Bài giảng kỹ thuật nhiệt chương 1 những khái niệm cơ bản

1 Chương 1 Những khái niệm cơ bản Mục đích ■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến; ■ Định nghĩa các kh[.]

Những khái niệm cơ

bản

Mục đích

■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến;

■ Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống, trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình;

■ Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất);

■ Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ;

1 Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu của nhiệt động học

Nhiệt động KT nghiên cứu gì?

■ Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác (Energy cannot be created or destroyed, it transforms)

Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and Microscopic Views of Thermodynamics)

■ Vật chất được tạo thành từ các phân tử Tính chất của vật chất phụ thuộc vào bản chất ứng của các phân tử

■ Áp suất khí trong một bình kín là tổng hợp lực va đạp phân tử lên thành bình:

■ Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên một diện tích vô cùng bé thành bình để xác định áp suất

■ Thay vào đó, có thể gắn vào một áp kế (xác định lực tác dụng trung bình lên một diện tích thành bình) để xác định

áp suất Đây là quan điểm vĩ mô

2 Hệ thống (nhiệt), Hệ kín,

Hệ hở, Hệ cô lập

Hệ thống nhiệt (Thermodynamic systems)

■ Trong kỹ thuật, một bước quan trọng khi nghiên cứu là xác định rõ đối tượng nghiên cứu

■ Trong cơ học, nếu chuyển động của vật được nghiên cứu, thì cần xác định vật ở trạng thái

tự do, sau đó xác định các lực tác động Cuối cùng là áp dụng Định luật 2 Newton

■ Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system) dùng để chỉ đối tượng được nghiên cứu (ví dụ, coffee trong cốc)

■ Một khi hệ thống được định nghĩa, các tương quan với các hệ thống khác được xác định

Khi đó, các định luật vật lý hoặc các quy luật phù hợp có thể được áp dụng để nghiên cứu

quan trọng khi nghiên cứu.

Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu:

- Hệ thống kín(closed systems): Không trao đổi chất với môi trường

- vàHệ thống hở(control volumes): Có trao đổi chất với môi trường.

Các dạng biến thể khác:

Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường);

Hệ thống cô lập (không trao đổi bất cứ điều gì).

Hệ thống kín (closed system/control mass)

■ Là HT có lượng vật chất trong hệ thống không đổi

■ Được sử dụng khi có số lượng nhất định vật chất được nghiên cứu;

■ Không có sự trao đổi vật chất qua ranh giới;

■ Hệ thống gồm khí chứa trong cylinder và piston phía trên (giả thiết kín tuyệt đối)

■ Ranh giới hệ thống là bề mặt trong của cylinder và piston (đường nét đứt)

Hệ thống hở (control volume)

■ Là một phần được lựa chọn nghiên cứu trong không gian

■ Thường bao gồm các thiết bị liên quan đến dòng chảy như ống phun (nozzle), bơm/quạt/máy nén

(pump/fan/compressor), động cơ tuabin (turbine)

■ Khi nghiên cứu dòng chảy, người ta chọn ra một phần trong thiết bị

■ Cả vật chất (mass) và năng lượng (energy) có thể trao đổi qua ranh giới được chọn

■ Không có quy luật cố định nào khi chọn ranh giới cho hệ thống hở Việc chọn đúng sẽ đem lại kết quả nghiên cửu chính xác và dễ dàng hơn

■ Ranh giới của hệ thống hở được gọi là mặt ranh giới (boundary surface)

■ Mặt ranh giới có thể là thực hoặc tưởng tượng

■ Hệ thống hở có thể cố định về kích thước, hình dáng, cũng có thể có ranh giới thay đổi

Open Systems (continued)

■ Hệ thống kín mà không có trao đổi năng lượng qua ranh giới thì gọi là gì?

Open systems

Phạm vi ứng dụng

■ Hệ thống kín : Trong các chu trình động cơ đốt trong khi coi quá trình nạp và thải của động cơ là triệt tiêu nhau (khí nạp và nhiên liệu cháy sinh công, thải khí cháy ra ngoài môi trường).

■ Hệ thống hở : Quá trình lưu động của các dòng môi chất trong các đường ống, thiết bị Tiêu biểu như các ống phun (nozzles) các tầng cánh của động cơ turbines.

■ Hệ thống cô lập : Hiếm khi ứng dụng.

3 Chất môi giới, Tính chất, Sự cân bằng, Trạng thái, Quá

trình

■ Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí.

Chất môi giới

Tính chất (thông số) của hệ thống (Properties)

■ Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử của nó, cần kiến thức về các tính chất của nó

và mối quan hệ giữa chúng

■ Tính chất của một hệ thống là các đặc tính vĩ

mô của nó

■ Một số tính chất phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể tích (volume-V) và khối lượng (mass-m)

■ Các thông số mô tả trạng thái của một hệ thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state)

■ Không phải tất cả các thông số là độc lập

Mật độ hay khối lượng riêng (density-) là thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ

Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo nhau

Mật độ là một thuộc tính

■ Mật độ/Khối lượng riêng là khối lượng/đơn vị thể tích;

■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): là tỷ số giữa mật độ của một chất với mật độ của một chất tiêu chuẩn ở điều kiện nhất định (thường lấy là nước ở 4 oC)

■ Thể tích riêng (specific volume) là thể tích của một đơn vị khối lượng

■  = 1/ 

P

Gases

T

Liquids Water