ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG

Công (Work) 2. Nhiệt lượng (Heat) 3. Nhiệt dung riêng (Specific heats) 4. Định luật nhiệt động thứ nhất (The First Law of Thermodynamics) 5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý Công (Work) 2. Nhiệt lượng (Heat) 3. Nhiệt dung riêng (Specific heats) 4. Định luật nhiệt động thứ nhất (The First Law of Thermodynamics) 5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý

CHƯƠNG 2

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1 Công (Work)

2 Nhiệt lượng (Heat)

3 Nhiệt dung riêng (Specific heats)

4 Định luật nhiệt động thứ nhất ( The First Law of

Thermodynamics)

5 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

2

- Công

- Nhiệt lƣợng

Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:

Công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới

và môi trường trạng thái của chất môi

giới bị thay đổi

1 Công là gì?

- Công W được xem là tích số giữa lực F và đoạn đường dịch chuyển dx

theo chiều tác động của lực

J Joule ( )  

Power Trong hệ thống nhiệt động: công là lượng năng lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó

Example of work crossing the boundary of a system

 Công giãn nở hay công nén trong hệ kín

A: diện tích piston p: áp suất của chất môi giới V: thể tích chất môi giới Lực tác động lên bề mặt piston: F = p.A Công tạo nên khi piston dịch chuyển một đoạn dx:

dV p dx

A p dx

F

W

Wtt = diện tích (122’1’)

1

VV

 Công trong hệ thống hở

- Công lưu động

Công sinh ra do môi chất chuyển động khi áp suất thay đổi

Công lưu động trong trường hợp chất khí di chuyển trong các ống thỏa các điều kiện sau:

• Chất khí lưu động liên tục và ổn định

• Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục

• Các thông số trạng thái của chất khí trên cùng một tiết diện ngang là như nhau

G : lưu lượng khối lượng

F

8

Xét công lưu động mà phần khí giơí hạn giữa chúng sinh ra:

Phần công khối khí phải tao ra để đẩy khối khí phía sau nó :

Công kỹ thuật

Trong các máy móc thiết bị, khi môi chất tạo ra

đƣợc một công dãn nở thì nó phải tiêu tốn một

có thể sử dụng đƣợc gọi là công kỹ thuật

Tượng tự, công kỹ thuật cũng phụ thuộc vào quá trình

Dấu của wkt trái với dấu của dp

dp < 0  w kt > 0 : khi dãn nở (áp suất giảm) thì sinh công kỹ thuật

dp > 0  w kt < 0 : khi nén ép (áp suất tăng) thì nhận công kỹ thuật

biểu diễn quá trình này trên đồ thị pv:

w kt = diện tích (122’’1’’)

10

2 Nhiệt lƣợng là gì?

- Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt

ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh

Q > 0 : nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào

Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt

Đơn vị: Joule (J)

212

1

Q    Q

Các loại trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

The effects of heat addition to a system that also can give out work

(Internal Combustion Engine)

12

Phương pháp tính nhiệt lượng

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropy

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ

δq = Tds

δq = Cdt

 Nhiệt dung riêng (Specific heats)

δq = Cdt

δq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường

dt : lượng thay đổi nhiệt độ của chất môi giới

Rõ ràng dq và dt tỷ lệ qua hệ số C, được gọi là nhiệt dung riêng (NDR)

Trong đó :

NDR là lƣợng nhiệt cần cung cấp để đƣa

một đơn vị vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó và ngƣợc lại

14

Phân loại nhiệt dung riêng:

Theo đơn vị đo lường vật chất:

Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất

- NDR đẳng áp , Cp: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp

Cp, C’p, Cp

- NDR đẳng tích , Cv: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng tích

Cv, C’v, Cv

- NDR khối lƣợng, C (J/kg.độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg)

- NDR thể tích, C’ (J/m3tc.độ) : khi đơn vị đo vật chất là đơn vị thể tích (m3, ở đktc)

- NDR mol, C (J/kmol.độ) : khi đơn vị đo vật chất là 1 Kmol

Giữa 3 loại NDR này có mối quan hệ sau:

C=  C = 22,4.C’

15

* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :

k C

Cv

Với k: hệ số đoạn nhiệt

- Ở khí thực, giá trị k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất khí

- Ở KLT, k chỉ phụ thuộc bản chất (cấu tạo phân tử) của chất khí

Nhóm 1 nguyên tử: gồm các khí như Ar, Ne, He,…

Nhóm 2 nguyên tử: gồm các khí như O2, N2, H2, CO, Không khí,…

Nhóm 3 nguyên tử: gồm các khí như CO2, SO2, CH4, C2H2, C2H4,…

Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kcal/kmol.độ)

Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp?

- Nhiệt lượng dùng để làm cho toàn bộ hỗn hợp biến đổi 1 độ bằng tổng nhiệt

lượng dùng để làm cho mỗi thành phần biến đổi 1 độ

vi i vn

n 2

v 2 1

pi i pn

n 2

p 2 1

i i

C

18

Định luật nhiệt động thứ nhất

“ Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi mà chỉ chuyển hóa

từ các dạng năng lƣợng khác (hay thành những dạng năng lượng khác) Một

lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng dưới các dạng khác và ngược lại “

Định luật bảo toàn năng lƣợng

W Q



Với hệ nhiệt động  E   U  U2  U1

Xét một hệ nhiệt động:

- G kg môi chất,

- Biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 nào đó,

- Có một nhiệt lượng Q tham gia ( có thể nhận hoặc mất),

- Và một công W tác động vào môi trường ( có thể cho hoặc nhận)

Nếu ở trạng thái 1 và 2, hệ nhiệt động có năng lượng toàn phần tương ứng bằng U1

20

Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ kín

Do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường:

Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ hở

Do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường nên môi chất phải tiêu tốn công lưu động và ta chỉ còn có thể sử dụng phần còn lại Tức công ngoài trong trường hợp này xấp xỉ bằng công kỹ thuật

2







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

Mục đích việc khảo sát phần này nhằm:

- Tìm quy luật của quá trình, thể hiện bằng các phương

trình quá trình

- Tìm quan hệ ràng buộc giữa các thông số của quá trình

- Tính các kết quả về mặt năng lượng khi quá trình xảy ra

Chú ý: chỉ khảo sát chất môi giới là KLT, các quá trình đều là

cân bằng và đều có tính thuận nghịch

C C

vdp dT

C C

v n

p n

pdv

vdp C

C

C C

v n

C

C C

v n

n pdv

dv n p

26

Quan hệ giữa áp suất và thể tích riêng

Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hoặc nhiệt độ và thể tích riêng

n

2

1 1

2

v

v p

2 1

2

v

v.p

pT

T 

n 1

p T

2 1

2

p

p T

2 1

2 1

2

v

v.v

vT

Công giãn nở , ta có pv n = p 1 v 1 n hay

1 2 1

knC

k n C

k n C G

n tt

C k C

T

T v

v 

1

2 p

T

T ln c

s 



Khi n = 0, ta có p = const, đây là quá trình đẳng áp

Phương trình : p = const

Quan hệ giữa các thông số :

Công thay đổi thể tích :

w12 = p(v2 – v1), (J/kg)  W12 = p(V2 – V1) , (J) Công kỹ thuật :

wkt12 = 0

Nhiệt của quá trình :

Qp = Gqp = Gcp(t2 – t1) , (kJ) Biến đổi entropy :

Quá trình đẳng tích

const v

.

p n 

1

2 1

2

T

Tp

p 

1

2 v 1 2

T

Tlncss



Khi n = , ta có

 v = const

Quan hệ giữa các thông số:

Công thay đổi thể tích:

30

Quá trình đẳng nhiệt

2

1 1

2

v

vp

p 

1

2 1 1 2

1 12

kt 12

v

vlnvpp

plnRTw

Khi n =1, ta có pv = const nhưng pv = RT  T = const

Quan hệ giữa các thông số :

Công thay đổi thể tích & công kỹ thuật :

2

1 1

2

p

plnRv

vlnR

31

Quá trình đoạn nhiệt

1 n

k n C

2

v

vp

2 1 k

1 k

p T

Nghĩa là dq = C n dT = 0, đây là quá trình đoạn nhiệt

Vậy quá trình đoạn nhiệt tương ứng với QTĐB có n = k;

k: số mũ đoạn nhiệt)

Phương trình của quá trình đoạn nhiệt là pvk = const

Quan hệ giữa các thông số :

 C n = 0

 1 2

1 k

1

2 1

k 1 k

1

2 1

1 12

p

p 1 1 k

RT p

p 1 1 k

v p wCông thay đổi thể tích

32

34

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị p - v

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị T - s

Ví dụ 1

Ví dụ 2

Ví dụ 3

Ví dụ 4

Khảo sát một hệ thống nhiệt động hở làm việc với chất môi giới là khí lý

tưởng A, ở trạng thái ban đầu nhiệt độ của khí là t1 = 600oC Sau khi cho khí giản nở theo quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch đến trạng thái 2 có nhiệt độ t2

= 220oC thì thấy áp suất khí giảm 10 lần so với ban đầu Công suất sinh ra của

hệ thống trong quá trình giản nở W = 1455 kW Cho biết lưu lượng khí đi qua

hệ thống G = 3,5 kg/s

Xác định:

1 Số mũ đoạn nhiệt của quá trình,

2 Giá trị nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp và đẳng tích Cv của khí A

Cho 2,5 kg khí Mêtan (CH4) giãn nở người ta nhận được một công thay đổi thể tích là 650 kJ Trong quá trình giãn nở nội năng của khối khí giảm đi một lượng là 255 kJ Xác định nhiệt lượng trao đổi và độ biến thiên nhiệt độ của quá trình