Nhiệt động học kỹ thuật docx

CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MCCT Môi chất công tác MCCT - chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi Nhiệt độ T - số đo trạng thái nhiệt của vật.. Lượng thay đổi nội năng của

Nhiệt động học kỹ

thuật

Hệ nhiệt động được phân loại như sau :

Rigid vessel System boundaries

• Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ

1.2 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MCCT

Môi chất công tác (MCCT) - chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi

Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân tử,

nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử

2

.3

• Thang nhiệt độ ( 0 C) - (Anders Celsius - 1701 - 1744)

• Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686 - 1736)

• Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824 - 1907 )

• Thang nhiệt độ Rankine (0R)

)32(

9

0C = F − ; 0C = K − 273

325

0F = ⋅ C + ; K = C0 + 273

K R

1.2.2 ÁP SUẤT

Khái niệm

Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến

lên một đơn vị diện tích thành chứa

trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa

; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử

Đơn vị áp suất

1) N/m2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)

2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O

3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)

4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)

Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0C

h0 = h (1 - 0,000172 t) (1.2-3) trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh

về nhiệt độ 0 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0C

• Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một

đơn vị khối lượng chất đó :

m

V

v= [m3/kg]

• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất

là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :

V

m

=

ρ [kg/m3]

Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức (xem chương 3) :

Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng thay đổi enthalpy của khí lý tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu thức (xem chương 3) :

T

1.3 NHIỆT NĂNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG

Sun Q

a)

Earth

H 1-5 Các hình thức truyền nhiệt

Đơn vị đo nhiệt năng :

1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiệt để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ 14.5 0C đến 15.5 0C

2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của

1 pound nước tăng từ 59.5 0F lên 60.5 0F

3) Joule (J) - 1 [J]

1 Ca = 4.187 J

1 Btu = 252 Ca = 1055 J

Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra

để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

dt

dQ

Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp

hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

• Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất :

1) Nhiệt dung riêng khối lượng : C

c m

µ c v

c

4,22

v

c c

tc

µ

=

• Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động :

• Nhiệt dung riêng của khí thực :

NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động :

c = f(T, p, Quá trình)

Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau :

c = a0 + a1 t + a2 t 2 + + an tn (1.3-8)

• Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng :

NDR của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Bảng 1-1 Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí (µc v ) [kJ/kmol deg] (µc p ) [kJ/kmol deg]

1

µ µ

1.3.3 TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH

Khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t, có thể tính trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 như sau :

• NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :

0

1 2

1 2

2

1 0 2

TT Đại lượng Hệ đơn vị quốc tế (SI) Hệ đơn vị Anh Biến đổi

1 Khối lượng Kilogram [kg] Pound Mass [lbm] 1 lbm = 0,454 kg

2 Khoảng cách Meter [m] Foot [ft] 1 ft = 0,305 m

3 Thời gian Second [s] Second [s]

4 Nhiệt độ Degree [0C] Degree [0F]

5 Lực Newton [N] Pound Force [lbf] 1 lbf = 4,448 N

B C

Bài tập 1.3

Một bình kín có thể tích V = 625 dm3 chứa oxy có áp suất tuyệt đối p = 23 bar

và nhiệt độ t = 280 0C Áp suất khí quyển p0 = 750 mmHg ở 0 0C Xác định :

1) Áp suất dư của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [N/m2], [mmHg], [mmH2O], [at] ?

2) Nhiệt độ của oxy tính theo 0F, 0R và K ?

3) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở trạng thái thực tế (v, ρ) và trạng thái tiêu chuẩn (vtc, ρtc) ?

4) Khối lượng của oxy có trong bình (m) ?

5) Thể tích của oxy ở điều kiện tiêu chuẩn (Vtc) ?

Bài tập 1.4 Chỉ số của chân không kế thủy ngân nối với bình chứa là pck = 420 mm khi nhiệt độ thủy ngân trong chân không kế là tck = 20 0C Áp suất khí trời theo barometer thủy ngân là p0 = 768 mm ở nhiệt độ t0 = 18 0C

Xác định áp suất tuyệt đối (p) trong bình theo at và bar ?

Chất khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được tạo nên từ các phân tử, mỗi phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất định, đồng thời chúng tương

tác với nhau Để đơn giản cho việc nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm khí lý

tưởng

Khí lý tưởng - chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản

thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử

Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí như oxy (O2), hydro (H2), nitơ (N2), không khí, v.v ở điều kiện áp suất và nhiệt độ không quá lớn,

có thể xem chúng như là khí lý tưởng

• Đối với khí lý tưởng : α = 1

• Số phân tử trong một đơn vị thể tích :

µ

µ

V

N V

N

µ µ

(2.1-1b)

T k N V

V - thể tích của chất khí, [m3] ; v - thể tích riêng, [m3/kg] ; Rµ = 8314 J/kmol.deg - hằng số phổ biến của chất khí ; R = 8341/µ - hằng số của chất khí , [J/kg.deg] ; µ - khối lượng của 1 kmol khí, [kg/kmol] ; p - áp suất, [N/m2] ; T - nhiệt độ tuyệt đối, [K]

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể sử dụng để tính toán cho nhiều loại khí thực trong phạm vi áp suất và nhiệt độ không quá lớn với một độ chính xác nhất định Khi những điều kiện giả định đối với khí lý tưởng khác quá nhiều đối với khí thực, việc áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể dẫn đến những sai số lớn

Cho đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chưa tìm được phương trình trạng thái dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái mà mới chỉ xác định được một số phương trình trạng thái gần đúng cho một hoặc một nhóm khí ở những phạm vi áp suất và nhiệt độ nhất định

• Phương trình Wan der Walls (1893) :

2.2 HỖN HỢP KHÍ LÝ THƯỞNG

In order to work examples and problems involving the first law, one must know the values of thermo properties of substance at given states In this and the following chapter, such data will be provided in the specification of the problem or example In actual practice, the engineer is not given values of thermo properties at different states in the process Rather,

he must refer to tables of thermo data that have been accumulated for substances of interest

Since non-reacting gases can be mixed in any proportion, it becomes impractical to tabulate the thermo properties of such mixtures Therefore, we will develop a method for calculating the thermo properties of a mixture from the thermo properties of the component gases We will apply the procedure to obtain the properties of gaseous mixtures as well as gas-vapor mixtures, such as moist atmospheric air

1) Thể tích của khí thành phần trong HHK bằng thể tích của bình chứa

V1 = V2 = V3 = = V (2.1-1) 2) Nhiệt độ của khí thành phần bằng nhiệt độ của HHK

T1 = T2 = T3 = = T (2.2-2) 3) Phân áp suất ( p i )- áp suất của khí thành phần Tổng phân áp suất của các khí thành phần bằng áp suất của HHK, tức là áp suất của khí thành phần tuân theo định luật Dalton

p 1 + p 2 + p 3 + p n = p (2.2-3) 4) Hỗn hợp của các khí lý tưởng cũng ứng xử như là một khí lý tưởng, tức là các khí thành phần và HHK đều tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng :

i' i

p V

p V

m g m

g

2) Thành phần thể tích ( r i )

'

i i

V r V

r

3) Thành phần mole ( r i )

i i

N r N

i

i i

m N

µ

= ;

1

n i i

i i i

i i

r

r r

g

1

µ

µ µ

i

i

g g

r

1 µ

µ µ

2.2.4 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG CỦA HHK

Khi tính toán HHK, người ta xem HHK như là một chất khí tương đương và

sử dụng các biểu thức như đối với chất khí đơn Bởi vậy, cần phải xác định được các đại lượng tương đương của HHK

1) Phân tử lượng tương đương ( µ)

g

1

1

n i i i

r

µ µ

m R T p

i

R g R

=

3) Nhiệt dung riêng của HHK

Muốn nâng nhiệt độ của HHK lên 1 deg cần phải nâng nhiệt độ của từng chất khí thành phần lên 1 deg Vì vậy :

4) Thể tích riêng và mật độ tương đương (v , ρ)

(v và ρ được xác định ở nhiệt độ T và áp suất p)

' 1 1

1

n n

m V

g v

⋅ ⋅

=

⋅ ⋅

H 2-2 Hỗn hợp trong thể tích đã cho V1, T1, p1 - thể tích, nhiệt độ và áp suất của chất khí thứ 1, V2, T2, p2 - thể tích, nhiệt độ và áp suất của chất khí thứ 2,

V, T, p - thể tích, nhiệt độ vá áp suất của hỗn hợp,

Đối với khí lý tưởng, nếu qui ước nội năng ở 0 0K bằng 0 thì nội năng ở nhiệt

độ Ti nào đó sẽ là : Ui = Cvi Ti , ta có :

m.Cv.T = m1 Cv1.T1 + m2 Cv2 T2 + + + mn Cvn Tn

v

n vn n v

v

C

T C g T

C g T C g

n

i vi iC g

T C

g T

n

i i

T

V p

V p T

T

V p V

T p

i pi i

C g

T C

g T

n i

T V

V T

T

V p p

T V

Năng lượng toàn phần của hệ trước khi hỗn hợp : E1 = U1 + Ii

Năng lượng toàn phần của hệ sau khi hỗn hợp : E2 = U

Áp dụng định luật nhiệt động I, ta có :

U = U1 + Iihoặc m.u = m1 u1 + mi ii

i

i i g u

g u

Đối với khí lý tưởng khi qui ước nội năng và enthalpy ở 0 0K bằng 0, ta có :

n

i pi i v

n

i pi i v

C g

T C g T

C g T

1

1

2 1 1 1

H 2-3 Hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định

2) Áp suất của hỗn hợp

V

T R m

(2.2-28)

BÀI TẬP CHƯƠNG 2 Bài tập 2.1

Một bóng đèn điện có thể tích phần hình cầu VA = 90 cm3, phần hình trụ VB =

15 cm3 Trong bóng đèn chứa khí N2 (Fig 1-5) Độ chân không trong bóng đèn khi nhiệt độ trung bình t1 = 25 0C và áp suất khí trời p0 = 760 mmHg là pCK = 200 mmHg Khi đóng điện và đạt đến chế độ ổn định thì phần hình cầu của đèn có nhiệt độ t2A =

Bài tập 2.3

Trong bình A chứa khí O2 có khối lượng mO2 = 7,98 kg ở áp suât tuyệt đối pO2

= 5 at và nhiệt độ tO2 = 200 0C Trong bình B chứa khí N2 có khối lượng mN2 = 26,1

kg với áp suất tuyệt đối pN2 = 10 at và nhiệt độ tN2 = 150 0C A và B được nối với nhau bằng van C (Fig 2-3)

Xác định nhiệt độ (T) và áp suất (p) của hỗn hợp sau khi mở van C ? Xem O2

và N2 là khí lý tưởng và bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường

1) Tính áp suất của mỗi chất khí trước khi bỏ tấm chắn (pA, pB) ?

2) Tính áp suất trong bình sau khi bỏ tấm chắn (p) ?

Dòng không khí A có lưu lượng khối lượng mA = 120 kg/h với nhiệt độ tA =

500 0C hỗn hợp với dòng không khí B với lưu lượng mB = 210 kg/h và TB = 200 0C Xác định nhiệt độ của không khí sau khi hỗn hợp, giả thiết rằng áp suất của KK trong cả 3 dòng đều như nhau và nhiệt dung riêng không đổi ?

Fig 2-5

m A , t A

m B , t B

m , t

Chương 1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 THIẾT BỊ NHIỆT

Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng

Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt

Động cơ nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Máy lạnh và bơm nhiệt có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : nhiệt từ vật cần làm lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển hoặc phòng cần làm ấm) Để thực hiện chức năng đó, máy lạnh phải được cung cấp công hoặc nhiệt từ bên ngoài

H 1.1-2 Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt

dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi 1- Giàn lạnh, 2- Máy nén, 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu

1.2 HỆ NHIỆT ĐỘNG

Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.

Hệ nhiệt động được phân loại như sau :

Rigid vessel System boundaries

Piston

Electrical power in

Water pump

c)

H 1.2-1 Hê nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở

• Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ

và môi trường xung quanh

• Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi

trường xung quanh

• Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung

quanh

1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHÂT CÔNG TÁC

Môi chất công tác (MCCT) được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò

trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng

Thông số trạng thái của MCCT là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái

nhiệt động của MCCT

Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái trong đó các thông số trạng thái

của HNĐ có giá trị như nhau trong toàn bộ HNĐ và không đổi theo thời gian nếu như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường xung quanh Ngược lại, trạng thái khi các thông số trạng thái có giá trị khác nhau trong HNĐ được gọi là trạng thái không cân bằng

Trạng thái của MCCT được biểu diễn bằng một điểm trên hệ trục tọa độ trạng thái gồm các trục là các thông số trạng thái độc lập bất kỳ Trạng thái cân bằng của HNĐ đơn chất, một pha được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập bất kỳ

• Khái niệm

Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân tử,

nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử

2

.3

1) Thang nhiệt độ (0C) - (Anders Celsius - 1701-1744)

2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736)

3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 )

4) Thang nhiệt độ Rankine (0R)

9

0C = F − ; 0C = K − 273

325

0F = ⋅ C + ; K = C0 + 273

K R

Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến

lên một đơn vị diện tích thành chứa

trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa

; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử

• Đơn vị áp suất

1) N/m2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)

2) Pa (Pascal) ; 6) mm H2O

3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)

4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)

• Phân loại áp suất

1) Áp suất khí quyển (p0) - áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật

Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0C

h0 = h (1 - 0,000172 t) (1.3-3) trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh

về nhiệt độ 0 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0C

1.3.3 THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

• Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một

đơn vị khối lượng chất đó :

m

V

v= [m3/kg]

• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất

là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :

Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức :

Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng thay đổi enthalpy của khí lý tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu thức :

T

1.4 CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG

1.4.1 NGOẠI THẾ NĂNG (E p ) - là năng lượng có được do vị trí của vật

H 1.4-1

h G

z G z g m

⋅

= m

EK ; trong đó ω là vận tốc của vật

1.4.3 NỘI NHIỆT NĂNG (U) - (xem 1.3.4)

1.4.4 HÓA NĂNG (E C ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử

1.4.5 NGUYÊN TỬ NĂNG (E A ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các hạt tạo nên hạt nhân của nguyên tử

1.4.6 ĐIỆN NĂNG (E E ) - dạng năng lượng được truyền vào hoặc ra khỏi vật nhờ hệ thống điện

1.4.7.1 KHÁI NIỆM

Nhiệt năng là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ

Đơn vị đo nhiệt năng :

1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiệt để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ 14.5 0C đến 15.5 0C

2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của

1 pound nước tăng từ 59.5 0F lên 60.5 0F

3) Joule (J) - 1 [J]

1 Ca = 4.187 J

1 Btu = 252 Ca = 1055 J

c)Q

b)

SunQ

a)

Earth

H 1.4-2 Các hình thức truyền nhiệt

1.4.7.2 NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG

Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra

để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

dt

dQ

Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp

hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

• Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất :

1) Nhiệt dung riêng khối lượng : C

c m

µ

c v c

• Quan hệ giữa c, k và R :

Từ (1.4-4) và (1.4-5) ta có :

R k

• Nhiệt dung riêng của khí thực :

NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động :

c = f(T, p, Quá trình)

Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau :

c = a0 + a1 t + a2 t 2 + + an tn (1.4-7)

• Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng :

NDR của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

• Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí

c

1

µ µ

Bảng 1.4-1 Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng

1.4.7.2 TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH

Khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t, có thể tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 như sau :

• NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :

• Mặt khác có thể viết :

0 0

0

1 2

1 2

2

1 0 2

0

1 2

t c t

c dt c q

s

s

ds T q

( + ) Đồ thị nhiệt là đồ thị biểu diễn quá trình

nhiệt động trên hệ trục tọa độ T - s Trên đồ thị nhiệt, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện nhiệt lượng tham gia trong quá trình

Nhiệt năng không phải là thông số trạng thái của MCCT Lượng nhiệt cấp cho MCCT phụ thuộc vào đường đi của quá trình

Qui ước : Nhiệt truyền vào HNĐ mang dấu (+), nhiệt do HNĐ nhả ra mang dấu (-)

H 1.4-3 Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị nhiệt

1.4.8 CÔNG (W)

1.4.8.1 KHÁI NIỆM

Công - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình biến

đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng Về trị số, công bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển

W = (F cosθ) S

S

θ F

Phân loại công

1) Công thay đổi thể tích (W) - còn gọi là công cơ học - là công do MCCT

sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của HNĐ

Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức :

2) Công kỹ thuật (W kt ) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi

Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức :

W 3-4 = W in ( - )

W 1-2 = W out ( + )

Đồ thị công là đồ thị biểu diễn quá trình nhiệt động trên hệ trục tọa độ p - V Trên đồ thị công, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện công do HNĐ sinh ra hoặc công tác dụng lên HNĐ

Công không phải là thông số trạng thái của MCCT Công phụ thuộc vào đường đi của quá trình

Qui ước : Công do HNĐ sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng lên HNĐ mang dấu (-)

H 1.4-6 Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị công

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Bài tập 1.1 :

Áp suất của không khí trong bình có khả năng đỡ cột thủy ngân cao 500 mm (HBT.1-1) Xác định áp suất tuyệt đối trong bình Biết rằng áp suất khí quyển bằng 95 kPa, khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,6.103 kg/m3 Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều cao cột thủy ngân

A

B C

Một bình kín có thể tích V = 625 dm3 chứa oxy có áp suất tuyệt đối p = 23 bar

và nhiệt độ t = 280 0C Áp suất khí quyển p0 = 750 mmHg ở 0 0C Xác định :

1) Áp suất dư của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [N/m2], [mmHg], [mmH2O], [at] ?

2) Nhiệt độ của oxy tính theo 0F, 0R và K ?

3) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở trạng thái thực tế (v, ρ) và trạng thái tiêu chuẩn (vtc, ρtc) ?

4) Khối lượng của oxy có trong bình (m) ?

5) Thể tích của oxy ở điều kiện tiêu chuẩn (Vtc) ?

Bài tập 1.4 : Chỉ số của chân không kế thủy ngân nối với bình chứa là pck = 420 mm khi nhiệt độ thủy ngân trong chân không kế là tck = 20 0C Áp suất khí trời theo barometer thủy ngân là p0 = 768 mm ở nhiệt độ t0 = 18 0C

Xác định áp suất tuyệt đối (p) trong bình theo at và bar ?

Chương 2

MÔI CHẤT CÔNG TÁC

2.1 SỰ CHUYỂN PHA CỦA MÔI CHẤT CÔNG TÁC

Môi chất công tác (MCCT) là chất có vai trò trung gian trong các quá trình biến đổi năng lượng trong các thiết bị nhiệt Dạng đồng nhất về vật lý của MCCT

được gọi là pha Ví dụ, nước có thể tồn tại ở pha lỏng, pha rắn và pha hơi (khí) Thiết

bị nhiệt thông dụng thường sử dụng MCCT ở pha khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn nên có khả năng thực hiện công lớn

Vapor

Solid

H 2.1-1 Sự chuyển pha của MCCT

• Sự hóa hơi và ngưng tụ : Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi Ngược lại, quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho MCCT Ngược lại, khi ngưng tụ MCCT sẽ nhả nhiệt Nhiệt lượng cấp cho 1 kg MCCT lỏng hóa hơi hoàn toàn gọi là nhiệt hóa hơi (rhh), nhiệt lượng tỏa ra khi 1 kg MCCT ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng tụ (rnt) Nhiệt hóa hơi và nhiệt ngưng tụ có trị số bằng nhau Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa hơi của nước là

2258 kJ/kg

• Sự nóng chảy và đông đặc : Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trình ngược lại được gọi là động đặc Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy MCCT Ngược lại, khi đông đặc MCCT sẽ nhả nhiệt Nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg MCCT nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa ra khi 1 kg MCCT đông đặc gọi là nhiệt đông đặc (rdd) Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có trị

số bằng nhau Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy của nước bằng 333 kJ/kg