đề cương ôn thi môn nhiệt kỹ thuật

Hệ thống nhiệt động kín: Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường.. Hệ thống nhiệt

A – LÝ THUYẾT:

CHƯƠNG I

1> Hệ thống nhiệt

Gồm: nguồn nóng, nguồn lạnh, chất môi giới

trong các hệ thống nhiệt động

Ví dụ: Trong các loại động cơ nhiệt, chất môi giới là sản phẩm cháy của nhiên liệu

Trong máy lạnh, tủ lạnh, chất môi giới là tác nhân lạnh amoni hay Freon

Trong các loại động cơ hơi nước thì chất môi giới là hơi nước…

Chất môi giới có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí, hơi Thường gặp chất môi giới ở trạng thái khí và hơi

Các trạng thái của môi chất:

+ Hóa hơi và ngưng tụ

+ Thăng hoa và ngưng kết

+ Nóng chảy và đông đặc

nhiệt

a Hệ thống nhiệt động kín:

Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường Ví dụ: máy lạnh, máy điều hòa không khí, bơm nhiệt, …

b Hệ thống nhiệt động hở:

Chất môi giới có thể đi vào, đi ra khỏi hệ thống, có nghĩa là chất môi giới có thể đi xuyên qua

bề mặt ranh giới Ví dụ: Động cơ đốt trong, động cơ phản lực, tua bin khí, động cơ diezen, …

c Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt:

Chất môi giới và môi trường không có sự trao đổi nhiệt, có nghĩa là trong quá trình hoạt động thì chất môi giới hoàn toàn không nhả nhiệt ra môi trường cũng như không nhận nhiệt từ môi trường

d Hệ thống nhiệt động cô lập:

Chất môi giới và môi trường hoàn toàn không bất kỳ sự trao đổi nhiệt lượng nào có nghĩa là hệ thống không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường

2> Khí lí tưởng: là khí thỏa mãn điều kiện:

- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0

- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0

- Các phân tử chỉ là những chất điểm chuyển động

Khí thực ở trạng thái có áp suất nhỏ, nhiệt độ lớn thì có thể xem như là khí lí tưởng

3> Thông số trạng thái:

- Để xác định trạng thái của môi chất

- Chỉ thay đổi khi có sự trao đổi năng lượng giữa hệ nhiệt động với môi trường xung quanh

- Sự thay đổi 1 thông số trạng thái luôn làm thay đổi trạng thái của chất môi giới

3 thông số trạng thái cơ bản là:

Một trạng thái cân bằng của môi chất được xác định khi biết ít nhất là 2 thông số trạng thái cơ bản

4> Nhiệt độ: gồm 4 thang đo (độ Celcius, Kenvin, Rankin, Farenheit) với mối quan hệ như

sau:

Trong đó chỉ có độ Kenvin mới là thông số trạng thái theo hệ SI

5> Áp suất:

Một số đơn vị khác:

1 psi = 6895 Pa = 0,07at

Phân loại:

- Áp suất tuyệt đối (p): Độ chênh lệch giữa áp suất của 1 môi trường nào đó so với chân không tuyệt đối

barometer (áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao so với mặt biển)

trường > áp suất khí quyển) Đo áp suất dư bằng manometer (áp kế)

- Áp suất chân không (độ chân không: pck): độ chênh lệch giữa áp suất môi trường và áp suất khí quyển (áp suất môi trường < áp suất khí quyển) Đo độ chân không bằng vacummeter (chân không kế)

Mối quan hệ:

6> Thể tích riêng:

V G



Ở điều kiện tiêu chuẩn:

22, 4







, m3/kg

7> Khối lượng riêng:

1

G V





 

Ở điều kiện tiêu chuẩn:

22, 4



, kg/m3

8> Entanpi:

Đối với 1 kg môi chất, ta có: i = u + pν

Đối với G kg môi chất, ta có: I = G.i = G (u + pν) = U + pV

Entanpi của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ

9> Nội năng:

Nội năng là năng lượng bên trong của vật Trong phạm vi nhiệt động lực học, sự biến đổi nội năng bao gồm biến đổi năng lượng (động năng và thế năng) của các phân tử

Nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

10> Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

a Đối với khối khí có khối lượng 1kg, ta có:

pν = RT

b Đối với khối khí có khối lượng là G kg, thể tích V (m 3 ) thì ta có:

pV = GRT Trong đó:

- R: Hằng số chất khí

- µ: phân tử lượng của môi chất, µkg gọi là 1kilomol

- T: nhiệt độ tuyệt đối, K

11> Phương trình trạng thái của hỗn hợp khí lý tưởng

Trong đó:

12> Cách tính phân tử lượng tương đương của hỗn hợp:

1 1

i i n

i i

r g









Trong đó:

1

n i i

g







i i

G g G



1

n i i

r







i i

V r V



µ : là phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

13> Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng và thành phần thể tích:

i i i

r





CHƯƠNG II

1> Nhiệt dung riêng (NDR)

+ NDR là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 đơn vị môi chất để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ theo

một quá trình nào đó NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại khí

+ NDR kilomol đẳng tích là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kmol môi chất để nhiệt độ của nó

tăng lên 1 độ theo một quá trình đẳng tích (Tra bảng, cột 3)

+ NDR kilomol đẳng áp là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kmol môi chất để nhiệt độ của nó

tăng lên 1 độ theo một quá trình đẳng áp (Tra bảng, cột 4)

+ NDR khối lượng đẳng tích là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg môi chất để nhiệt độ của nó

tăng lên 1 độ theo một quá trình đẳng tích

Cách tính:

v

v

C





+ NDR khối lượng đẳng áp là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg môi chất để nhiệt độ của nó

tăng lên 1 độ theo một quá trình đẳng áp

Cách tính:

p

p

C





 Quan hệ giữa các loại NDR:

8314



(J/kg.K)

c p – c v = 8314 (J/kmol.K)

p

v

c

k

c 

1

v

R c

k



 ,

1

p

R k c

k





2> Nhiệt lượng:

Nhiệt năng là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật Vì vậy, mật độ các phân

tử càng lớn, nhiệt độ càng cao, áp suất càng cao thì nhiệt năng càng cao

Nhiệt lượng là năng lượng của môi chất trao đổi với môi trường xung quanh khi hệ thực hiện một quá trình nhiệt động

Kí hiệu: q – đối với 1kg môi chất, kJ/kg

Q – đối với Gkg môi chất, kJ Quy ước: Q (+) khi nhận nhiệt (nhiệt lượng có chiều đi từ môi trường vào bên trong môi chất)

Q (-) khi tỏa nhiệt (nhiệt lượng có chiều đi từ môi chất ra bên ngoài môi trường) + Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ:

dq = c.dt

2

1

.

t

t

q c dt c t    + Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi:

dq = T.ds

2

1

.

s

s

q T ds T s   

3> Công (cơ năng)

Trong nhiệt kỹ thuật, công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi có sự chuyển động vĩ mô Khi thực hiện một quá trình, nếu có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dịch chuyển trọng tâm khối môi chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ chuyển hóa thành cơ năng Lượng chuyển biến đó chính là công của quá trình

Kí hiệu: w - đối với 1kg môi chất

W - đối với Gkg môi chất

Đơn vị: J (N.m = J)

Ta thường gặp các loại công sau:

- Công thay đổi thể tích (công giãn nở)

2

1

tt









- Công lưu động (công thay đổi vị trí)

- Công kỹ thuật (công thay đổi áp suất)

2

1

kt w

P

P dP



 

- Công ngoài (ngoại công).

Quy ước dấu: W (+) khi hệ thống sinh công

W (-) khi hệ thống nhận công

4> Các loại đơn vị của năng lượng:

J, kJ

cal, kcal

BTU

CHU

kWh, Ws

CHƯƠNG III

1> Định luật nhiệt động 1

Nội dung: Là định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng trong phạm vi nhiệt kỹ thuật Định luật

thứ nhất nhiệt động lực học có điều “mới” hơn định luật bảo toàn năng lượng ở chỗ nó khẳng định rằng nội năng của một hệ chỉ phụ thuộc vào một số ít thông số trạng thái của hệ

Ý nghĩa:

công mà không nhận nhiệt hoặc sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào

Biểu thức:

2> Một số quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

Điều kiện:

- Môi chất phải là khí lý tưởng

- Quá trình có ít nhất một đại lượng (T, v, p, q, c) không đổi hoặc tỷ số α = Δu/q không đổiu/q không đổi

- Quá trình phải là quá trình thuận nghịch, các trạng thái trong quá trình phải là cân bằng

Một số đặc điểm riêng của các quá trình nhiệt động:

- Trong quá trình đẳng tích, tất cả nhiệt lượng đều biến thành nội năng mà không sinh ra

công

- Trong quá trình đẳng áp, nhiệt lượng 1 phần biến thành nội năng và 1 phần biến thành

công

- Trong quá trình đẳng nhiệt , tất cả nhiệt lượng đều biến thành công

- Trong quá trình đoạn nhiệt giữa công và nội năng chuyển hóa lẫn nhau, công sinh ra là

do môi chất giảm nội năng, ngược lại nội năng tăng là do môi chất nhận công

Một số chú ý:

- 1 kilomol = µ kg

- ĐKTC là điều kiện có p = 760 mmHg và t = 0oC

tt (J) W kt (J) Q (kJ) ∆s (kJ/kg.K)

(∆S = G.∆s, kJ/K)

α

Đẳng

tích

(n = ± ∞)

V = const

onst

p c

2 2

1 1

p T

p T

=

-GR.∆T

Đẳng áp

(n = 0)

p = const onst

V c

2 2

1 1

V T

V T

= GR.∆T

v v

T 

1

k

Đẳng

nhiệt

(n = 1)

T = const pV=const

1 2

2 1

p V

p V

1

lnV

GRT

V

1 2

ln p

GRT

p

1 2

.lnv .ln

v

R R p

p

Đoạn

nhiệt

p

c

n k

c

 

S = const

k

 

 

 



1

k

 

 

 



1

k k

p

T   

 

 



1

2 1

1 2

k

V

 

 

 

Đa biến

p

c c

n

c c









2 1

1 2

n

 

 

 

 1 1 2 2

1 n-1 p V  p V

=  1 2 1

GR

T T

lnT ln

T







2 1 1 2

log

log

p p n

V V





1

n

 

 

 





1

n n

p

T   

 

 



→

2 1 2 1

log 1 log

T T n

p n

p







1

2 1

1 2

n

V

 

 

 

→

2 1 1 2

log 1 log

T T n

V V

 

p

p

p

p







2 1

lnT

s c

T

 

Chú ý: - Đổi về cùng đơn vị trước khi thực hiện phép toán cộng, trừ

- Khi bài toán cho thể tích của môi chất thì phải đi tìm khối lượng của môi chất

CHƯƠNG IV

1> Định luật nhiệt động 2:

Nội dung: Xác định điều kiện, chiều hướng và mức độ chuyển hóa năng lượng trong các quá

trình nhiệt động đồng thời đánh giá được chất lượng của các chu trình nhiệt động

Ý nghĩa:

về nhiệt động học

duy nhất 1 nguồn nhiệt mà không có sự mất mát năng lượng nào cho môi trường bên ngoài

2> Chu trình nhiệt động:

a Chu trình thuận chiều:

cơ phản lực …)

lạnh và sinh công có ích

chiều theo chiều kim đồng hồ

P

V

a

b

q1

q2 L>0

2

1 1

W 1

Q

Q Q

W – công sinh ra

Chú ý : 0 < ƞ <1

b Chu trình ngược chiều:

nhiệt lượng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng

chiều theo ngược chiều kim đồng hồ

V

a

b

q1

q2 L<0

1 2 W

Q Q



1 2 W



Trong đó:

ε – hệ số làm lạnh để đánh giá máy lạnh

φ – hệ số làm nóng để đánh giá bơm nhiệt

W – công cấp vào

3> Chu trình Carnot

 Gồm có 4 quá trình: 2 quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch và 2 quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch xếp xen kẽ nhau

 Chu trình Carnot thuận chiều:

- Là chu trình của động cơ nhiệt làm việc với 2 nguồn nhiệt có nhiệt dung vô cùng lớn với nhiệt

- Chu trình Carnot thuận chiều được biểu diễn trên đồ thị nhiệt và công như sau:

Hiệu suất của chu trình Carnot thuận chiều:

c

    

Nhận xét:

 Chu trình Carnot ngược chiều: Là chu trình của máy lạnh hay bơm nhiệt có

hiệu quả cao nhất

Hệ số làm lạnh của chu trình:

1

1 2 1 2

2

1

c

T

T

Hệ số làm nóng:

2

1 2 1 2

1

1

c

T

T



Nhận xét:

B – BÀI TẬP:

Làm lại tất cả các bài phần bài tập sau các chương của giáo trình và bài tập làm làm thêm trên lớp

ĐƠN VỊ VÀ CÁCH CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ

1 Nhiệt độ

Gồm 4 thang đo (độ Celcius, Kenvin, Rankin, Farenheit) với mối quan hệ như sau:

Trong đó chỉ có độ Kenvin mới là thông số trạng thái theo hệ SI

2 Áp suất

Một số đơn vị khác:

1 mmHg = 1 torr = 133,32 Pa

1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa

1 psi = 6895 Pa = 0,07at

3 Thể tích

4 Công suất, năng suất

1 HP = 0,7457 kW

1 W = 1 J/s = 3,4118 Btu/h

1 tấn lạnh = 12000 Btu/h = 3,5169 kW

5 Năng lượng

1 kWh = 3600 kJ = 3412 Btu

1 kcal = 4,187 kJ

1 Btu = 1,05506 kJ = 0,25198 kcal

1 cal = 3,968 Btu

Bảng nhiệt dung riêng và chỉ số đoạn nhiệt của khí lý tưởng

[kJ/kmol.K]

[kJ/kmol.K]

Chú ý:

v

v

C





(kJ/kg.K)

p

p

C





(kJ/kg.K)

Ví dụ:

+ Không khí:

20,9 29

v

C 

29,3 29

p

C 

(kJ/kg.K)