Chương 1 Khái Niệm Cơ Bản Về Nhiệt động Lực Học - Tài Liệu Text

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (16 trang)

Trang chủ

Kinh Tế - Quản Lý

Tiêu chuẩn - Qui chuẩn

Chương 1 khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (743.36 KB, 16 trang )

LỜI NÓI ĐẦU''Nhiệt động lực học '' là một môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật cơ sở; môn học trang bị chosinh viên ngành năng lượng nhiệt, ngành kỹ thuật cơ khí, ngành động lực... những kiến thức sâu hơnvề nhiệt động lực học trên cơ sở đã nắm được kiến thức về vật lý phổ thông, vật lý đại cương, kỹthuật nhiệt...Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đếnnhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nhấtgiữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác. Cơ sở nhiệt động đã được xây dựng từ thế kỷ XIX,khi xuất hiện các động cơ nhiệt.Môn nhiệt động được xây dựng trên cơ sở hai định luật cơ bản: định luật nhiệt động thứ nhất vàđịnh luật nhiệt động thứ hai.Những kết quả đạt được trong lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng cơ sở lí thuyết chocác động cơ nhiệt và tìm ra phương pháp đạt được công có ích lớn nhất trong các thiết bị nănglượng nhiệt.Cuốn bài giảng đã được biên soạn với sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo Viện nhiệt lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội và tham khảo một số tài liệu nước ngoài khác. Vì là biênsoạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trường Đại học Kỹ thuật côngnghiệp Thái Nguyên nên không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn tôi rất mong được bạn đọctham khảo và đóng góp ý kiến. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Trường Đại học KTCNThái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên.Các tác giả1Chương 1. Khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học1.1 Khái niệm về nhiệt động lực học và các ứng dụngLĩnh vực nghiên cứu: Môn học nghiên cứu sự chuyển hóa năng lượng chủ yếu giữa nhiệt lượngvà công xoay quanh đại lượng vật lý trung tâm là nhiệt độ.→ Cần phân biệt sự khác nhau giữa nhiệt đo và nhiệt lượng.Đối tượng nghiên cứu: Đó là sự biến đổi trạng thái của các chất làm việc trong hệ thống. Trongquá trình biến đổi trạng thái, chất làm việc tạo ra sự trao đổi nhiệt lượng và công giữa hệ thống vàmôi trường. Nhiệt lượng và công trao đổi phụ thuộc vào trạng thái bắt đầu và trạng thái cuốicủa môi chất làm việc, phụ thuộc hoàn toàn vào các trạng thái trung gian giữavà . Tập hợpcác trạng thái trung gian tạo thành đường cong liên tục gọi là quá trình nhiệt động.Chất làm việc hay còn gọi là chất môi giới ( môi chất), ta khảo sát 3 nhóm:Chất khí → khí lý tưởng hay khí thực;Chất thuần khiết → đại biểu gần gũi là nước tinh khiết;Không khí ẩm → có kể đến sự có mặt, sự ảnh hưởng của hơi nước trong không khí;Mục đích: Xác định được giá trị trao đổi của nhiệt lượng và công (và các đại lượng khác) trongmột quá trình. Hiểu được sự biến đổi năng lượng trong một hệ thống. Có khả năng cải tiến cácđiều kiện làm việc để nâng cao hiệu quả của sự biến đổi năng lượng trong các chu trình.Nền tảng của môn học:Môn học được xây dựng trên nền tảng là hai định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai:Định luật nhiệt động thứ nhất: định luật về bảo toàn năng lượng được phát biểu theo“kiểu” nhiệt động lực học;Định luật nhiệt động thứ hai: nền tảng suy luận chuyên sâu về biến đổi năng lượngtrong nhiệt động và các hệ quả;Các kiến thức của nhiệt động lực học kỹ thuật cần thiết cho các lĩnh vực sau:Điều hòa không khí;Nhà máy nhiệt điện;Trong các nhà máy đông lạnh (hải sản hay nông sản);Bảo quản nông sản (quá trình sấy giảm lượng nước trong nông sản để tăng thời gianbảo quản) …21.2Hệ thống nhiệt độngĐó là một khoảng không gian chứa một lượng nhất định chất môi giới được khảo sát bằng cácbiện pháp nhiệt động.Hệ thống nhiệt động là đối tượng cụ thể trong đó diễn ra quá trình chuyển biến nhiệt lượng và công(thông thường giữa hệ thống và môi trường).Hệ thống nhiệt động cũng có thể đơn giản là tách cà phê nóng đang tỏa nhiệt hay hệ thốngcung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời;3Thêm một số ví dụ về hệ thống nhiệt độngNhiệt lượng là phương thức năng lượng truyền đi giữa hai nơi có sự chênh lệch nhiệt độ(theo một quá trình nào đó);Như vậy, hệ thống nhiệt động phải bao gồm 3 phần:Chất môi giới;Hai nguồn nhiệt (để trao đổi nhiệt).Môi trường: là không gian trực tiếp bao xung quanh hệ thống.4→đặc điểm cơ bản của môi trường là nhiệt độ luôn giữ ổn định cho dù có trao đổi nănglượng với hệ thống.→thông thường, môi trường là một trong hai nguồn nhiệt trong hệ thống nhiệt động.Bề mặt ranh giới: là mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường→có thể là bề mặt thật hay bề mặt tưởng tượng.Hệ thống nhiệt động về cơ bản phân thành các hệ cơ bản sau:1.2.1 Hệ kínLà hệ mà trong quá trình làm việc chất môi giới không đi xuyên qua bề mặt ranh giới (haykhối lượng chất môi giới ít bị biến đổi);5Năng lượng (nhiệt lượng hay công) có thể truyền qua bề mặt ranh giớiVí du: tủ lạnh, máy điều hòa không khí …1.2.2Hệ hởTrong quá trình làm việc chất môi giới luôn đi xuyên qua bề mặt ranh giới, chất môi giới tronghệ luôn luôn biến đổi.Ví du: động cơ xe máy, tuabine hơi, máy nén khí, ống tăng tốc, …Nhận xét: Trong cả 2 hệ kín và hở, bề mặt ranh giới có thể đứng yên hoặc dịch chuyển.1.2.3 Hệ đoạn nhiệtLà hệ mà trong quá trình hoạt động, giữa chất môi giới và môi trường không có sự trao đổinhiệt lượng (có thể có sự trao đổi công).61.2.4 Hệ cô lậpLà hệ không có sự trao đổi năng lượng (nhiệt lượng và công) với môi trường.1.3Nguồn nhiệtBao gồm nguồn nóng và nguồn lạnh, trong cùng một hệ:Nguồn có nhiệt độ cao hơn → nguồn nóngNguồn có nhiệt độ thấp hơn → nguồn lạnhKhái niệm nóng lạnh của nguồn nhiệt chỉ có ý nghĩa tương đối, một nguồn có thể lànguồn nóng đối với hệ này nhưng lại là nguồn lạnh đối với hệ khác. Ví dụ: môitrường.Lưu y:1.4Chất môi giớiLà chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển hóa năng lượng trong các hệ thống nhiệtđộng;→chính sự biến đổi trạng thái của chất môi giới là cơ sở cho sự trao đổi năng lượng giữahai nguồn nhiệt;→dựa vào quy luật thay đổi trạng thái của chất môi giới để xác định giá trị nhiệt lượng vàcông trao đổi;→cần xác định được quy tắc thay đổi trạng thái của chất môi giới trong quá trình theotừng nhóm làm việc cụ thể;i. Chất khí: quy tắc thay đổi trạng thái cho theo phương trình;ii. Chất thuần khiết: trạng thái được xác định từ các bảng số liệu cho kèm theo từng loạimôi chất – sử dụng kết hợp với các diễn biến trên đồ thị (p-v, t-s, ….);iii. Không khí ẩm : hỗn hợp của hai nhóm trên, trạng thái được xác định theo các công thứctính toán hoặc có thể tra theo đồ thị;Lưu ý:Tất cả các chất làm việc đều là chất thuần khiết;Khi chất môi giới được xếp vào nhóm “chất thuần khiết” thì các quá trình nhiệt độngkhảo sát làm việc ở điều kiện gần vùng có biến đổi pha của vật chất (rắn – lỏng – hơi);Khi chất môi giới được xếp vào nhóm “chất khí” thì trong quá trình biến đổi nó vẫnluôn giữ là trạng thái khí;Theo lưu ý trn, chất môi giới có thể ở trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi;7→trong thực tế thì thường sử dụng chất môi giới ở thể khí hay thể hơi vì chúng có khảnăng co giãn lớn, thuận tiện cho việc trao đổi công;→trong trường hợp cần trao đổi năng lượng ở dạng nhiệt thì thường sử dụng chất môigiới ở trạng thái lỏng;→quá trình biến đổi pha kèm theo trao đổi nhiệt lượng lớn (cường độ lớn hơn của lưuchất lỏng) nên cũng được sử dụng trong các thiết bị có trao đổi nhiệt lượng;Một hệ thống nhiệt động có thể có một hay nhiều hơn một chất môi giới.Ví du: R22, NH3 trong các máy lạnh có máy nén hơiDung dịch H2O-LiBr, NH3-H2O trong các hệ thống máy lạnh hấp thụTrong trường hợp chất môi giới ở trạng thái khí, người ta đưa ra khái niệm khí lý tưởng (đểthuận tiện cho việc nghiên cứu bằng lý luận);Khí lý tưởng với 2 giả thuyết:Lực tương tác giữa các phân tử bằng không;Thể tích bản thân các phân tử bằng không;Lưu y: Thực tế không có khí lý tưởng, tuy nhiên có trạng thái tiến tới gần trạng thái của khí lýtưởng.Khí thực: với chất môi giới được xem là khí thực thì các thông số trạng thái của nó được xácđịnh thông qua một trong ba cách sau:Trên cơ sở phương trình trạng thái của khí lý tưởng nhưng đưa vào các hệ số hiệuchỉnh lại 2 giả thuyết trên (cho phù hợp với số liệu thực nghiệm thực tế);Sử dụng giản đồ biểu diễn hệ số nén.Các thông số trạng thái của các chất môi giới cụ thể được cho trong các bảng (thườnggặp là các bảng của các chất thuần khiết: nước, R22, R134a, …)1.5 Trạng thái và trạng thái cân bằngTrạng tháiLà thuật ngữ chỉ tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý của chất môi giới tại một thời điểm nào đó vàở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động.→rắn, lỏng, khí (hơi), plasma.Trạng thái cân bằng8Là trạng thái ổn định của hệ thống khi cách ly ra khỏi môi trường của nó (và đương nhiên giảthuyết giá trị của các thông số trạng thái bằng nhau ở tất cả các vị trí).Các thông số trạng thái của trường hợp chất khí phải thỏa mãn phương trình trạng thái ở điềukiện cân bằng (phương trình khí lý tưởng hoặc khí thực tùy đối tượng đang xem xét).1.6Quá trình và chu trìnhQuá trìnhTập hợp một số trạng thái theo quy luật biến đổi nào đó.Có trạng thái bắt đầu và trạng thái kết thúc quá trình.Biến đổi trạng thái giữa hai trạng thái đầu và cuối cho trước có thể đi theo nhiều quá trình khácnhau.Chu trình: Bao gồm một số quá trình khép kín.→chu trình là quá trình có trạng thái bắt đầu và kết thúc trùng với nhau.1.7 Đơn vị đo lườngTrong hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị của các đại lượng vật lý được dẫn từ đơn vị của 7 đạilượng vật lý cơ bản sauVí dụ, đơn vị của lực được xác định theo định luật II của Newton:9F = m ⋅a; (1-1)Từ phương trình 1-1, đơn vị của lực N được dẫn ra như sau1 N = (1 kg)× (1 m s2 ) = 1 kg ⋅ m s2 ; (1-2)Ví dụ, vật có khối lượng 1 kg trong trường trọng lực thì có trọng lượng1 kgf = (1 kg)× (9,80665 m s2 ) = 9,80665 kg ⋅ m s2 ; (1-3)Và sự dịch chuyển của lực mang tính chất năng lượng, đó chính là công, sẽ được đề cập chitiết trong chương có liên quan.Bảng dưới đây cho ta đơn vị của một số đại lượng vật lý qui dẫn:Bảng dưới đây cho ta bội số mở rộng hoặcthu nhỏ đơn vị.Lưu ý về chuyển đổi đơn vị - Hệ số chuyểnđổi đơn vịVí dụ từ phương trình 1-2 ta có hệ số chuyểnđơn vị từkg ⋅ m s → N1 N = (1 kg )× (1 m s2 ) = 1 kg ⋅ m s2N→1=kg ⋅ m s2Do đó có thể chuyển đổi 1kgf ở biểu thức 1-3sang đơn vị Newton như sau:101 kgf = 9,80665 kg ⋅ m s2kg ⋅ m  N = 9,80665 N=  9,80665 2  × s   kg ⋅ m s2 1.8 Thông số trạng thái→ Tập hợp các thông số dùng để xác định trạng thái của chất môi giới (tại từng thời điểm, vịtrí trong hệ thống).Để xác định trạng thái của chất môi giới cần phải biết ít nhất hai thông số trạng thái độc lậpnhau.Các thông số trạng thái bao gồm:Nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng);Nội năng, entanpi, entropi và exergy;Trong đó nhóm đầu được gọi là nhóm thông số trạng thái cơ bản bởi vì có thể trực tiếp dùngdụng đo để xác định.1.8.1Nhiệt độ- Là thông số biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật;- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt;Nhiệt độ của một vật hiển nhiên có thể tăng lên vô hạn nhưng nó không thể hạ thấp vô hạn.Dụng cụ đo: nhiệt kế11Đơn vị:Trong hệ thống đơn vị SI (System International)a. Thang nhiệt độ bách phân Celcius t(oC)Thang đo này được xây dựng trên cơ sở 2điểm mốc: điểm nước đá đang tan và điểm nướcsôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,32kPa),nhiệt độ tương ứng của 2 điểm này được chọn là0oC và 100oC.Trong khoảng từ 0oC đến 100oC được chiađều làm 100 vạch, mỗi vạch ứng với 1oC.b. Thang nhiệt độ tuyệt đối KelvinT(K)Thang đo này được xây dựng trên cơ sởđịnh luật nhiệt động thứ II.Là nhiệt độ cơ sở trong các phép tính nhiệtđộng.Giới hạn thấp nhất của nhiệt độ là khôngđộ của nhiệt giai Kelvin.Năm 1989, trong phòng thí nghiệm người ta đãtạo ra được mức nhiệt độ là: 0,000 000 002 KTrong hệ thống đơn vị IS (Imperial systemhay English System)c. Thang nhiệt độ Fahrenheit t(oF)Thang đo này thành lập trong điều kiện giống như khi xây dựng thang đo Celcius nhưng nhiệtđộ 2 điểm mốc tương ứng là 32oF và 212oF chia làm 180 vạch, mỗi vạch ứng với 1oFd. Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine T(R)Thành lập tương ứng như thang đo tuyệt đối Kelvin, là cơ sở tính toán nhiệt động trong hệ IS.Lưu y: chỉ có thang đo nhiệt độ tuyệt đối là thông số trạng tháiQuan hệ giữa các thang đo nhiệt đo:12t ( o C ) = T (K ) − 273,15T (R ) = 1,8 × T (K )t ( o F ) = T (R ) − 459,67∆t ( o C ) = ∆T (K )⇒t ( o F ) = 1,8 × t ( o C ) + 321.8.2∆t ( o F) = ∆T (R ); (1-4)∆T (R ) = 1,8 × ∆T (K )∆t ( o F) = 1,8 × ∆t ( o C )Áp suấtÁp suất là áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyếnvới bề mặt đó.Fp = lim   ;Pascal ; (1-5)A→A '  A Trong đóA:diện tíchA’: điểmMột số đơn vị bội số thường dùng1 Pascal = 1 N m 21 kPa = 103 N m 21 Bar = 105 N m 2; (1-6)1 MPa = 106 N m 2Dụng cụ đo: áp kếThông thường, đặc điểm của áp kế là đo độ chênh lệch áp suất giữa hệ thống và môi trường.Tùy thuộc vào độ lớn tương quan giữa áp suất tuyệt đối ở nơi cần đo và áp suất tuyệt đối củamôi trường mà ta có tên gọi các dụng cụ đo áp suất khác nhauGọipkq – áp suất tuyệt đối của môi trường (của khí quyển);p tñ– áp suất tuyệt đối của nơi cần đo;a. Trường hợp p tñ > p kqTrường hợp này áp kế có tên gọi là Manomet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi là áp suất dưpd :pd = p tñ − p kq; (1-7)pd (gage) = p tñ (absolute) − p kq (absolute)13b. Trường hợpp tñ < p kqTrường hợp này áp kế có tên gọi là Vacummet, giá trị áp suất thiết bị hiển thị gọi là áp suấtchân không (độ chân không)pck :p ck = p kq − p tñ; (1-8)p ck ( vacuum) = p kq (absolute) − p tñ (absolute)Dưới đây là hình ảnh trực quan biểu thị mối quan hệ giữa các loại áp suất.Áp suất tuyệt đối nơicần đoÁp suất môi trườngapd = ptñ − p kqpck = p kq − ptñp tñp kqp tñĐộ chân không tuyệtđốiDụng cụ đo áp suất:14bÁp suất tuyệt đối nơicần đoVí dụ về đo áp suất dư bằng chênh lệch chiều cao chất lỏng:Theo phương trình thủy tĩnh:p − p atm = ρ ⋅ g ⋅ L ; (1-9)Trong đó:ρ-khối lượng riêng của chất lỏng trongống chữ Ug-gia tốc trọng trườngL-chênh lệch chiều cao cột chất lỏngtrong 2 nhánh chữ UNhiệt độ của hệ thống được chọn thích hợp sao cho phần ở trên cột chất lỏng trong ống là chânkhông thì rõ ràng chiều cao cột chất lỏng thể hiện áp suất tuyệt đối của môi trường so với độ chânkhông tuyệt đối:p atm = ρ ⋅ g ⋅ h ; (1-10)Đơn vị: một số đơn vị thường dùng đo áp suất như sau1 at = 0,9807 Bar = 735,5 mmHg = 10 mH 2 O1 Bar = 10 5 N m 2 = 10 5 Pa = 750 mmHg1 atm = 760 mmHg1 mmHg = 1 torr = 133,322 Pa1 mmH 2 O = 9,807 Pa; (1-11)1 psi = 6894,76 N m 21 kgf cm 2 = 1 at = 0,9807.10 5 N m 2 = 10 4 mmAq1 tonf in 2 = 15,4443 MPa1 mmAq = 1 kgf m 2 = 9,807 N m 215Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối là thông số trạng thái.1.8.3Khối lượng riêngvà thể tích riêng vKhối lượng riêng: là khối lượng của một đơn vị thể tíchGρ = lim   , kgV→V '  V m 3 ; (1-12)Trong đóV- thể tích;V’- điểm;Khối lượng của thể tích V được xác địnhG = ∫ ρ ⋅ dV ,kg; (1-13)VThể tích riêng: là thể tích của một đơn vị khối lượngv = 1 ρ , m 3 kg ; (1-14)Thể tích riêng kmol: là thể tích của 1 kmolvµ = v ⋅ µ , m 3 kmol ; (1-15)Trong đóµ- khối lượng phân tử,kg kmol16

Tài liệu liên quan

Tài liệu Chương 1 : Các khái niệm cơ bản về nhiệt kỹ thuật ppt
- 24
- 2
- 24
Tài liệu Chương 8 : Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt ppt
- 5
- 1
- 11
Chương 1: Khái niệm cơ bản của Marketing docx
- 14
- 1
- 0
Chương 1: khái niệm cơ bản hệ thống truyền tin potx
- 11
- 521
- 1
Chương 1: Khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học potx
- 24
- 616
- 4
các khái niệm cơ bản về nhiệt động học
- 11
- 1
- 4
Khái niệm cơ bản về nhiệt động lực học
- 45
- 612
- 0
BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG pdf
- 14
- 478
- 1
CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ SINH pot
- 29
- 735
- 0
LÝ THUYẾT MẠCH - Chương 1. Khái niệm cơ bản pot
- 12
- 389
- 2