KỸ THUẬT NHIỆT - PHẦN 1 potx

NỘI DUNG CƠ BẢNtrình biến đổi năng lượng liên quan đến năng lượng nhiệt chủ yếu giữa CƠ NĂNG và NHIỆT NĂNG  Phần truyền nhiệt : nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật MÁY NHI

MÔN HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT

TÀI LIỆU THAM KHẢO

NỘI DUNG CƠ BẢN

trình biến đổi năng lượng liên quan đến

năng lượng nhiệt (chủ yếu giữa CƠ

NĂNG và NHIỆT NĂNG)

 Phần truyền nhiệt : nghiên cứu quá

trình trao đổi nhiệt giữa các vật

MÁY NHIỆT và THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

PHẦN THỨ NHẤT

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

MÁY NHIỆT (cơ năng ↔ nhiệt năng)

nhiệt): biến đổi nhiệt năng → cơ năng

- Thuận chiều: vì biểu diễn trên đồ thị, quá

trình theo chiều kim đồng hồ

- Thuận chiều: vì được phát minh ra trước 

lạnh, bơm nhiệt): biến đổi cơ năng →

nhiệt năng

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

ĐỘNG CƠ NHIỆT (nhiệt năng → cơ năng )

Forward Heat Engine

LTER= Low Temperature Energy Reservoir

HTER= High Temperature Energy Reservoir

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

THIẾT BỊ HƠI NƯỚC ĐẦU TIÊN

Do người Hy lạp phát minh vào thể kỷ thứ 1 sau công nguyên.

700 năm trước đó, cũng người Hy lạp đã phát minh

ra xe chạy trên đường Ray nhưng mãi thế kỷ 18 loài người mới biết kết hợp 2 thiết bị đó với nhau.

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU PÍT-TÔNG TỊNH TIẾN (3 CẤP)

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU TUA-BIN

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ HƠI NƯỚC (RANKIN)

CÁC LOẠI MÁY NHIỆT

THUẬN CHIỀU KHÁC

 Tua-bin khí

 Pin nhiệt điện và nhiệt điện tử (bi ến đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng)

MÁY NHIỆT NGƯỢC CHIỀU

MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT (cơ năng → nhiệt năng )

Reverse Heat Engine

LTER= Low Temperature Energy Reservoir

HTER= High Temperature Energy Reservoir

MÁY NHIỆT NGƯỢC CHIỀU

TỦ LẠNH GIA ĐÌNH

MÁY NHIỆT NGƯỢC CHIỀU

CHU TRÌNH DÙNG HƠI, CÓ MÁY NÉN

CÁC LOẠI MÁY NHIỆT

NGƯỢC CHIỀU KHÁC

máy nén để tăng áp, sử dụng chất

hấp thụ trung gian để “thu hồi” hơi ở

áp suất thấp, sau đó tăng áp dung

dịch đặc bằng bơm rồi dùng nhiệt

năng để tách hơi áp suất cao khỏi

ỨNG DỤNG MÁY NHIỆT NGƯỢC CHIỀU

 Điều hoà không khí (làm lạnh, sưởi

“MÁY NHIỆT” ĐẶC BIỆT

BUBBLE JET PRINTER

 Các quá trình nhiệt động: cách tính toán

nhiệt, công của một quá trình và biểu diễn

thành một đường trên đồ thị

 Các chu trình nhiệt động: cách tính toán

nhiệt, công của một chu trình máy nhiệt và

biểu diễn thành một đường khép kín trên đồ thị

MÔI CHẤT

 Chất trung gian thực hiện quá trình biến đổi giữa công và nhiệt

 Môi chất thường ở thể khí vì khả năng trao

đổi công của chất khí lớn (do thay đổi thể tích lớn).

 Môi chất trong tự nhiên đều là khí thực Tính

toán với khí thực phải dùng bảng hoặc đồ thị

Trong một số trường hợp (vd: không khí,

hyđrô, ôxy ở áp suất thấp và nhiệt độ bình

thường), môi chất có thể xem là khí lý tưởng khi bỏ qua thể tích phân tử, nguyên tử và lực

tương tác giữa chúng Tính toán với khí lý

tưởng có thể dùng phương trình trạng thái và các công thức.

HỆ NHIỆT ĐỘNG

 Là phần tách ra để nghiên cứu Phần còn lại gọi là môi trường.

 Gồm có 4 loại: hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập.

 Khái niệm hệ nhiệt động mang tính

tương đối, phụ thuộc vào quan điểm

của người khảo sát.

CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

 Đại lượng vật lý có giá trị xác định ở

một trạng thái nhất định (không phụ

thuộc vào quá trình).

 Thông số trạng thái cơ bản (nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng): đo được trực tiếp

 Hàm trạng thái: phải tính qua các thông

số trạng thái cơ bản

THỂ TÍCH RIÊNG

3

3

m kg

; 1

kg m

;

v V

G G

V v

 Là lực tác dụng của các phân tử theo

phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình

 Đơn vị đo áp suất: N/m 2 hay Pa Tính

toán với khí lý tưởng: đổi đơn vị về Pa; Với khí thực: đổi về bar hoặc MPa hoặc

at tu ỳ theo đơn vị dùng trong bảng và

đồ thị

ÁP SUẤT (chất lỏng hoặc chất khí)

2

m N

;

S F

p 

 Áp suất tuyệt đối p (là thông số trạng

 Áp kế chất lỏng, áp kế lò xo, áp kế điện tử.

 Áp kế đo áp suất tuyệt đối của khí

quyển: Barômét.

 Áp kế đo áp suất dư: Manômét.

 Áp kế đo chân không: Chân không kế.

DỤNG CỤ ĐO ÁP SUẤT (áp kế)

 Là mức đo độ nóng, lạnh của vật Theo thuyết động học phân tử, là số đo động năng của các phân tử.

 Thang nhiệt độ: t[ o C], T[K], t[F]

T = 273,15 + t

 Dụng cụ đo nhiệt độ: nhiệt kế.

 Các loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng

(thuỷ ngân, rượu…); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt; nhiệt kế bán dẫn…

NHIỆT ĐỘ

 Là toàn bộ năng lượng bên trong vật

Ký hiệu: U [J] hay u [J/kg].

 Trong nhiệt động, chỉ xét nội nhiệt năng

vì biến đổi của các dạng nội năng khác (hoá năng, năng lượng nguyên tử) luôn

= 0.

 Nội năng gồm: nội động năng (phụ

thuộc nhiệt độ) và nội thế năng (phụ

thuộc vào khoảng cách giữa các phân

tử hay thể tích riêng) u = u(T,v) hoặc u

NỘI NĂNG

du = C v dT

u = u 2 – u 1 = C v (T 2 – T 1 )

Chỉ quan tâm đến biến thiên nội năng nên có thể chọn điểm gốc tính nội năng tuỳ ý (với nước là điểm 3 thể: t = 0.01

o C;

p = 0.0062 at)

NỘI NĂNG

NĂNG LƯỢNG ĐẨY

 Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK].

 Định nghĩa:

ENTRÔPI

T dq

ds 

 Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg].

 Là phần của năng lượng có thể biến đổi hoàn toàn thành công trong quá trình

thuận nghịch.

 Với nhiệt năng:

q = e + a Trong đó: a là anecgi (phần không thể biến đổi thành công trong quá trình

thuận nghịch)

EXECGI

 Là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ

 Điều kiện để có quá trình: có trao đổi

nhiệt hoặc công với môi trường và có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi.

QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

 Quá trình cân bằng: môi chất biến đổi

qua các trạng thái cân bằng (thực tế

không tồn tại qtcb) Quá trình cân bằng

được biểu diễn bằng 1 đường cong trên

các đồ thị trạng thái.

 Quá trình thuận nghịch: là quá trình cân bằng và luôn có thể biến đổi ngược lại qua các trạng thái c ân bằng theo chiều thuận

để trở về trạng thái ban đầu mà hệ và môi trường không có sự thay đổi gì.

CÁC LOẠI QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I

 Là dạng năng lượng trao đổi do chênh

lệch nhiệt độ, ký hiệu Q [J, cal] hoặc q

[J/kg, cal/kg] và là hàm quá trình.

 Nhiệt chỉ xuất hiện ở ranh giới giữa hệ

nhiệt động đang xét và môi trường khi nó truyền qua.

 Hệ nhiệt động không chứa nhiệt, chỉ chứa năng lượng.

 Nhiệt do hệ nhận mang dấu + và ngược lại

KHÁI NIỆM NHIỆT (NHIỆT NĂNG)

 Tính theo nhiệt dung riêng:

T q

const T

Tds q

 L à nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất môi chất lên 1 độ.

 Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản

chất của môi chất, nhiệt độ và áp suất (có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khi giá trị của nó không quá lớn).

NHIỆT DUNG RIÊNG

 Theo đơn vị đo lường vật chất Ta có quan hệ: C = C’v tc = C  /

 Theo quá trình nhận nhiệt của môi chất (với chất khí là khí hoặc hơi):

 Nhiệt dung riêng đẳng áp: C p , C’ p , C p

 Nhiệt dung riêng đẳng tích: C v , C’ v , C v

 Nhiệt dung riêng thực: là nhiệt dung

riêng tại một nhiệt độ nào đó

 Nhiệt dung riêng trung bình:

NHIỆT DUNG RIÊNG PHỤ THUỘC NHIỆT

dq C

1

1 2

q t

t q C

 Nhiệt dung riêng trung bình trong

21

2

1

21

1

1 1

t C

t

C t

C

Cdt

Cdt t

Cdt t

C

t t

t t

t

t

t t

BẢNG TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH (áp dụng với khí thực)

C’ptb=1,6990+0,0004798t C’vtb=1,3281+0,0004798t

Cptb=0,8645+0,0002443t

Cvtb=0,6764+0,00002443t

CO 2

C’ptb=1,4733+0,0002498t C’vtb=1,1024+0,0002498t

Cptb=1,833+0,00031111t

Cvtb=1,3716+0,00031111t

H 2 0

C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t

Cptb=0,9956+0,00009299t

Cvtb=0,7088+0,00009299t Không khí

C’ptb=1,2799+0,0001107t C’vtb=0,908929+0,0001107t

Cptb=1,024+0,00008855t

Cvtb=0,7272+0,00008855t

N 2

C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t

khí

 Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng chỉ phụ

thuộc vào số nguyên tử của nó (bảng 1-1

trang 14 hoặc tính theo công thức C v =

R/(k-1); C p =k R/(k-1))

TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG KHÔNG PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ (áp dụng với khí lý tưởng)

37,7 29,3

1,3 NhiÒu nguyªn tö

37,7 29,3

1,3

Ba nguyªn tö H 2 O,CO 2

29,3 20,9

1,4 Hai nguyªn tö O 2, N 2

20,9 12,6

1,6 Mét nguyªn tö

C p kJ/kmolK

C v kJ/kmolK

TrÞ sè k

Lo¹i khÝ

 Là dạng năng lượng thực hiện bởi hệ nhiệt

động nếu tác động duy nhất của nó lên

môi trường (phần còn lại, ngoài hệ) có thể

nâng một vật có khối lượng

 Đơn vị đo công: 1J = 1Nm

 Đơn vị đo công suất: 1W = 1J/s

 Công thay đổi thể tích, ký hiệu L [J],

l [J/kg]

 Công kỹ thuật, ký hiệu L kt [J], l kt [J/kg], là công do dòng khí chuyển động (hệ hở) thực hiện khi áp suất thay đổi.

pdv dl

p

p

kt

kt vdp l vdp dl

 Công ngoài, ký hiệu L n [J], l n [J/kg], là công

mà hệ trao đổi với môi trường Lưu ý: hệ sinh công khi thể tích tăng, ngoại động

năng giảm, ngoại thế năng giảm (bỏ qua)

và năng lượng đẩy giảm.

CÁC LOẠI CÔNG (tiếp)

2

2 1

2 2 1

2 12

2 2

2 1 2

1 12

12 12

d dl

dl

d d

l l

d d

l l

n n n

 Hệ kín:

 Hệ hở:

CÔNG NGOÀI

pdv dl

dl l

l n  12 n  12

 

12 12

12 12

12 12

12

2

2 2

; 2

2

; 2

2

2 2

1

2 2 2

2 2

kt n

n kt

kt kt

n kt

n

n n

l d

dl

dl

d vdp

pdv pdv

dl d

pv d

Gpv U

W W

D U

1

2 ;

;

; w u W U U w u u U

W k  k   k    k  

2

;

; 2

;

2 2

Q      

d du

pdv du

dq

l u

dl di

dq

l i

l i

2 2

2 2





 Dạng vi phân tổng quát ( cả hệ kín lẫn hệ

hở )

 Với khí lý tưởng ( cả hệ kín lẫn hệ hở )

PHƯƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (dạng vi phân tổng quát)

vdp di

dq

pdv du

C dq

pdv dT

C dq

 D òng khí là hệ hở, không thực hiên

ngoại công

PHƯƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (viết cho dòng khí)

2





d di

dq

i w

q

 Quá trình hỗn hợp hệ không thực hiện

công ngoài, không có sự trao đổi nhiệt (hệ

2 1

; 0



2 1

; 0

I  I  I



PHẦN THỨ NHẤT

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT