Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 2 - Ngô Phi Mạnh

CHƯƠNG 2:

CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN


1. Phát biểu:
a. Nội dung: Khi cấp cho HNĐ một nhiệt lượng  một
phần sinh công + một phần làm biến thiên nội năng của hệ.
(The change in internal energy of a system is equal to the heat added to the
system minus the work done by the system)

b. Biểu thức:
Q = L + ΔU

c. Ý nghĩa:
Định luật nhiệt động 1  định luật bảo toàn và chuyển
hóa năng lượng


2. Các dạng biểu thức của định luật NĐ 1
a. Viết theo ĐN:
+ Viết cho G kg môi chất: Q = L + ΔU
+ Viết cho 1 kg môi chất:
+ Dạng vi phân:

q = l + Δu
q = pdv + du = l + du
q = - vdv + di = lkt + di

b. Định luật 1 viết cho hệ kín và hệ hở:

Đối với KLT, biểu thức sau đây đều được viết chung cho cả
hệ kín và hệ hở.

q = du + l = di + lkt


1. Cơ sở lý thuyết:
Để khảo sát quá trình nhiệt động ta dựa trên:
+ Đặc điểm quá trình (đẳng nhiệt, đẳng áp....)
+ Phương trình trạng thái KLT
+ Phương trình định luật 1

2. Các bước khảo sát:
B1: Tìm biểu thức đặc trưng cho quá trình
B2: Dựa vào PT trạng thái => mối qhệ giữa các thông số: p, t, v
B3: Tính Δu, Δi, l, lkt, q, Δs
B4: Biểu diễn trên đồ thị P-v và T-s
u
B5: Tính hệ số biến đổi năng lượng  

q


3. Khảo sát quá trình Đẳng tích:

4. Kháo sát quá trình Đẳng áp:
5. Khảo sát quá trình Đẳng nhiệt:

=> Sinh viên tự soạn theo các bước
đã hướng dẫn

6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt
a. ĐN: là quá trình nhiệt động xảy ra trong điều kiện môi chất
không trao đổi nhiệt với môi trường
q = 0
b. Xác định biểu thức đặc trưng:
q=0
(1)
 q = CvdT + pdv = 0
(2)
 q = CpdT – vdp = 0
(3)
=>
Cv.dT = - p.dv
(4)
Cp.dT = v.dp
(5)
Chia (5)/(4): Cp/Cv = -vdp/p.dv

v  dP

k
P  dv

p.vk = Const


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt

c. Quan hệ giữa các thông số trạng thái:

pv k  const

p2  v1 
  
p1  v2 
v1  p2 
  
v 2  p1 

p1 .v1  R.T1
p2 .v2  R.T2

T
2
T
1

k

1
k

k 1
k 1
v 
P  k
1
 

 2
v 
p 
 2
 1


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:
• Tính Δu và Δi

- Biến thiên nội năng:
Tính cho 1 kg môi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J]

- Biến thiên Entanpi:
Tính cho 1 kg môi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J]


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:
• Tính công thay đổi thể tích:
Theo định nghĩa ta có:
l

v2

v

p  dv

Với:

p.v k  p1 .v1k

p

p1.v1k

p1.v1

.dv

1

v2

1
l
  p1  v1  p2  v2 
k 1
l 

l

v1


T2 
1

R.T1 .
1


k 1
T1 



• Tính công kỹ thuật:
lkt = k.l



?????

v

k

vk


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:

• Tính nhiệt lượng trao đổi:
•Tính biến thiên entropi:
•Hệ số biến đổi năng lượng:

q0

ds 

q
T

0

u


q

e. Đồ thị P-v, T-s:

Đồ thị p-v; T-s của quá trình đoạn nhiệt


7. Khảo sát quá trình Đa biến
a. ĐN: là quá trình nhiệt động xảy ra trong điều kiện nhiệt dung
riêng của quá trình không đổi
Cn = Const
b. Xác định biểu thức đặc trưng:

=>

Đặt:

q = CndT
(1)
 q = CvdT + pdv = Cn.dT
(2)
 q = CpdT – vdp = Cn.dT
(3)
(Cn – Cv).dT = p.dv
(4)
(Cn – Cp).dT = -v.dp
(5)
n = (Cn – Cp)/ (Cn – Cv) = -vdp/p.dv

v  dP

n
P  dv

=>

p.vn = Const


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
c. Quan hệ giữa các thông số trạng thái:
pv n  const 

n

v 
2  1 ;
v 
p
1  2

p

1

p  n
v


 1  2
v
 p 
2  1

p v  RT ; p v  RT
11
1 2 2
2

T
 2
T
1

n 1
n 1
v 
P  n
 
 
 1
 2
v 
p 
 2
 1


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính Δu và Δi
- Nhận xét: Đối với khí lý tưởng, vì nội năng u và entanpi i là các hàm trạng
thái nên biến thiên của chúng Δu và Δi chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng
thái cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi.
Công thức tính Δu và Δi được tính cho các quá trình của KLT:

- Biến thiên nội năng:
Tính cho 1 kg môi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J]
- Biến thiên Entanpi:
Tính cho 1 kg môi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J]

2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính nhiệt dung riêng Cn:
Đối với quá trình đa biến, do Cn phụ thuộc vào hệ số đa biến n nên
cần phải xác định:
Ta có:
Cn  CP
n

Cn  Cv

 C n  n  1  n  C v  C P

CP 

 Cn n  1  Cv  n 
Cv 

 C n n  1  C v  n  k 

nk
 C n  Cv 
n 1


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:

• Tính công thay đổi thể tích:
v2
Theo định nghĩa ta có:
l   P  dv
v1

Với:
=>

n
P

v
P  v n  P1  v1n  P  1 n 1
v
n
v2 P  v
l   1 n 1  dv
v1
v

1
l 
 P1  v1  P2  v2 
n 1

T 
l
 1  2 
n 1 

T 

1
R T

Or:

1


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
3. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính công kỹ thuật:
lkt = n.l
• Tính nhiệt trao đổi với môi trường:
q = Cn.(T2-T1)

nk
qC 
.(T  T )
v n 1
2
1
• Tính hệ số đa biến:
Từ mối quan hệ giữa các thông số, ta có thể tính n theo công thức sau:

ln
n

P

P

1

ln

ln

2

v

1

v

2

n 1 

T

2

T

1

ln

v

1

v

2


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính biến thiên entropi:
q

Cn  dT
ds 

T
T

T2
 s  C n  ln
T1

e. Tính hệ số biến hóa năng lượng:


Cv  T2  T1 
u

nk
q
Cv 
 T2  T1 
n 1



n 1
nk


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
f. Biểu diễn quá trình đa biến trên đồ thị:
* Tổng quát quá trình:

p = const (đẳng áp)

- Khi n = 0

p.v0 = const

Cn = Cp
T = const (đẳng nhiệt)

- Khi n = 1

- Khi n = ±∞

p.v = const

Cn = ±∞
v = const (đẳng tích)

p1/∞ .v = const
Cn = Cv
Đoạn nhiệt

- Khi n = k

p.vk = const

Cn = 0


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
f. Biểu diễn quá trình đa biến trên đồ thị:
p

T
0

ns

t

n=

=

q

>

p

0

n=1

n=1

n=0

/C v
∞
T
± =
n = /ds
dT

0

k

q>0

n=k

n=±∞

n

1

T/
C

=

=

t
co

0

s

ons
n=0

=

±∞

n

u>0

=c

n=0

pv

n=

n=k

k

pv

1

n=±∞

n=k

n=

L>0

L>

dT
/d

u>

v

s


2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
a. Khái niệm chu trình nhiệt động:
- Chu trình:
- Chu trình thuận nghịch:
- Chu trình không thuận nghịch:

b. Chu trình thuận nghịch thuận chiều:
- Định nghĩa: là chu trình sinh công , môi
chất nhận nhiệt q1 của nguồn nóng, nhả nhiệt q2
cho nguồn lạnh và sinh công l

- Đặc điểm:
+ Chu trình diễn ra theo chiều kim đồng
hồ trên đồ thị p-v, T-s.
+ Chu trình sinh công => l > 0


2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:

b. Chu trình thuận nghịch thuận chiều:
- Hiệu suất của chu trình:

l
ηt 
q1

t 

q1  q2
q1

t  1 

1

q2
q1

q2
q1

- Ứng dụng thực tế:
+ Chu trình các động cơ đốt trong
+ Chu trình nhà máy nhiệt điện, động cơ hơi nước


2.3. NH LUT NHIT NG II
1. Cỏc loi chu trỡnh:
c. Chu trỡnh thun nghch ngc chiu:

- nh

ngha: chu trỡnh cú mụi cht nhn nhit q2 ca ngun lnh, nh

nhit q1 cho ngun núng nhng tiờu tn cụng l

nhieọt
nhieọt

nhieọt

nhieọt

nhieọt

Truyen
nhieọt
vaứo

Truyen
nhieọt ra
nhieọt

Daứn laùnh

nhieọt

nhieọt

Daứn noựng

nhieọt


2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
c. Chu trình thuận nghịch ngược chiều:
- Đặc điểm:
+ Chu trình diễn ra ngược chiều kim đồng hồ
trên đồ thị p-v, T-s.
+ Chu trình nhận công => l < 0
- Hệ số làm lạnh của chu trình:

 



q2
l

q2
q1  q2

- Ứng dụng thực tế:
+ Chu trình lạnh: điều hòa, tủ lạnh


2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
d. Chu trình Carnot thuận chiều:

- Định nghĩa:
Chu trình có 2 quá trình đoạn nhiệt
và đẳng nhiệt tiến hành xen kẽ nhau,
thực hiện giữa 2 nguồn nhiệt T1 và T2
không đổi và T1 > T2

- Hiệu suất:

q1  q 2
l
c  
q1
q1

T2
ηc  1 
T1

- Nhận xét:
+ Hiệu suất CT Carnot chỉ phụ thuộc T1và T2
+ ηc tăng <=> T1 tăng và T2 giảm
+ T1 = T2 => ηc = 0 => không Tồn tại động cơ vĩnh
cửu loại 2 (nhiệt không thể hoàn toàn biến thành
công)
+ ηc Carnot cao nhất so với tất cả các chu trình
khác cùng nguồn nóng và lạnh.


2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
2. Phát biểu và ý nghĩa của ĐL NĐ II:

a. Phát biểu:
- Nhiệt không thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật
có nhiệt độ cao hơn. Muốn thực hiện được điều này thì cần
phải tốn một năng lượng bên ngoài.
- Không thể biến đổi toàn bộ nhiệt nhận từ nguồn nóng
thành công, mà luôn phải mất một lượng nhiệt thải cho
nguồn lạnh.
- Không thể nhận công từ một nguồn nhiệt duy nhất vì khi
đó T1 = T2 => ηc= 0.

b. Ý nghĩa:
- Định luật nhiệt động 2 cho phép chúng ta biết được điều
kiện xảy ra quá trình biến đổi nhiệt thành công và ngược lại.
- Cho phép chúng ta biết được chiều hướng xảy ra các quá
trình truyền nhiệt và mức độ xảy ra của các quá trình.