GIỚI THIỆU CHUNG KỸ THUẬT NHIỆT

dùng cho sinh viên ĐH- CĐ các trường khối kỹ thuật

KỸ THUẬT

NHIỆT

Lê Anh Sơn

Bộ môn: Động Lực

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

 Những khái niệm cơ bản

 Môi chất và cách xác định trạng thái của chúng

 Các quá trình nhiệt động của môi chất

 Chu trình nhiệt động

 TRUYỀN NHIỆT

 Dẫn nhiệt

 Trao đổi nhiệt đối lưu

 Trao đổi nhiệt bức xạ

 Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt

TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ CÁCH TÍNH ĐIỂM

 Tài liệu học tập

 Kỹ thuật nhiệt: PGS.TS Bùi Hải; PGS.TS Trần Thế Sơn

 Bài tập kỹ thuật nhiệt: PGS.TS Bùi Hải

 Tài liệu tham khảo

 Nhiệt kỹ thuật: PGS.TS Nguyễn Bốn; PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng

 Bài tập kỹ thuật nhiệt: PGS.TS Nguyễn Bốn; PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng

 Và các sách kỹ thuật nhiệt khác

TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ CÁCH TÍNH ĐIỂM

PHẦN THỨ NHẤT

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

MÁY NHIỆT (CƠ NĂNG - NHIỆT NĂNG)

 Máy nhiệt thuận chiều (nhóm động cơ

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 

 Máy nhiệt ngƣợc chiều (nhóm máy 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

MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU

THIẾT BỊ HƠI NƯỚC ĐẦU TIÊN

 Do người Hy lạp phátminh vào thể kỷ thứ 1sau công nguyên

 700 năm trước đó,cũng người Hy lạp đãphát minh ra xe chạytrên đường Ray nhưngmãi thế kỷ 18 loàingười 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

CÁC LOẠI MÁY NHIỆT

THUẬN CHIỀU KHÁC

 Động cơ đốt trong

 Tua-bin khí

 Động cơ phản lực

 Động cơ phản lực tên lửa

 Pin nhiệt điện và nhiệt điện tử (biến đổi

trực tiếp nhiệt năng thành điện năng)

MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU

MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT ( CƠ NĂNG → NHIỆT NĂNG )

Reverse Heat Engine

LTER= Low Temperature Energy Reservoir HTER= High Temperature Energy Reservoir

MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU

TỦ LẠNH GIA ĐÌNH

MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU

CHU TRÌNH DÙNG HƠI, CÓ MÁY NÉN

CÁC LOẠI MÁY NHIỆT

NGƢỢC CHIỀU KHÁC

 Chu trình hơi - hấp thụ (không dùng 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 dung dịch đặc)

 Chu trình máy lạnh nhiệt điện (biến đổi

trực tiếp điện năng thành nhiệt năng ngược lại với pin nhiệt điện)

-ỨNG DỤNG MÁY NHIỆT NGƯỢC CHIỀU

 Điều hoà không khí (làm lạnh, sưởi ấm), hút ẩm trong các lĩnh vực: dân dụng, công nghiệp

 Tủ sấy quần áo, máy sấy nông sản, thực phẩm

 Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm

 Kho lưu trữ tài liệu (sách báo, phim ảnh…)

 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 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 bìnhthường), môi chất có thể xem là khí lý tưởngkhi 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 khảosát

CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

 Đại lượng vật lý có giá trị xác định ở mộttrạng thái nhất định (không phụ thuộc vàoquá 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 sốtrạng thái cơ bản

; 1

kg m

;

v V

G G

V v









ÁP SUẤT ( CHẤT LỎNG HOẶC CHẤT KHÍ )

 Là lực tác dụng của các phân tử theo phươngpháp tuyến lên một đơn vị diện tích thànhbình

 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 tuỳ theo

đơn vị dùng trong bảng và đồ thị

2

m N

;

S F

p 

PHÂN LOẠI ÁP SUẤT

 Áp suất tuyệt đối p (là thông số trạng thái)

 Áp suất tuyệt đối của khí quyển p o

 Áp suất dư p d

p = p o + p d

 Độ chân không p ck

p = p o - p ck

NHIỆT ĐỘ

 Là mức đo độ nóng, lạnh của vật Theothuyết động học phân tử, là số đo động năngcủa các phân tử

 Thang nhiệt độ: t[oC], T[K], t[F]

T = 273,15 + t

 Dụng cụ đo nhiệt độ: nhiệt kế.

 Các loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng (thuỷngân, rượu…); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt;nhiệt kế bán dẫn…

NỘI NĂNG

 Là toàn bộ năng lượng bên trong vật Kýhiệu: U [J] hay u [J/kg]

 Trong nhiệt động, chỉ xét nội nhiệt năng vì

biến đổi của các dạng nội năng khác (hoánăng, 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

p = 0.0062 at)

Chú ý: D và d chỉ có trong hệ hở Đối với hệ

kín, chúng không mang ý nghĩa năng lượng đẩy.

 Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK]

 Định nghĩa:

T dq

ds 

 Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg]

 Là phần của năng lượng có thể biến đổi hoàntoàn thành công trong quá trình thuậnnghịch

 Với nhiệt năng:

q = e + aTrong đó: a là anecgi (phần không thể biếnđổi thành công trong quá trình thuận nghịch)

CÁC LOẠI QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

 Quá trình cân bằng: môi chất biến đổi quacác trạng thái cân bằng (thực tế không tồn tạiqtcb) Quá trình cân bằng được biểu diễnbằng 1 đường cong trên các đồ thị trạng thái

 Quá trình thuận nghịch: là quá trình cânbằng và luôn có thể biến đổi ngược lại quacác trạng thái cân bằng theo chiều thuận đểtrở về trạng thái ban đầu mà hệ và môitrường không có sự thay đổi gì

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I

KHÁI NIỆM NHIỆT (NHIỆT NĂNG)

 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 nhiệtđộng đang xét và môi trường khi nó truyềnqua

 Hệ nhiệt động không chứa nhiệt, chỉ chứanăng lượng

 Nhiệt do hệ nhận mang dấu + và ngược lại

NHIỆT DUNG RIÊNG

 Là nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của mộtđơn vị đo lường vật chất môi chất lên 1 độ

 Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất củamôi chất, nhiệt độ và áp suất (có thể bỏ quaảnh hưởng của áp suất khi giá trị của nókhông quá lớn)

PHÂN LOẠI NHIỆT DUNG RIÊNG

= C’vtc = Cm/ m

khí là khí hoặc hơi):

 Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cp, C’p, Cmp

 Nhiệt dung riêng đẳng tích: Cv, C’v, Cmv

KLT )

NHIỆT DUNG RIÊNG PHỤ THUỘC NHIỆT

dq C



D

 D

1

1 2

q t

t q C

TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH ( ÁP

1

1 1

t C t

C C

Cdt

Cdt t

Cdt t

C

t t

 D

BẢNG TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG

N2 Cptb=1,024+0,00008855t

Cvtb=0,7272+0,00008855t

C’ptb=1,2799+0,0001107t C’vtb=0,908929+0,0001107t Không khí Cptb=0,9956+0,00009299t

Cvtb=0,7088+0,00009299t

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

H20 Cptb=1,833+0,00031111t

Cvtb=1,3716+0,00031111t

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

CO2 Cptb=0,8645+0,0002443t

Cvtb=0,6764+0,00002443t

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

TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG KHÔNG PHỤ THUỘC

NHIỆT ĐỘ ( ÁP DỤNG VỚI KHÍ LÝ TƯỞNG )

 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 =

Lo¹i khÝ TrÞ sè k Cmv

kJ/kmolK

CmpkJ/kmolK

Hai nguyªn tö O2, N2 1,4 20,9 29,3

Ba nguyªn tö H2O,CO2 1,3 29,3 37,7

KHÁI NIỆM CÔNG

 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

 Với 1 kg môi chất: J/kg, W/kg

 Công là hàm quá trình

 Công do hệ sinh ra mang dấu + và ngược lại

pdv dl

CÁC LOẠI CÔNG ( TIẾP )

 Công ngoài, ký hiệu Ln [J], ln [J/kg], là công

mà hệ trao đổi với môi trường Lưu ý: hệ sinhcông khi thể tích tăng, ngoại động năng giảm,ngoại thế năng giảm (bỏ qua) và năng lượngđẩy giảm

2

2 1

2 2 1

2 12

2 2

2 1 2

1 12

d dl

dl

d d

l l

d d

l l

n n

NĂNG LƢỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ

Gpv U

W W

D U

1

2 ;

;

; w u W U U w u u U

D

D

D

D

Q  D   D 

  pv vdp di vdp d

du pdv

du dq

l u

q





 D



1 2

1 2

2 2

2



pdv du

C dq

pdv dT

C dq

 D

dq

i w

q

PHƯƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I

( VIẾT CHO QUÁ TRÌNH HỖN HỢP )

 Quá trình hỗn hợp hệ không thực hiện côngngoài, không có sự trao đổi nhiệt (hệ cô lập)

 Hỗn hợp trong hệ kín (thể tích xác định)

 Hỗn hợp trong hệ hở (dòng khí, bỏ qua độngnăng)

2 1

; 0

D

2 1

; 0

D