Chương 1 nhiệt kỹ thuật

Hệ thống kín và hệ thống hở Hệ thống nhiệt động đợc định nghĩa nh là tập hợp của vật chấthay không gian.. Định luật này chủ yếu sử dụng trong tính toán khối lợng và năng ợng di chuyển và

Chơng I

Nhiệt kỹ thuật

Nhiệt kỹ thuật bao gồm các lĩnh vực khoa học có liên quan chặtchẽ với nhau đó là: Nhiệt động học, cơ học thủy khí và truyền nhiệt.Nhiệt động học nghiên cứu các dạng năng lợng khác nhau và sựchuyển đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác Cơ học thủy khínghiên cứu dòng chảy của chất lỏng và chất khí Truyền nhiệt nghiêncứu sự truyền nhiệt trong các tình huống khác nhau do sự chênhlệch nhiệt độ

Phân tích và thiết kế hệ thống năng lợng đòi hỏi phải sử dụng cả

2 Các pha của công chất

Công chất có thể tồn tại ở dạng rắn, lỏng hay khí Có những thuậtngữ riêng để diễn tả quá trình biến đổi từ pha này sang pha khác.Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trìnhngợc lại, tức là chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là đông đặc.Hoá hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và quá trìnhngợc lại, tức là chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là quá trình ngng

tụ Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi và quátrình ngợc lại chuyển từ pha hơi sang pha rắn gọi là quá trình ngngkết

3 Đặc tính và trạng thái của công chất

Đặc tính nhiệt động đợc quan sát thông qua đặc điểm của côngchất nh là áp suất, nhiệt độ và tỷ trọng Tình trạng của công chất đ-

ợc mô tả thông qua đặc tính của nó

Ví dụ biết hai thông số độc lập của nớc có thể xác định trạng tháicủa nó Điều này cho phép xác định đợc các đặc tính còn lại của n-ớc

4 Hệ thống kín và hệ thống hở

Hệ thống nhiệt động đợc định nghĩa nh là tập hợp của vật chấthay không gian Nếu hệ thống đợc định nghĩa với một lợng côngchất nhất định thì đó là hệ thống kín Khí dãn nở trong xilanh cóthể phân tích nh là một hệ thống kín Nếu hệ thống đợc địnhnghĩa với một thể tích không đổi thì có thể coi đây là một hệthống hở Một đoạn đờng ống với nớc đi vào và đi ra là một ví dụ về

hệ thống hở Lu ý rằng trong hệ thống kín chỉ có năng lợng chuyểnqua đờng bao của hệ thống Trong hệ thống hở cả năng lợng và khốilợng chuyển qua đờng bao của hệ thống Việc lựa chọn đờng baocủa hệ thống quyết định hệ thống là kín hay hở Đờng bao của hệ

đợc lựa chọn tùy theo mục đích nghiên cứu và khả năng phân tích

5 Quá trình và chu trình

Quá trình là sự thay đổi tình trạng của hệ thống từ điểm nàysang điểm khác Có nhiều con đờng để hệ thống chuyển từ trạngthái một sang trạng thái hai Những trạng thái trung gian mô tả đờng

đi của quá trình Một chuỗi những quá trình có thể ghép lại với nhau

để đa hệ thống về trạng thái ban đầu Chuỗi các quá trình đó đợcgọi là chu trình nhiệt động

6 Nhiệt độ

Nhiệt độ biểu thị mức độ nóng lạnh của vật Thang nhiệt độ cónguần gốc dựa trên điểm đóng băng và điểm sôi của nớc ở áp suấttiêu chuẩn Trong hệ đo lờng SI, nớc đóng băng ở 0oC và sôi ở 100oC.Trong hệ đo lờng Anh, nớc đóng băng ở 32oF và sôi ở 212oF

Một thang nhiệt độ cũng còn đợc định nghĩa với độ không tuyện

đối (nhiệt độ thấp nhất có thể đạt đợc) Trong thang nhiệt độ tuyệt

đối Kenvil, độ chênh 1oK bằng độ chênh 1oC Vì độ không tuyệt đối

là -273,15oC, nớc đóng băng ở 273,15oK và sôi ở 373,15oK Nhiệt độtuyệt đối trong hệ Anh là độ Rankine

toC = ToK – 273,15 = 5/9 (toF – 32) = 5/9 ToR – 273,15

Hình 1-1 So sánh thang nhiệt độ

7 áp suất

Lực của công chất tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích

bề mặt tiếp xúc gọi là áp suất tuyệt đối của công chất

Áp suất d: Là phần áp suất lớn hơn áp suất khí quyển pd = p – p a

Áp suất chân không: Phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển pck

373,15273,15

-273,15

0,0

100,0 671,6

7491,67

-459,67

32,0212,0

Không tuyệt

đối

T

(pa - áp suất khí quyển)

Hình 1-2 áp suất tuyệt đối, áp suất d và áp suất chân không

8 Thể tích riêng và khối lợng riêng

Thể tích riêng là tỷ số giữa thể tích công chất và khối lợng của nó:

m

V

v= (m3/kg)Ngợc lại, khối lợng riêng là tỷ số giữa khối lợng và thể tích:

V

m

=

ρ (kg/m3)

II Định luật nhiệt động thứ nhất

Định luật nhiệt động thứ nhất có hai phần Định luật bảo toàn khốilợng chỉ ra rằng tổng khối lợng là không đổi Định luật bảo toànnăng lợng chỉ ra rằng năng lợng không tự sinh ra cũng không tự mất

đi Định luật này chủ yếu sử dụng trong tính toán khối lợng và năng ợng di chuyển vào và ra một hệ thống Định luật này không chỉ ra

l-p td

chân không tuyệt đối

khả năng hay chiều hớng của quá trình Điều này sẽ đợc trình bày ở

định luật thứ hai

1.Sự bảo toàn khối lợng và phơng trình liên tục

Đối với hệ thống hở, sự thay đổi khối lợng của hệ thống bằng sựkhác nhau giữa khối lợng vào và ra khỏi hệ thống Đối với dòng chảyyên định, sự thay đổi khối lợng bằng không, và khối lợng vào và ra là

nh nhau:

m vào = m ra

Đối với dòng chảy yên định, chất lu đi vào hệ thống hở tại thiết

diện A 1 có vận tốc V 1, khối lợng riêng ρ1 và đi ra tại thiết diện A 2 với

vận tốc V 2, khối lợng riêng ρ2 , khi đó phơng trình bảo toàn khối lợng trở thành:

ρ1 A 1 V 1 = ρ2 A 2 V 2

2 Sự bảo toàn năng lợng và các dạng năng lợng

Để áp dụng định luật bảo toàn năng lợng, cần phải hiểu đợc cácdạng tồn tại của năng lợng Chúng ta sẽ nghiên cứu các dạng năng lợngthờng đợc quan tâm

Dạng năng lợng thứ nhất là công Công là tích của lực F tác dụng trên một quãng đờng x :

Thế năng phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trờng và đợctính theo công thức sau:

W = mgz

Trong đó z là độ cao của vật so với mặt biển

Động năng của vật đợc định nghĩa là công cần thiết để đa vật từtrạng thái đứng yên đến vận tốc hiện tại và đợc tính theo công thức:

độ Nội năng thờng đợc kí hiệu bởi chữ U.

Một thuật ngữ về năng lợng khác cần đợc quan tâm đó là năng lợngdòng chảy Đây là công thực hiện để đẩy một khối lợng chuyển

động vào hoặc ra khỏi hệ thống Năng lợng dòng chảy là tích của ápsuất và thể tích:

W = pV = pmv

Trong hầu hết các vấn đề liên quan đến hệ thống hở, cả nội năng

và năng lợng dòng chảy xuất hiện đồng thời Để thuận tiện ngời ta

định nghĩa một thông số mới gọi là entanpi, đơn thuần là tổng củahai năng lợng trên:

I = U + pV

hay cho một đơn vị khối lợng:

i = u + pv

Entanpi thờng đợc tra theo bảng hoặc đồ thị Không nên hiểu

entanpi là nhiệt năng Nó chỉ đơn thuần là tổng của u và pv.

Ngoài ra còn một thông số trạng thái liên quan đến nhiệt và nhiệt

độ nhng không dễ định nghĩa, đó là Entropi, có vi phân bằng:

III Phơng trình trạng thái của khí lý tởng

Phơng trình trạng thái là phơng trình quan hệ giữa các thông sốtrạng thái độc lập, thờng là các thông số cơ bản của môi chất ở trạngthái cân bằng Cho đến nay chỉ mới có phơng trình chính xác chokhí lý tởng Phơng trình trạng thái có dạng:

T Nhiệt độ tuyết đối (oK)

Viết phơng trình trên cho 1 kg công chất: pv = RT

v Thể tích riêng (m3/kg)Hằng số chất khí đợc tính theo công thức sau:

Một chai ôxy dung tích 50 lít có áp suất 200 KG/cm2 ở nhiệt độ

25oC Ôxy đợc sử dụng dần dần đến áp suất 30 KG/cm2 và nhiệt độgiữ không đổi Tính lợng ôxy đã sử dụng

Giải: Sử dụng phơng trình trạng thái của khí lý tởng để tính khốilợng khí ôxy trong chai trớc và sau khi sử dụng

32/3,8314

10501081,91

( )

32/3,8314

10501081,91

Khối lợng khí ôxy đã sử dụng = m 1 – m 2 = 12,73 – 1,96 = 10,77 kg

IV Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng là nhiệt lợng cần thiết để làm một đơn vị khối ợng công chất tăng lên một độ Đối với chất khí, nhiệt dung riêng phụthuộc vào cách thức của quá trình cấp nhiệt Thờng ta có thể tra

l-theo bảng nhiệt dung riêng đẳng áp C p và nhiệt dung riêng đẳng

R C

p v

Với khí lý tởng, nhiệt dung riêng không phụ thuộc nhiệt độ và đợcxác định bằng các công thức trên hoặc theo bảng sau:

Nhiệt dung riêng của một số chất khí ở áp suất thấp và 25 o C

(kJ/kgoK) (kJ/kgC poK) (kJ/kgC voK)Acetylene

C2H2

26,036

1,232

0,3195

1,6947

1,3753

Kh«ng khÝ 28,97

0

1,400

0,2870

1,0047

0,7176Amoniac NH3 17,03

2

1,304

0,4882

2,0890

1,5992Cacbonic CO2 44,01

0

1,288

0,1889

0,8440

0,6552Cacbon oxyt

CO

28,01

1,399

0,2968

1,0412

0,7444

4

1,324

0,1172

0,4789

0,3617Etan C2H6 30,06

8

1,187

0,2765

61Etylen C2H4 28,05

2

1,240

0,2964

14,313

6

10,190Mªtan CH4 16,04

3

1,321

0,5183

0,2968

0,2598

85Pr«ban C3H8 44,09

4

1,127

0,1886

99H¬i níc H2O 18,01

6

1,329

0,4615

33

NhiÖt dung riªng cña khÝ lý tëng

T

T p

Nhiệt lợng tham gia vào quá trình: q = ∆u + l = ∆u = C v (t 2 – t 1 )

Nh vậy: Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lợng cung cấp cho hệthống làm thay đổi nội năng của công chất

Vậy trong quá trình đẳng áp thể tích sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ.Công dãn nở:

)( 2 1

2

1

v v p pdv l

v

v p

p

=C«ng d·n në:

2

1 1

ln

2

1 2

p RT v

v RT dv v

RT pdv

p

p RT v

v RT l

v v

4 Quá trình đoạn nhiệt

Quá trình đoạn nhiệt là quá trình xẩy ra khi không có trao đổi

nhiệt giữa hệ và môi trờng (q = 0).

Xây dựng phơng trình của quá trình:

pdv

vdp C

C k v p

Sau khi chia cả hai vế cho pv ta đợc:

0

=+

p

dp v

dv k

Với khí lý tởng k = const Vậy sau khi lấy tích phân phơng trình

trên ta có:

const p

v k +ln =ln

Từ đó phơng trình của quá trình đoạn nhiệt có dạng:

pv k = const

Hình 1-6 Quá trình đoạn nhiệt

v v

q = 0

o

Quan hệ giữa các thông số của quá trình:

k v

2 1 1

k

v

v p

p k

v p T

T k

RT T

T k

R l

1

1

2 1

1

1

2 1

2

1

11)

(1

5 Quá trình đa biến

Các quá trình cơ bản cho khí lý tởng nghiên cứu ở trên có đặc

tính là hoặc một thông số trạng thái cơ bản không đổi (v = const, p

= const, T = const) hay không trao đổi nhiệt với môi trờng (q = 0) và

nhiệt dung riêng cả quá trình không đổi

(C v = const, C p = const, C T = :, C k = 0).

Ta nghiên cứu một quá trình tổng quát hơn gọi là quá trình đabiến Quá trình đa biến là quá trình xẩy ra chỉ với một điều kiện

là nhiệt dung riêng của quá trình không đổi C n = const.

Xây dựng phơng trình của quá trình đa biến:

(C v – C n )dT = -pdv

Chia hai phơng trình trên cho nhau vế với vế ta đợc:

pdv

vdp C

C

C C

n v

n pC C

C C n

p

dp v

n v

v p

2 1 1

1

2 1 2

n v

v p

p T T

Công dãn nở:

Từ biểu thức pv n = p 1 v 1 rút ra p thay vào biểu thức dl = pdv

dv v

v p

n

1 1

=Lấy tích phân hai vế ta đợc:

1 1 1 1

1 2 1 1 1

1

11

11

2

1

n n

n n

n n v

v

n

n

v v n

v p v

v n

v p v

dv v p l

p

p n

v p v

v n

v p l

1

1

2 1

1 1

2

1 1

1

11

Nhiệt dung riêng của quá trình đa biến C n có thể tìm đợc:

dq

ds = = n suy ra

k n

n C

T C

T ds

- Với quá trình đẳng nhiệt, n = 1, nên =0

ds

dT

, đờng biểu diễn là

đờng thẳng song song với trục hoành

- Với quá trình đoạn nhiệt, n = k, nên =∞

ds

dT

, đờng biểu diễn là

đờng thẳng song song với trục tung

- Với quá trình đẳng áp, n = 0, nên

p C

T ds

dT = , đờng biểu diễn là

đờng cong có hệ số góc tăng dần theo nhiệt độ, mặt lồi quay xuốngdới

- Với quá trình đẳng tích, n = ±∞, nên

v C

T ds

dT = , đờng biểu diễn

T > .

1-3 Định luật nhiệt động thứ hai

Định luật nhiệt động học thứ nhất cha chỉ ra đợc chiều hớng củadòng nhiệt chuyển động cũng nh chiều hớng của quá trình chuyểnhóa năng lợng từ dạng này sang dạng khác, và cũng không nêu lên đợcmức độ biến hóa từ dạng năng lợng này sang dạng năng lợng khác

1 Chu trình Carnot

Chu trình Carnot là chu trình lý tởng của động cơ nhiệt có khảnăng chuyển đổi nhiệt thành công lớn nhất Một động cơ thật hoạt

động với cùng hai giới hạn nhiệt độ có thể có hiệu suất nhiệt đạt

đến mức độ nào đú nhng không vợt quá hiệu suất nhiệt của chu trìnhCarnot

Chu trình Carnot bao gồm bốn quá trình:

• Quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch

• Quá trình dãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch

• Quá trình thải nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch

• Quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch

Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot có thể tính theo công thứcsau:

L

H t

Tùy theo đặc điểm của đối tợng nghiên cứu mà định luật nhiệt

động thứ hai có nhiều cách phát biểu khác nhau

Cách 1: “Nhiệt lợng không thể tự nó truyền từ vật có nhiệt độ thấp

đến vật có nhiệt độ cao đợc” Cho nên muốn truyền nhiệt từ vật cónhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao cần phải sử dụng thêm nănglợng bên ngoài

Cách 2: “Không thể sinh công một cách liên tục bằng một động cơnhiệt làm việc theo chu trình với chỉ một nguồn nhiệt” Điều đó có

1

2

34

p

v

T H = const

T L = const

34

nghĩa là phải có ít nhất hai nguồn nhiệt, trong đó một số nguồn cấpnhiệt cho công chất còn một số nguồn nhận nhiệt từ công chất thải

ra Điều này cũng có nghĩa là không thể chuyển hóa toàn bộ nhiệtnăng nhận từ nguồn nhiệt thành ra công đợc mà bao giờ cũng cònmột phần nhiệt thải cho nguồn lạnh, phần nhiệt chuyển thành côngtối đa cũng chỉ bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuậnnghịch thuận chiều làm việc trong cùng phạm vi nhiệt độ

1-4 Cơ học thủy khíCơ học thủy khí là môn khoa học nghiên cứu tác động của chất lu(chất lỏng và chất khí) ở trạng thái tĩnh và động Nó là một trongnhững cơ sở cơ bản để thiết kế và phân tích các hệ thống làmviệc với công chất là chất lu

1 Phơng trình Bécnuli

Áp dụng định luật Niutơn 2 (F=ma) cho dòng chảy yên định củachất lu lý tởng trên một đờng dòng ta có phơng trình Bécnuli:

const z

p g

V

=++

γ

22

Lu ý rằng phơng trình Bécnuli chỉ có giá trị với những điều kiệnsau:

• Dòng chảy kiên định

• Dòng chảy không chịu nén

• Dòng chảy không có ma sát

• Dòng chảy theo một đờng dòng

Không đợc áp dụng phơng trình Bécnuli cho dòng chảy ở các tìnhhuống khác (nh là dòng tức thời, chất lỏng có độ nhớt, dòng khí khi

có sự thay đổi áp suất và tỷ trọng…)

2 Áp suất tĩnh, áp suất toàn phần và áp suất động

Áp suất sử dụng trong phơng trình Bécnuli thờng đợc gọi là ápsuất tĩnh,áp suất tĩnh là áp suất có thể đo đợc bằng một thiết bịchuyển động cùng với dòng chất lu Đối với dòng chảy trong ống, đobằng cách này rõ ràng là không thuận tiện Tuy nhiên với một lỗ nhỏbên thành ống vuông góc với dòng chảy thì áp suất đo đợc chính là

p o

2

2+

=

γ γ

thay γ = ρ ⋅ g , ρ : khối lợng riêng

2

2

V p

Số hạng cuối trong công thức trên

2

2

V

ρ thờng đợc gọi là áp suất

động Nếu áp suất tĩnh và áp suất tổng của dòng chất lỏng đợc đothì có thể tính tốc độ dòng chảy

3 Cột áp của bơm

Ngời ta áp dụng phơng trình Bécnuli để định nghĩa cột áp củabơm Cột áp của bơm bằng cột áp tổng ở cửa đẩy của bơm trừ đicột áp tổng ở cửa hút của bơm Theo phơng trình Bécnuli:

2

2 2

2

p g

V z

p g

V H

γ γ

Hay

1 2

2 1

2 2

p p g

V V

4 Độ nhớt

Độ nhớt là sức cản của chất lỏng chống lại sự biến dạng khi chịu lực.Vì mật đờng tỏ ra có sức cản lớn hơn nớc khi chảy hoặc biến dạng,ngời ta nói rằng nhựa đờng nhớt hơn hay là có độ nhớt cao hơn

Trên hình dưới cho thấy chất lỏng chuyển động giữa hai tấmphẳng, một tấm cố định, một tấm bị kéo chuyển động với vận tốc

không đổi U nhờ lực không đổi F Chất lỏng tiếp xúc với tấm trên sẽ chuyển động với vận tốc U còn chất lỏng tiếp xúc với tấm dới sẽ đứng

yên ở khoảng giữa, tốc độ của chất lỏng sẽ thay đổi gần nh tuyến

tính Thực nghiệm chỉ ra rằng đối với đa số chất lỏng, lực F tỷ lệ thuận với diện tích tấm phẳng, tỷ lệ thuận với vận tốc U và tỷ lệ nghịch với khoảng cách y Ứng suất tiếp τ bằng lực kéo F chia cho diện tích tấm phẳng A Hằng số liên hệ lực trên một đơn vị diện

tích tấm phẳng với vận tốc mặt cắt của chất lỏng là độ nhớt tuyệt

đối à (hay độ nhớt động lực học):

dy

dV A

F =τ =à

Hình 1-10 Định nghĩa độ nhớt

Trong cơ học thủy khí, tỷ số giữa độ nhớt tuyệt đối à và tỷ trọng ρ

thờng xuất hiện Tỷ số này đợc gọi là độ nhớt động học, kí hiệu là ν

động

Tấm phẳng cố

định

Truyền nhiệt - Dòng nhiệt năng truyền từ vị trí này sang vị tríkhác , đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của nhiều hệ thống.Nếu sự trao đổi năng lợng là do sự chênh lệch nhiệt độ, ta nói đãxẩy ra sự truyền nhiệt

Theo định luật nhiệt động thứ nhất thì nội năng mất đi của vậttrao nhiệt bằng nội năng thu về của vật nhận nhiệt Còn theo địnhluật nhiệt động thứ hai thì nhiệt đợc truyền từ nơi có nhiệt độ caosang nơi có nhiệt độ thấp

Các quá trình chi phối sự truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt, đối lu

và bức xạ Hầu hết các tình huống gặp phải trong kỹ thuật liên quan

đến hai, thậm trí ba, phơng thức truyền nhiệt Dẫn nhiệt là thuậtngữ áp dụng cho trờng hợp trao đổi nội năng trong vật thể, hoặcmột vật tiếp xúc với vật khác, bằng cách trao đổi năng lợng từ phân

tử này với phân tử khác một cách trực tiếp Trong dẫn nhiệt, truyềnnhiệt xẩy ra trong phạm vi đờng bao của vật thể và không quan sátthấy sự chuyển động của vật chất Trao đổi nhiệt đối lu là thuậtngữ áp dụng cho trờng hợp truyền nhiệt gây ra do hòa trộn một phầncủa chất lu với phần khác khi chất lu chuyển động Trong khi sự trao

đổi năng lợng từ phân tử này đến phân tử khác là dẫn nhiệt, nănglợng đợc chuyển từ nơi này đến nơi khác do sự chuyển động củadòng chất lu Bức xạ là thuật ngữ áp dụng cho trờng hợp sự trao đổinhiệt năng từ vật nóng sang vật lạnh thông qua bức xạ điện từ Sựkhác nhau quan trọng giữa bức xạ và hai hình thức truyền nhiệt kia

là sự truyền nhiệt có thể xẩy ra mà không cần vật vận chuyển trunggian Ví dụ trái đất nhận nhiệt từ mặt trời qua hàng triệu kilômétkhoảng không thông qua bức xạ nhiệt