bai giang Nhiệt kỹ thuật chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Nội dung môn họcMột số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Các phương pháp tính nhiệt và công Định luật nhiệt động 1 và các quá trình cơ bản của khí lý tưởng... CÁC KHÁI NIỆ

NHIỆT KỸ THUẬT (45 tiết)

CHƯƠNG 1

(17 tiết)

CHƯƠNG 2 (5 tiết)

CHƯƠNG 3 (15tiết)

CHƯƠNG 4 (8 tiết)

Thi hết môn

KT 1tiết

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

1 Định nghĩa môn học:

Nhiệt động lực học là một bộ phận của vật lý học, nghiên cứu những quy luật về biến đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng & các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả của các sự biến đổi đó

3 Nội dung môn học

Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất

ở thể khí Các phương pháp tính nhiệt và công

Định luật nhiệt động 1 và các quá trình cơ bản của khí lý tưởng

4 Vị trí môn học:

 Là một trong những môn học kỹ thuật cơ sở có

phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật như cơ khí, nhiệt điện, hàn, vận hành thiết bị chế biến dầu khí, …

5 Học & Kiểm tra:

 Hình thức KT & Thi : Trắc nghiệm trên máy tính

 Được sử dụng : máy tính, bảng chuyển đổi đơn vị

1 CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

1.1 Thiết bị nhiệt

- Là những thiết bị dùng để thực hiện quá trình chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng

- Được chia thành 2 loại:

+ Động cơ nhiệt: là thiết bị dùng để biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu bị đốt cháy thành cơ năng (động cơ đốt trong, động

cơ phản lực, tuabin, …)

+ Máy lạnh hoặc bơm nhiệt: là thiết bị tiêu hao công để truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao hơn.

Chương 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

& PTTT CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ

khoảng không gian trong đó có chứa 1 lượng nhất định chất môi giới đang được khảo sát bằng các biện pháp nhiệt động.

1 CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

1.2 Hệ nhiệt động (HNĐ)

1 CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

1.3 Hệ nhiệt động (HNĐ)

- Khi xem xét một hệ nhiệt động cần chú ý:

 Chất môi giới, nguồn nóng, nguồn lạnh

 Công & nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi trạng thái

 Bề mặt ranh giới ngăn cách giữa chất môi giới và

môi trường

CHẤT MÔI GIỚI

 Là chất trung gian thực hiện việc biến đổi và truyền tải năng lượng trong hệ nhiệt động

 Là vật chất ở bất kì pha nào (rắn, lỏng, khí) Thường gặp nhiều ở pha khí hay hơi (vì có khả năng giãn nở lớn)

 VD:

Động cơ nhiệt: sản phẩm cháy của nhiên liệu

Máy lạnh: Tác nhân lạnh

Các trạng thái của chất môi giới:

Khí lí tưởng

 Thể tích bản thân các phân tử bằng 0

 Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0

 Các phân tử được xem như là những chất điểm chuyển động

Chú ý: Khí thực trong điều kiện áp suất thấp hoặc nhiệt

độ cao cũng được xem như là khí lí tưởng Ở trong các thiết bị nhiệt, môi chất làm việc ở điều kiện áp suất và nhiệt độ tương đối cao nên có thể xem môi chất là khí

lí tưởng

Ví dụ 1 :

- Phân loại hệ thống nhiệt: 4 loại

 HNĐ kín: Lượng chất môi giới trong hệ thống được duy trì không đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn cách giữa môi chất và môi trường (VD: máy lạnh)

 HNĐ hở: chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống xuyên qua bề mặt ranh giới (VD: động cơ đốt trong, động

cơ phản lực, tuabin khí, …)

 HNĐ đoạn nhiệt: Trong hệ thống này, chất môi giới không

có sự trao đổi nhiệt với môi trường trong quá trình hoạt động (VD: nước trong một phích kín, cách nhiệt tốt)

 HNĐ cô lập: Trong hệ thống này, chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào trong quá trình hoạt động

Dựa vào định nghĩa, phân biệt loại HNĐ trong hình vẽ dưới đây?

Ví dụ về HNĐ kín

Chu trình làm việc của máy lạnh

Thiết bị bốc hơi (dàn nóng)

Ví dụ về HNĐ cô lập

Ví dụ về HNĐ đoạn nhiệt

Môi trường

HNĐ

 Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một HNĐ

 Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số của hệ cũng thay đổi theo

 Trạng thái của hệ mà các thông số trạng thái không thay đổi theo thời gian là TTCB

 Tại một điều kiện bất kì, trạng thái của chất môi giới có thể được xác định bằng 2 thông số trạng thái độc lập

II THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

Thông số trạng thái

Nhiệt độ (T)

toC = TK – 273 = (toF - 32) = ToR – 273

toC = TK – 273 = (toF - 32) = ToR – 273

Thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật

Dụng cụ đo: Nhiệt kế (NK)

• NK thủy ngân, NK rượu : dựa trên sự giãn nở của chất lỏng

• NK điện trở: dựa trên sự thay đổi điện trở

• Thermocouple: dựa trên sự thay đổi dòng điện

Nhiệt độ (T)

Tương quan giữa các thang đo nhiệt độ

Chú ý: Chỉ có thang đo nhiệt độ Kenvin mới là thông số trạng thái trong hệ SI và được sử dụng để tính toán trong NKT

Nước sôi

Nước đóng băng

Độ 0 tuyệt đối

• Manometer (áp kế): dùng để đo áp suất dư ( p d )

• Barometer : dùng để do áp suất khí quyển ( po )

• Vacumeter (chân không kế): dùng để do áp suất chân không ( p ck )

•

www.pvmtc.com.vn PVMTC

Dụng cụ đo áp suất đọc trực tiếp

Phân loại áp suất

Áp suất

đo chênh Là phần áp suất chênh lệch giữa 2 nguồn đo áp suất (∆p)

Là độ chênh lệch giữa áp suất của môi trường đang xét so với áp suất khí quyển

Là độ chênh lệch giữa áp suất của môi trường đang xét so với chân không tuyệt đối (p)

Áp suất

tương đối

Áp suất

tuyệt đối

Phân biệt áp suất tuyệt đối & áp suất tương đối:

Chú ý: Chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái và được sử dụng để tính toán trong NKT

Áp suất dư:

khi p > po

Áp suất tuyệt đối (p)

A 4,48 bar B 4,27 bar C 9,27 bar D 9,42 bar

3 Đồng hồ baromet chỉ giá trị 760 mmHg, vacumet chỉ giá trị

420 mmHg, vậy áp suất tuyệt đối của chất khí có giá trị:

A – 1180 mmHg B 1180 mmHg

C – 340 mmHg D 340 mmHg

 Thể tích ứng với 1 đơn vị khối lượng

Hay: (ρ: khối lượng riêng của môi chất, , kg/m 3 )

 Ở đktc (0 o C, 760mmHg), thì:

Với µ là phân tử lượng hay nguyên tử lượng của môi chất

 Chú ý: Chỉ có thể tích riêng ν mới là thông số trạng thái, còn

thể tích V không phải là thông số trạng thái.

 Kí hiệu: u – đối với 1 kg môi chất, kJ/kg

U – đối với G kg môi chất, kJ

 Là thông số trạng thái không trực tiếp đo được mà phải tính toán

 Nội năng của 1 HNĐ là tất cả năng lượng chứa trong hệ (năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng dao động của các phân tử, năng lượng chuyển động của các electron, năng lượng hạt nhân)

 Mỗi trạng thái của hệ tương ứng có 1 nội năng xác định, khi hệ thay đổi trạng thái thì nội năng thay đổi Nói cách khác, nội năng

là hàm trạng thái của hệ

Nội năng (u)

 Nội năng của 1 HNĐ bao gồm 2 thành phần:

 Nội động năng : do chuyển động của các phân tử bên trong HNĐ, phụ thuộc vào nhiệt độ

 Nội thế năng : do lực tương tác của các phân tử trong HNĐ, phụ thuộc vào khoảng cách trung bình giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng

→ u = f(T, ν))

 Đối với khí lý tưởng: lực tương tác giữa các phân tử được xem bằng 0, nên nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ

 Đơn vị: kJ, kcal, kWh, BTU (British Thermal Unit), CHU

(Centigrade Heat Unit)

Nội năng (u)

 Chú ý: Trong các bài toán NKT, chỉ cần tính lượng biến đổi nội năng (∆U)

• Biến thiên nội năng của khí lí tưởng:

du = cv.dT → ∆u = c v ∆T

(cv – là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích, kJ/kg.K)

Nội năng (u)

 Kí hiệu: i – đối với 1 kg môi chất, , kJ/kg

I – đối với G kg môi chất, , kJ

 Là thông số trạng thái không trực tiếp đo được mà phải tính toán

 Đối với khí lý tưởng: do u và pν chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ nên entanpi của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ

 Đơn vị: kJ, kcal, kWh, BTU, CHU

Entanpi (i)

i = u + pν

I = G i = U + pV

 Chú ý: Trong các bài toán NKT, chỉ cần tính lượng biến đổi entanpi (∆i)

• Biến thiên entanpi của khí lí tưởng:

di = cp.dT → ∆i = c p ∆T

(cp – là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, kJ/kg.K)

Entanpi (i)

 Kí hiệu: s – đối với 1 kg môi chất, kJ/kg.K

S – đối với G kg môi chất , kJ/K

 Là thông số trạng thái đặc trưng cho quá trình nhận nhiệt hay thải nhiệt của môi chất: nhận nhiệt thì entropi tăng, thải nhiệt thì entropi giảm

 Lượng biến đổi entropi ds của 1kg môi chất trong 1 quá trình thuận nghịch được tính theo công thức:

 Chú ý: Trong các bài toán NKT, chỉ cần tính lượng biến đổi entropi (∆S)

Entropi (s)

𝑇

 1 quá trình biến đổi của hệ gồm 1 chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng (TTCB) gọi là quá trình cân bằng (QTCB)

IV PTTT CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG

 Đối với khối khí có khối lượng 1kg:

 Đối với khối khí có khối lượng Gkg:

 ν : Thể tích riêng, m 3 /kg

 p : Áp suất tuyệt đối, N/m 2

 T: Nhiệt độ tuyệt đối, K

Bài tập ví dụ

1 Trong một bình có thể tích 0,625 m 3 chứa O2 có áp suất tuyệt đối là 23 bar và nhiệt độ 280 o C Xác định khối lượng của khí trong bình

A H2 B O2 C CO D CH4

1 Khái niệm:

 Hỗn hợp khí lí tưởng là hỗn hợp của nhiều khí lí tưởng

phản ứng hóa học

 Hỗn hợp của các khí lí tưởng cũng ứng xử như là 1 khí lí tưởng, tức là các khí tp và hỗn hợp khí đều tuân theo PTTT của khí lí tưởng

2 Đặc điểm của hỗn hợp

 Thành phần thể tích (r i): Là phần trăm về thể tích mà chất khí i chiếm ở trong hỗn hợp

• Chú ý:

•

V HỖN HỢP KHÍ LÍ TƯỞNG

3 Xác định phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

 Khi biết thành phần khối lượng của các khí trong hỗn hợp

Ví dụ: Xđ phân tử lượng tương đương của hh khí gồm 0,1 kg

V HỖN HỢP KHÍ LÍ TƯỞNG

Giải:

3 Xác định phân tử lượng tương đương của hỗn hợp

 Khi biết thành phần thể tích của các khí trong hỗn hợp

V HỖN HỢP KHÍ LÍ TƯỞNG

nó G=20kg, V=4m3, t=100oC và tp thể tích của hh là ,

Giải:

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 Hệ thống nhiệt động học là tập hợp các vật thể

liên quan với nhau về:

A Cơ năng và nhiệt năng mà ta đang nghiên cứu

bằng phương pháp nhiệt động học

B Nhiệt năng và điện năng

C Hóa năng và nhiệt năng

D Cơ năng và nội năng

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 Khí lý tưởng là khí được xem như:

A Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0

B Thể tích bản thân các phân tử bằng 0

C Các phân tử chỉ là các chất điểm chuyển động

D Các câu còn lại đều đúng

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 Trong hệ nhiệt động, chất môi giới:

A Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và

chuyển tải năng lượng trong hệ nhiệt động

B Có thể tồn tại ở các trạng thái: rắn, lỏng, khí

C Thường được gặp nhiều ở trạng thái khí và hơi

D Các câu còn lại đều đúng

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 … là độ chênh lệch giữa áp suất môi trường

và áp suất khí quyển trong đó áp suất môi trường nhỏ hơn áp suất khí quyển:

A Áp suất chân không

B Áp suất dư

C Áp suất khí quyển

D Áp suất tương đối

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 Entanpi là :

A Thông số trạng thái của vật

B Tổng động năng và thế năng của vật

C Năng lượng toàn phần của vật

D Tất cả các câu còn lại đều đúng

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

 Entropi là :

A Thông số trạng thái đặc trưng cho quá trình

nhận nhiệt hay thải nhiệt của môi chất

B Tổng động năng và thế năng của vật

C Năng lượng toàn phần của vật

D Tất cả các câu còn lại đều đúng