận

Q 2  W  Q1
14


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

- Bơm nhiệt
Hệ số làm nóng:

Q1
Q1
φ=

W Q1 -Q 2

q1

q1  q 2

15

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

- Máy làm lạnh
Hệ số làm lạnh:



Q2
Q2

W
Q1  Q 2



q2
q1  q 2

16


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
Chất môi giới
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi.
Khí lý tƣởng
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 và chất thuần khiết
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 chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học.
Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau.
17


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

2. Trạng thái và thông số trạng thái
 Trạng thái
- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của CMG tại
một thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động

 Trạng thái cân bằng
- 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


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 Quá trình

 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

19


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 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 (oC)
- Áp suất: p (N/m2)
- Thể tích riêng: v (m3/kg)

 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)
 Xác định thông qua thông số trạng thái cơ bản ( hàm trạng thái)

20


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 Nhiệt độ là gì?
- Biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật
- Là yếu 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
3
1
k.T  M2
2
2
k = 1,3865.10-23 J/độ, hằng số Boltzmann,

T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát
M : khối lượng của một phân tử
 : căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ của các phân tử

21


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

- Định luật nhiệt động thứ không (zeroth law of thermodynamics):
Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì
nhiệt độ của 2 vật đó bằng nhau.
t 1 = t3
t 2 = t3

t1 = t2

- Các thang đo nhiệt độ:
Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)

TK  tC  273,15

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)

tF  TR  459,67

Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF

tC 

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR

F  32
1,8

T(R )  1,8.T(K)
22


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ
°F

32.02
Fahrenheit

32.0
-459.67

0.00

Rankine

212

671.67
491.67 491.69

100.0
0.00
-273.15

0.00

Kelvin

Điểm đóng băng của nước

Celcius

Nhiệt độ điểm 3 thể

°R

0.01

273.15 273.16

Điểm sôi của nước

Mức không của thang
nhiệt độ tuyệt đối

°C

373.15

°K

23


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

 Áp suất là gì?
Lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với về mặt đó

 Fn
P  lim
A  A '  A
Đơn vị đo áp suất
1 Pa

= 1 N/m2. (kPa, MPa)

1 bar = 105 N/m2=750 mmHg.

1 at = 0,981.105 N/m2 = 1 kgf/cm2 = 10 mH2O = 735,5 mmHg.
1 mmH2O

= 9,81N/m2.

1 mmHg

= 133,32 N/m2.

1 psi (lbf/in2 )

= 6895 N/m2. (0,45359237.0,980665/0,02452)

24


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

Các loại áp suất:
 p suất khí quyển : áp suất của cột không khí đè trên mặt đất.
Được đo bằng Barometer
pkq = pkt = 1 bar
 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

 p suất chân không (pck) : là độ chênh áp suất khi áp suất môi
trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển. Đo bằng Vacummeter


p suất tuyệt đối (p)

p = pkq + pd
p = pkq - pck

25