Nhiệt động học - Chương 1

Nhiệt động học cổ điển đã vươn lên với tư cách là khoa học của các động cơ nhiệt hay khoa học về nhiệt động năng. Nicolas Léonard Sadi Carnot đã mở đầu cho các nghiên cứu hiện đại về các độ

NHA TRANG UNIVERSITY

Faculty of Mechanical Engineering

Assoc Prof Nguyễn Văn Nhận

Engineering Thermodynamics

(Textbook Compiled for Students

at the Faculty of Mechanical Engineering)

NHA TRANG - 2008

Our modern technological society is based largely on the replacement of human and animal labor by animate, power-producing machinery Examples of such machinery are steam power plants that generate electricity, locomotives that pull freight and passenger trains, and internal combustion engines that power automobiles

In each of these examples, working fluids such as steam and gases are generated by combustion of a fuel-air mixture and then are caused to act upon mechanical devices

to produce power Predictions of how much energy can be obtained from the working fluid and how well the extraction of energy from the working fluid can be accomplished are the province of an area of engineering called thermodynamics

Thermodynamics is based on two experimentally observed laws The first is the law of conservation of energy, familiar to the student from the study of classical mechanics Whereas in mechanics only potential and kinetic energies are involved, in thermodynamics the law of conservation of energy is extended to include thermal and other forms of energy When an energy transformation occurs, the same total energy must be present after the transformation as before; in other words, according to the first law, all the different types of energy must be accounted for and balanced out when a transformation occurs For example, in an internal combustion engine, a specific quantity of thermal energy is released due to the combustion of gasoline in the engine cylinders Some of this energy goes out the tailpipe as heated exhaust gases and is lost; some is converted to useful work in moving the car; and some is dissipated

to the air via the cooling system Whereas the distribution of these various types of energy is clearly of important to the engineer, who wants to obtain as much useful work as possible from a given quantity of fuel, the first law merely states that energy can be neither created nor destroyed; it does not provide information as to the ultimate distributions of the energy in its various forms

The second law provides further information about energy transformations For example, it places a limitation on the amount of useful mechanical work that can be obtained from combustion of the fuel in an internal combustion engine The first law states that energy must be conserved Thus, according to the first law, all the thermal energy available from combustion of the fuel could be converted to useful mechanical work with no losses Intuitively, however, we know that thermal and other losses are present in the engine The second law provides a quantitative prediction of the extent

of these losses

An understanding of thermodynamics and the limitations it imposes on the conversion of energy from one to another is very relevant to what is going on in the world today With limited supplies of conventional energy resources of oil and gas, and with increased demands for an improved standard of living and an accompanying increased demand for energy, it is important that we obtain the maximum utilization

of our oil, gas, and coal reserves Conversion of the chemical energy available in these fuels to usable form should be done as efficiently as possible Further, we must examine the potential of new sources of energy, such as the sun and the oceans Again, thermodynamics will be used to evaluate new energy sources and methods of converting the available energy to useful form

REFERENCE

1 Bùi Hải, Trần Thế Sơn (2002), Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà

Nội

2 Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (2003), Bài tập cơ sở Kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo

dục

3 Trần Quang Nhạ, Bùi Hải, Hoàng Đình Tín, Ng Hoài Văn (1978), Bài tập Nhiệt

kỹ thuật, NXB Đại học và THCN

4 William L Haberman, James E A John, Engineering Thermodynamics with Heat Transfer, ISBN 0-205-12076-8

Chương 1

High-temperature reservoir (T 1 )

High-temperature reservoir (T 1 )

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 THIẾT BỊ NHIỆT

Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh Động cơ

nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Máy lạnh có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển)

1

3

4

2

Qout Qin

Wout

Low-temperature reservoir (T2)

Heat Engine

Q out

Q in

W out

H 1.1-1 Nguyên lý hoạt động của turbine hơi nước 1- Nồi hơi, 2- Turbine, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Bơm nước

1 3

4

2

W in

Low-temperature reservoir (T2)

Refrigerator

Q out

Q in

W in

H 1.1-2 Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt

dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi 1- Giàn lạnh, 2- Máy nén, 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu

1.2 HỆ NHIỆT ĐỘNG

Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.

Hệ nhiệt động được phân loại như sau :

Rigid vessel System boundaries

Water

vapor

Liquid

water

Cylinder System boundaries Gases

Piston

Electrical power in

Water pump

c)

H 1.2-1 Hê nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích không đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở

và môi trường xung quanh

trường xung quanh

quanh

1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHÂT CÔNG TÁC

Môi chất công tác (MCCT) được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trò

trung gian trong quá trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng

Thông số trạng thái của MCCT là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái

nhiệt động của MCCT

Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái trong đó các thông số trạng thái

của HNĐ có giá trị như nhau trong toàn bộ HNĐ và không đổi theo thời gian nếu như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường xung quanh Ngược lại, trạng thái khi các thông số trạng thái có giá trị khác nhau trong HNĐ được gọi là trạng thái không cân bằng

Trạng thái của MCCT được biểu diễn bằng một điểm trên hệ trục tọa độ trạng thái gồm các trục là các thông số trạng thái độc lập bất kỳ Trạng thái cân bằng của HNĐ đơn chất, một pha được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập bất kỳ

1.3.1 NHIỆT ĐỘ

• Khái niệm

Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân tử,

nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử

2 3

m

k T

µ ⋅ω

trong đó : mµ - khối lượng phân tử ; ω - vận tốc trung bình của các phân tử ; k - hằng số Bonzman , k = 1,3805 105 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối

• Nhiệt kế

Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v

H 1.3-1 Nhiệt kế

• Thang nhiệt độ

1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) - (Anders Celsius - 1701-1744)

2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736)

3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 )

4) Thang nhiệt độ Rankine (0R)

) 32 (

9

5 0

0C = F − ; 0C = K − 273

32 5

9 0

0F = ⋅ C + ; K = C0 + 273

K R

5

9

0 9

5

=

0 R = 0 F + 459,67

1.3.2 ÁP SUẤT

• Khái niệm

Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến

lên một đơn vị diện tích thành chứa

A

F

p =

Theo thuyết động học phân tử :

2

3

m

trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa

; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử

• Đơn vị áp suất

1) N/m2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)

3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)

4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)

1 atm = 760 mm Hg (at 0 0C) = 10,13 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2)

1 at = 2049 psf

1 psi (lbf/in2) = 144 psf = 6894,8 Pa

1lbf/ft2 (psf) = 47,88 Pa

• Phân loại áp suất

1) Áp suất khí quyển (p0) - áp suất của không khí tác dụng lên bề mặt các vật

trên trái đất

2) Áp suất dư (pd) - áp suất của lưu chất so với môi trường xung quanh

p d = p - p 0

3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối

p = p d + p 0

4) Độ chân không (pck) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển

pck = p0 - p

p

p0

pd

p

p0

pck

H 1.3-2 Các loại áp suất

• Áp kế

p

p d

p 0

p 0

Hg

Vacuum

H 1.3-3 Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế

Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0C

trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh

về nhiệt độ 0 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0C

1.3.3 THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

• Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một

đơn vị khối lượng chất đó :

m

V

• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất

là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :

V

m

=

ρ [kg/m3]

1.3.4 NỘI NĂNG

Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng

Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (ud) và nội thế năng (up) Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng : u = u (T, v)

Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức :

1.3.5 ENTHALPY

Enthalpy (i) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức :

Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

1.3.6 ENTROPY

Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức :

T

dq

1.4 CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG

1.4.1 NGOẠI THẾ NĂNG (E p ) - là năng lượng có được do vị trí của vật

h G

z G z g m

trong đó : m - khối lượng [kg] ; g - gia tốc trọng trường, [m/s2] ; z - độ cao so với mặt phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N]

1.4.2 NGOẠI ĐỘNG NĂNG (E k ) - là năng lượng có được do chuyển động vĩ

mô của vật

2

2 ω

⋅

= m

EK ; trong đó ω là vận tốc của vật

1.4.3 NỘI NHIỆT NĂNG (U) - (xem 1.3.4)

1.4.4 HÓA NĂNG (E C ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử

1.4.5 NGUYÊN TỬ NĂNG (E A ) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các hạt tạo nên hạt nhân của nguyên tử

1.4.6 ĐIỆN NĂNG (E E ) - dạng năng lượng được truyền vào hoặc ra khỏi vật nhờ hệ thống điện

1.4.7 NHIỆT NĂNG

1.4.7.1 KHÁI NIỆM

Nhiệt năng là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ

Đơn vị đo nhiệt năng :

1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiệt để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ 14.5 0C đến 15.5 0C

2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của

1 pound nước tăng từ 59.5 0F lên 60.5 0F

3) Joule (J) - 1 [J]

1 Ca = 4.187 J

1 Btu = 252 Ca = 1055 J

Q

c) Q

b)

Sun

Q

a)

Earth

H 1.4-2 Các hình thức truyền nhiệt

1.4.7.2 NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG

Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra

để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

dt

dQ

Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp

hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0

• Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất :

1) Nhiệt dung riêng khối lượng : C

c m

= [J/kg deg] (1.4-2a)

2) Nhiệt dung riêng thể tích :

tc

V

C

c' =

[J/m3t c deg] (1.4-2b)

3) Nhiệt dung riêng mol :

N

C

cµ = [J/kmol .deg] (1.4-2c)

µ µ

c v c

c = ' ⋅ tc =

v

c c

tc

=

• Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động :

1) NDR đẳng tích : cv , c'v , cµ

2) NDR đẳng áp : cp , c'p , cµ

• Công thức Maye :

cµ p - cµ v = Rµ = 8314 [J/kmol deg] (1.4-4b)

• Chỉ số đoạn nhiệt :

v

p

c

c

Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí

• Quan hệ giữa c, k và R :

Từ (1.4-4) và (1.4-5) ta có :

R k

−

=

1

1

k

k

−

=

• Nhiệt dung riêng của khí thực :

NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động :

c = f(T, p, quá trình)

Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau :

c = a0 + a1 t + a2 t 2 + + an tn (1.4-7)

• Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng :

NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào

nhiệt độ và áp suất

Bảng 1.4-1 Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng

Loại khí k cµv [kJ/kmol deg] cµp [kJ/kmol deg]

• Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí

∑

=

⋅

= n

i

i

g c

=

⋅

= n

i

i

i c r c

1

'

=

⋅

= n

i

i

i c r

c

1

µ µ

1.4.7.2 TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH

a) Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t 2 khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :

• NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :

(1.4-9)

|t

c = a + a ⋅ t

• Theo định nghĩa NDR : c d q

d t

=

• Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2 :

(1.4-10a)

(

2

1

t

t

• Mặt khác có thể viết :

0 0

0

1 2

1 2

2

1 0 2

0

1

• Từ (1.4-10a) và (1.4-10b) ta có :

(

2

1

t

t

b) Tính nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ t1 ÷ t2 khi biết NDR thực c = a0 + a1.t :

1 2

2

1 2

dt c c

t

t t

⋅

= ∫

=

1 2

2 1 1 1 0

2 2 1 2 0

2 2

t t

t a t a

t a t a

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅ +

⋅

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅ +

⋅

2

1 2 1 0 2

1

t t a a

(1.4-12)

1.4.7.3 CÁC CÁCH TÍNH NHIỆT LƯỢNG

1) Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

(1.4-12a)

2

1

2 1

c dt c q

t

t

t

=

⋅

= ∫

2) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 1

3) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 2

(1.4-12c)

∫ ⋅

1

s

s

ds T q

1.4.7.4 ĐỒ THỊ NHIỆT

s 1

2

0

T

T

s 4

3

0

Q 3-4 = Q out

( - )

Q 1-2 = Q in

( + ) Đồ thị nhiệt là đồ thị biểu diễn quá trình

nhiệt động trên hệ trục tọa độ T - s Trên đồ thị nhiệt, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện nhiệt lượng tham gia trong quá trình

Nhiệt năng không phải là thông số trạng thái của MCCT Lượng nhiệt cấp cho MCCT phụ thuộc vào đường đi của quá trình

Qui ước : Nhiệt truyền vào HNĐ mang dấu (+), nhiệt do HNĐ nhả ra mang dấu (-)

H 1.4-3 Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị nhiệt