Giáo trình nhiệt động lực học kỹ thuật lê kim dưỡng, đặng thành trung pdf

TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SÓ TRẠNG THÁI Trạng thái là tập hợp các đại lượng dùng để xác định tính chất vật lý của một môi chất tại một thời điểm nào đó, các thông số dùng để xác định ừạng

bộ giáo dục và đào tạo

B ộ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO

THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH

LÊ KIM DƯỠNG ĐẶNG THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

KỸ THUẬT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

GIÁO TRÌNH

Lê Kim Dưỡng, Đặng Thành Trung

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ổ CHÍ MINH

KP 6, p Linh Trung, Q Thủ Đức, TPHCM

Sô 3 Công trường Quốc tế, Q.3, TPHCM

ĐT: 38239172, 38239170 Fax: 38239172; Email: vnuhp@vnuhcm.edu.vn

Chịu trách nhiệni xuất bản

TS HUỲNH BÁ LÂN

Tổ chức bản thảo vù chịu trácỉi nhiệm về tác quyền

In 300 cuốn khổ 16 X 24cm, tại Công ty TNHH In và Bao bì Hưng Phú số

đăng ký kê hoạch xuất bản: 494-2013/CXB/04-25/ĐHQGTPHCM Quyêt định xuất bản số 118/QĐ-ĐHQGTPHCM ngày 17/6/2013, In xong và nộp lưu chiểu quí III, 2013.

LỜ! Νόΐ ĐÀU

NJi؛ệ، dộng lực kỹ tlíuật là một môn học ngliiCii c(m sự clmyển hóa năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng Nó là một môn ỈIỌC nền lảng trong lĩnh vực vật lý cũng như trong klroa học kỹ tliưật, đặc biệt trong nhOm ngành kỹ tliưật cơ klrí Ilầư hét, chc liiện trrợng khoa học kỹ tlmật đcu lihn quan ít nliiềư dến nhiệt dộng lực học

Nhằm xây dựng nlrOiig diương Irìnlr dào tạo theo hu'ớng công nghộ

và hư،'mg tOi áp dựng liọc chế tin clii một cách triột đố, Trườ.ng Đại học Sư phạm Kỹ tliưật TP.lĩC-Nl da xây dụ'ng chương trinli dào tạo 1 0 ؟ tin clrl tltco liướng tíếp cận CDIO Đẻ thpc hiện tốt cô.ng việc glhng dạy diương trinh này, một troirg nhû'ng yêu cầu cấn thiết đặt ra dó là pl،ải bidn soạn lại các giho trinh môn học phù hợp vơi chương trinh Nắm bắt dاrợc diều này, dựa trdn gldo Irìnli nliiệt dộng lực học kỹ tliuật dă viết vào năm 2005, tác giả ،lã chinh sửa, bổ sung, cập nliật một số nội dung mói ١'à lăng số lirợng bài tập giUp sinli viCn có điều kiộn tự học tại nha cũng nh.ư bổ sung mộl: số bảng phụ lục Giáo trinh này dược sti' dụng chủ yếu cho sinli vidn chuyỗn ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt của Trường Đại liọc Sir phọn.i Kỹ thuật ТР.І1СМ vả sinh vlín nlrOm nghnh Cơ klií

Tác giii

MỤC LỤC

LỜ[ NÓI ĐẦU 3

MỤC L Ụ C 5

Chưo-ng I: NHŨ.NG KHÁI NIỆM c o BẢ N 9

1.1 Nguyên lý làm việc của máy n hiệt 9

1.2 Hệ nhiệt động và các loại 9

1.2.1 Hệ kín và hệ h ở 9

1.2.2 Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt 10

1.3 Chất môi g ió i 10

1.4 Trạng thái và các thông số trạng thái 10

1.4.1 Thông số trạng th á i 10

1.4.2 Phương trình trạng thái 15

C huông II: CHÁT M ÔI G IỚI 17

2.1 Định ng h ĩa 17

2.2 Hỗn hợp khí lý tường 17

2.2.1 Định luật Gip - Dalton 17

2.2.2 Biểu thị thành phần hỗn họfp 18

2.2.3 Xác định các đại lượng vật lý hỗn h ọ p 20

2.2.4 Phân áp suất thành phần 22

2.3 Khí th ự c 23

2.3.1 Khái niệm 23

2.3.2 Quá trình hóa hơi đẳng áp 23

2.3.3 Phương pháp xác định thông số trạng thái của hơi nước 27

2.4 Không khí ẩ m 30

2.4.1 Định nghĩa 30

2.4.2 Phân loại 31

2.4.3 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm 31

2.4.4 Đồ thị i - d của không khí ấm 34

2.4.5 Cách xác định các thông số của không khí ẩ m 35

2.4.6 Các quá trình nhiệt động của không khí ẩ m 36

Chương III: NHIỆT VÀ CÔNG 37

3.1 Quá trình nhiệt động 37

3.1.1 Khái niệm 37

3.2 Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 37

3.2.1 Định nghĩa 37

3.2.2 Phân loại 38

3.2.3 Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt đ ộ 39

3.2.4 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng 39

3.2.5 Nhiệt dung riêng của hỗn họp khí lý tưởng 41

3.3 Các loại công 42

3.3.1 Công thay đổi thể tích 42

3.3.2 Công kỹ thuật 43

Chương IV: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHÁT 45

4.1 Nội dung và ý nghĩa 45

4.2 Phương trình địiửi luật nhiệt động thứ lủiất 45

4.2.1 Phương trìiửi cân bằng năng lượng tổng quát 45

4.2.2 Phương trình định luật lứiiệt động thứ nhất cho hệ kin và h ở 45

4.2.3 Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho quá trình lưu động 46

4.2.4 Phương trình địrủi luật nhiệt động thứ nhất cho quá trìiứi hỗn h ợ p 47

4.3 ứ n g dụng định luật lứiiệt động thứ nhất để tíiứi biến thiên các hàm trạng thái và các thông số quá trình 47

4.3.1 Các quá trình lứiiệt động cơ bản khí lý tưởng 47

4.3.2 Các quá trình nhiệt động cơ bản khí th ự c 60

Chương V: CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ H Ơ I 69

5.1 Quá trình nén khí và h ơ i 69

5.1.1 Khái niệm 69

5.1.2 Quá trình nén khí trong máy nén piston một cấp 69

5.1.3 Quá trình nén khí trong máy nén piston nhiều c ấ p 72

5.2 Quá trìiứi lưu động 77

5.2.1 Khái niệm 77

5.2.2 Các giả thuyết 77

5.2.3 Các công thức cơ bản 79

5.2.4 Sự phụ thuộc hình dạng ống dẫn vào tốc độ khi lưu động 83

5.3 Quá trình tiết lưu 85

5.3.1 Khái niệm 85

5.3.2 Hiệu ứng Joule - Thomson 87

Chương VI: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ H A I 89

6.1 Chu trình nhiệt động 89

6.1.1 Định nghĩa chu trình 89

6.1.2 Phân loại 89

6.1.3 Công của chu ừ ìn h 90

6.1.4 Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số bơm nhiệt 91

6.1.5 Chu trình C am ot 92

6.2 Định luật nhiệt động thứ h ai 94

6.2.1 Nội dung và cách phát biểu 94

6.2.2 Độ biến thiên entropy của hệ nhiệt động 95

6.3 Exergy 97

6.3.1 Khái niệm 97

6.3.2 Các biểu thức về exergy 98

Chưong VII: CHU TRÌNH THUẬN C H IỀ U 101

7.1 Định nghĩa và phân loại 101

7.1.1 Định nghĩa 101

7.1.2 Phân loại 101

7.2 Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston 101

7.2.1 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích 102

7.2.2 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp 105

7.2.3 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hcrp 107

7.2.4 So sánh hiệu suất nhiệt 109

7.3 Chu trình turbine khí 111

7.3.1 Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp 111

7.3.2 Chu frinh lý huyết hưbine khi cấp nhiệt dẳng áp có hồi nhiệt 114

7.3.3 Chu trinh lý thuyết hrrbine khi cấp nhiệt dẳng tích 116

7.3.4 Chu tình lý thuyết turbine khi cấp nhiệt dẳng tích có hồi nhiệt 119

7.4 Chu trinh lý thuyết dộng cơ phản lự c 120

7.4.1 Chu trinh ly thuyết dộng cơ phản lục trục luii 120

7.4.2 Chu trinh ly thuyết dộng cơ phản lực turbine máy nén 121

7.4.3 Chu trinh dộng cơ tên lửa 123

7.5 Chu trinh thiết bị dộng lực hơi nuớc 126

7.5.1 Chu trinh Camot khi th ự c 126

7.5.2 Chu trinh Rankine 127

7.5.3 Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt chu trinh khi thực., 129

7.5.4 Chu trinh quá nhiệt trung gian 131

7.5.5 Chu tìn h hồi nhiệt 134

7.5.6 Chu trinh ghép 140

7.5.7 Chu trinh cấp nhiệt, cấp d iệ n 142

Chương VIII: CHU TRÌNH NGƯỢC CHlEU 151

8.1 Định nghĩa và phân loại 151

8.1.1 Định nghĩa 151

8.1.2 Phân loại 151

8.2 Chu trinh máy lạnh dUng không k h i 152

8.3 Chu trinh máy lạnh dUng h ơ i 155

8.3.1 Chu trinh máy lạnh có máy n én 155

8.3.2 Chu trinh máy lạnh ejector 157

8.3.3 Chu trinh máy lạnh kiểu hấp thụ 160

8.3.4 Chu trinh máy lạnh và bơm nhiệt 161

PHỤ L ự c 165

TÀI LIỆU THAM KHẢO 196

Chương ỉ

1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT

Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng

Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ nliiệt và lứíóm máy lạnh, bơm nhiệt

Động cơ nhiệt: Gồm máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ

phản lực, turbine hơi, turbine khí các loại này làm việc theo nguyên lý chất môi giới nhận nhiệt (Qi) từ nguồn nóng (quá trình cháy nhiên liệu),

kế đến là giãn nở để biến một phần nhiệt thành công (Lo), sau đó chất

Qi ٠ IQ2 1 = Lo

Máv lạnh và bom nhiệt' Làm việc theo nguyên lý máy tiêu hao

năng lượng Lo, chất môi giới nhận nhiệt (Q2) từ nguồn lạnh để làm lạnh

Nhiệt và công là các dạng năng lượng, là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào quá trình

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 nliiệt mà thôi thì gọi là hệ đoạn nhiệt

Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ờ dạng khí được chia làm hai loại: Khí lý tường và khí thực

Một chất khí nào đó được xem là khí lý tường khi hội đủ 2 yếu tố:

- Thể tích bản thân phân tử khí rất lứiỏ được xem như bằng không

- Lực tương tác giữa các phân tử cũng bằng không

Còn lại gọi là khí thực

1.4 TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SÓ TRẠNG THÁI

Trạng thái là tập hợp các đại lượng dùng để xác định tính chất vật

lý của một môi chất tại một thời điểm nào đó, các thông số dùng để xác định ừạng thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái, ờ mỗi trạng thái xác định thì thông số trạng thái cũng có những giá trị xác định

Một ừạng thái được gọi là cân bằng của chất môi giới khi các thông

số trạng thái có cùng mộtgiá trị ở mọi diêm ừong toàn bộ khôi chât môi giới, ngược lại gọi là trạng thái chất môi giới không cân bằng

1.4.1 Thông số trạng thái

Để biểu diễn trạng thái của chất môi giới ngưòd ta nhờ đến ba thông

số trạng thái cơ bản: nhiệt độ, áp suất, thê tích riêng, ngoài ba thông sô này còn dùng đến các thông số khác như: nội năng, enthalpy, entropy, exergy,

1.4.1.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số trạng thái dùng để biểu thị mức độ nóng, lạnh của vật, còn theo thuyết động học phân lử nhiệt độ biểu thị giá trị động năng trung bình của các phân tử chuyển động tịnh tiến Theo Boltzmann ta có:

k = 1,3805.10'؛^ (J/độ)

Để xác định nhiệt độ người ta thường dùng hai thang đo nhiệt độ:

- Nhiệt độ tuyệt đối (Nhiệt độ Kelvin T,K)

Mối quan hệ của chúng sẽ là:

p: Áp suất tuyệt đối (N/m؛)F: Lực tác dụng (N)

* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất dư:

P = P d + Pk,

P = P k ,- Pck

* Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện

h: chiều cao cột thuỷ ngân ở t ٥c.

1.4.1.3 Thể tích riêng

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khố,i lượng Nếu một lượng khi có khối l ư ^ g là G kg, thể tích là V m^ thi thể tích riêng sẽ là:

Nội nhiệt năng bao gồm nội dộng năng và nội thế năng

Nội dộng nẫ.ng sinh ra là do chuyển dộng tịnh tiến, chuyển dộng dao dộng, cliuyển dộng quay của các phân tử còn nội thế năng sinh ra là

do lực tutmg tác giữa các phân tử

Tlieo thuyết dộng học phân tò, nội dộng năng phụ thuộc vào nhiệt

độ, nội thế năng phụ thuộc vào klroảng cách các phân tử, là hàm dơn trị của thể tích

Do vậy:

u = f(T, V)Dối vơi khi ly tường thi:

u = f(T)Mặt khác nội năng ỉà một thông số trạng thái nó chi phụ thuộc vào trạng thái dầu và trạng thái cuối không phụ tliuộc vào quá trinh tiến hành, nội nầng của khi lý ưrởng dược xác định:

du = Cv dTKhi clio quá trinh tiến hành từ trạng thái 1 dến trạng thái 2, độ biến thiên nội nă,ng có được bằng cách tích phân hai vế biểu thức trên:

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:

Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái và chỉ có ở hệ hở, khi dòng khí chuyển động thì năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khí dịch chuyển, năng lượng đẩy cũng chính là công lưu động

Entropy là một dại lượng vật ly cũng là một thông số trạng thái, mà

sự thay dổi của nó chứng tỏ rằng có sự trao dổi nhiệt

Phương trinh vi phân entropy có dạng:

Trong đó;

(J/kg)

q: nhiệt năng, (J/kg) e: exergy, (J/kg)a: anergy (phần nhiệt năng không thể biến thành công),

1.4.2.1 Phương trình trạng thải của khí lý tưởng

> Phương trình trạng thái khi viết cho 1 kg khí có dạng

Trong đó:

p; Áp suất tuyệt đối, (N W ) v: Thể tích riêng, (m^/kg)R: Hằng số chất khí, (J/kg.độ)

T ; Nhiệt độ tuyệt đối, (K)

> Phương trình trạng thái đối với G kg khí

101332.22,4_

Trong thực tế, các khí sử dụng đều là khí thực và việc tính toán khá phức tạp, để thiết lập phưomg trình cho khí thực người ta dựa vào phương trìrủi của khí lý tường rồi thêm vào đó một số hệ số điều chỉnh được rút

a/v^ : Hệ sổ điều chỉnh về áp suất nội bộ, klii kể đến

lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử

a, b : Còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo

các loại chất khí

CÂU HỎI CHƯƠNG I

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

ChLHơng II CHẤT MÔI GIỚI

2.1 ĐỊNH NGHĨA

Như đã trình bày ở chương trước chất môi giới là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biên vê năng lượng, chất môi giới ta gặp thường ờ dạng khí hoặc hơi

Chất môi giới được xem là ờ dạng khí khi trạng thái của nó ở xa trạng thái bão hòa, thường nhiệt độ tới hạn tưcmg đối thấp Ngược lại một chất xem là ở thể hơi khi nhiệt độ tới hạn của nó tương đối cao so với thông số thưòrng gặp

không khí , là khí lý tưỏmg Còn hơi nước trong thiết bị động lực hơi nước, các loại Freon (R-12, R-22, R-134a ), amôniắc (NH3) trong máy lạnh không được xem là khí lý tường

Ví dụ;

- 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

2.2 HỎN HỢP KHÍ LÝ TƯỎÌSG

Trong nhiệt động kỹ thuật có một số trường họp 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 nliiệt độ và chiếm toàn bộ thể tích cúa hỗn hợp

2.2.1 Định luật Gip - Dalton

ĐỊiửi luật được phát biểu như sau:

“Áp suất của hỗn hợp khí lý tưỏTig bằng tổng các áp suất riêng phần của các chất khí thành phần.”

-ا) 2 ا

Trong dó:

p: áp suất hỗn hợp

Pi: phân á suất chất kh؛ thứ ؛ (áp suất riêng phần)

Áp suất r؛êng phần của chất khi thành phần là áp suất của chất khi

dó khi nó chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở diều kiện nhiệt độ của hỗn hợp

Nếu gọi Ỵ,T là thể tích V؛ nhiệt độ của hỗn hợp, Pi, G؛, Ri là áp su~ất riêng phần, khối lượng, liằng số chất khi của thành phần thứ i trong hỗn hợp, từ phương trinh trạng thái ta có:

ﻻ ة ا ,

1

،=

ئ , ٤

=5

/=1

2.2.2 Bỉều thị thành phần hỗn hợp

Thành phần hỗn hợp có thể biểu thị theo khối lượng, thể tích hoặc

số inol

Thành phần khối lượng một chất trong hồn hợp là ti số giữa kliối lượng chất dó với khối lượng hỗn hợp:

Trong đó;

G,; khối lượng chất thứ i, (kg)G: khối lượng hỗn hợp, (kg)

Thể tích riêng phần V của chất thứ i trong hỗn hợp, ờ điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn họp:

nó có cùng giá trị

2.2.3 Xác định các đại lưọìig vật lý của hỗn họp

2.2.3.1, Phăn tử lượng của hỗn hợp (ụ)

(a)

=

س

ع/, ٤

1ت/

=

^

ا ٧ ثر

٢٢ آب

ﺬ ﻳ ۶

R = ٤٠,■ «,

|·=1ى

1/=

2.3.1.1 Quá trình hóa hoi

Quá trình hóa hơi là quá trình chuyến từ pha lỏng sang pha hơi, ngược lại gọi là quá trình ngưng tụ (xảy ra trong toàn bộ thể tích khối chất lỏng)

2.3.1.2 Quả trình nóng chảy

Quá trình nóng chảy là quá trình chuyển từ rắn sang lỏng, ngược lại gọi là quá trình đông đậc

2.3.1.3 Quá trình thăng hoa

Quá trhứi 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 hoi đẳng áp (Hơi nước)

Quá trình hóa hơi thường xảy ra ở áp suất không đổi

Hình 2.1: Quá trinh hóa hơi đằng áp của hơi nước

Quá trinh áược tiến hành nhu sau:

dịch chuyển dễ dàng với áp suất p = const VI piston dè lên mật thoáng của nước nên không xảy ra sự bay hoi mà chỉ xảy ra sự sôi khi cấp nhiệt

Khi cấp nhiệt vào xilanh, quá trinh biến nước thành hoi dưọc tiến hành như sau:

> Đoạn OA: Quá trinh dốt nOng nước từ 0٥c dến nhiệt độ sôi, giai

đoạn này khi nhiệt độ tăng thi thể tích cũng tăng Các thông số

của nước ờ trạng thái ban dầu (điểm 0 ) có ký hiệu: Vo, Uo, lo, to

Tại A nhiệt độ của nước dạt dến nhiệt độ sôi, các thông số nước

sôi có ký hiệu: V , u , 1, t = ts

> Đoạn AC: Biểu diễn quá trinh sôi, trong giai đoạn này mặc dU tiếp tục cấp nhiệt nhưng nhiệt độ của nước vẫn không dổi Nhiệt lưọng cung cấp cho nước trong đoạn AC không làm nhiệt độ của nước tăng lên gọi là nhiệt hóa hoi, ký hiệu; r

Tại c giọt nước cuối cUng biến thành hoi, sự sôi kết tliUc, hoi nước

ở trạng thái này gọi là hoi bão hòa khô, ky hiệu các thông số hoi bão hòa

khô؛ v ” , u " , i ” ,t " = t

Hoi nước tại điểm B nào dó trong đoạn AC (hỗn họp giữa nước sôi

và hoi nước bão hòa khô) gọi là hoi nước bão hòa ẩm Thông số trạng thái của hoi bão hòa ẩm B kí hiệu là : Vx, Ux, 1χ, tx = ts.

Đe xác định trạng thái hơi bão hòa ẩm người ta đưa ra thông số X,

gọi là độ khô Độ khô cho biết lượng hơi bão hòa khô chứa trong 1 kg hơi bảo hòa ẩra

G kg hơi bão hòa khô

G kg hơi bão hòa ẩm

Độ ẩm cho biết lượng nước chứa trong 1 kg hơi bão hòa ẩm

> Đoạn CD; Biểu diễn quá trình biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt Sau khi toàn bộ nước đã biển thành hơi tại c, nếu tiếp tục cấp nhiệt lúc này nhiệt độ của hơi sẽ tăng lên cho đến trạng thái D nào đó, D gọi là trạng thái hơi quá nhiệt, thông số hơi quá nliiệt có kí hiệu là: V, u, i, t > ts Quá trình tiến hành lủiiều lần ở

các áp suât khác lứrau, sau khi xử lí số liệu, được tóm tắt và biếu diễn trên đồ thị p-v như sau:

Trên đồ thị các điểm Oi, O2, O3 biểu diễn trạng thái nước ở 0٥c với các áp suất khác nhau, chúng nằm trên đường thẳng gần như song song

với trục p (vì thể tích của nước ở 0٥c hầu như không thay đổi theo áp

suất)

Những điểm Ai, Ai, A3 biểu diễn trạng thái nước sôi ở các áp suất kliác nhau, áp suất càng cao các điểm này càng nghiêng về bên phải, vì nhiệt độ sôi cao nên thể tích tăng theo áp suất

Các điểm Ci, C2, C3 biểu diễn trạng thái hơi bão hòa khô ở các áp suất khác nhau, áp suất càng lớn thì đường này càng có khuynh hướng nghiêng về bên trái (p và V của hơi bão hòa khô tỉ lệ nghịch)

Nối các điểm Oi, O2, O3 , ta được đường nước ở o.c Nối các điểm Ai, A2, A3 ta được đường nước sôi hay gọi là đường giới hạn dưới, có X = 0 Nối các điểm Ci, C2, C3 ta có đường hơi bão hòa khô hay gọi là đường giới hạn trên, có X = 1

Khi áp suất càng tăng thì hai đường giới hạn dưới và giới hạn trên tiến lại gần nhau, đến một áp suất nào đó gọi là áp suất tới hạn thì hai đường này sẽ gặp lửiau tại k, k gọi là điểm tới hạn

Vùng I: vùng nước chưa sôi

Vùng II: vùng hơi bão hòa ẩm

Vùng III: vùng hơi quá nhiệt

C[k ~ Cph (t— ts)

qi،: Nhiệt lượng cần thiết để biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt.

Cph; Nhiệt dung ricng đẳng áp của hơi quá nhiệt

2.3.3 Phương pháp xác định thông số trạng thái của hơi nước

Hơi nước là khí thực có tính chất khác xa khí lý tưởng, để xác định các thông số trạng thái của nó ta nhờ đến bảng hoặc đồ thị

2.3.3.1 Bảng hơi nước

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:

i”

kJ/4cg

tlkJ/kg

s’

kJ/kg.độ

s”kJ/kg.độ

i”

kJ/kg

rkJ/kg

> Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt

Dùng tra các thông số nước chưa sôi và hơi (Ịuá nhiệt Khi tra các thông số trong bảng này cần biết trước hai thông số p và t Bảng này có dạng hình bậc thang phía bên phải dùng để tra các thông số hơi quá nhiệt, phía bên trái để tra các thông số nước chưa sôi Ngoài ra, để tra các thông

số của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt, người ta còn dùng một số bảng riêng cho từng loại

Riêng đối với hơi bão hòa ẩm không có trong bàng, để xác địnli các

khô và nước sôi, theo các công thức sau:

> Dồ thị T-s

Hình 2.3: Đồ thị T~ s của hơi nước

Trên đồ thị T-s các đường đắng áp trong vùng hơi bão hòa ẩm song song trục s, khi qua vùng hơi quá nhiệt có dạng là đường cong logarit bề lồi quay về phía dưói Các đường đẳng tích luôn luôn đi lên ờ cả hai vùng hơi bão hòa ẩm và hơi quá lửiiệt, đồng thời cũng dốc hơn đường đẳng áp

Trong vùng bão hòa ẩm độ khô X tăng dần từ X = 0 đến X = 1.

> Đồ thị i-s

Hình 2.4: Đồ thị i - s của hcri nước

ở đồ thị i-s trong vùng hơi bão hòa ẩm các đường đẳng nhiệt và đăng áp là những đườnẹ thẳng dốc lên, ra đến vùng hơi quá nhiệt, đường đẳng nhiệt gần như nằm ngang còn đường đẳng áp tăng mạnh Các đưòng đắng tích vẫn có dạng đường cong và dốc hơn đẳng áp

> Đồ thị logp-i của môi chất lạnh

(R-12, R-22, R-134a ) để xác định các thông số ta thường dùng đồ thị logp-i cho các môi chất lạiừi

logp ị

Hình 2.5: Đồ thị logp - i của môi chất lạnh

Trên đồ thị logp-i các đưòng đẳng áp là những đường thẳng song song trục hòanh, các đường đẳng nhiệt trong vùng hơi bão hòa ẩm trùng với các đường đẳng áp tương ứng, ở vùng hơi quá nhiệt là những đường cong gần như thẳng đứng Các đường đẳng entropy và đẳng tích là những đường cong có bề lồi quay về phía trên, nhưng đưòng đẳng entropy dôc hơn so với đường đẳng tích

2.4 KHÔNG KHÍ ẨM

2.4.1 Định nghĩa

Không khí ẩm là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước Là không khí được sử dụng trong kỹ thuật, trong sinh họat đời sông con người Không khí khô ở đây gồm 2 1% O2, 78% N2, còn lại là CO2 và các khí trơ

Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất nhỏ, nên hơi nước ở đây có thể coi là khí lý tưởng, do vậy không khí ẩm được xem là hỗn hợp khí lý tưởng

Là khí lý tưởng, nên ta có:

Áp suất: p= P k + P h

2.4.2 Phân loai٠

Tùy theo lượng nước chứa trong không khí ẩm ta có thể phân ra như sau:

2.4.2.1 Không khí ẩm chưa hão hòa

Là không khí ẩm mà lượng h(ứ nước trong nó ở trạng thái hơi quá nhiệt, trong trường hợp này nếu ta cho thêm hơi nướcvào thì hơi nước vẫn chưa bị ngưng tụ

irinlt 2.6: Các cách biển hơt nước chtra bao hòa thành hơt nườc bao hòa

Có hai cách biến hơi nước chưa bão IrOa thành hơi nước bão hòaCách 1 ứng với quá trìnlr AB, giảm nhiệt độ th đến nhiệt độ đọng sương ts, vớip = const

Cách 2 ứng với quá trìnli AC, tăng áp Ph áến Phmax, với tji = const

2.4.2.2 Không khi ẩm bão hòa

Là không khi ẩm trong đó hoi nirOc ở trạng thái hơi bão hòa khô (Gh max) lúc này nếu cho thêm hơi nước vào tlrì nó sễ đọng thành những giọt rất nhỏ, nểu tiếp tục cho thCm hơi nước vào ta sẽ có không khi ẩm quá bão hòa (tạo thành Ế ữ n g giọt nư،'rc ngưng tụ)

2.4.3 Các thông số áặc trung của không khi ẩm

Nếu một khối khống khi ẩm co thể tích la V (m^), chứa lượng hoi nước là Gh (kg), thi ti số:

V Pk (2-19)

Với Ph gọi là độ ẩm tuyệt đối (kgW ).

Như vậy, độ ấm tuyệt đối cũng chính là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm Trong thực tế để biết khả năng chứa hơi nước nhiều hay ít của không khí ẩm ta cần dùng đến độ ẩm tương đối

p ١؛ : độ ẩm tuyệt đối chưa bão hòa

p h max: độ ẩm tuyệt đối bão hòa

Từ phương trình trạng thái viết cho hơi nước trong kliông khí ẩm chưa bão hòa và bão hòa là:

: thích hợp trong bảo quản rau quả thực phẩm

2.4.3.3 Độ chứa hơi (d)

Là tỉ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô

؟ ٠ -trong không khí ầm

d =

( 2 - 22 )

2.4.3.4 Enthalpy của không khí ẩm

Enthalpy không khí ẩm bằng tổng enthalpy của không khí khô và hơi nước chứa trong đó Enthalpy của không khí ẩm có chứa 1 kg không

Trong đó:

ik: Enthalpy 1 kg không khí khô, được xác định:

ik= l,0 0 4 8 t« t (kJ/kg) ih: Enthalpy không khí ẩm, được xác định:

2.4.4 Đồ thị i-d của không khí ẩm

Để xác định các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm ngirời ta dựa vào đồ thị i-d

i(KJ/Kg)

Hình 2.7: Đ ồ thị i - d k h ô n g k h í ẩm

Trên đồ thị trục i và d hợp với ĩủiau một góc 135٥.

- Đường P h là phân áp suất hơi nước

- Đường i = const: đường thẳng hợp với trục d một góc 135٥.

- ĐưÒTig d = const: những đường thẳng đứng

- Đường t = const: những đường thẳng hơi dốc, càng lên cao có khuynh hưcýng phân kỳ

- Đường (p = 100% chia không khí ẩm thành hai vùng, vùng trên là không khí âm chưa bão hòa, vùng dưới là không khí âm quá bão hòa Đôi

với vìing không khí ẩm chưa bão hòa, (p có dạng đường cong quay phía lôi lên trên, nhưng đên vùng có t > ts thì nó là đường thăng vuông góc trục d Để xác địiứi các thông số kỉ٠ ông khí ẩm ta cần biết hai trong số các thông số; i, d, t, (p, .

2.4.5 Cách xác định các thông số của không khí ẩm

100 %

l٠m;١.\

ii

Hình 2.8: Đ ồ thị i - d của kh ô n g k h i ẩm

không khí ẩm được xác định là điểm A, đó là giao điểm của đưòfng ÍA và

Neu ta kéo dài ÍA, nó sẽ cắt đư،'mg (p = 100% ở D, từ D kẻ đường

ta suy ra giá trị của Phmax·

2.4.6 Các quá trinh nhiệt động của không khí ẩm

2.4.6.1 Quá trình đốt nóng và làm lạnh

ở đây 1-2 là quá trình đốt nóng, quá frinh này có d = const,

enthalpy và nhiệt độ của quá trình này sẽ tăng lên Ỉ2> I], Í2> ti, trong lúc

؛ ١٠،١٠٢١٠،١٠

؛ ١٠

؛ ١٠

2(Trình bày cách xác định áp suất của một hỗn hợp khí lý tường

3(Trình bày quá trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước

4 (Cách xác định nhiệt lượng cần thiết để biến nước từ o.c đếntrạng thái hơi quá nhiệt

5(Nêu các phương pháp xác định thông số của hơi nước

6

(Trìiứi bày các thông số đặc trưng của không khí ẩm

.7(Giải thích các đường đặc túứi ưong đồ thị i - d của không khí ẩm

ChLPơng lii NHIỆT VÀ CÔNG

3.1 QUÁ TRÌiNH NHIỆT ĐỘNG

3.1.1 Khái niệm

Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái khi các thông số trạng thái của hệ có giá trị không đổi theo thời gian (không có tác động công hoặc nhiệt từ môi trường) Ngược lại gọi là trạng thái không cân bằng

Một trạng thái cân bằng bất kỳ có thể biểu thị trên đồ thị p-v, T-s, i-s, Như vậy quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi từtrạng thái này đến trạng thái khác của hệ Điều kiện để có sựthay đổi trạng thái rủiiệt động của hệ khi có sự trao đổi lứiiệt hoặc công với môi trường và ít lửiất phải có một thông số trạng thái không đổi

Quá ừìrứi cân bằng là quá trình chất môi giới qua các trạng thái cân bằng Thực tế không tồn tại quá trình cân bằng,vì muốn chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác cần phải phá vở sự cân bằng ban đầu Nhưng nếu quá trình xảy ra vô cùng chậm (sự thay đổi thông số trạng thái nhỏ) vẫn được gọi là quá trình cân bằng

3.2 NHIỆT LƯỢNG VÀ CÁCH TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO NHIẼT DUNG RIÊNGt

3.2.1 Định nghĩa

Nhiệt dung riêng là số nhiệt lượng cần thiết để làm cho một đom vị chất môi giới thay đổi một độ theo một quá trìiửí nào đó Ký hiệu là c

- Nếu ta có một đom vị chất môi giới là 1 kg, cẩn một nhiệt lượng là

dq làm cho nó thay đổi nhiệt độ là dT thì;

:= Ểl■

- Còn nếu ta cung cấp cho chất môi giới một nhiệt lượng là q làm cho nó thay đổi nhiệt độ từTi đến T2 thi:

T١- r 2 gọi là nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng lứiiệt độtừTi đến T2

Ký hiệu nhiệt dung riêng frung binh từ Ti dến Τ2 là c

Có nhiều cách phân loại nhiệt dung riêng, nếu dụa vào dơn vị do và

dặc tinh quá trinh ta có các loại sau:

ký hiệu c (kJ/kg.độ)

- Nếu quá trinh tiến hành trong diều kiện ap suất không dổi, gọi là

- Nếu quá riình tiến hành trong diều kiện thể tích không dổi, gọi là

tích, ký hiệu c' (kí/m^tc.dộ) (m^tc do ở diều kiện, p = 760 mmHg, t = 0 ٥c).

Tương tự ta cUng có c ’p và c’v lần lưẹrt là nhiệt dung riêng thể tích

dăng áp vànhỉệt dung riêng thê tích dâng tích

hiệu С ц (k J/b o l.đ ộ )

Tương tự ta cUng có Cpp và C n v , ký hiệu cho nhiệt dung riêng kmol

dâng áp và nhiệt dung riêng kmol dẳng tích

Mối quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng:

Khi biết nhiệt dung riêng này cần xác định nhiệt dung riêng kia ta

dUng các môi quan hệ sau:

C p - C v = R

= k

(3-3a)(3-3b)(3-3c)Trong dó k là số mũ đoạn nhiệt, k > 1

Từ (3-3b) và (3-3c)

3.2.3 Sự phụ thuộc nhỉệt dung rỉÊng vào nhỉệt độ

độ chinh xác cao, ta coi nhiệt dung riêng không phụ thuộc vào nhiệt độ, chi phụ thuộc vào tinh chất của chất môi giới, dể xác dinh ta có bảng sau:

Bảng 3.1: Xác định số mũ k và các loại nhiệt dung riêng

3.2.3.2 Quan hệ đường thẳng: ở mức độ chinh xác vừa phải nhiệt

dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ duờng thẳng như sau:

3.2.3.3 Quan hệ đường cong: Khi mức độ chinh xác cao nhiệt

dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ dường cong:

Trong dó: a, b, a’, b ’, dlà những hằng số xác định tò thực nghiệm

3.2.4 Tinh nhíệt Jượ٠ng theo nhíệt dung rỉêng

3.2.4.I Theo nhiệt dung riêng thực

dT

dq = c.dTKhi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, tích phân biểu thức trên ta được: