PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG

Bơm, quạt, máy nén  Thiết bị sấy  Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…  Công nghệ tách khí, hóa lỏng  Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triềuBơm, quạt, máy nén  Thiết bị sấy  Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…  Công nghệ tách khí, hóa lỏng  Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều

• Nội dung môn học:

 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc

nghiệm 1 và thi giữa kỳ

 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 15%

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 10%,

Sơ lƣợc về môn học

• Nội dung môn học:

 PHẦN 1: Nhiệt động lực học (9 tuần) bao gồm cả bài kiểm tra trắc

nghiệm 1 và thi giữa kỳ

 PHẦN 2: Truyền nhiệt (6 tuần) gồm cả bài kiểm tra trắc nghiệm 2

• Hình thức đánh giá:

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 15%

o Kiểm tra trên lớp (Bài tập lớn): 10%,

Sơ lƣợc về môn học

Tài liệu tham khảo:

1 Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997

2 Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002

3 Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Đại học kỹ thuật TpHCM, 2001

4 Yunus A Cengel, Micheal A Boles- Thermodynamic: an engineering

NỘI DUNG PHẦN 1: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT

• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT

• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT

• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai

• Chương 4: Chất thuần khiết

• Chương 5: Chu trình thiết bị động lực hơi nước

• Chương 6: Không khí ẩm

• Chương 7: Chu trình thiết bị lạnh

• Chương 8: Quá trình lưu động và tiết lưu (tham khảo)

• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong (tham khảo)

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN (BASIC CONCEPTS),

PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

(THE IDEAL-GAS EQUATION OF STATE)

1 Các vấn đề chung

2 Trạng thái và thông số trạng thái

3 Phương trình trạng thái của chất khí

1 Các vấn đề chung

Nhiệt động lực học?

Quy luật biến đổi năng lượng

Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi

Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:

 ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…

 Bơm, quạt, máy nén

Khoảng khơng gian chứa một lượng nhất định chất mơi giới đang khảo sát bằng các

l

Môi trường xung quanh

Chất mơi giới?

Mặt ranh giới?

Mơi trường?

Chất mơi giới (Chất cơng tác)?

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng Hoặc cĩ thể tích trữ năng lượng

VD: Trong động cơ nhiệt: khơng khí

Trong động cơ hơi nước: hơi nước Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng +k khí

Hệ kín:

 Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường

 Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi

Máy lạnh

Bơm nhiệt …

Hệ hở:

Hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng và khối lượng

Chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống

Động cơ đốt trong Động cơ phản lực

Ví dụ:

Hệ cô lập:

Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao

đổi năng lượng nào

Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường

Hệ đoạn nhiệt:

Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh

Nguồn nhiệt ?

Nguồn nóng + nguồn lạnh ?

Máy nhiệt ?

Động cơ nhiệt, Bơm nhiệt và máy làm lạnh

 Động cơ nhiệt:

- Máy nhiệt dùng để sinh công

- Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng đến nguồn lạnh

Ví dụ:

Động cơ đốt trong Động cơ phản lực Thiết bị động lực hơi nước Các loại turbine…

- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1

- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2

- W: công sinh ra

W Q

Q 1

Q

Q Q

 Bơm nhiệt và máy làm lạnh

- Nhận công từ bên ngoài

- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược

từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng

- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1 (T1> T2)

- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2

- W: công nhận

1

- Bơm nhiệt

Hệ số làm nóng:

2 1

1q q

1 2

Q Q

φ=

W  Q -Q

- Máy làm lạnh

2 1

2

q q

2 2

Q Q

Q W

Chất môi giới

Pha và chất thuần khiết

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng

Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi

Khí lý tưởng

Thể tích bản thân các phân tử bằng không

Lực tương tác giữa các phân tử bằng không

Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng

Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần

hóa học

Rắn, lỏng, hơi (hay khí)

Chất thuần khiết: là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học

Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau

2 Trạng thái và thông số trạng thái

 Trạng thái

 Trạng thái cân bằng

- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của CMG tại

một thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động

- Giá trị các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ

- Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian

Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác

 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch

 Quá trình

20

 Thông số trạng thái?

- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG

- Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông

 Nhiệt độ là gì?

- Biểu thị mức độ nĩng lạnh của một vật

- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dịng nhiệt

Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng

trung bình của vơ số phân tử chuyển động tịnh tiến

k = 1,3865.10-23 J/độ, hằng số Boltzmann,

T : nhiệt độ tuyệt đối của khối chất khí đang khảo sát

M : khối lượng của một phân tử

 : căn bậc hai của trung bình bình phương tốc độ của các phân tử

2M 2

1 T

k 2

- Định luật nhiệt động thứ không (zeroth law of thermodynamics):

Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì

nhiệt độ của 2 vật đó bằng nhau

t1 = t3

t2 = t3 t1 = t2

- Các thang đo nhiệt độ:

Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)

Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF

Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR

  K t C 273 , 15

67 , 459 R

T F

t    

8 , 1

32 F

T  

Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ

°C

Mức không của thang

nhiệt độ tuyệt đối

Điểm đóng băng của nước

'A

Các loại áp suất:

 Aùp suất khí quyển : áp suất của cột không khí đè trên mặt đất

Được đo bằng Barometer

pkq = pkt = 1 bar

 Aùp suất dư (pd) : khi áp suất của môi trường khảo sát có trị số lớn

hơn áp suất khí quyển, ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất của môi

 Aùp suất chân không (pck) : là độ chênh áp suất khi áp suất môi

 Aùp suất tuyệt đối (p)

Áp suất tuyệt đối

Chân không tuyệt đối

Áp suất môi trường khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển Áp suất tuyệt đối

Áp suất khí quyển

Áp suất môi trường khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển

Độ chân không Áp suất dư

Mối quan hệ giữa các loại áp suất

) m / kg

( V

G v

( G

V

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất

V: thế tích choán chỗ của khối chất môi giới (m 3 ) G: khối lượng khối chất môi giới đang khảo sát (kg) v: thể tích riêng (m 3 /kg)

ρ: Khối lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m 3 )

Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong

hệ thống

U E

E

E   đ   t  



Lượng biến đổi nội năng thực chất là lượng biến đổi nội nhiệt năng:

- Động năng: do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của

các phân tử và do các dao động trong nội bộ phân tử

- Thế năng: do lực tương tác giữa các phân tử

- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên

Đơn vị:

kJ, kcal, kWh, Btu (Bristish thermal unit), Chu (Centigrade heat unit)

Entropy S?

q ds

32

Entanpi ?

Khi thực hiện các bài toán về nhiệt động ta thường gặp biểu thức u + pv

 Kamerlingh Onnes đặt tên là Entanpi

Với khối chất môi giới khảo sát là 1kg

33

3 Phương trình trạng thái của khí

Khí lý tưởng?

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng?

 Khí là tập hợp của vô số các phân tử Ở các điều kiện thực tế, giữa các phân tử đều có một lực tương tác nhất định nào đó và bản thân mỗi phân tử đều có một thể tích nào đó

 KLT là chất khí thỏa mãn 2 điều kiện sau :

- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 ( v = 0)

- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 ( f = 0)

Ở điều kiện áp suất khá thấp và nhiệt độ khá cao thì khí thực có thể được xem là KLT

Trong đó :

p : áp suất tuyệt đối, N/m2

V : thể tích khối khí, m3

G : khối lượng khối khí, kg

T : nhiệt độ tuyệt đối, K

pV = GRT pv = RT

) K kg / J (

8314

R R







 

 Hỗn hợp khí lý tưởng

- Các thành phần được trộn lẫn lại theo kiểu cơ học,

- Không xảy ra phản ứng hóa học

- Nếu mỗi thành phần trong hỗn hợp đều có thể được xem là khí lý

tưởng thì hỗn hợp được xem là hỗn hợp khí lý tưởng

 có thể sử dụng PTTT của KLT cho trường hợp của hỗn hợp

Ví dụ: không khí có thể được xem là hỗn hợp KLT bao gồm N2, O2,

Cần chú ý, mỗi thành phần trong hỗn hợp đều ở nhiệt độ của hỗn

hợp và chiếm tòan bộ thể tích của hỗn hợp

 Áp suất riêng phần:

phân áp suất của thành phần đó



1 i

i

p p

Định luật Gibbs-Dalton :

kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân

áp suất của các thành phần và nội năng của hỗn hợp bằng tổng nội năng

i

U U

p: áp suất hỗn hợp

U: nội năng của hỗn hợp

- Thể tích riêng phần (phân thể tích) là thể tích choán chỗ của

nhiệt độ của hỗn hợp

 Thể tích riêng phần (phân thể tích)



1 i

i

V V

 Cách biểu diễn thành phần của hỗn hợp

i

G G

1 g

n

1 i

i

V V

1 r

n

1 i

i 

 



Ngoài ra còn có thành phần mol , giá trị bằng với thành phần thể tích

n

n V

V

Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri

n

n G

g r

 Xác định một số đại lƣợng đặc trƣng của hỗn hợp

Phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượng

Theo thành phần thể tích

1 g

n

1 i

i

i r

Theo thành phần khối lượng

n n

i i

i n

1 i

i

T

pV T

V

p R

n

1 i

i i

i i

R

g G

R G R

i i

i i

g R

i i

g v

n

i n i

i i i

G G

Phân áp suất của các thành phần

GR

R G p

p GRT

T R G pV

V

i i

i

R

R pg

g O2 =0,12, g N2 =0,7 đến áp suất bằng bao nhiêu để khi t=180 o C thì 8 kg hỗn

hợp có thể tích 4 m 3 Manometer sẽ chỉ bao nhiêu (bar), nếu biết p kq =760

mm Hg

SV xem các ví dụ chương 1, 2 tài liệu [2]

Hết chương 1