Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản như: Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu của nhiệt động học; hệ thống (nhiệt), hệ kín, hệ hở, hệ cô lập; chất môi giới, tính chất, sự cân bằng, trạng thái, quá trình; đơn vị, thứ nguyên, hệ SI;… Mời các bạn cùng tham khảo.

■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học

trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến;

■ Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống,

trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình;

■ Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất);

■ Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ;

■ Khái niệm về áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp

suất môi trường, đo áp suất;

■ Sự truyền năng lượng, tương tác Công-Nhiệt

■ Giới thiệu kỹ thuật giải quyết các vấn đề hệ thống nhiệt động lực học

1 Đối tượng, phạm vi/quan

điểm nghiên cứu của nhiệt

động học

Nhiệt động KT nghiên cứu gì?

■ Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay

mất đi, mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác (Energy cannot be

created or destroyed, it transforms)

Nhiệt động KT nghiên cứu gì?

■ Năng lượng có các thuộc tính là số lượng và chất lượng (Nhiệt truyền theo

chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động 2 (2ndlaw))

Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and

Microscopic Views of Thermodynamics)

■ Vật chất được tạo thành từ các phân tử Tính chất của vật

chất phụ thuộc vào bản chất ứng của các phân tử

■ Áp suất khí trong một bình kín là tổng hợp lực va đạp

phân tử lên thành bình:

■ Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên

một diện tích vô cùng bé thành bình để xác định áp suất

■ Thay vào đó, có thể gắn vào một áp kế (xác định lực tác

dụng trung bình lên một diện tích thành bình) để xác định

áp suất Đây là quan điểm vĩ mô

■ Nhiệt độ biểu thị sự nóng lạnh của vật chất và tỷ lệ với

2 Hệ thống (nhiệt), Hệ kín,

Hệ hở, Hệ cô lập

Hệ thống nhiệt (Thermodynamic

systems)

■ Trong kỹ thuật, một bước quan trọng khi

nghiên cứu là xác định rõ đối tượng nghiên

cứu

■ Trong cơ học, nếu chuyển động của vật được

nghiên cứu, thì cần xác định vật ở trạng thái

tự do, sau đó xác định các lực tác động Cuối

cùng là áp dụng Định luật 2 Newton

■ Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system)

dùng để chỉ đối tượng được nghiên cứu (ví dụ,

coffee trong cốc)

■ Một khi hệ thống được định nghĩa, các tương

quan với các hệ thống khác được xác định

Khi đó, các định luật vật lý hoặc các quy luật

phù hợp có thể được áp dụng để nghiên cứu

■ Hệ thống nhiệtlà bất kỳ thứ gì chúng ta muốn nghiên cứu Nó có thể đơn

giản chỉ là một cốc coffee hay phức tạp như là một tổ hợp hóa chất lọc

dầu Chúng ta có thể quan tâm nghiên cứu vật chất bên trong một bình kín,

hay chất khí lưu chuyển trong một đường ống dẫn khí

■ Mọi thứ bên ngoài hệ thông được gọi làMôi trường(surroundings).

■ Hệ thống được phân biệt với môi trường bởiRanh giới(boundary) Ranh

giới có thể cố định hoặc di động

■ Việc xác định chính xác ranh giới có ý nghĩa

quan trọng khi nghiên cứu

Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu:

- Hệ thống kín(closed systems): Không trao đổi chất với môi trường

- vàHệ thống hở(control volumes): Có trao đổi chất với môi trường.

Các dạng biến thể khác:

Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường);

Hệ thống cô lập (không trao đổi bất cứ điều gì).

Hệ thống kín (closed system/control mass)

■ Là HT có lượng vật chất trong hệ thống không đổi

■ Được sử dụng khi có số lượng nhất định vật chất được

nghiên cứu;

■ Không có sự trao đổi vật chất qua ranh giới;

■ Hệ thống gồm khí chứa trong cylinder và piston phía

trên (giả thiết kín tuyệt đối)

■ Ranh giới hệ thống là bề mặt trong của cylinder và

piston (đường nét đứt)

■ Khi đun nóng, khí bên trong tăng nhiệt, giãn nở, đẩy

piston đi lên, một phần ranh giới phía dưới piston dịch

chuyển đi lên:

■ Không có lượng vật chất nào ra khỏi hệ thống

■ Có năng lượng (nhiệt) truyền qua ranh giới với môi

trường

Hệ thống hở (control volume)

■ Là một phần được lựa chọn nghiên cứu trong không

gian

■ Thường bao gồm các thiết bị liên quan đến dòng chảy

như ống phun (nozzle), bơm/quạt/máy nén

(pump/fan/compressor), động cơ tuabin (turbine)

■ Khi nghiên cứu dòng chảy, người ta chọn ra một phần

trong thiết bị

■ Cả vật chất (mass) và năng lượng (energy) có thể trao

đổi qua ranh giới được chọn

■ Không có quy luật cố định nào khi chọn ranh giới cho hệ

thống hở Việc chọn đúng sẽ đem lại kết quả nghiên cửu

cũng có thể có ranh giới thay đổi

Open Systems (continued)

■ Hệ thống kín mà không có trao đổi năng lượng qua ranh giới

thì gọi là gì?

Open systems

Open systems

Phạm vi ứng dụng

■ Hệ thống kín : Trong các chu trình động cơ đốt trong khi coi

quá trình nạp và thải của động cơ là triệt tiêu nhau (khí nạp và

nhiên liệu cháy sinh công, thải khí cháy ra ngoài môi trường).

■ Hệ thống hở : Quá trình lưu động của các dòng môi chất trong

các đường ống, thiết bị Tiêu biểu như các ống phun (nozzles)

các tầng cánh của động cơ turbines.

■ Hệ thống cô lập : Hiếm khi ứng dụng.

3 Chất môi giới, Tính chất, Sự

cân bằng, Trạng thái, Quá

trình

Chất môi giới (Working medium)

■ Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung

gian để chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (chủ yếu Nhiệt-Công)

■ Môi chất thường là vật chất ở thể lỏng, thể khí, hay có biến đổi pha giữa lỏng

và hơi

■ Ví dụ:

■ Khí cháy (không khí + nhiên liệu) trong các động cơ đốt trong, turbine khí;

■ Nước+hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện;

■ Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí

Chất môi giới

Tính chất (thông số) của hệ thống (Properties)

■ Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử

của nó, cần kiến thức về các tính chất của nó

và mối quan hệ giữa chúng

■ Tính chất của một hệ thống là các đặc tính vĩ

mô của nó

■ Một số tính chất phổ biến là: áp suất

(pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể

tích (volume-V) và khối lượng (mass-m)

■ Các thông số mô tả trạng thái của một hệ

thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định

(cân bằng-equilibrium state)

■ Không phải tất cả các thông số là độc lập

Mật độ hay khối lượng riêng (density-) là

thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ

Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v)

nghịch đảo nhau

Mật độ là một thuộc tính

■ Mật độ/Khối lượng riêng là khối lượng/đơn vị thể tích;

■  = mass/volume (kg/m3)

■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): là tỷ số giữa mật độ của một chất với mật độ của

một chất tiêu chuẩn ở điều kiện nhất định (thường lấy là nước ở 4 oC)

■ Thể tích riêng (specific volume) là thể tích của một đơn vị khối lượng

Tính chất mở rộng (extensive properties)

■ Tính chất của hệ là các thông số không phụ

thuộc vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt

độ, áp suất, khối lượng riêng

■ Tính chất mở rộng là các thông số đặc trựng

cho quy mô của hệ thống, ví dụ: khối lượng

(G), thể tích (V), năng lượng toàn phần (E)

Trạng thái (state)

■ Một trạng thái của hệ thống được định nghĩa là một điều

kiện có thể được mô tả bằng một tập hợp các thông số

trạng thái nhất định (T, P, ,  ) Nói cách khác: Trạng

thái được mô tả bằng các thông số trạng thái

■ Ở hình trên, nếu không có tác động gì, tất cả các thuộc

tính của hệ thống được xác định và đồng nhất trong toàn

bộ hệ thống Khi đó, hệ thống được mô tả bằng một loạt

thông số: gọi là trạng thái 1

■ Nếu thay đổi chỉ một thông số, hệ thống chuyển sang

trạng thái 2 (hình dưới)

■ Câu hỏi:

■ Điều gì làm hệ thống chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái

2?

■ Ngoài thể tích thay đổi, còn thông số nào thay đổi, thay

đổi tăng hay giảm?

Phương trình trạng thái (state equation)

■ Trạng thái của một hệ thống ở thời điểm nào đó được

mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định

(T, P, ,  ) Nói cách khác: Trạng thái được mô tả

bằng các thông số trạng thái

■ Quan hệ giữa các thông số trạng thái được gọi là Phương

trình trạng thái:

■ Một trong những nhiệm vụ là tìm ra mối liên hệ giữa các

thông số trạng thái của hệ

f (P, v, T, , …)

Cân bằng (equilibrium)

■ Nhiệt động KT chỉ nghiên cứu hệ thống ở

trạng thái cân bằng (equilibrium states)

■ Trạng thái cân bằng là trạng thái các thông số

đồng nhất trong toàn hệ thống

■ Một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động

khi duy trì cân bằng về nhiệt (thermal), về cơ

(mechanical), về pha (phase) và về hóa học

(chemical)

Cân bằng về nhiệt (Thermal Equilibrium)

■ Là không có sự khác nhau về nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống

Cân bằng về pha (Phase Equilibrium)

■ Cân bằng pha nghĩa là lượng vật chất ở các pha đạt trạng thái ổn định và

không thay đổi

Water Vapor, P

After some time

Water Vapor, P = Pv

After long timeWater

Vacuum

t= 0, P = 0

At t = 0

Cân bằng hóa học (Chemical Equilibrium)

■ Nghĩa là không có thay đổi về thành phần hóa học của vật chất

Định đề trạng thái (State Postulate)

■ Cần bao nhiêu thông số để xác định một trạng thái phụ thuộc vào mức

độ phức tạp của hệ thống

■ Theo Định đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định một trạng

thái

■ Hai thông số được coi là độc lập khi một thông số có thay đổi mà thông

số còn lại giữ không đổi Ví dụ: nhiệt độ và thể tích riêng

■ Nhiệt độ và áp suất có thể không phải là thông số độc lập khi môi chất

có biến đổi pha Ví dụ khi nước đang sôi

■ Định luật pha:

■ Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần 2 thông số;

■ Môi chất có biến đổi pha: cần 1 thông số

Quá trình và chu trình (Processes and

Cycles)

■ Sự thay đổi của hệ từ một trạng thái cân bằng

sang trạng thái cân bằng khác gọi là quá trình

■ Quá trình thường được biểu diễn trên đồ thị

■ Tập hợp những trạng thái mà hệ đi qua là

đường đi của quá trình Nhiệt động KT thường

chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối

■ Một quá trình có trạng thái đầu và cuối giống

nhau gọi là chu trình

■ Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal

Quá trình thuận nghịch

(Quasi-Equilibrium process)

■ Là quá trình tạo bởi tập hợp các trạng thái

cân bằng

■ Quá trình thuận nghịch có tính chất hai chiều

(nếu diễn ra theo chiều ngược lại sẽ trùng)

■ Công sinh ra hoặc tiêu tốn là lớn nhất Là

mục tiêu để hướng tời và là tiêu chuẩn để so

20

- Ví dụ: Nén thật chậm không khí trong

cyliner, áp lực khí nén sẽ tự giãn nở và

đẩy piston ngược lại

- Quá trình thuận nghịch chỉ diễn ra với

điều kiện lý tưởng (không có ma sát,

truyền nhiệt) Thực tế không tồn tại

Quá trình không thuận nghịch

(Non-Quasi-Equilibrium process)

■ Quá trình nén diễn ra nhanh,

không đạt được yếu tố cân bằng

cho các trạng thái trung gian

■ Các trạng thái trung gian là

không thể xác định Không vẽ

được đường đi của quá trình Mô

tả bằng nét đứt Intermediate

states can not be determined and

the process path can not be

defined Instead we represent it

as dashed line

■ Người ta sử dụng chất môi giới để làm gì, kể tên một số chất môi giới?

■ Thế nào là trạng thái, quá trình, cân bằng, thuận nghịch, chu trình?

4 Đơn vị, Thứ nguyên, Hệ SI

Đơn vị và thứ nguyên

■ Thứ nguyên: Là đại lượng bất kỳ nào đó có thể đo được:

■ Ví dụ: Chiều dài, khối lượng, thời gian, …

■ Đơn vị: Là hệ thống số đo cho mỗi thứ nguyên, ví dụ:

■ Thứ nguyên Chiều dài có các đơm vị là mm, cm, m, km, …;

■ Thứ nguyên Khối lượng có đơn vị là g, kg, tấn, …;

■ Thứ nguyên Thời gian có đơn vị là giây (s), phút (min), giờ (h), …

■ Hệ đơn vị quốc tế (SI): Là hệ thống các thứ nguyên/đơn vị được sử dụng

rộng rãi nhất

7 thứ nguyên cơ bản trong hệ SI

A ampere electric current

- Đơn vị cơ bản (base unit): Là đơn vị

Hãy truy cập internet và tìm

kiếm với từ khóa “unit

converter” và làm quen với

Dimensions and Units

Slug Pound mass (lbm)

Newton (N): is the force

required to give a mass of

1 kg an acceleration of 1

m/s 2

Pound force (lbf) is the force required to give a mass of 1 slug an acceleration of 1 ft/s 2

R = F + 459.67

C = (5/9)*(F –32)

R = (9/5)*K

5 Nhiệt độ

Nhiệt độ và Định luật nhiệt động thứ

Không (Temperature and the Zeroth Law)

■ Nhiệt độ: là đại lượng biểu thì sự nóng,

lạnh của vật chất

■ The zeroth law of thermodynamics states

that: If two bodies are in thermal

equilibrium with the third body, they are

also in thermal equilibrium with each

other

■ Quan điểm vi mô: Nhiệt độ là đại lượng

tỷ lệ với động năng của chuyển động

C T K T

C T F

T

K T R T

F T R T

C T K T

o o

o o

o o

1

8 1

67 459

15 273

■ T(K) = 0: độ không tuyệt

đối, vật chất không chuyển

động

■ Thang đo T(K) = T(0C)

Áp suất (Pressure)

Áp suất là lực của môi chất tác dụng lên một diện tích bề mặt

Đơn vị hệ quốc tế (SI) là Pascal: Pa=N/m2 Thường dùng kPa

(x1000) và Mpa (x106)

Đơn vị hệ Anh (British): psf = lbf/ft2, psi = lbf/in2 (psf = pound per

square foot, psi = pound per squar inch),144 in2= 1 ft2

Các nước châu Âu hay dùng đơn vị bar

psi bars

kPa Pa

atm

kPa MPa

Pa

bar

bar mmHg

O mmH m

N

Pa

696 14 01325

1 325

101 325

,

101

1

100 1

0 10

1

10 32

, 133

1 81

, 9

1 1

1

5

5 2

Áp suất tuyệt đối (Absolute

pressure), là áp suất tính so với

độ chân không tuyệt đối

(absolute vacuum hay absolute

zero pressure.)

Áp suất dư (Gage pressure), là

phần áp suất lớn hơn áp suất

môi trường (atmospheric

abs

Sự thay đổi áp suất theo độ sâu

Với chất lỏng có trọng lượng riêng không đổi:

P + Z = constant

Z là tọa độ theo độ cao (positive upward).

 là tỷ trọng riêng của chất lỏng, (N/m3)

Với chất khí, trong phạm vi chênh lệch về chiều cao

không lớn (vài chục mét) coi như áp suất không đổi

• Áp suất trong chất lỏng đồng nhất có giá trị như

nhau theo mọi hướng khi cùng độ sâu.

1 2 1 2 2

2 1

F A

F A

F

P

Do P 1 = P 2 , tỷ số A 2 /A 1sẽ quyết định giá trị lực nâng Nếu sử dụng kích

thủy lực (hydraulic jack) có tỷ số A 2 /A 1= 10, một người có thể nâng

chiếc xe nặng 1000kg chỉ với một lực tác động 100kg (= 908 N)

Đo áp suất - The Manometer

Thiết bị đo áp suất dư

dựa trên nguyên lý P +  Z

= constant gọi là

manometer , thường dùng

để đo áp suất dư hoặc độ

chân không giá trị nhỏ

đến trung bình.

f f

f s

Đo áp suất – Áp kế/chân không kế

(pressure/vacuum gauge)

■ Áp kế kiểu ống Bourdon Tube (đo áp suất dư)

■ Áp kế hỗn hợp (đo áp suất dư và độ chân không)

Đo áp suất – Áp kế/chân không kế

(pressure/vacuum gauge)

■ Áp kế điện tử

■ Cảm biến áp suất (pressure sensor)

Barometer và áp suất môi trường

•Áp suất môi trường tiêu chuẩn là chiều

cao 760mm cột Hg ở nhiệt độ 0 o C Đơn vị

mmHg còn được gọi là torr(Evangelista

Torricelli, 1608 1647).

•Áp suất môi trường tại một nơi nào đó

thực chất là lực của không khí tác dụng

lên đơn vị diện tích bề mặt P atm thay đổi

theo độ cao và điều kiện thời tiết.

•Lưu ý: Khái niệm P atm đôi khi dễ lẫn lộn

Chiều dài hay diện tích mặt cắt của ống đo không ảnh hưởng đến chiều cao cột thủy ngân trong barometer.

kPa P

kPa P

kPa P

kPa P

Pa torr

kPa torr

mmHg

P

m m

Denver m m

atm

5 26

; 05

.

54

4 83

; 88

000 , 10 5000

: 1610 1000

Các dạng năng lượng (Forms of Energy)

■ Trong hệ ổn định (không tồn tại ảnh hưởng của điện, từ, …), năng lượng toàn phần

(E) của hệ bao gồm: Động năng (kinetic-KE), thế năng (potential-PE) và nội năng

(internal-U)

■ Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng:

■ Năng lượng vĩ mô của hệ là năng lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm

động năng và thế năng

■ Năng lượng vi mô của hệ liên quan đến cấu trúc phân tử của hệ thống và độc lập

với bên ngoài Đó là nội năng

■ Sự thay đổi của năng lượng toàn phần E của một hệ tĩnh tại (closed system) chính

bằng sự thay đổi nội năng U Ví dụ: khi đun nóng vật chất trong một bình kín.

(kJ), 2

(kJ),

2

mgz mv mu

me

PE KE U

2

kg kJ gz

v u pe ke

u

Forms of Energy (continued)

Nội năng của hệ (internal energy) có thể tồn tại dưới các

dạng:

1 Động năng phân tử: kinetic energies of the molecules

is called the sensible energy.

2 Sự tồn tại các pha của vật chất (lỏng/hơi): phase of a

system is called the latent energy.

3 Năng lượng của các phân tử: atomic bonds in a

molecule is called chemical energy.

4 Thế năng của hệ: Static energy (stored in a system)

5 Động năng của hệ: Dynamic energy: energy

interactions at the system boundary (i.e heat and work)