Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 1

Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nh[r]

LỜI NÓI ĐẦU

''Nhiệt động lực học '' là một môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật cơ sở; môn học trang bị cho sinh viên ngành năng lượng nhiệt, ngành kỹ thuật cơ khí, ngành động lực những kiến thức sâu hơn về nhiệt động lực học trên cơ sở đã nắm được kiến thức về vật lý phổ thông, vật

lý đại cương, kỹ thuật nhiệt

Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác Cơ sở nhiệt động đã được xây dựng từ thế kỷ XIX, khi xuất hiện các động cơ nhiệt

Môn nhiệt động được xây dựng trên cơ sở hai định luật cơ bản: định luật nhiệt động thứ nhất

và định luật nhiệt động thứ hai

Những kết quả đạt được trong lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho phép ta xây dựng cơ sở lí thuyết cho các động cơ nhiệt và tìm ra phương pháp đạt được công có ích lớn nhất trong các thiết bị năng lượng nhiệt

Cuốn bài giảng đã được biên soạn với sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo Viện nhiệt - lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội và tham khảo một số tài liệu nước ngoài khác Vì là biên soạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên nên không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn tôi rất mong được bạn đọc tham khảo và đóng góp ý kiến Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Trường Đại học KTCN Thái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên

Chương 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1.1 Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt

Thiết bị nhiệt là những thiết bị dùng để tiến hành quá trình truyền tải, trao đổi và chuyển hóa nhiệt năng

Thiết bị nhiệt bao gồm chủ yếu: động cơ nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều, máy lạnh hoặc bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều, ngoài ra còn có một số thiết bị khác chỉ làm việc theo một số quá trình như thiết bị khí nén, thiết bị sấy, điều hòa không khí .v.v…

a Động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là thiết bị nhiệt có chức năng là biến nhiệt năng thành cơ năng sau đó

có thể chuyển hóa nó thành các dạng năng lượng khác như điện năng hoặc thế năng

Nguyên lý của động có nhiệt là: môi chất nhận nhiệt lượng q1 từ nguồn nóng có nhiệt độ cao T1 chuyển hóa một phần thành cơ năng l o hoặc điện năng, rồi nhả phần nhiệt lượng còn lại

q2 cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp hơn thực hiện chu trình thuận

q1 = q2 + l o (1-1)

Nguồn nóng có thể nhận nhiệt từ phản ứng cháy của

nhiên liệu trong các buồng đốt, từ phản ứng hạt nhân

nguyên tử trong lò phản ứng, từ năng lượng bức xạ nhiệt

của mặt trời hoặc nguồn địa nhiệt trong lòng đất Nguồn

lạnh thường là môi trường xung quanh: không khí và

nước trong khí quyển Động cơ nhiệt có rất nhiều loại:

máy hơi nước, động cơ đốt trong, tuabin hơi, tuabin khí,

động cơ phản lực, tên lửa v.v…, ngày nay người ta đã

chế tạo thành công một số động cơ nhiệt đặc biệt có thể

chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng như : pin

nhiệt - điện, pin nhiệt - điện tử

Phạm vi ứng dụng: động cơ nhiệt được sử dụng

rộng rãi trong các trung tâm năng lượng như nhà máy

nhiệt điện, nhà máy điện nguyên tử, nhà máy địa nhiệt

điện hoặc nhà máy điện mặt trời; trong các thiết bị giao

thông vận tải như ô tô, tàu hoả, tàu thủy, máy bay, tên

lửa, tàu du hành vũ trụ v.v…

T2 < T1

T1

q1

q2

l o

Hình 1.1 Sơ đồ động cơ nhiệt

b Máy lạnh và bơm nhiệt

Máy lạnh và bơm nhiệt tuy có chức năng khác nhau nhưng nguyên lý làm việc hoàn

toàn giống nhau Nhờ sự hỗ trợ của năng lượng bên ngoài (cơ năng, điện năng, nhiệt năng v.v…) môi chất nhận nhiệt lượng q2 từ nguồn có nhiệt độ thấp T2 , rồi đem nhiệt lượng đó

cùng với phần năng lượng do bên ngoài hỗ trợ l o, tất

cả nhiệt lượng đó được truyền cho nguồn có nhiệt

độ cao T1 thực hiện một chu trình ngược chiều

q2 + lo = q1 (1-2)

v Máy lạnh có chức năng là lấy nhiệt từ nguồn có

nhiệt độ thấp T2 nên nhiệt lượng có ích là q2

v Bơm nhiệt có chức năng là nhả nhiệt cho nguồn

có nhiệt độ cao T1 nên nhiệt lượng có ích là q1

Phạm vi ứng dụng: máy lạnh và bơm nhiệt

được sử dụng rộng rãi trong việc bảo quản các loại

nông, lâm, thủy sản; các thiết bị ngành y, viễn thông

v.v…

1.1.2 Một số khái niệm và định nghĩa

1.1.2.1 Hệ thống nhiệt

a Định nghĩa

Hệ thống nhiệt là tập hợp những đối tượng được tách ra để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng, phần còn lại gọi là môi trường Ranh giới giữa hệ thống nhiệt và môi

trường có thể là bề mặt thật cũng có thể là bề mặt tưởng tượng

b Phân loại hệ thống nhiệt

Hệ thống kín: là hệ thống mà môi chất không đi qua bề mặt ranh giới, khối lượng môi

chất trong hệ thống kín không thay đổi

Hệ thống hở: là hệ thống mà môi chất có thể qua bề mặt ranh giới để đi vào hoặc ra

khỏi hệ thống

Hệ thống cô lập: là hệ thống không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào với môi trường

xunh quanh

Hệ thống đoạn nhiệt: là hệ thống không trao đổi nhiệt với môi trường nhưng có thể có

sự trao đổi công

Hệ thống đồng nhất: là hệ thống mà môi chất chỉ gồm có một pha đồng đều về tính chất

T2

T1>T2

q1

q2

l o

Hình 1.2 Sơ đồ máy lạnh và bơm nhiệt

1.1.2.2 Nguồn nhiệt

Nguồn nhiệt là các đối tượng trao đổi nhiệt trực tiếp với môi chất; nguồn có nhiệt độ cao

là nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh Giả thiết nhiệt dung của nguồn lớn đến mức giữa được nhiệt độ không thay đổi trong quá trình truyền nhiệt

1.1.2.3 Định nghĩa về môi chất (chất môi giới)

Môi chất là những chất mà thiết bị dùng để truyền tải và chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác Về nguyên tác, môi chất có thể ở bất cứ pha nào, nhưng trong thực tế thường dùng thể khí hoặc hơi vì chúng có khả năng giãn nở lớn, thuận tiện cho việc trao đổi công

Yêu cầu về môi chất:

v Có khả năng sinh công lớn: thể tích thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi

v Có khả năng truyền tải nhiệt năng lớn: có nhiệt dung riêng lớn

v Không gây ăn mòn thiết bị, an toàn và không cháy nổ

v Rẻ tiền, dễ kiếm, không gây động hại cho con người và thân thiện với môi trường

1.2 Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất

1.2.1 Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất

Xét trường hợp làm thí nghiệm đối với môi chất là nước: lấy 1kg nước vào trong bình kín, trên có pittông di chuyển được, áp suất trên pittông luôn giữ 1bar, nhiệt độ ban đầu giả thiết là 20°C

Cấp nhiệt cho môi chất, ta quan sát thấy nhiệt độ tăng từ 20°C đến 99,64 °C thì một bộ phận nước bắt đầu hóa hơi, nhiệt độ 99,64 °C giữ không đổi cho đến khi giọt nước cuối cùng hóa thành hơi; nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ tăng lên mãi Thể tích riêng của nước ban đầu bằng 0,0010018 m3

/kg ở 20°C, tăng không bao nhiêu đến 0,0010432 m3/kg khi bắt đầu hóa hơi ở 99,64°C; tăng rất nhanh khi hóa hơi, bằng 1,691 m3/kg khi vừa hóa hơi xong (tăng khoảng 600 lần) ; nếu tăng nhiệt độ đến 600°C thì thể tích riêng bằng 4,028 m3/kg

Nếu cho nước ở 600°C thải nhiệt ở áp suất 1bar không đổi thì nhiệt độ giảm xuống, đến 99,64°C thì một bộ phận hơi ngưng lại thành nước, nhiệt độ không đổi cho đén khi hơi vừa ngưng hết; nếu tiếp tục thải nhiêt, nhiệt độ giảm xuống

cho đến khi bằng 0°C, một bộ phận nước đông đặc, nhiệt độ không thay đổi, khi nước đông hết nhiệt độ lại giảm

Làm thì nghiệm trên ở các áp suất khác nhau và biểu thị trên đồ thị p - t và T - s ta thấy:

v Khi p < p3 : thì khi cấp nhiệt, pha rắn chuyển trực tiếp thành pha hơi không qua pha lỏng

và ngược lại khi thải nhiệt thì pha hơi chuyển thành pha rắn

v Khi p = p3: thì tồn tại đồng thời cả pha rắn, lỏng, hơi bão hòa, trạng thái đó gọi là trạng thái

ba thể hoặc ba pha Đối với nước điểm 3 thể ( p3 = 0,00611 bar và t3 = 0,01°C )

v Khi p3 < p < pk: khi áp suất tăng nhiệt độ đông đặc thường giảm xuống (đường ON), nhiệt

độ hóa hơi tăng lên (đoạn OK), thể tích riêng của nước bão hòa tăng, của hơi bão hòa giảm

v Khi p = pk: quá trình cùng tồn tại giữa nước và hơi rút ngắn lại, sự khác nhau giữa nước bão hòa và hơi bão hòa cũng như nhiệt lượng hóa hơi dần đến 0, tất cả khối chất lỏng cùng hóa hơi một lúc, trạng thái bắt đầu có hiện tượng đó gọi là trạng thái tới hạn Đối với nước điểm tới hạn K ( pk = 221,3 bar ; tk = 374,15°C )

v Khi p > pk: thì quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng không khác nhau là mấy nhưng quá trình chuyển từ pha lỏng thành pha hơi không có ranh giới rõ ràng, không còn giai đoạn pha lỏng cùng pha hơi cùng tồn tại, không phân biệt được pha lỏng và pha hơi

r + h

r + l + h

l + h h

l

r

K

TK

sk

l

O

K

N

P

Hình 1.3 Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất

s

t

Hình 1.4 Đồ thị về sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất

R =8314

µ = 8314 1

i

g µ

=

1

8314

i

g µ

=

1

i i i

g R

=

∑

8 Thể tích riêng của hỗn hợp:

v = 1

n

i i i

g v

=

1

n i

g ρ

=

Từ v = V

G , thay V = 1

n i i

V

=

∑ , rồi thay Vi = Givi

v = V i

G

G

i

G v G

1

n

i i i

g v

=

∑

9 Khối lượng riêng hoặc mật độ của hỗn hợp ρ có thể tính theo:

1

=

v

1

=

=∑n i i i

r

1

=

i

g ρ

ρ

(1-50)

1.4.4 Phương tŕnh trạng thái của khí thực

Để thể hiện sự khác nhau giữa khí thực và khí lý tưởng người ta đưa ra một đại lượng không thứ nguyên gọi là độ nén Z :

RT

pv

Với khí lý tưởng Z = 1, với khí thực Z ≠ 1 Độ nén Z phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất

và tính chất vật lý của khí đó Khi nghiên cứu người ta cho thấy, nếu p → 0 và nhiệt độ lớn (cũng có nghĩa v → ∞) , độ nén của chất khí Z → 1, lúc này khí thực được coi là khí lý tưởng

Khi ở những trạng thái mà Z sai khác 1 quá nhiều, vượt qua giới hạn cho phép, thì ta không thể sử dụng được các định luật Boyle-Mariotte, Gay-lussuc cũng như phương trình trạng thái Clapeyron mà phải xây dựng kết quả bằng thực nghiệm, chỉnh lý dưới dạng phương trình, bảng số và đồ thị

a) Phương trình Van der Waals

(p + 2

v a

K p

T R 64

27

K

K p

RT 8

1

b= ⋅

Trong đó:

TK , pK - nhiệt độ và áp suất môi chất ở trạng thái tới hạn

b) Phương trình Beattie-Bridgman

pv2 = RT[v + B0(1 -

v

b

)](1 - 3

vT

c

) – A0(1 -

v

a

) (1-53)

Trong đó:

a, b, c, A0 và B0 - những hằng số xác định bằng thực nghiệm

c) Phương trình Viran D.Mayer-N.Bogolioubov

Bằng phương pháp toán học và vật lí lý thuyết, nhà vật lý người Mỹ D.Mayer và nhà toán học Xô Viết N.Bogolioubov đó đưa ra phương trình được coi là chính xác nhất cho đến hiện nay

pv = RT(1 -

k k n

1

k k 1 v

k ⋅β +

∑

=

Trong đó:

βk - hệ số virian chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, chưa xác định được bằng phương pháp thuần túy lý thuyết mà phải xuất phát từ những kết quả thực nghiệm