Untitled 1 GIÁO TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT LÊ KIM DƯỠNG ĐẶNG THÀNH TRUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* LÊ KIM DƢỠNG ĐẶNG THÀNH[.]
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nguyên lý làm việc của máy nhiệt
Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng ở hai nguồn nóng (T1) và lạnh (T2)
Máy nhiệt được chia thành hai nhóm chính: động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt Động cơ nhiệt bao gồm các thiết bị như máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ phản lực, turbine hơi và turbine khí Những thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý chất môi giới nhận nhiệt (Q1) từ nguồn nóng thông qua quá trình cháy nhiên liệu, sau đó giãn nở để chuyển đổi một phần nhiệt thành công (L0) và cuối cùng nhả nhiệt (Q2) cho nguồn lạnh.
Máy lạnh và bơm nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý tiêu hao năng lượng L0, trong đó chất môi giới nhận nhiệt (Q2) từ nguồn lạnh để làm lạnh vật Máy lạnh sử dụng nhiệt (Q2) để làm mát, trong khi bơm nhiệt sử dụng nhiệt (Q1) để sưởi ấm hoặc sấy khô.
Nhiệt và công là các dạng năng lượng, là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào quá trình
Nhiệt nhả Q < 0 Công sinh ra L> 0 Công tiêu hao L< 0
Hệ nhiệt động và các loại
Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể được tách biệt để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng, liên quan đến nhiệt năng và cơ năng.
1.2.1.Hệ kín và hệ hở Đối với hệ kín chất môi giới không bao giờ đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn cách giữa hệ thống với môi trường, lúc này khối lượng chất môi giới được xem là không đổi (môi chất trong máy lạnh…)
Ngược lại, hệ thống hở chất môi giới có thể vào và ra khỏi hệ thống (động cơ đốt trong, động cơ phản lực, động cơ turbine…)
1.2.2.Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt
Một hệ thống được gọi là cô lập khi hoàn toàn không trao đổi năng lượng nào (nhiệt và cơ năng) giữa chất môi giới và môi trường
Nếu giữa hệ và môi trường chỉ không có sự trao đổi nhiệt mà thôi thì gọi là hệ đoạn nhiệt.
Chất môi giới
Chất môi giới là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biến về mặt năng lượng
Chất môi giới trong nhiệt động thường tồn tại dưới dạng khí hoặc hơi Khi các thông số của chất môi giới ở xa trạng thái bão hòa, nó được coi là ở dạng khí với nhiệt độ tới hạn thấp Ngược lại, khi chất môi giới ở trạng thái gần bão hòa, nó được gọi là dạng hơi.
Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ở dạng khí được chia làm hai loại: Khí lý tưởng và khí thực
Khí lý tưởng được định nghĩa khi nó đáp ứng hai điều kiện chính: Thứ nhất, thể tích của các phân tử khí được xem là rất nhỏ, gần như bằng không Thứ hai, lực tương tác giữa các phân tử khí cũng được coi là không tồn tại.
Còn lại gọi là khí thực.
Trạng thái và các thông số trạng thái
Trạng thái của một môi chất là tập hợp các đại lượng xác định tính chất vật lý tại một thời điểm cụ thể Các thông số dùng để xác định trạng thái này được gọi là thông số trạng thái, và mỗi trạng thái xác định có những giá trị cụ thể cho các thông số này.
Trạng thái cân bằng của chất môi giới xảy ra khi các thông số trạng thái có giá trị đồng nhất ở mọi điểm trong khối chất, trong khi trạng thái không cân bằng thể hiện sự khác biệt về các thông số này.
1.4.1.Thông số trạng thái Để biểu diễn trạng thái của chất môi giới người ta nhờ đến ba thông số trạng thái cơ bản: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, ngoài ba thông số này còn dùng đến các thông số khác như: nội năng, enthalpy, entropy, exergy, …
Nhiệt độ là một thông số quan trọng thể hiện mức độ nóng hoặc lạnh của vật chất, đồng thời theo thuyết động học phân tử, nó phản ánh động năng trung bình của các phân tử trong chuyển động tịnh tiến Theo định luật Boltzmann, m = kT, trong đó m là động năng, k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ.
T: Nhiệt độ tuyệt đối, K m: Khối lượng phân tử, kg
: Vận tốc trung bình các phân tử, m/s k: Hằng số Boltzmann k = 1,3805.10 -23 (J/độ) Để xác định nhiệt độ người ta thường dùng hai thang đo nhiệt độ:
- Nhiệt độ bách phân (Nhiệt độ Celcius t, 0 C)
- Nhiệt độ tuyệt đối (Nhiệt độ Kelvin T,K)
Mối quan hệ của chúng sẽ là:
Ngoài ra còn có các thang đo nhiệt độ khác như: Nhiệt độ Fahrenheit t ( 0 F), Rankine T ( 0 R)
1.4.1.2.Áp suất Áp suất chính là lực tác dụng các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa
Áp suất tuyệt đối (p) được đo bằng đơn vị N/m² và được tính bằng cách chia lực tác dụng (F) cho diện tích thành bình (S) tính bằng m² Để đo áp suất, có nhiều đơn vị khác nhau, và mối quan hệ giữa các đơn vị này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn.
Ngoài ra ta có các khái niệm khác về áp suất như:
* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất dư: kt d p p p
* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất chân không: ck kt p p p
* Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện
0 0 C trước khi chuyển đổi đơn vị, theo công thức: h0 0
C: chiều cao cột thuỷ ngân ở 0 0 C h: chiều cao cột thuỷ ngân ở t 0 C
Thể tích riêng là đại lượng thể hiện thể tích của một đơn vị khối lượng Cụ thể, nếu một lượng khí có khối lượng G kg và thể tích V m³, thì thể tích riêng được tính bằng công thức: v = G.
Khối lượng riêng là đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng v
1.4.1.4.Nội năng(ký hiệu: u, J/kg)
Nội năng của một vật bao gồm nhiệt năng, hóa năng và năng lượng nguyên tử Trong quá trình nhiệt động, hóa năng và năng lượng nguyên tử không thay đổi, do đó, sự thay đổi nội năng của vật chủ yếu là do sự thay đổi nhiệt năng.
Nội nhiệt năng bao gồm nội động năng và nội thế năng
Nội động năng được tạo ra từ chuyển động tịnh tiến, dao động và quay của các phân tử, trong khi nội thế năng xuất hiện do lực tương tác giữa các phân tử.
Theo thuyết động học phân tử, nội động năng của một hệ thống phụ thuộc vào nhiệt độ, trong khi nội thế năng lại phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử Hai yếu tố này là hàm đơn trị của thể tích.
Do vậy: u = f (T, v) Đối với khí lý tưởng thì: u = f (T)
Nội năng là một thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào quá trình thực hiện Đối với khí lý tưởng, nội năng được xác định bằng công thức: du = cv dT.
Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, độ biến thiên nội năng có được bằng cách tích phân hai vế biểu thức trên:
u = c v (T 2 – T 1 ) (1-7) Ở đây cvlà nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích được xem là hằng số (J/kg.độ)
1.4.1.5.Năng lượng đẩy(d: J/kg) Đối với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng bên ngoài còn một năng lượng giúp khối khí dịch chuyển, gọi là năng lượng đẩy, năng lượng đẩy được xác định bằng biểu thức sau: d = pv (1-8)
Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái đặc trưng cho hệ hở, và nó thay đổi khi dòng khí chuyển động Sự biến đổi này tạo ra công lưu động, giúp đẩy dòng khí dịch chuyển Do đó, năng lượng đẩy chính là công lưu động trong hệ thống.
Enthalpy là một thông số trạng thái quan trọng trong nhiệt động học, được định nghĩa bằng công thức: i = u + pv Đối với khí thực, enthalpy phụ thuộc vào hai trong ba thông số trạng thái cơ bản Trong trường hợp khí lý tưởng, khi áp dụng vi phân cho biểu thức trên, ta có: di = du + d(R.T), từ đó suy ra di = cv.dT + R.dT, hay còn được viết gọn là di = (cv + R)dT.
di = c p dT Độ biến thiên enthalpy đi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 sẽ là:
Entropy là một đại lượng vật lý cũng là một thông số trạng thái, mà sự thay đổi của nó chứng tỏ rằng có sự trao đổi nhiệt
Phương trình vi phân entropy có dạng:
T ds dq (1-11) dq: nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá trình vô cùng bé
Exergy là năng lượng tối đa có thể biến hòan toàn thành công trong quá trình thuận nghịch Đối với nhiệt năng: q = e + a (1-12)
Trong đó: q: nhiệt năng, (J/kg) e: exergy, (J/kg) a: anergy (phần nhiệt năng không thể biến thành công), (J/kg)
Phương trình trạng thái của chất khí một cách tổng quát được biểu diễn theo mối quan hệ hàm số như sau:
Nó cho phép ta xác định được một trạng thái bất kỳ khi biết hai trong ba thông số trạng thái
1.4.2.1.Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
Phương trình trạng thái khi viết cho 1 kg khí có dạng p.v = R.T (1-13)
Trong đó: p: Áp suất tuyệt đối, (N/m 2 ) v: Thể tích riêng, (m 3 /kg) R: Hằng số chất khí, (J/kg.độ) T: Nhiệt độ tuyệt đối, (K)
Phương trình trạng thái đối với G kg khí p.v.G = G.R.T
Phương trình khi viết cho 1 kmol chất khí
Từ (1-13) phương trình 1 kmol là:
p.V. = .R.T Với, V = v : Thể tích 1 kmol khí, (m 3 /kmol) Đặt, R = .R: Hằng số phổ biến chất khí,(J/kmol.độ)
Theo Avogadro – Ampere, ở điều kiện tiêu chuẩn: p = 760 mmHg, t = 0 0 C = 273,15 K, thể tích 1 kmol khí lý tưởngV = 22,4 m 3
Biểu thức(1-17) dùng để xác định hằng số chất khí cho một môi chất nào đó (phụ thuộc vào )
1.4.2.2.Phương trình trạng thái của khí thực
Trong thực tế, việc tính toán cho các khí thực khá phức tạp, vì chúng không hoàn toàn giống với khí lý tưởng Để thiết lập phương trình cho khí thực, người ta bắt đầu từ phương trình của khí lý tưởng và bổ sung thêm các hệ số điều chỉnh dựa trên các kết quả thực nghiệm.
Theo Van der Waalsphương trình có dạng:
Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ (a/v 2) phản ánh lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử, trong khi b là hệ số điều chỉnh về thể tích của bản thân phân tử Các hằng số a và b là những đặc trưng riêng biệt, biến thiên tùy theo loại chất khí.
1)Trình bày khái niệm của các hệ nhiệt động
2)Trình bày các thông số trạng thái
3)Trình bày các phương trình trạng thái của khí lý tưởng và cách xác định hằng số chất khí.
MÔI GIỚI
Định nghĩa
Chất môi giới, như đã đề cập ở chương trước, là chất trung gian quan trọng trong việc thực hiện các chuyển biến năng lượng Chất này thường xuất hiện dưới dạng khí hoặc hơi.
Chất môi giới được coi là ở dạng khí khi nó ở xa trạng thái bão hòa, thường có nhiệt độ tới hạn tương đối thấp Ngược lại, một chất được xem là ở thể hơi khi nhiệt độ tới hạn của nó cao hơn so với các thông số thường gặp.
Trong lĩnh vực nhiệt động kỹ thuật, O2, N2, H2 và hơi nước trong không khí thường được coi là khí lý tưởng Tuy nhiên, hơi nước trong thiết bị động lực hơi nước và các loại Freon như R-12, R-22, R-134a, cũng như amôniắc (NH3) trong máy lạnh thì không được xem là khí lý tưởng.
- Động cơ hơi nước: chất môi giới là hơi nước
-Động cơ đốt trong, turbine khí: chất môi giới là sản phẩm cháy -Máy lạnh: chất môi giới là các loại freon hay amôniắc.
Hỗn hợp khí lý tưởng
Trong nhiệt động kỹ thuật có một số trường hợp chất môi giới bao gồm nhiều thành phần khí khác nhau (không khí gồm: O2, N2 và một số khí khác…)
Vậy để xác định các thông số của hỗn hợp ta cần phải biết các thông số của các thành phần
Là hỗn hợp khí thì bất kỳ thành phần nào trong đó đều có cùng nhiệt độ và chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp
2.2.1.Định luật Gip – Dalton Định luật được phát biểu như sau:
“Áp suất của hỗn hợp khí lý tưởng bằng tổng các áp suất riêng phần của các chất khí thành phần.”
Áp suất hỗn hợp (p) được xác định bởi phân áp suất của từng chất khí trong hỗn hợp Phân áp suất của chất khí thứ i (pi) là áp suất mà chất khí đó sẽ có nếu nó chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp ở nhiệt độ tương ứng.
Trong một hỗn hợp khí, nếu gọi V là thể tích và T là nhiệt độ, thì áp suất riêng phần pi, khối lượng Gi, và hằng số chất khí Ri của thành phần thứ i có thể được liên hệ qua phương trình trạng thái: piV = GiRiT.
P i G i i (2-2) Đối với nội năng, enthalpy, entropy tương tự ta cũng có:
2.2.2.Biểu thị thành phần hỗn hợp
Thành phần hỗn hợp có thể biểu thị theo khối lượng, thể tích hoặc số mol
Thành phần khối lượng một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa khối lượng chất đó với khối lượng hỗn hợp:
Trong đó: gi: Thành phần khối lượng của chất thứ i trong hỗn hợp,
G i : khối lượng chất thứ i, (kg) G: khối lượng hỗn hợp, (kg)
Thành phần thể tích của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa thể tích riêng phần của chất đó với thể tích hỗn hợp:
Trong đó: ri: Thành phần thể tích của chất thứ i trong hỗn hợp
Vi: Thể tích riêng phần của chất thứ i, (m 3 ) V: Thể tích hỗn hợp, (m 3 )
Thể tích riêng phần Vicủa chất thứ i trong hỗn hợp, ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp:
Thành phần mol của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa số kmol của chất đó với số kmol của hỗn hợp
Mi: số kmol chất thứ i, M: số kmol hỗn hợp,
Sở dĩ thành phần mol và thành phần thể tích có cùng ký hiệu r i vì nó có cùng giá trị
2.2.3.Xác định các đại lƣợng vật lý của hỗn hợp
2.2.3.1.Phân tử lượng của hỗn hợp ()
2.2.3.2.Hằng số chất khí R của hỗn hợp
Hoặc R có thể xác định:
2.2.3.3.Thể tích riêng hỗn hợp
2.2.3.4.Khối lượng riêng của hổn hợp
2.2.4.Phân áp suất thành phần
Phân áp suất thành phần được xác định theo áp suất hỗn hợp
Ta có: piV = GiRiT (a) pV = GRT (b)
Khí thực
Trong nhiều trường hợp, các chất môi giới như CO2, NH3, và freon không phải là khí lý tưởng mà là khí thực, ảnh hưởng đến tính toán do lực tương tác giữa các phân tử và thể tích của chúng Vì vậy, không thể áp dụng công thức khí lý tưởng để tính toán Để giải quyết vấn đề này, cần tìm hiểu về tính chất của hơi nước.
Quá trình hóa hơi là sự chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, trong khi quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại, diễn ra trong toàn bộ thể tích của chất lỏng.
Quá trình nóng chảy là quá trình chuyển từ rắn sang lỏng, ngược lại gọi là quá trình đông đặc
Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển từ rắn sang hơi không qua trạng thái lỏng, ngược lại gọi là quá trình ngưng kết
2.3.2.Quá trình hóa hơi đẳng áp(Hơi nước)
Quá trình hóa hơi thường xảy ra ở áp suất không đổi
Hình 2.1:Quá trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước
Quá trình được tiến hành như sau:
Trong thí nghiệm này, 1 kg nước ở 0°C được cho vào xilanh có piston có thể di chuyển dễ dàng dưới áp suất không đổi p Do piston đè lên mặt thoáng của nước, hiện tượng bay hơi không xảy ra; thay vào đó, nước chỉ bắt đầu sôi khi được cung cấp nhiệt.
Khi cấp nhiệt vào xilanh, quá trình biến nước thành hơi được tiến hành như sau:
Quá trình đốt nóng nước từ 0°C đến nhiệt độ sôi diễn ra ở đoạn OA, trong đó khi nhiệt độ tăng, thể tích nước cũng tăng theo Tại điểm O, các thông số ban đầu của nước được ký hiệu là v0, u0, i0, t0 Đến điểm A, khi nước đạt đến nhiệt độ sôi, các thông số tương ứng được ký hiệu là v’, u’, i’, t’ = ts.
Đoạn AC mô tả quá trình sôi của nước, trong đó nhiệt độ không thay đổi dù vẫn tiếp tục cấp nhiệt Nhiệt lượng cung cấp trong giai đoạn này không làm tăng nhiệt độ của nước mà được gọi là nhiệt hóa hơi, ký hiệu là r.
Khi đạt đến điểm sôi tại nhiệt độ C, giọt nước cuối cùng biến thành hơi, kết thúc quá trình sôi Ở trạng thái này, hơi nước được gọi là hơi bão hòa khô, với các thông số hơi bão hòa khô được ký hiệu là v’’, u’’, i’’, t’’ = ts.
Hơi nước tại điểm B trong đoạn AC, nơi có sự kết hợp giữa nước sôi và hơi nước bão hòa khô, được gọi là hơi nước bão hòa ẩm Các thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm tại B được ký hiệu là vx, ux, ix, tx = ts Để xác định trạng thái của hơi bão hòa ẩm, người ta sử dụng thông số x, hay còn gọi là độ khô, phản ánh lượng hơi bão hòa khô có trong 1 kg hơi bão hòa ẩm, với công thức x = G kg hơi bão hòa khô.
G kg hơi bão hòa ẩm k n k x k
Ngoài ra ta còn dùng một thông số khác y, gọi là độ ẩm y = 1 - x = G kg nước sôi
G kg hơi bão hòa ẩm Độ ẩm cho biết lượng nước chứa trong 1 kg hơi bão hòa ẩm
Quá trình biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt diễn ra tại đoạn CD, khi toàn bộ nước đã chuyển thành hơi tại điểm C Nếu tiếp tục cấp nhiệt, nhiệt độ của hơi sẽ tăng lên đến trạng thái D, được gọi là trạng thái hơi quá nhiệt, với các thông số v, u, i, t > ts Quá trình này được thực hiện nhiều lần ở các áp suất khác nhau, và sau khi xử lý dữ liệu, kết quả được tóm tắt và biểu diễn trên đồ thị p-v.
Hình 2.2: Đồ thị p – v quá trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước
Trên đồ thị, các điểm O1, O2, O3 thể hiện trạng thái của nước ở 0 °C dưới các áp suất khác nhau, và chúng nằm trên một đường thẳng gần như song song với trục p, do thể tích của nước ở nhiệt độ này hầu như không thay đổi theo áp suất.
Các điểm A1, A2, A3 thể hiện trạng thái nước sôi tại các áp suất khác nhau Khi áp suất tăng, các điểm này sẽ dịch chuyển sang bên phải, do nhiệt độ sôi cao hơn dẫn đến thể tích tăng theo áp suất.
Các điểm C1, C2, C3 thể hiện trạng thái hơi bão hòa khô tại các áp suất khác nhau Khi áp suất tăng, đường biểu diễn trạng thái này có xu hướng nghiêng về phía bên trái, cho thấy sự tỷ lệ nghịch giữa áp suất (p) và thể tích (v) của hơi bão hòa khô.
Nối các điểm O1, O2, O3 tạo thành đường nước ở 0°C Kết nối các điểm A1, A2, A3 để hình thành đường giới hạn dưới, hay còn gọi là đường nước sôi, với x = 0 Nối các điểm C1, C2, C3 để có đường hơi bão hòa khô, được gọi là đường giới hạn trên, với x = 1.
Khi áp suất tăng, hai đường giới hạn dưới và giới hạn trên sẽ tiến lại gần nhau Tại một mức áp suất nhất định, được gọi là áp suất tới hạn, hai đường này sẽ gặp nhau tại điểm k, được gọi là điểm tới hạn.
P k = 221bar 225 at vk = 0,003 m 3 /kg tk = 374 0 C Ngoài ra đồ thị chia làm ba vùng:
Vùng I: vùng nước chưa sôi
Vùng II: vùng hơi bão hòa ẩm
Vùng III: vùng hơi quá nhiệt
* Nhiệt lượng cần thiết để biến nước từ 0 0 C đến trạng thái hơi quá nhiệt là: q = qn + r + qk (2-16)
Trong đó: q n = i ’ – i 0 = c pn (t s – t 0 ) qn: Nhiệt lượng cần thiết làm cho nước từ 0 0 C đạt đến nhiệt độ sôi. r = i ” – i ’ r: Nhiệt hóa hơi qk = cph (t– ts)
Trong đó: qk: Nhiệt lượng cần thiết để biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt cph: Nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi quá nhiệt
2.3.3.Phương pháp xác định thông số trạng thái của hơi nước
Hơi nước là một loại khí thực với những đặc tính khác biệt so với khí lý tưởng Để xác định các thông số trạng thái của hơi nước, chúng ta thường sử dụng bảng hoặc đồ thị chuyên dụng.
Tuỳ theo hơi nước ở trạng thái nào mà ta có các loại bảng để tra các thông số trạng thái của hơi nước
Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô
Dùng xác định các thông số nước sôi và hơi bão hòa khô, phụ thuộc vào thông số biết trước để ta có các loại:
-Loại cho theo nhiệt độ: (t 0 C) t p v’ v’’ ’’ i’ i’’ r s’ s’’ o C bar m 3 /kg m 3 /kg kg/m 3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.độ kJ/kg.độ
150 4,760 0,00109 0,3926 2,547 632,2 2746 2114 1,8418 6,8383 -Loại cho theo áp suất: (p bar) p t v’ v’’ ’’ i’ i’’ r s’ s’’ bar o C m 3 /kg m 3 /kg kg/m 3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.độ kJ/kg.độ
Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt
Để tra cứu các thông số của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt, cần biết trước hai thông số p và t Bảng tra cứu có dạng hình bậc thang, với phần bên phải dùng để tìm các thông số hơi quá nhiệt và phần bên trái dành cho nước chưa sôi Ngoài ra, còn có một số bảng riêng biệt để tra cứu thông số cho từng loại nước và hơi.
Không khí ẩm
Không khí ẩm là sự kết hợp giữa không khí khô và hơi nước, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật cũng như trong đời sống hàng ngày của con người Không khí khô bao gồm 21% oxy (O2), 78% nitơ (N2) và phần còn lại là carbon dioxide (CO2) cùng các khí trơ khác.
Hơi nước trong không khí ẩm có áp suất riêng nhỏ, vì vậy nó có thể được coi là khí lý tưởng Do đó, không khí ẩm được xem là một hỗn hợp khí lý tưởng.
Là khí lý tưởng, nên ta có: Áp suất: p= pk + ph
Nhiệt độ: t = t k = t h Khối lượng: G = Gk + Gh
Tùy theo lượng nước chứa trong không khí ẩm ta có thể phân ra như sau:
2.4.2.1.Không khí ẩm chưa bão hòa
Đó là không khí ẩm với lượng hơi nước ở trạng thái hơi quá nhiệt; trong trường hợp này, nếu thêm hơi nước vào, hơi nước vẫn chưa bị ngưng tụ.
Hình 2.6: Các cách biến hơi nước chưa bão hòa thành hơi nước bão hòa
Có hai cách biến hơi nước chưa bão hòa thành hơi nước bão hòa
Cách 1 ứng với quá trình AB, giảm nhiệt độ th đến nhiệt độ đọng sương ts, vớip = const
Cách 2 ứng với quá trình AC, tăng áp ph đến p hmax , với t h = const
2.4.2.2.Không khí ẩm bão hòa
Khi không khí ẩm đạt đến trạng thái hơi bão hòa khô (Gh max), việc bổ sung thêm hơi nước sẽ dẫn đến sự hình thành những giọt nhỏ Nếu tiếp tục cung cấp hơi nước, không khí sẽ trở nên quá bão hòa, gây ra hiện tượng ngưng tụ thành những giọt nước.
2.4.3 Các thông số đặc trƣng của không khí ẩm
Nếu một khối không khí ẩm có thể tích là V (m 3 ), chứa lượng hơi nước là Gh (kg), thì tỉ số: h h
Với h gọi là độ ẩm tuyệt đối (kg/m 3 )
Độ ẩm tuyệt đối được hiểu là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm Để đánh giá khả năng chứa hơi nước của không khí, chúng ta cần sử dụng độ ẩm tương đối.
Là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối chưa bão hòa và độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hòa ở cùng nhịêt độ max h h
h : độ ẩm tuyệt đối chưa bão hòa
h max : độ ẩm tuyệt đối bão hòa
Từ phương trình trạng thái viết cho hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa và bão hòa là: p h V = G h R h T h h h h
Và p hmax V = G hmax R h T max max h max h h h
= (40 70) % : phù hợp với đời sống con người
= 90 % (0 5 o C) : thích hợp trong bảo quản rau quả thực phẩm
Là tỉ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô trong không khí ẩm d k h
Từ phương trình trạng thái: phV = GhRhT
2.4.3.4.Enthalpy của không khí ẩm
Enthalpy của không khí ẩm được xác định bằng tổng enthalpy của không khí khô và hơi nước có trong đó Đối với 1 kg không khí khô, enthalpy của không khí ẩm tương ứng với (1 + d) kg không khí ẩm.
Trong đó: ik: Enthalpy 1 kg không khí khô, được xác định: ik = 1,0048.t t (kJ/kg) i h: Enthalpy không khí ẩm, được xác định: ih = 2500 + 2.t (kJ/kg) I = t + (2500+2.t) d (kJ/kg kkk) (2-25)
2.4.4.Đồ thị i-d của không khí ẩm Để xác định các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm người ta dựa vào đồ thị i-d
Hình 2.7: Đồ thị i – d không khí ẩm
Trên đồ thị trục i và d hợp với nhau một góc 135 0
-Đường ph là phân áp suất hơi nước
-Đường i = const: đường thẳng hợp với trục d một góc 135 0
- Đường d = const: những đường thẳng đứng
- Đường t = const: những đường thẳng hơi dốc, càng lên cao có khuynh hướng phân kỳ
Đường = 100% phân chia không khí ẩm thành hai vùng: vùng trên là không khí ẩm chưa bão hòa và vùng dưới là không khí ẩm quá bão hòa Trong vùng không khí ẩm chưa bão hòa, đường có hình dạng cong lồi lên trên, nhưng khi nhiệt độ t vượt quá ts, nó trở thành đường thẳng vuông góc với trục d Để xác định các thông số của không khí ẩm, cần biết ít nhất hai trong số các thông số: i, d, t, .
2.4.5.Cách xác định các thông số của không khí ẩm
Hình 2.8: Đồ thị i – d của không khí ẩm
Giả sử chúng ta có không khí ẩm với nhiệt độ tA và độ ẩm A Trạng thái của không khí ẩm này được xác định tại điểm A, nơi mà đường tA và độ ẩm A giao nhau.
A , từ đó ta tìm được iA, dA
Để xác định phân áp suất của hơi nước tại điểm A, ta vẽ một đường thẳng vuông góc với d (dA = const), đường này sẽ cắt đường ph tại điểm B, từ đó ta có giá trị phA Đường dA = const sẽ cắt đường = 100% tại điểm C, và đường nhiệt độ đi qua C chính là nhiệt độ đọng sương của điểm A.
Khi kéo dài tA, nó sẽ cắt đường 100% tại điểm D Từ D, vẽ đường vuông góc với d để xác định dAmax, và đường này sẽ cắt đường ph tại điểm E, từ đó có thể suy ra giá trị phmax.
2.4.6.Các quá trình nhiệt động của không khí ẩm
2.4.6.1.Quá trình đốt nóng và làm lạnh
Quá trình đốt nóng không khí ẩm được mô tả trong Hình 2.9, với các thông số d = const Trong quá trình này, enthalpy và nhiệt độ tăng lên, cụ thể là I2 > I1 và t2 > t1, trong khi độ ẩm giảm xuống, tức là 2 < 1.
Quá trình ngược lại 2-1 gọi là quá trình làm lạnh
Quá trình 2-3 là giai đoạn sấy, trong đó không khí nóng tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, khiến hơi nước bay ra từ vật Trong giai đoạn này, độ ẩm giảm (d3 > d2), nhiệt độ giảm (t3 < t2) và độ ẩm tương đối cũng giảm (φ2 < φ3) Đặc điểm nổi bật của giai đoạn này là enthalpy không đổi, được gọi là quá trình sấy lý thuyết.
Chất môi giới có nhiều đặc điểm và tính chất quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Để xác định áp suất của một hỗn hợp khí lý tưởng, cần áp dụng các nguyên tắc về định luật khí lý tưởng Quá trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước diễn ra khi nhiệt độ và áp suất được duy trì ổn định, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
4)Cách xác định nhiệt lượng cần thiết để biến nước từ 0 o C đến trạng thái hơi quá nhiệt
5)Nêu các phương pháp xác định thông số của hơi nước
6)Trình bày các thông số đặc trưng của không khí ẩm
7)Giải thích các đường đặc tính trong đồ thị i – d của không khí ẩm.
VÀ CÔNG
Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà các thông số của hệ thống duy trì giá trị không thay đổi theo thời gian, không chịu tác động của công hoặc nhiệt từ môi trường Trạng thái này có thể được biểu diễn qua các đồ thị như p-v, T-s, i-s, trong khi trạng thái ngược lại được gọi là trạng thái không cân bằng.
Quá trình nhiệt động là sự chuyển đổi giữa các trạng thái của hệ, xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường Để có sự thay đổi trạng thái nhiệt động, ít nhất một thông số trạng thái trong hệ phải giữ nguyên.
Quá trình cân bằng liên quan đến sự chuyển đổi của chất môi giới qua các trạng thái cân bằng khác nhau Mặc dù thực tế không có quá trình cân bằng hoàn hảo, vì để chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, cần phải phá vỡ sự cân bằng ban đầu Tuy nhiên, nếu quá trình diễn ra rất chậm với những thay đổi nhỏ trong các thông số trạng thái, nó vẫn được coi là một quá trình cân bằng.
3.2.NHIỆT LƢỢNG VÀ CÁCH TÍNH NHIỆT LƢỢNG THEO NHIỆT DUNG RIÊNG
Nhiệt dung riêng, ký hiệu là c, là lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị chất môi giới một độ trong một quá trình nhất định.
Nhiệt dung riêng thực được xác định bằng công thức c = dT / dq, trong đó dT là sự thay đổi nhiệt độ và dq là lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của 1 kg chất môi giới.
- Còn nếu ta cung cấp cho chất môi giới một nhiệt lượng là q làm cho nó thay đổi nhiệt độ từT1 đến T2 thì:
gọi là nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từT 1 đến T 2
Ký hiệu nhiệt dung riêng trung bình từ T1 đến T2 là
Có nhiều cách phân loại nhiệt dung riêng, nếu dựa vào đơn vị đo và đặc tính quá trình ta có các loại sau:
3.2.2.1 Khi lấy đơn vị đo là kg: gọi là nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu c (kJ/kg.độ)
-Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp ký hiệu, c p
-Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích không đổi, gọi là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích ký hiệu, cv
3.2.2.2 Khi lấy đơn vị đo là m 3 tiêu chuẩn: gọi là nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu c’ (kJ/m 3 tc.độ) (m 3 tc đo ở điều kiện, p = 760 mmHg, t = 0 o C)
Tương tự ta cũng có c’p và c’v, lần lượt là nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp vànhiệt dung riêng thể tích đẳng tích.
3.2.2.3 Khi lấy đơn vị đo là kmol: gọi là nhiệt dung riêng kmol, ký hiệu c (kJ/kmol.độ)
Tương tự ta cũng có cp và cv, ký hiệu cho nhiệt dung riêng kmol đẳng áp và nhiệt dung riêng kmol đẳng tích
Mối quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng:
Khi biết nhiệt dung riêng này cần xác định nhiệt dung riêng kia ta dùng các mối quan hệ sau: c c v tc c '.
Trong đó k là số mũ đoạn nhiệt, k> 1
3.2.3.Sự phụ thuộcnhiệt dung riêng vào nhiệt độ
3.2.3.1 Quan hệ hằng số : Trong kỹ thuật, khi tính toán không cần độ chính xác cao, ta coi nhiệt dung riêngkhông phụ thuộc vào nhiệt độ, chỉ phụ thuộc vào tính chất của chất môi giới, để xác định ta có bảng sau:
Bảng 3.1: Xác định số mũ k và các loại nhiệt dung riêng
Loại khí k kcal/kmol.độ c v c p
Khí từ 3 nguyên tử trở lên 1,3 7 9
3.2.3.2 Quan hệ đường thẳng: Ở mức độ chính xác vừa phải nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ đường thẳng như sau: c = a + bT (3-4)
3.2.3.3 Quan hệ đường cong: Khi mức độ chính xác cao nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ đường cong: c = a’+ b’T + dT 2 (3-5)
Trong đó: a, b, a’, b’, dlà những hằng số xác định từ thực nghiệm
3.2.4.Tính nhiệt lƣợng theo nhiệt dung riêng
3.2.4.1.Theo nhiệt dung riêng thực
Từ định nghĩa: c dT dq
dq = c.dT Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, tích phân biểu thức trên ta được:
3.2.4.2.Theo nhiệt dung riêng quan hệ là đường thẳng
dq = (a + bT)dT Tích phân:
3.2.4.3.Theo quan hệ là đường cong
Tương tự tích phân theo T và đặt (T2 – T1) làm thừa số chung: q = [a + b
3.2.4.4.Theo nhiệt dung riêng trung bình
Các bảng khôngcho nhiệt dung riêng trung bình từT 1 T 2 , chỉ có từ0 Tnào đó mà thôi, do vậy nhiệt dung riêng trung bình từT 1 T 2 được xác định:
Thay (b) vào (a) và đơn giản ta được: q 2
Từ định nghĩa về entropy ta có
1 ds (Với T = const,hoặc Ttb)
3.2.5.Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng
Nhiệt lượng cần thiết để nâng hỗn hợp khí lên một độ, cũng chính là số nhiệt lượng làm cho các khí thành phần tăng lên một độ
- Nếu nhiệt dung riêng khối lượng Đẳng tích: cv = g1cv1 + g2cv2 + … =
1 Đẳng áp: cp = g1cp1 + g2cp2 + … =
- Nếu nhiệt dung riêng thể tích Đẳng tích: c’v = r1c’v1 + r2c’v2 + … =
- Đối với nhiệt dung riêng kmol Đẳng tích: cv = r1cv1 + r2cv2 + … =
Các loại công
3.3.1.Công thay đổi thể tích
Là công sinh ra khi thể tích chất môi giới thay đổi Ký hiệu l (J/kg)
Hình 3.1: Công thay đổi thể tích
Khi cho 1kg chất môi giới vào xilanh với áp suất p và đặt một piston có diện tích S m² lên trên, việc cung cấp một nhiệt lượng rất nhỏ dp cho chất môi giới sẽ khiến nó giãn nở và làm piston dịch chuyển một đoạn nhỏ dx Công sinh ra trong quá trình này được tính bằng công thức: dl = p.S.dx.
dl = p.dv Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 thì: l = 2
1 pdv , (J/kg) (3-11) l > 0 khi chất môi giới giãn nở l < 0 khi chất môi giới nén
Nếu tính cho G kg thì:
3.3.2.Công kỹ thuật(lkt) Đối với một dòng môi chất khi chuyển động trong ống phải tốn một công dịch chuyển gọi là công lưu động, phần công còn lại được sử dụng vào mục đích có ích trong kỹ thuật gọi là công kỹ thuật Trong trường hợp này, công giãn nở sẽ bằng công lưu động và công kỹ thuật: kt ld dl dl dl (3-13)
dl kt dldl ld (3-14)
Mà công lưu động cũng chính là năng lực đẩy và ta đã có:
Từ (3-14) dl kt pdv pdvvdp
Tích phân hai vế, ta được:
1)Trình bày các loại nhiệt dung riêng và mối quan hệ của chúng
2)Cách xác định số mũ đoạn nhiệt k và các loại nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích được xem là hằng số
3)Trình bày các biểu thức xác định công thay đổi thể tích và công kỹ thuật.
LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
Nội dung và ý nghĩa
Định luật nhiệt động thứ nhất, hay còn gọi là định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng, áp dụng trong lĩnh vực nhiệt, khẳng định rằng năng lượng không thể tự sinh ra hay mất đi mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác.
Năng lượng không tự mất đi hay tự tạo ra, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác trong các quá trình lý hóa khác nhau Điều này có nghĩa là tổng năng lượng trong một hệ cô lập luôn được bảo toàn và không thay đổi.
Trong phạm vi nhiệt động, một lượng nhiệt năng nào đó bị mất đi tất yếu sẽ sinh ra một lượng cơ năng xác định và ngược lại.
Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất
Khi chất môi trường trong hệ nhận nhiệt lượng Q từ môi trường, năng lượng toàn phần của hệ sẽ thay đổi một lượng ΔW và sinh ra công ngoài là Ln tác động lên môi trường Theo định luật bảo toàn năng lượng, mối quan hệ này được thể hiện rõ ràng.
Khi tính cho 1 kg, q = w + ln (4-2)
Công thức (4-1) và (4-2) là dạng tổng quát của định luật nhiệt động thứ nhất
4.2.2.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho hệ kín và hở
Khi cung cấp cho một khối khí bất kỳ một nhiệt lượng rất nhỏ dQ, nội năng dU của nó sẽ thay đổi và tạo ra công tương ứng dL.
Theo định luật bảo toàn: dQ = dU + dL (4-3)
Khi tính cho 1 kg: dq = du + dl (4-4)
Ta biết: dl = p.dv Hay: dl = d.(pv) – v.dp
Tích phân hai vế q = i + l kt (4-8)
Các công thức (4-4), (4-5), (4-7), (4-8) được xem là những phương trình của định luật thứ nhất
4.2.3.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất quá trình lưu động Đối với quá trình lưu động có công ngoài bằng 0, do đó nhiệt lượng tham gia để biến đổi năng lượng toàn phần: q= w = i +
: vận tốc dòng, (m/s) g: gia tốc trọng trường, (m/s 2 ) h: độ cao ở hai đầu ống, (m) Thường độ chênh hai đầu ống dẫn có h nhỏ
4.2.4.Phương trình định luật thứ nhất đối với quá trình hỗn hợp
Khi hỗn hợp chất khí trong hệ không thực hiện công ngoài (Ln = 0) và nếu không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ với môi trường (Q = 0)
W1 và W2là năng lượng toàn phần của hệ trước và sau khi xảy ra quá trình hỗn hợp
4.3.ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT ĐỂ TÍNH BIẾN THIÊN CÁC HÀM TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH 4.3.1.Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
4.3.1.1 Khái niệm: Trong thực tế kỹ thuật xảy ra rất nhiều các quá trình nhiệt động khác nhau, những quá trình nhiệt động cơ bản thường gặp là: quá trình đẳng tích, quá trình đẳng áp, quá trình đẳng nhiệt, quá trình đoạn nhiệt, quá trình đa biến Các quá trình đó xảy ra sự biến hóa năng lượng dưới dạng nhiệt, công, nội năng Ở đây ta nghiên cứu đặc tính các quá trình, xác lập biểu thức quan hệ các thông số, tính toán các dạng năng lượng cho từng quá trình
4.3.1.2.Độ biến thiên enthalpy: i (J/kg) Định nghĩa: i = u + pv
Vi phân: di = du + RdT di = c v dT + RdT
di = c p dT Tích phân hai vế đồng thời cho quá trình đi từ trạng thái 1 2, ta được:
i = cp(T 2 – T 1 ) (4-10) (4-10) là biểu thức tổng quát dùng để xác định độ biến thiên enthalpy cho các quá trình
4.3.1.3.Độ biến thiên entropy: s (J/kg.độ) Định nghĩa:
Từ định luật nhiệt động thứ nhất ta có: dq = du + dl Và: dq = dh + dl kt
Lần lượt thay các phương trình định luật một vào (*),
Rdv T c dT ds v Tích phân hai vế đồng thời cho quá trình đi từ 1-2:
(4-11) Tương tự, thay dạng hai của phương trình định luật một vào (*) ta có:
(4-10) và (4-11) là những dạng tổng quát dùng xác định độ biến thiên entropy cho các quá trình
4.3.1.4.Quá trình đẳng tích:(v = const) a Định nghĩa
Quá trình đẳng tích là quá trình mà chất môi giới tiến hành trong điều kiện thể tích không thay đổi b Mối quan hệ giữa các thông số
Nhận xét: Đối với quá trình đẳng tích, nhiệt độ và áp suất luôn tỷ lệ thuận với nhau c Độ biến thiên entropy
Từ biểu thức tổng quát:
Vì quá trình đẳng tích có:v2= v1
T c v T (4-14) d Công thay đổi thể tích:l (J/kg)
l = 0 e Công kỹ thuật:l kt (J/kg)
Hay: lkt = R(T1 – T2) (4-15) f Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật thứ nhất: q = u + l,mà l = 0
Nhận xét: Đối với quá trình đẳng tích nhiệt lượng tham gia quá trình chỉ để biến thiên về mặt nội năng, hòan toàn không sinh công
Hình 4.1: Đồ thị p – v, T – s của quá trình đẳng tích g Hệ số biến hóa năng lượng
Hệ số biến hóa năng lượng α là tỷ lệ giữa sự thay đổi nội năng và lượng nhiệt tham gia vào quá trình, phản ánh tỷ lệ các dạng năng lượng trong quá trình đó.
Giá trị 1 ở đây muốn nói lên rằng quá trình đẳng tích nhiệt lượng tham gia chỉ để biến thiên nội năng, hoàn toàn không sinh công
4.3.1.5.Quá trình đẳng áp: (p = const) a Định nghĩa
Quá trình đẳng áp là quá trình mà chất môi giới tiến hành trong điều kiện áp suất không thay đổi b Mối quan hệ giữa các thông số
Nhận xét: Đối với quá trình đẳng áp, nhiệt độ và thể tích luôn tỷ lệ thuận với nhau c Độ biến thiên entropy
Vì là quá trình đẳng áp ta có: p2=p 1
(4-19) d Công thay đổi thể tích:l (J/kg)
Hay l = R(T2 – T1) (4-20) e Công kỹ thuật:l kt (J/kg)
Từ định luật thứ nhất: q = u + l
Nhận xét: Đối với quá trình đẳng áp, nhiệt lượng tham gia quá trình bằng chính với độ biến thiên enthalpy
Hình 4.2:Đồ thị p – v, T – s của quá trình đẳng áp g Hệ số biến hóa năng lượng
Nếu chất môi giới là khí 2 nguyên tử thì: k = 1,4
Giá trị 5/7 trong quá trình đẳng áp của khí hai nguyên tử cho thấy rằng trong quá trình này, 5/7 nhiệt lượng được sử dụng để thay đổi nội năng, trong khi 2/7 còn lại được dùng để sinh công.
4.3.1.6.Quá trình đẳng nhiệt: (T = const) a Định nghĩa
Quá trình đẳng nhiệt là quá trình mà chất môi giới tiến hành trong điều kiện nhiệt độ không thay đổi Đối với quá trình đẳng nhiệt, ta có:
Vì là quá trình đẳng nhiệt có T2 = T1 b Mối quan hệ giữa các thông số
Tại trạng thái: (1) p1v 1 = RT = const (a) Tại trạng thái: (2) p2v 2 = RT = const (b)
Nhận xét: Đối với quá trình đẳng nhiệt, giữa áp suất và thể tích luôn tỷ lệ nghịch với nhau
Tổng quát, ta có: pv = const (4-23)
(4-23) được gọi là phương trình của quá trình đẳng nhiệt c Độ biến thiên entropy
Vì quá trình đẳng nhiệt nên: cv.ln
R p d Công thay đổi thể tích:l (J/kg)
Thay p vào biểu thức tính công:
1 ln ln p v p v p v v p (4-25) e Công kỹ thuật:l kt (J/kg)
Phương trình trạng thái viết cho 1kg: pv = RTv p RT
Thay v vào biểu thức xác định công kỹ thuật, tích phân lên:
So sánh (4-25) và (4-26) ta có nhận xét: Đối với quá trình đẳng nhiệt, công thay đổi thể tích bằng công kỹ thuật f Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật thứ nhất: q = u + l
Nhận xét: Nhiệt lượng tham gia vào quá trình đẳng nhiệt bằng với công thay đổi thể tích và cũng bằng với công kỹ thuật
Hình 4.3:Đồ thị p – v, T – s của quá trình đẳng nhiệt
4.3.1.7.Quá trình đoạn nhiệt a Định nghĩa
Quá trình đoạn nhiệt là quá trình mà chất môi giới tiến hành hoàn toàn không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài b Phương trình của quá trình
Từ định luật thứ nhất: dq = cvdT + pdv = 0 (a)
Từ phương trình trạng thái pv =RT
Tích phân hai vế ta có phương trình của quá trình đoạn nhiệt sẽ là: pv k = const (4-28)
Hay: k.l = l kt (4-29) Điều này cho thấy rằng đối với quá trình đoạn nhiệt công kỹ thuật sẽ bằng k lần công thay đổi thể tích c Độ biến thiên entropy: (s)
Quá trình đoạn nhiệt còn gọi là quá trình đẳng entropy,(thuận nghịch) d Độ biến thiên nội năng
u =cv(T2- T1) e Độ biến thiên enthalpy
i =cp(T 2 - T 1 ) f Quan hệ các thông số
Tại trạng thái: (1) p1v 1 = RT 1 ; p 1 v 1 k = const (c) Tại trạng thái: (2) p2v2 = RT2; p2 v 2 k = const (d)
Trong quá trình đoạn nhiệt, nhiệt độ tỷ lệ thuận với áp suất, trong khi áp suất lại tỷ lệ nghịch với thể tích Đồng thời, thể tích cũng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Công thay đổi thể tích được tính bằng l (J/kg).
Nhận xét: Đối với quá trình đoạn nhiệt, công thay đổi thể tích bằng chính với độ giảm nội năng h Công kỹ thuật
Từ (4-29) ta có: l kt kl l kt kc v T 1T 2
Nhận xét: Đối với quá trình đoạn nhiệt, công kỹ thuật bằng chính với độ giảm enthalpy
Hình 4.4:Đồ thị p – v, T – s của quá trình đoạn nhiệt
4.3.1.8.Quá trình đa biến a Định nghĩa
Trong nghiên cứu tổng quát, quá trình với α = const được gọi là quá trình đa biến Mỗi giá trị α tương ứng với một quá trình đa biến cụ thể, và phương trình của quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích.
Vi phân: dq c v dT Đặt: c n c v
:gọi là nhiệt dung riêngđa biến
Từ định luật thứ nhất: dq = c v dT + pdv (b)
Từ (a) và (b) (c n – c v ) dT =pdv (e) Chia (d) cho (e): pdv vdp c c c c v n p n
: gọi là số mũ đa biến
(4-36) là phương trình của quá trình đa biến c Quan hệ các thông số
Do phương trình của quá trình đa biến và đoạn nhiệt chỉ khác nhau ở số mũ, việc thiết lập mối quan hệ giữa các thông số và xác định công thay đổi thể tích được thực hiện tương tự như trong quá trình đoạn nhiệt Kết quả thu được sẽ tương đồng với những gì đã được thiết lập trước đó.
T (4-37) d Công thay đổi thể tích: l (J/kg)
Tương tự công thay đổi thể tích của quá trình đa biến ta cũng có l = 1 1 2 2
Ta có công kỹ thuật bằng n lần công thay đổi thể tích lkt =n.l (4-39) f Nhiệtlượng q = 2
Hình 4.5:Đồ thị p – v, T – s của quá trình đa biến
- Khi n = 0, (4-36)có:p = const,quá trình đẳng áp
- Khi n =1, (4-36)có:T = const,quá trình đẳng nhiệt
- Khi n = k, (4-36)có:pv k = const, quá trình đoạn nhiệt
- Khi n , (4-36)có:v = const,quá trình đẳng tích
4.3.2.Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực
Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực bao gồm quá trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt Để xác định các thông số trạng thái của khí, người ta thường sử dụng bảng hoặc đồ thị.
4.3.2.1.Độ biến thiên enthalpy, nội năng, entropy
Các quá trình cơ bản trên, độ biến thiên enthalpy, nội năng, entropy đều được xác định:
Trong quá trình đẳng nhiệt của khí thực, sự thay đổi nội năng được biểu diễn bằng công thức Δu = u2 – u1 và sự thay đổi entropy là Δs = s2 – s1 Mặc dù Δu và Δs không bằng 0, quá trình này không bao giờ hoàn toàn thuận nghịch do luôn có sự xuất hiện của ma sát Tuy nhiên, giả thuyết cho rằng quá trình này là thuận nghịch có thể được áp dụng với điều kiện ds/T dq = 0.
4.3.2.2.Quá trình đẳng tích a Đồ thị
Hình 4.6: Quá trình đẳng tích biểu diễn trên đồ thị i – s, hơi nước b Công thay đổi thể tích l12 = 2
1 pdv = 0 ; (vì: v1 = v2) (4-43) c Công kỹ thuật l kt =- 2
1 vdp =v(p 1 – p 2 ) (4-44) d Nhiệt lượng tham gia quá trình q = u + l12 =u 2 - u 1; (l 12 = 0) (4-45)
4.3.2.3.Quá trình đẳng áp a Đồ thị
Hình 4.7: Quá trình đẳng áp biểu diễn trên đồ thị i – s, hơi nước b Công thay đổi thể tích l12 = 2
1 pdv = p(v2 – v1) (4-46) c Công kỹ thuật l kt =- 2
1 vdp =0 (4-47) d Nhiệt lượng tham gia quá trình q =i – l kt =i 2 - i 1 (4-48)
4.3.2.4.Quá trình đẳng nhiệt a Đồ thị
Hình 4.8: Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn trên đồ thị i – s, hơi nước b Nhiệt lượng tham gia quá trình q = 2
Tds = T(s 2 – s 1 ) (4-49) c Công thay đổi thể tích l 12 = q - u (4-50) d Công kỹ thuật lkt =q - i (4-51)
4.3.2.5.Quá trình đoạn nhiệt: (thuận nghịch) a Đồ thị
Hình 4.9: Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch biểu diễn trên đồ thị i – s, hơi nước b Nhiệt lượng tham gia quá trình q = 0 (4-52) c Công thay đổi thể tích
Từ định luật thứ nhất q = u + l12 = 0
Định luật nhiệt động thứ nhất, hay còn gọi là định luật bảo toàn năng lượng, khẳng định rằng năng lượng không thể tự sinh ra hoặc mất đi, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác Các phương trình của định luật này bao gồm mối quan hệ giữa công, nhiệt và nội năng, thể hiện sự cân bằng năng lượng trong hệ thống Để xác định độ biến thiên enthalpy, chúng ta cần sử dụng công thức ΔH = ΔU + PΔV, trong đó ΔH là độ biến thiên enthalpy, ΔU là độ biến thiên nội năng, P là áp suất và ΔV là độ biến thiên thể tích.
4)Cách xác định độ biến thiên entropy
5)Trình bày cách tính nhiệt lượng và công kỹ thuật của quá trình đẳng tích
6)Trình bày cách xác định độ biến thiên entropy công giãn nở và nhiệt lượng của quá trình đẳng áp
7)Cách xác định độ biến thiên entropy công thay đổi thể tích, công kỹ thuật và nhiệt lượng của quá trình đẳng nhiệt
8)Nêu rõ đặc điểm của quá trình đẳng nhiệt
9)Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số cho quá trình đoạn nhiệt 10)Thiết lập phương trình cho quá trình đoạn nhiệt
11)Xác định công giãn nở, công kỹ thuật cho quá trình đoạn nhiệt 12)Thiết lập phương trình cho quá trình đa biến
13) Trình bày các biểu thức xác định độ biến thiên entropy, nhiệt lượng tham gia quá trình đa biến
14)Biểu diễn quá trình đa biến lên đồ thị p – v, T – s, khi n = 0, n = 1, n = k, n
Quá trình đẳng tích có thể được biểu diễn trên đồ thị i – s bằng cách vẽ đường cong tương ứng với các trạng thái của khí trong quá trình này Trong quá trình đẳng tích, thể tích của khí không thay đổi, do đó công thay đổi thể tích bằng 0 Công kỹ thuật cũng sẽ không có trong trường hợp này, nhưng nhiệt lượng được truyền vào hoặc ra khỏi hệ thống sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ và năng lượng nội tại của khí thực Việc xác định các thông số này là cần thiết để hiểu rõ hơn về hành vi của khí trong các quá trình nhiệt động lực học.
Trong quá trình đẳng áp, biểu diễn đồ thị i – s cho phép xác định các thông số quan trọng như công thay đổi thể tích, công kỹ thuật và nhiệt lượng đối với khí thực Đồ thị này giúp minh họa mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong quá trình này, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các quá trình nhiệt động lực học diễn ra Việc phân tích các yếu tố này không chỉ hỗ trợ trong việc hiểu rõ hơn về tính chất của khí thực mà còn góp phần tối ưu hóa các ứng dụng kỹ thuật liên quan.
