Chuyên đề bồi dưỡng nhiệt học

PHẦN I
MỞ ĐẦU
I-LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Xã hội ngày càng phát triển, mức sống người dân ngày càng nâng cao, nhu
cầu về tiện nghi tăng lên không ngừng. Điều này đòi hỏi các thiết bị, máy móc
phải tăng lên không ngừng về số lượng, chất lượng, mẫu mã. Để đáp ứng nhu cầu
đó, các nhà sản xuất đặt vấn đề với các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra mọi
biện pháp thích hợp nhằm nâng cao năng suất, cải thiện mẫu mã, giảm giá thành
sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh giữa các đơn vị sản xuất-máy nhiệt là
một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị trên.
Máy nhiệt chia thành hai nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh, động cơ nhiệt
bao gồm động cơ đốt trong (ĐCĐT) và tuabin khí (hơi). ĐCĐT được sử dụng để
làm động cơ của ô tô, xe lửa, máy kéo, xe tăng,….Tuabin khí (hơi) được sử dụng
để làm động cơ cho máy bay, tên lửa, máy phát điện,…. Máy lạnh bao gồm máy
làm lạnh và bơm nhiệt. Máy làm lạnh được ứng dụng trong công nghiệp điều chế
các sản phẩm hóa học, trong y tế, trong bảo quản các thực phẩm tươi sống (xây
dựng và phát triển mạng lưới các trạm lạnh ở nước ta sẽ có tác dụng điều hòa
thực phẩm trong năm và nâng cao chất lượng và số lượng rau quả xuất khẩu)
….Bơm nhiệt sử dụng để sấy khô phim ảnh, sấy khô nông-lâm sản, bảo quản các
thực phẩm khô ( đảm bảo chế độ nhiệt ẩm trong các nhà máy dệt, may, nhuộm,
in, chế tạo dụng cụ quang học, dụng cụ đo lường,… sẽ nâng cao chất lượng sản
phẩm, giảm số lượng phế phẩm )…. Máy làm lạnh và bơm nhiệt có thể được chế
tạo riêng lẽ, nhưng cũng có thể kết hợp thành máy điều hòa nhiệt độ hai chiều, nó
có thể làm cho nhiệt độ trong phòng thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ môi trường
ngoài và duy trì nhiệt độ ấy trong khoảng thời gian tùy ý. Do đó, máy điều hòa
nhiệt độ hai chiều được ứng dụng cho các nước nhiệt đới lẫn các nước ôn đới,
hàn đới; được ứng dụng trong mùa hè lẫn mùa đông. Nó được sử dụng ở phòng
ngủ nhằm phục hồi nhanh chóng sức khỏe con người sau giờ làm việc, giảm chi
phí y tế, nâng cao tuổi thọ; sử dụng ở công sở để tăng khả năng làm việc của con
người ( khoa học đã chứng tỏ rằng cứ nhiệt độ trong nhà máy tăng lên 1 độ thì
năng suất lao động của công nhân bị giảm 1- 2,5% ); sử dụng trên các phương

tiện vận tải giúp con người cảm thấy dễ chịu, thoải mái trong quá trình đi lại.
Như vậy, máy nhiệt đã góp phần quan trọng và tạo nền tảng thúc đẩy sự phát
triển các nghành sản xuất vật chất, phục vụ chu đáo cho đời sống con người. Để
nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị sử dụng máy nhiệt thì chúng ta phải nắm
được đặc điểm cấu tạo, mục đích sử dụng, chu trình lý thuyết của từng loại, đồng
thời so sánh với chu trình Carnot thuận nghịch làm việc trong cùng nguồn nhiệt
để tìm mọi biện pháp có thể có nhằm nâng cao hệ số chuyển hóa năng lượng sát
với yêu cầu thực tế, hạ giá thành của sản phẩm.
Ngoài ra, máy nhiệt được đưa vào chương trình vật lý phổ thông nhằm giúp
học sinh có những hiểu biết thông thường về kỹ thuật. Do đó, là sinh viên khoa
Vật lý cần tìm hiểu về máy nhiệt để việc giảng dạy sau này được tốt hơn.
1
Qua phân tích trên, tôi thấy việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động, chu trình lý
thuyết máy nhiệt là cần thiết đối với sinh viên. Do đó, tôi chọn đề tài “Bài toán
lý thuyết cơ bản và thực tế về máy nhiệt” để làm khóa luận tốt nghiệp.
II- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Thông qua nghiên cứu chu trình lý thuyết máy nhiệt, đề tài sẽ tìm mức độ ảnh
hưởng của các thông số nhiệt động đến sự hoàn thiện việc chuyển hóa năng
lượng.
So sánh các chu trình lý thuyết.
Tìm và giải các bài tập về chu trình; trên cơ sở đó, xây dựng bài tập cơ sở,
tổng quát.
III-NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Để hoàn thành đề tài, tôi đã vạch đề cương chi tiết, tìm hiểu và nghiên cứu kĩ
lý thuyết Nhiệt Động Lực Học(NĐLH), tìm hiểu sơ đồ nguyên lý, nguyên lý hoạt
động, chu trình lý thuyết của một số loại máy nhiệt, tóm tắt lý thuyết, xây dựng
một số bài toán lý thuyết cơ bản và thực tế kèm theo hướng giải.
III- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong đề tài này, tôi đã sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu
sách, tạp chí, những trang Web liên quan, tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn,

tranh thủ ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn sinh viên.
IV- CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
Gồm ba phần:
Phần I: Mở đầu.
Phần II: Nội dung.
Chương I: Cơ sở lý thuyết.
Chương II: Một số bài toán cơ bản và thực tế về máy nhiệt.
Phần III: Kết luận.
V- GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do thời gian và năng lực có hạn nên tôi không đi sâu vào cơ chế hoạt động vi
mô của từng loại máy nhiệt mà chỉ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và tính toán
hệ số chuyển hóa năng lượng trong chu trình lý thuyết của một số loại máy nhiệt
sử dụng môi chất khí lý tưởng, đồng thời phân loại một số dạng toán thường gặp.
Trong khi nghiên cứu đề này, tôi đã được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy
Nguyễn Văn Lễ, sự chỉ bảo của thầy cô trong khoa và sự giúp đỡ của các bạn
sinh viên cùng lớp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Lễ, các thầy cô
khoa Lý-KTCN và các bạn sinh viên lớp Sư Phạm Lý K27.
Tuy nhiên, do mới làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học và khả
năng còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót trong khóa luận. Tôi rất mong đón
nhận những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn.
Quy Nhơn, tháng 5 năm 2008
Sinh viên thực hiện

Hà Minh Trọng
2
PHẦN II
NỘI DUNG
Chương I CƠ SỞ LÝ THUYẾT
A-SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY NHIỆT
1. Động cơ nhiệt

2. Máy lạnh và bơm nhiệt
B- CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I-Tóm tắt lý thuyết
1. Phương trình Clapeyron – Mendeleev của khí lý tưởng
2. Độ biến thiên nội năng
3. Công và nhiệt lượng
4.Nguyên lý I NĐLH
5. Phương trình trạng thái của các quá trình cơ bản
6. Nguyên lý II NĐLH
7. Một số cách tính nhiệt lượng
II-Máy nhiệt:
1. Chu trình Carnot thuận nghịch
2. Chu trình lý thuyết của một số loại máy nhiệt
2.1 Động cơ đốt trong
2.1.1 Chu trình ĐCĐT cấp nhiệt đẳng tích
2.1.2 Chu trình ĐCĐT cấp nhiệt đẳng áp
2.1.3 Chu trình ĐCĐT cấp nhiệt hỗn hợp
2.2 Tuabin khí
2.2.1 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp
2.2.2 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích:
2.3. Chu trình thiết bị làm lạnh
3. Máy điều hòa nhiệt độ hai chiều
Chương II MỘT SỐ BÀI TOÁN CƠ BẢN VÀ THỰC TẾ
VỀ MÁY NHIỆT
A-BÀI TOÁN CƠ BẢN
I- LOẠI TOÁN CÓ QUÁ TRÌNH: P = f(V)
(bài 1 → bài 5)
II- LOẠI TOÁN CÓ QUÁ TRÌNH: T = f(S)
(bài 6 → bài8)
III-LOẠI TOÁN CỰC TRỊ

(bài 9→ bài 14)
B-BÀI TOÁN THỰC TẾ
3
I-BÀI TOÁN VỀ ĐỘNG CƠ NHIỆT
(bài 1 → bài 7)
II-BÀI TOÁN VỀ MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT
(bài 8)
III-BÀI TOÁN VẬN DỤNG
(bài 9 → bài 20)

Trên đây, tôi đã trình bày tóm lược về nội dung khóa luận. Sau đây, tôi xin
trình bày cụ thể hai bài thuộc phần bài toán cơ bản (bài 1 và bài 3), một bài thuộc
phần bài toán thực tế (bài 7).
Bài 1:
4
Một lượng khí lý tưởng đơn nguyên tử ở trạng thái
1 1
1( , )P V
. Khí dãn nở thuận
nghịch đến trạng thái
2 2
2( , )P V
theo quá trình mà áp suất phụ thuộc tuyến tính vào
thể tích. Xác định nhiệt lượng mà khí nhận vào, tỏa ra trong quá trình này.
Hướng giải:
Phương trình đường thẳng 12 qua điểm
1 1
1( , )P V
và điểm
2 2

2( , )P V
:

P aV b
= +
(1)

2 1 1 2 2 1
2 1 2 1
;
P P PV PV
a b
V V V V
− −
= =
− −

* Trường hợp 1:

2 1
0P P a
> → >


12 12 12
Q A U
= + ∆
(3)

( ) ( ) ( )

2
1
(2)
12 1 2 2 1
(1)
1
2
V
V
A PdV aV b dV P P V V
= = + = + −
∫ ∫
(4.a)

12 2 1 2 2 1 1
3
( ) ( )
2 2
i
U R T T PV PV
ν
∆ = − = −
(4.b)
( ) ( )
12 1 2 2 1 2 2 1 1
1 3
( )
2 2
Q P P V V PV PV
→ = + − + −

(5)
* Trường hợp 2:
2 1
0;P P a
< → <
0b
>

(2 )
2
( 1)
2 2
2
( )
i i
dU RdT aV b dV
i
Q a i V b dV
A PdV aV b dV
ν
δ
δ

= = +
+

 
→ ⇒ = + +

 

 

= = +


Do quá trình vô cùng bé này cũng như quá trình 1-2 là quá trình dãn nên
0dV
>
. Do đó, nếu
0Q
δ
<
thì khí sẽ tỏa nhiệt, nếu
0Q
δ
>
thì khí sẽ nhận
nhiệt.
3
2
0
2 1
Q b i
V V
dV a i
δ
+
= ↔ = = − ×
+

5
(2)
Nhiệt lượng mà khí nhận được trên quá trình
vô cùng bé nằm trên đoạn 12 là :

Q dU A
δ δ
= +

à 0 và 0
v
m A PdV dU C dT
µ
δ ν
= > = >

0.Q
δ
⇒ >
Như vậy, khí thực sự nhận nhiệt trên quá trình
1-2:

trong đó:
Nhiệt lượng mà khí nhận được trên quá trình
vô cùng bé nằm trên đoạn 12 là:

Q dU A
δ δ
= +

2
1
( )
PV
P aV b T aV bV
R R
ν ν
= + → = = +


1
(2 )dT aV b dV
R
ν
→ = +

(6)
(7)
(8)