Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Ngành Công nghệ ô tô)

Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới - Để thực hiện quá trình biến hoá năng lượng giữa nhiệt và công trong kỹ thuật người ta phải dùng một chất trung gian gọi là chất môi giới.

UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

LỜI NểI ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu giáo trình dạy nghề để phục vụ cho các tr- ờng Trung học chuyên nghiệp và Dạy nghề trên toàn quốc ngày một tăng,

đặc biệt là những giáo trình đảm bảo tính khoa học, hệ thống, ổn định và phù hợp với điều kiện thực tế công tác dạy nghề ở n- ớc ta Tr- ớc nhu cầu đó, tr- ờng Cao đẳng nghề Công nghiệp Thanh Hóa thực hiện biên

soạn các giáo trình phục vụ cho việc giảng dạy và học tập trên cơ sở tập

hợp và chọn lọc các giáo trình tiên tiến đang đ- ợc giảng dạy tại một số tr- ờng có bề dày truyền thống thuộc các ngành nghề khác nhau

Cuốn “Giáo trình nhiệt kỹ thuật” đ- ợc biên soạn trên cơ sở đúc rút

những kinh nghiệm của các giáo trình và kinh nghiệm giảng dạy của các giáo viên Nội dung mụn học Nhiệt kỹ thuật nghiờn cứu cỏc quy luật về nhiệt động của khớ, hơi nước và cỏc đại lượng đặc trưng của nú, chu trỡnh động cơ đốt trong và cỏc dạng truyền nhiệt Giáo trình còn giỳp sinh viờn cú điều kiện tự học, tự nghiờn cứu mụn học này trong quỏ trỡnh học tập và vận dụng để giải quyết cỏc bài tập của mụn học và thực tế sản xuất

Cỏc kiến thức trong giáo trình này được trỡnh bày ngắn gọn, đảm bảo thể hiện những kiến thức chớnh, quan trọng của mụn học Cỏc cụng thức được trỡnh bày cú hệ thống, đầy đủ, rừ ràng, bỏm sỏt chương trỡnh của mụn học

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình biên soạn nh- ng không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong đ- ợc bạn đọc góp ý

để giáo trình đ- ợc hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau

Ch ương I

KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

1.1 Nhiệt động học và phương pháp nghiên cứu nhiệt động học

Nhiệt động học là môn khoa học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lượng trong các quá trình biến đổi nhiệt năng thành công

Môn nhiệt động học được xây dựng trên cơ sở hai định luật thực nghiệm: Định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai

- Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, nó đặc trưng về mặt số lượng của những quá trình biến đổi năng lượng

- Định luật nhiệt thứ hai xác định chiều hướng và mức độ tiến hành các quá trình xảy ra trong tự nhiên Đặc trưng cho mặt chất lượng của những quá trình biến hoá năng lượng

- Dựa trên hai định luật này, bằng phương pháp toán học có thể rút ra những kết luận cơ bản của nhiệt động học

1.2 Những khái niệm cơ bản

1.2.1 Công và nhiệt lượng

Khi các vật tác dụng lẫn nhau, chúng truyền cho nhau một năng lượng nào đó Sự truyền năng lượng này có thể thực hiện bằng hai cách:

a Thực hiện công của vật này đối với vật kia, khi đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng bằng công nhận từ vật kia

Công trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là l(j/kg) đối với 1kg môi chất và L(j) đối với G(kg)

Quy ước công do vật sinh ra là dương, công do vật nhận vào là âm

b N ăng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau, năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt

l ượng Nhiệt lượng ký hiệu là q(j/kg) đối với 1(kg) môi chất và Q(j) đối

với G(kg), quy ước nhiệt lượng do vật nhận được là dương, nhiệt lượng

do vật toả ra là âm Đơn vị đo công và nhiệt lượng ngoài jun còn đo bằng Calo (ký hiệu Cal)

1 Cal = 4,1868 J, bội số của Cal là KCal

1KCal = 103Cal

1.2.2 Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới

- Để thực hiện quá trình biến hoá năng lượng giữa nhiệt và công trong

kỹ thuật người ta phải dùng một chất trung gian gọi là chất môi giới

- Chất môi giới có thể ở thể khí, lỏng hay rắn

- Trong các động cơ nhiệt chất môi giới thường ở thể khí, vì thể khí

có khả năng thay đổi thể tích lớn, do đó có khả năng sinh công lớn

- Ở những điều kiện khác nhau, chất môi giới ở trạng thái khác nhau Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái của chất môi giới gọi là thông số trạng thái của chất môi giới ë mỗi trạng thái xác định thông số trạng thái là những đại lượng xác định

- Các thông số trạng thái: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng

1.2.3 Cân bằng nhiệt động

- Nếu trạng thái của hệ nhiệt động không thay đổi theo thời gian nghĩa là nếu ở hai thời điểm khác nhau tính chất của hệ như nhau, ta nói

hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động đơn giản là trạng thái cân bằng

- Khi ở trạng thái cân bằng không có trao đổi nhiệt và dịch chuyển cơ học, nghĩa là nhiệt độ và áp suất ở mọi thời điểm trong hệ bằng nhau (Không có cân bằng tuyệt đối)

2 Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái của chất môi giới

- Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi tr- êng xung quanh

- Hệ hở là hệ có trao đổi chất với môi tr- êng xung quanh

- Đơn vị đo áp suất N/m2

, bar (1bar = 105N/m2) Ngoài ra người ta còn đo áp suất bằng atmotfe (at), chiều cao cột thuỷ ngân (mm Hg) và milimét nước (mm H2O)

- Quan hệ giữa các đơn vị đo:

1 at = 0,981 bar = 735,6 mm Hg = 10 mm H2O

1 bar = 750 mm Hg

- Đo áp suất dùng 3 loại dụng cụ đo:

+ Manomet: Đo phần áp suất chất khí

lớn hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất Pt

thừa tức là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí trời, ký hiệu là Pt + Baromet: Dùng để đo áp suất khí trời, ký hiệu là Pkt

+ Chân không kế:

Đo phần áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời, ký hiệu là PCck

- Áp suất tuyệt đối:

P = Pkt + Pt (1.2)

Trị số áp suất tuyệt đối bằng tổng số đo bằng 2 dụng cụ Baromet và Manomet

- Nếu áp suất bé hơn áp suất khí trời

dùng Baromet và chân không kế

Áp suất tuyệt đối là:

+ Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi nhiệt độ Kenvin, ký hiệu là T, đơn vị là K

- Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ:

T(K) = t(C) + 273 (1.4)

Pkt

Pck

Chú ý: Một độ trong nhiệt độ bách phân cũng tương ứng với một độ trong nhiệt độ tuyệt đối

sự chuyển động của toàn bộ hệ (Eđ), thế năng của toàn hệ đặc trưng cho

vị trí của toàn bộ hệ trong một trường nào đó (Et) và nội năng toàn hệ U được đặc trưng bởi năng lượng của các phần tử nhỏ bế cấu tạo nên hệ:

E = Eđ + Et + U

- Nội năng U = Uđ + Ut

+ Nội động năng Uđ là tổng của động năng tịnh tiến với động năng quay của các nguyên tử và phân tử là năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử

Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng (U0

đ = 2

iRT, trong đó U0

đ là nội năng của 1 Kmol khí, i là số bậc tự do của phân tử khí, R là hằng số chất khí,

T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí)

+ Nội thế năng Ut là thế năng của lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí, khi thể tích riêng của khối khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, do đó thế năng cũng thay đổi

+ Nội năng của chất khí phụ thuộc

vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất

khí đó, tức phụ thuộc vào thông số

nội năng là một thông số trạng thái

+ Nếu ký hiệu U là nội năng của 1

kg chất khí ta có thể viết:

U = f(T, V) (1.7)

Đối với chất khí lý tưởng, không

có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng không (Ut = 0)

Do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

U = f(T) (1.8)

Nội năng là một thông số trạng thái nên độ biến thiên của nội năng không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái Độ biến thiên nội năng của chất khí đi theo những quá trình khác nhau, nhưng có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối bằng nhau

Trên đồ thị, hình vẽ các quá trình: 1b2, 1c2, 1d2 có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối sẽ có cùng một lượng thay đổi nội năng

 2 2  1 1

1 2

2 1 d c

b a

V , P V

,

P

U U dU U

U U

Trong nhiệt động học không yêu cầu xác định giá trị tuyệt đối của nội

năng mà chỉ cần tính độ biến thiên nội năng U Giá trị nội năng cho trong các sổ tay kỹ thuật thực ra là hiệu số U - U0, với U0 được quy ước

bằng 0 ở một điều kiện nào đó, thí dụ đối với nước, theo quy ước Quốc

tế chọn U0 = 0 ở 0,01C và áp suất bằng 0,006228 at (trạng thái này là điểm ba của nước) Giá trị U0 được chọn tùy ý và không ảnh hưởng đến trị số biến thiên của U

Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, do

đó entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là I = f(T)

Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng:

Trong đó dq là nhiệt lượng tham

gia vào một quá trình vô cùng bé

nào đó, S được gọi là Entrôpi đơn vị

đo KJ/Kg.độ

Entrôpi là một thông số trạng thái

còn gọi là hàm số trạng thái Độ biến thiên của Entrôpi không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình

Để tiện việc nghiên cứu bỏ qua lực t- ơng tác giữa các phân tử, nguyên

tử chất khí và thể tích bản thân của chúng, chất khí nh- vậy gọi là khí lý t- ởng

3.2 Định luật Avôgađrô

- ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích Kmol của tất cả các khí lý t- ởng đều bằng nhau

- Một Kilomon (viết tắt Kmol) là một đại l- ợng khi có M kg - Trong

đó M là trị số phân tử l- ợng của chất khí đó Thể tích Kmol là thể tích của M kg khí

- Trong điều kiện tiêu chuẩn, tức ở áp suất P = 760 mmHg hoặc là 1at, nhiệt độ 0C thể tích Kmol của tất cả các chất khí đều bằng nhau và bằng 22,4 m3

3.3 Ph-ơng trình trạng thái của chất khí

- Trạng thái cân bằng đ- ợc xác định hoàn toàn bằng hai thông số độc lập, thí dụ P và t, P và v, t và v v.v Các thông số còn lại có thể xác định theo hai thông số đã cho

Mối quan hệ hàm số: f(P, v, t) = 0

Gọi là ph- ơng trình trạng thái của chất khí - Đ- ợc ứng dụng rộng rãi

3.3.1 Ph-ơng trình trạng thái của chất khí lý t-ởng

- Ph- ơng trình trạng thái đối với 1 kg khí lý t- ởng:

Pv = RT (1.10)

Trong đó: P: áp suất tuyệt đối N/m2 (pa)

v: Thể tích riêng m3/kg R: Hằng số chất khí J/kg.0K T: Nhiệt độ tuyệt đối K

- Nếu khối khí có khối l- ợng G kg, ta có: P.G.v = G.R.T

- Trong đó M.R = RM: Gọi là hằng số phổ biến chất của chất khí

- ứng dụng của định luật Avogađrô và thay các giá trị của các thông

số ở trạng thái tiêu chuẩn (P = 1,013 bar; T = 273,15K) vào ph- ơng trình 1.12

8314 15

, 273

4 , 22 105 013 , 1 T

RM = 8314 J/Kmol.0K (1.13)

- Hằng số của chất khí không phụ thuộc và trạng thái của chất khí

- Hằng số chất khí đối với 1 kg khí là

- Dạng ph- ơng trình khí thực rất phức tạp, cho đến nay vẫn ch- a có ph- ơng trình nào rút ra từ lý luận có thể ứng dụng cho tất cả các chất khí

và đúng với các vùng trạng thái khác nhau

- Vào các năm khoảng 1937  1946, nhà vật lý ng- ời Mỹ J Maye

đồng thời với viện sỹ toán học Liên Xô N N Bôgơliubốp bằng ph- ơng pháp thống kê đã đ- a ra dạng tổng quát của ph- ơng trình trạng thái khí thực:

i i n

1

i

R g R

Trong đó ( 2

v

a) là trị số hiệu chỉnh kể đến lực t- ơng tác giữa các phân

tử, nguyên tử, gọi là áp suất nội; hằng số a, b đ- ợc xác định theo từng chất khí

IV NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THễNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI

1 Trạng thỏi cõn bằng

Trong cơ học, ta biết rằng trạng thỏi cõn bằng của một vật là trạng thỏi mà vật đú đứng yờn đối với một hệ quy chiếu quỏn tớnh nhất định Trong nhiệt động lực học khỏi niệm trạng thỏi cõn bằng của một hệ

là trạng thỏi trong đú cỏc đại lượng vĩ mụ (p, V, T) xỏc định trạng thỏi của hệ là khụng thay đổi Những đại lượng xỏc định trạng thỏi của một vật cũn gọi là thụng số trạng thỏi

Ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt động lực học khụng thể xảy ra cỏc hiện tượng truyền nhiệt, cỏc phản ứng húa học, biến đổi trạng thỏi giữa khớ, lỏng, rắn Trạng thỏi cõn bằng nhiệt động lực học khỏc với trạng thỏi cõn bằng cơ học ở chỗ là mặc dự cỏc đại lượng vĩ mụ đặc trưng cho hệ khụng đổi nhưng cỏc phần tử cấu tạo nờn hệ vẫn khụng ngừng chuyển động hỗn loạn Chẳng hạn một hệ gồm một chất lỏng, đựng trong bỡnh kớn, trờn mặt của chất lỏng cú hơi bóo hoà của nú Hệ này ở trạng thỏi cõn bằng nờn cỏc đại lượng p, V, T là khụng đổi Tuy nhiờn bờn trong hệ vẫn cú những phõn tử bay hơi ra khỏi chất lỏng và ngược lại cũng cú những phõn tử thuộc phần hơi bóo hoà bay trở lại vào chất lỏng Dĩ nhiờn số phõn tử bay ra và bay trở vào chất lỏng trong cựng một thời gian nào đấy phải bằng nhau

Chất khớ ở trạng thỏi cõn bằng thỡ nhiệt độ của nú tại mọi điểm của

nú đều giống nhau và khụng đổi theo thời gian Tuy nhiờn tại một miền nhỏ nào đú trong khụng gian và ở một thời điểm nhất định nào đấy, cỏc phõn tử chất khớ cú thể cú động năng trung bỡnh lớn hơn động năng

trung bình các phân tử chất khí ở những miền khác Do đó nhiệt độ ở miền nhỏ nói trên có thể lớn hơn nhiệt độ ở các miền khác Như vậy, sẽ xảy ra sự dẫn nhiệt từ miền có nhiệt độ cao đến miền có nhiệt độ thấp

Sự dẫn nhiệt này chỉ có thể xảy ra trong một phạm vi không gian nhỏ so với toàn bộ thể tích chất khí

Ta thấy tuy rằng chất khí được giữ ở trạng thái cân bằng nhưng giá trị áp suất không phải hoàn toàn bất biến mà dao động ít nhiều chung quanh giá trị trung bình Những dao động nhỏ như vậy được gọi là những thăng giáng

Như vậy có hai đặc điểm của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học

1 Ở trạng thái cân bằng thong số trạng thái không nhất thiết có một giá trị hoàn toàn không đổi mà có những giá trị thay đổi quanh gia strij cân bằng

2 Chỉ có thể nói đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học trong trường hợp hệ cấu tạo bởi một số rất lớn các hạt phần tử hoặc nguyên tử…

Cuối cùng ta cần phân biệt trạng thái cân bằng và trạng thái dừng Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh được giữ ở hai nhiệt độ xác định và khác nhau Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại

đã xảy ra quá trình truyền nhiệt (vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt

ổn định từ các nguồn

Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ

không xảy ra các quá trình như dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha.v.v

2 Quá trình chuẩn cân bằng

Khi một hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một chuổi các trạng thái nối tiếp nhau xảy ra, tạo nên một quá trình Những trạng thái nối tiếp nhau này là những trạng thái cân bằng vì sự biến thiên của các thông số trạng thái theo thời gian là đủ chậm so với khoảng thời gian giữa hai trạng thái kế tiếp được chọn tuỳ ý Một quá trình diễn biến

vô cùng chậm như thế được gọi là quá trình chuẩn cân bằng (chuẩn tĩnh)

và có thể coi nó là một dãy nối tiếp các trạng thái cân bằng

Những quá trình xảy ra trong thực tế không phải là những quá trình chuẩn cân bằng nhưng nếu chúng xảy ra càng chậm bao nhiêu thì càng gần đúng là quá trình chuẩn cân bằng bấy nhiêu

Chỉ với trạng thái cân bằng và quá

trình chuẩn cân bằng ta mới được

phương pháp đồ thị để nghiên cứu vì khi

đó các thong số mới có giá trị xác định

Giả sử các thông số đủ để đặc trưng cho

hệ là thể tích V và áp suất P

Ta vẽ một hệ trục tọa độ vuông góc OV (trục hoành) và OP (trục tung) Mỗi trạng thái cân bằng của hệ được biểu diễn bằng một điểm trên đồ thị còn quá trình chuẩn cân bằng được biểu diễn bằng một đoạn cong lien tục trên hình vẽ

4 Nhiệt độ là gì, các dạng đo nhiệt độ? Chúng khác nhau thế nào?

5 áp suất là gì? Đơn vị đo áp suất chính hiện nay là gì, ngoài ra còn

có những đơn vị gì? Quan hệ giữa chúng nh- thế nào?

6 a Thế nào là quá trình nhiệt động?

b Sự khác nhau giữa quá trình cân bằng và quá trình thuận nghịch?

7 Viết các dạng cơ bản của quá trình trạng thái khí lý t- ởng, khí thực?

Bài tập:

Bài1 Khi dùng không khí nén áp suất trong bình chứa không khí giảm xuống từ 60at  45at Tính l- ợng không khí đã dùng Biết bình chứa có thể tích 70 lít Nhiệt độ của không khí 27C Hằng số chất khí 287 J/Kg.độ

tiêu chuẩn vật lý và ở điều kiện áp suất d- 0,2 at, nhiệt độ 127 0C

Biết áp suất khí quyển 760 mmHg

Ch- ¬ng II

m«i chÊt vµ sù truyÒn nhiÖt

1 Kh¸i niÖm, ph©n lo¹i khÝ lý t- ëng vµ khÝ thùc

1.1 KhÝ lý t-ëng

Các loại khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được tạo nên từ các phân tử, mỗi phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất định, các phân tử trong chất khí tương tác với nhau Để đơn giản cho việc nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm khí lý tưởng

Khí lý tưởng là chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử

Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí như oxy (O

2), hydro (H

2), nitơ (N

2), không khí, v.v ở điều kiện áp suất và nhiệt

độ không quá lớn, có thể xem chúng như là khí lý tưởng

1.2 KhÝ thùc

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể sử dụng để tính toán cho nhiều loại khí thực trong phạm vi áp suất và nhiệt độ không quá lớn với một độ chính xác nhất định Khi những điều kiện giả định đối với

1.3 Hçn hîp khÝ lý t-ëng

Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chất khí

lý tưởng khi không xảy ra phản ứng hóa học giữa các chất khí thành phần Ví dụ: không khí có thể được xem như là hỗn hợp khí lý tưởng với các chất khí thành thành gồm nitơ (N

2), oxy (O

2), đioxit carbon (CO

2), v.v Hỗn hợp khí được sử dụng có thể có tỷ lệ các chất khí thành phần rất khác nhau nên việc xây dựng các bảng hoặc đồ thị cho chúng là không thực tế Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định các thông số nhiệt động và tính toán với hỗn hợp khí lý tưởng

T

1 = T

2 = T

3 = = T (2.2) 3) Phân áp suất (p

i) - là áp suất của khí thành phần Tổng phân áp suất của các khí thành phần bằng áp suất của HHK

2 Khái niệm, phân loại sự truyền nhiệt

Truyền nhiệt: Quá trình vận chuyển nhiệt l- ợng từ một l- u thể này sang l- u thể khác (cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt)

Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong tr- ờng hợp nhiệt độ của hai l- u thể đều không thay đổi theo cả vị trí và thời gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa hai l- u thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian

Truyền nhiệt biến nhiệt xảy ra trong tr- ờng hợp nhiệt độ của l- u thể

có thay đổi trong thời gian làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai l- u thể có thay đổi

Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai l- u thể biến đổi theo vị trí nh- ng không biến đổi trong không gian Chỉ xảy ra với các quá trình làm việc liên tục

Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định khi hiệu số nhiệt độ giữa hai l- u thể có biến đổi theo cả vị trí và thời gian Chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn

Biểu thức của tr- ờng nhiệt độ mô ta luật phân bổ nhiệt độ, cho phép xác định giá trị nhiệt độ tức thời tại thời điểm τ theo tọa độ (x,y,z) của một điểm bất kỳ trong hệ: t = t(x,y,z,τ)

Theo thời gian, tr- ờng nhiệt độ đ- ợc phân ra hai loại: không ổn định

và ổn định Nếu giá trị nhiệt độ tức thời tại mọi điểm trong hệ không thay đổi theo thời gian, tức t = 0 với mọi (x,y,z) và mọi τ, thì tr- ờng nhiệt độ đ- ợc gọi là ổn định: t = t(x,y,z)

Nếu có một điểm (x,y,z) tại thời điểm τ khiến cho t ≠ 0, thì tr- ờng nhiệt độ đ- ợc gọi là không ổn định

Tùy theo tính đối xứng của tr- ờng số tọa độ không gian mà tr- ờng phụ thuộc (th- ờng đ- ợc gọi là số chiều của tr- ờng) có thể là 0,1,2,3

Ví dụ biểu thức của tr- ờng nhiệt độ 0, 1, 2, 3 chiều có thể là:

2.3 Gradient nhiệt độ

Xét hai mặt đẳng nhiệt t = const và t + dt = const với dt > 0

Gọi vận tốc thay đổi nhiệt độ của điểm M theo h- ớng 1 cho tr- ớc Gọi gradient nhiệt độ của điểm M là vận tốc thay đổi nhiệt độ của môi chất theo h- ớng pháp tuyến n của mặt đẳng nhiệt t = const, chiều từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao

Biểu thức của vectơ gradient nhiệt độ tại điểm M (x,y,z) là:

Để đặt tr- ng cho độ lớn và ph- ơng chiều dòng nhiệt truyền qua mặt

đẳng nhiệt ta định nghĩa dòng nhiệt q và vectơ có độ lớn bằng l- ợng

nhiệt q [w/m2] truyền qua 1m2 mặt đẳng nhiệt trong một giây, trên

h- ớng pháp tuyến mặt đẳng nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ:

Dấu (-) do vectơ q ng- ợc chiều vectơ gradt

Theo lý thuyết tr- ờng vectơ, l- ợng nhiệt sinh ra trong 1 đơn vị thể tích của hệ, tức hiệu số các l- ợng nhiệt ra vào 1m2 của hệ là:

Do đó nếu divq > 0 thì vật sinh nhiệt và divq < 0 thì vật thu nhiệt, khi divq = 0 vật đ- ợc gọi là ổn định nhiệt

2.5 Công suất nguồn nhiệt

Để đặt tr- ng tốc độ phát nhiệt tại điểm M của vật V, ta định nghĩa năng suất phát nhiệt của điểm M (x,y,z) là tỷ số:

Trong đó ∂Q[W] là công suất nhiệt phát ra từ phân tố thể tích dV[m3] bao quanh điểm Nếu biết qv = qv (xy,z) thì tính đ- ợc công suất phát nhiệt của nguồn V theo: v

v

Qq dV Khi nguồn nhiệt phân bố đều, qv = const, thì Q = qvV

3 Khái niệm về sự chuyển pha của các đơn chất

Từ thực nghiệm ta thấy tất cả môi chất đơn nh- : n- ớc (H2O), thuỷ ngân (Hg), amôniac (NH3), Frêon - 12 (CCl2F2) hoặc cacbon (C) v v , khi cấp nhiệt hoặc thải nhiệt đều có sự thay đổi trạng thái và sự chuyển pha ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau

Lấy 1kg n- ớc ở 1bar và 200C, cấp nhiệt cho nó, ta quan sát thấy nhiệt

độ tăng từ 200C đến 99,640C thì một bộ phận n- ớc bắt đầu hoá hơi, nhiệt

độ 99,640C giữ không đổi cho đến khi giọt n- ớc cuối cùng biến thành hơi, sau đó nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ tiếp tục tăng lên mãi Thể tích riêng của n- ớc bắt đầu từ 0,0010018 m3/kg tăng lên đến 0,0010432

m3/kg khi bắt đầu hoá hơi, và khi vừa hoá hơi hết thì thể tích riêng bằng 1,694 m3/kg (tăng khoảng 1600 lần) và khi nhiệt độ tăng đến 6000C thì thể tích riêng bằng 4,028 m3/kg

Nếu cho hơi n- ớc ở 6000C thải nhiệt ở áp suất vẫn bằng 1 bar không

đổi thì nhiệt độ giảm xuống, đến 99,640C thì vẫn một bộ phận hơi ng- ng lại thành n- ớc, nhiệt độ không đổi cho đến khi hơi vừa ng- ng hết; nếu tiếp tục thải nhiệt, nhiệt độ giảm xuống cho đến khi bằng 00C, một bộ phận n- ớc đông đặc, nhiệt độ không thay đổi, khi n- ớc đông hết thì nhiệt độ lại tiếp tục giảm Thể tích thay đổi không đáng kể khi n- ớc

đông thành đá

Nếu cấp nhiệt cho n- ớc đá ở nhiệt độ thấp thí dụ (-200C) trong điều kiện áp suất 1bar thì nhiệt độ tăng lên đến 00C, đá bắt đầu tan, nhiệt độ giữ 00C không đổi cho đến khi đá tan hoàn toàn, sau đó tiếp tục tăng lên, trở lại bằng 200C ban đầu

Làm lại thí nghiệm trên ở các áp suất khác nhau và biểu thị trên đồ thị

p - t và T - s trên hình (H.2 - 1) và (H.2 - 2) ta thấy:

a) Khi áp suất p nằm trong phạm vi áp suất điểm 3 pha p3 (đối với n- ớc bằng 0,00611 bar t- ơng ứng với nhiệt độ 3 pha t3 = 0,010C) và áp suất tới hạn pk (đối với n- ớc pk = 221,3 bar t- ơng ứng với nhiệt độ tới

hạn tk = 374,150C) nghĩa là pk > p > p3, thì quá trình xảy ra giống nhau

về mặt định tính, nh- ng về định l- ợng có khác nhau

- Ở áp suất p3 nhiệt độ đông đặc bằng nhiệt độ hoá hơi, áp suất càng tăng thì nhiệt độ đông đặc th- ờng giảm xuống (đ- ờng 0 - L trên đồ thị p

- t) và nhiệt độ hoá hơi tăng lên (đoạn OK)

- Áp suất tăng thì sự khác nhau giữa thể tích riêng của hơi và của n- ớc càng giảm dần, đến áp suất pk thì không còn khác nhau (H.2 - 2)

b) Khi p > pk thì quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng không khác mấy, nh- ng từ pha lỏng chuyển thành pha hơi không có ranh giới rõ ràng, không có giai đoạn pha lỏng và pha hơi cùng tồn tại

c) Khi p < p3 thì pha rắn trực tiếp chuyển thành pha hơi khi cấp nhiệt, ng- ợc lại khi thải nhiệt thì pha hơi trực tiếp thành pha rắn, chỉ ở trạng thái p3 và t3 thì cả 3 pha có thể cùng tồn tại ở các trạng thái khác tối đa chỉ có 2 pha cùng tồn tại

Làm thí nghiệm trên với các môi chất đơn chất khác nhau kết quả cho trong bảng 1.1

trạng thái 3 pha và trạng thái tới hạn

t3 (0C) p3 (kpa) tk (0C) pk (bar) Thuỷ ngân (Hg)

N- ớc (H2O)

Amôniac (NH3)

Cacbonic (CO2)

0,01 -77,6 -56,6

0,6113 6,06

518

1490 374,15 132,3 31,04

1510 221,29 112,8 74,12

Hình 2.2 0

x

y

K

L h r

x

y

K 3

A

l h r

Ôxy (O2)

Hyđrô (H2)

-219 -259

0,15 7,194

-118,35 -239,85

50,8

13

3.1 Nóng chảy và đông đặc

Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng quá trình

ng- ợc lại, tức là chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là đông đặc Khi

nóng chảy môi chất nhận nhiệt, khi đông đặc môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt l- ợng đó có trị số bằng nhau gọi là nhiệt ẩn nóng chảy hay nhiệt ẩn

đông đặc Đối với n- ớc ở áp suất khí quyển bằng 333,37 kj/kg

3.2 Hóa hơi và ng-ng tụ

Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và quá trình

ng- ợc lại, tức là chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ng- ng tụ Khi

hóa hơi môi chất nhận nhiệt, khi ng- ng tụ môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt l- ợng đó có trị số bằng nhau, gọi là nhiệt ẩn hoá hơi hoặc nhiệt ẩn ng- ng

tụ, nó phụ thuộc vào bản chất và thông số của môi chất N- ớc ở áp suất khí quyển có nhiệt ẩn hóa hơi bằng 2258 kj/kg Tuỳ theo điều kiện khác nhau, quá trình hóa hơi đ- ợc chia thành quá trình bay hơi và quá trình sôi Quá trình bay hơi chỉ tiến hành trên mặt thoáng, quá trình sôi tiến

hành trong cả khối môi chất

Nhiệt độ mà môi chất tiến hành quá trình hóa hơi hoặc ng- ng tụ gọi là nhiệt độ bão hòa (hoặc là nhiệt độ sôi), nhiệt độ bão hòa, phụ thuộc vào

áp suất, n- ớc ở áp suất khí quyển có nhiệt độ bão hòa (sôi) xấp xỉ 1000C,

ở áp suất 0,01 bar, bằng 6,920C, ở áp suất 200 bar là 365,70C

Chú ý : Tùy điều kiện hình thành khác nhau, pha rắn của môi chất có thể tồn tại ở nhiều dạng kết tinh khác nhau: n- ớc (H2O) có 6 dạng; cacbon có 2 dạng; graphit, kim c- ơng và bixmuýt có 8 dạngv.v

là khí lí t- ởng ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thông th- ờng, các môi chất 2 nguyên tử nh- ôxy, nitơ, không khí có thể xem là khí lí t- ởng, hơi n- ớc trong sản phẩm cháy hoặc trong không khí cũng xem là khí lí t- ởng vì phân áp suất của nó rất nhỏ

3.5 Quá trình hóa hơi đẳng áp

Hơi của cỏc chất lỏng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật Vớ dụ hơi nước được sử dụng chạy tuabin hơi nước trong cỏc nhà mỏy nhiệt điện,

để sấy núng, hơi Amoniac, Freon được sử dụng trong cỏc thiết bị lạnh

Sôi là quá trình hóa hơi diễn ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng Sự

sôi chỉ diễn ra ở một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa (ts) Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và áp suất Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của nước bằng 100 0C

Trong kỹ thuật, quá trình hóa hơi thường được tiến hành ở áp suất không đổi, đặc điểm quá trình hóa hơi của các chất lỏng là giống nhau Những đặc điểm quá trình hóa hơi của nước được trình bày dưới đây cũng sẽ được áp dụng cho các chất lỏng khác

Giả sử có 1 kg nước trong xylanh, trên bề mặt nước có một piston có khối lượng không đổi Như vậy, áp suất tác dụng lên nước sẽ không đổi trong quá trình hóa hơi Giả sử nhiệt độ ban đầu của nước là t

0, nếu ta cấp nhiệt cho nước, quá trình hóa hơi đẳng áp sẽ diễn ra H 2.2-1 thể hiện quá trình hóa hơi đẳng áp, trong đó nhiệt độ phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp t = f(q) Đoạn OA biểu diễn quá trình đốt nóng nước từ nhiệt

độ ban đầu t0đến nhiệt độ sôi ts Nước ở nhiệt độ t < ts gọi là nước chưa sôi Khi chưa sôi, nhiệt độ của nước sẽ tăng khi tăng lượng nhiệt cấp vào Đoạn AC thể hiện quá trình sôi, trong quá trình sôi, nhiệt độ của nước không đổi (ts= const), nhiệt được cấp vào được sử dụng để biến đổi pha mà không làm tăng nhiệt độ của chất lỏng Thông số trạng thái của nước ở điểm A được ký hiệu là i', s', u', v', Hơi ở điểm C gọi là hơi bão hòa khô, các thông số trạng thái của nó được ký hiệu là i'', s'', u'', v'', Hơi ở trạng thái giữa A và C được gọi là hơi bão hòa ẩm, các

thông số trạng thái của nó được ký hiệu là i

x, s

x, u

x, v

x, Sau khi toàn

bộ lượng nước được hóa hơi, nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ của hơi

sẽ tăng (đoạn CD) Hơi có nhiệt độ t > t

s gọi là hơi quá nhiệt Hơi bão hòa ẩm là hỗn hợp của nước sôi và hơi bão hòa khô Hàm lượng hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm được đánh giá bằng đại lượng độ khô (x) hoặc độ ẩm (y)

hlượng hơi bão hòa khô và m

n là lượng nước sôi

Tương tự, nếu tiến hành quá trình hóa hơi đẳng áp ở những áp suất khác nhau (p

1, p

2, p

3, ) và cùng biểu diễn trên đồ thị trạng thái p - v, sẽ được các đường, điểm và vùng đặc trưng biểu diễn trạng thái của nước như sau:

• Đường trạng thái của nước chưa sôi: đường nối các điểm O, O

1 ,O

2, O

3 gần như thẳng đứng vì thể tích của nước thay đổi rất ít khi tăng hoặc giảm áp suất

• Đường giới hạn dưới là đường nối các điểm A, A

1, A

2, A

3 biểu diễn trạng thái nước sôi độ khô x = 0

• Đường giới hạn trên : đường nối các điểm C, C

1, C

2, C

3, biểu diễn trạng thái hơi bão hòa khô có độ khô x = 1

• Điểm tới hạn K: Điểm gặp nhau của đường giới hạn dưới và giới hạn trên Trạng thái tại K gọi là trạng thái tới hạn, ở đó không còn sự khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hòa khô Các thông số trạng thái tại K gọi là các thông số trạng thái tới hạn Nước có các thông số trạng thái tới hạn: p

khô Đối với nước chưa sôi và hơi quá nhiệt người ta thường chọn áp suất (p) và nhiệt độ (t) là hai thông số độc lập để xây dựng bảng trạng thái Các bảng trạng thái của nước (chưa sôi, nước sôi, hơi bão hòa khô, hơi quá nhiệt) và một số chất lỏng thông dụng thường được cho trong phần phụ lục Đối với hơi bão hòa ẩm, người ta không lập bảng trạng thái mà xác định trạng thái của nó trên cơ sở độ khô và các thông số trạng thái của nước sôi và hơi bão hòa khô như sau:

v

x = v' + x (v'' - v') i

x = i' + x (i'' - i') s

x = s' + x (s'' - s')

Ví dụ Xác định các thong số entanpi, thể tích riêng, nội năng của 1kg

hơi nước và 300kg/h hơi nước ở áp suất p = 10 bar, độ khô x = 0,9?

Ux = ix = p.vx

Ux = 2576,5.103 – 10.105

.0,17525 = 2,4.106 j/kg = 2400 kj/kg Nội năng của 300kg/h hơi nước:

Ux = G.ux = 300.2400 = 720000kj/h = 200kw

Ch- ơng III

các quá trình nhiệt động của môi chất

1 Định luật nhiệt động thứ nhất

1.1 Định luật nhiệt động thứ nhất

Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và biến hoá năng l- ợng, ứng dụng cho các hiện t- ợng nhiệt và đ- ợc phát biểu

nh- sau: Năng l- ợng không tự mất đi, và không tự tạo ra, nó có thể biến

đổi từ dạng này sang dạng khác trong những quá trình vật lý và hoá học khác nhau

Nói cách khác, tổng số các dạng năng l- ợng trong một hệ cô lập bất

kỳ là không đổi Hiện nay ta đã biết nhiều dạng năng l- ợng khác nhau: Nhiệt năng, cơ năng, năng l- ợng của điện tr- ờng, từ tr- ờng, v.v

Trong giáo trình nhiệt động nghiên cứu chủ yếu 2 dạng năng l- ợng cơ bản: nhiệt năng, và cơ năng

1.2 Nội năng chất khí

- Bất kỳ hệ nhiệt động nào cũng bao gồm nhiều vật tác dụng lẫn nhau

đều có năng l- ợng tổng (E) bằng động năng của toàn hệ đặc tr- ng cho sự chuyển động của toàn bộ hệ (Eđ), thế năng của toàn hệ đặc tr- ng cho vị trí của toàn bộ hệ trong một tr- ờng nào đó (Et) và nội năng toàn hệ U

đ- ợc đặc tr- ng bởi năng l- ợng của các phần tử nhỏ bé cấu tạo nên hệ:

E = Eđ + Et + U

- Nội năng U = Uđ + Ut

+ Nội động năng Uđ là tổng của động năng tịnh tiến với động năng quay của các nguyên tử và phân tử là năng l- ợng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử

Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng (U0

đ = 2

iRT, trong đó U0

đ là nội năng của 1 Kmol khí, i là số bậc tự do của phân tử khí, R là hằng số chất khí,

T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí)

+ Nội thế năng Ut là thế năng của lực liên kết giữa các phân tử và nguyên tử, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí, khi thể tích riêng của khối khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, do đó thế năng cũng thay đổi

+ Nội năng của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất khí đó, tức phụ thuộc vào thông số nội năng là một thông số trạng thái

+ Nếu ký hiệu U là nội năng của 1 kg chất khí ta có thể viết:

U = f(T, V) (3.1)

Đối với chất khí lý t- ởng, không có lực t- ơng tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng không (Ut = 0) Do đó nội năng của khí lý t- ởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ:

U = f(T) (3.2)

Nội năng là một thông số trạng

thái nên độ biến thiên của nội năng

không phụ thuộc vào đặc tính của

quá trình thay đổi trạng thái Độ biến

thiên nội năng của chất khí đi theo

2 1 d c

b a

V , P V

,

P

U U dU U

U U

điểm ba của n- ớc) Giá trị U0 đ- ợc chọn tuỳ ý và không ảnh h- ởng đến trị số biến thiên của U

1.3 Công dãn nở của chất khí

Để nghiên cứu về công dãn nở ta giả thiết có một l- ợng khí thể tích V,

áp suất P, áp suất môi trường xung quanh là P’

Cho thể tích khi dãn nở một l- ợng vô cùng bé dv, tính công do chất khí thực hiện để khắc phục

lực cản trở của môi tr- ờng

Vậy công tiêu hao để

chống lại sức cản của môi

- Khi chất khí thực hiện quá trình

V

V pdv l

1.4 Ph-ơng trình của định luật nhiệt động thứ nhất

- Khi cung cấp một nhiệt l- ợng Q1-2 cho một l- ợng khí nào đó nhiệt

độ của khí tăng lên và thể tích của khối khí đó thay đổi

- Nhiệt l- ợng cung cấp dùng làm tăng nội năng U1-2 và thực hiện một công dãn nở L1-2

- Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng l- ợng

q (3.15)

Tích phân  2

1

P

P v dp đ- ợc gọi là công kỹ thuật    2

1

P P

l (3.16)

dp v

dlkt   (3.17)

2 Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt l- ợng

2.1 Nhiệt dung riêng

Trong kỹ thuật cần phải tính nhiệt l- ợng tham gia vào một quá trình nào đó khi nhiệt độ thay đổi Đại l- ợng cần biết để tính toán nhiệt l- ợng

là nhiệt dung riêng

2.2 Định nghĩa, phân loại nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng của một chất khí nào đó là nhiệt l- ợng cần thiết để

đ- a nhiệt độ của một đơn vị chất khí nào đó lên một độ theo một quá trình nào đó

- Nếu đơn vị đo l- ợng chất khí đó là kg, nhiệt dung riêng đ- ợc gọi là nhiệt dung riêng khối l- ợng, ký hiệu là C, đơn vị kj/kg.độ

- Nếu đơn vị đo là mét khối tiêu chuẩn (P = 760 mmHg, t = 0C) nhiệt dung riêng đ- ợc gọi là nhiệt dung riêng thể tích, ký hiệu C’, đơn vị đo là kj/m3tc.độ

-Nhiệt dung riêng t- ơng ứng với 1 Kmol chất khí gọi là nhiệt dung riêng Kmol, ký hiệu MC hay CM, đơn vị đo là KJ/Kmol.độ

- Từ định nghĩa ta thấy nhiệt dung riêng phụ thuộc vào quá trình thay

đổi trạng thái của chất khí

- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi (quá trình

đẳng áp), nhiệt dung riêng đ- ợc gọi là nhiệt dung riêng đẳng áp, trong

ký hiệu thêm chữ P, ví dụ CP, C’P, MCP

Nhiệt dung riêng trong quá trình đẳng tích (V = const) gọi là nhiệt dung riêng đẳng tích Trong ký hiệu thêm chỉ số V, ví dụ C , C’ , MC

2.3 Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng

a Quan hệ theo đơn vị đo:

M

M C V

C

C '

C  tc  M KJ/m3

tc.độ

' C 4 , 22 C

M

MC   KJ/Kmol.độ

b Quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích

- Trong quá trình đẳng áp, nhiệt l- ợng cung cấp ngoài lực làm tăng

nhiệt độ (tăng nội năng) của chất khí còn sinh công để khắc phục lực hút

phân tử và sức hút của môi tr- ờng ngoài

Trong quá trình đẳng tích, nhiệt l- ợng cung cấp chỉ để làm tăng nhiệt

độ (tăng nội năng)

Do vậy nhiệt dung riêng trong quá trình đẳng áp lớn hơn nhiệt dung

riêng đẳng tích

- Đối với khí lý t- ởng, quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt

dung riêng đẳng tích (Maye) CP - CV = R kj/kg.độ (3.18)

- Đối với khí thực, quan hệ giữa 2 loại nhiệt dung riêng trên

P V

V

P

T

V T

P T C

Trong đó k đ- ợc gọi là số mũ đoạn nhiệt, đối với khí lý t- ởng k không

phụ thuộc vào nhiệt độ

Loại khí Trị số k KCal/Kmol.độ KJ/Kmol.độ

) 1 2 (

MCV MCP MCV MCP

Khí ba nguyên tử trở lên 1,3 7 9 29,3 37,7

2.4 Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ

a Nhiệt dung riêng trung bình và nhiệt dung riêng thực

Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, từ định nghĩa về nhiệt dung riêng ta có thể suy ra biểu thức:

1 2

2 1 1

2

t t

q t

Gọi là nhiệt dung riêng thực ở nhiệt độ t

b Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ

- Nhiệt dung riêng thực:

C = a + bt + dt2 + + ntm (3.23)

- Nhiệt dung riêng trung bình:

m

1 m

n

t 3

d t 2

b a

Tùy mức độ chính xác về tính toán trị số m lấy bằng 1, 2, 3, nhiệt dung riêng trung bình lấy m = 1 Nhiệt dung riêng trung bình cho trong bảng chính là các trị số

2

b, 3

d, ; đối với khí thực m = 2

2.5 Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí

- Khi muốn nâng nhiệt độ của hỗn hợp lên 1 cần phải nâng nhiệt độ của từng chất khí thành phần lên 1

- Nếu gọi Chh là nhiệt dung riêng của hỗn hợp

Và C1, C2, C3, Cn là nhiệt dung riêng của từng chất khí thành phần trong hỗn hợp, ta có:

G.Chh = G1C1 + G2C2 + G3C3 + + GnCn

hay Chh = g1C1 + g2C2 + + gnCn = 



n 1 i

i i

i i

hệ thay đổi, nghĩa là đã xảy ra một quá trình nhiệt động, nh- vậy quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái nhiệt động của hệ đang nghiên cứu

- Quá trình nhiệt động chia 2 quá trình: Cân bằng và không cân bằng + Quá trình cân bằng là quá trình bao gồm những trạng thái cân bằng + Quá trình có những cặp trạng thái không cân bằng gọi là quá trình không cân bằng

- Giả thiết có một quá trình nhiệt

động theo chiều thuận 1, a, b 2 và

khi theo chiều ng- ợc lại hệ nhiệt động

đi qua tất cả các trạng thái 2, b, a, 1,

không xảy ra thay đổi nào của hệ và

môi tr- ờng xung quanh gọi là quá

trình thuận nghịch

- Quá trình thuận nghịch không có tổn thất năng l- ợng do ma sát

3.2 Các quá trình nhiệt động cơ bản

3.2.1 Khái niệm

Khi hệ cân bằng ở một trạng thái nào đó thì các thông số trạng thái sẽ

có giá trị xác định Khi môi chất hoặc hệ trao đổi nhiệt hoặc công với môi tr- ờng thì sẽ xảy ra sự thay đổi trạng thái và sẽ có ít nhất một thông

số trạng thái thay đổi, khi đó ta nói hệ thực hiện một quá trình nhiệt

động Trong thực tế xảy ra rất nhiều quá trình nhiệt động khác nhau Tổng quát nhất là quá trình đa biến, còn các quá trình đẳng áp, đẳng tích,

đẳng nhiệt và đoạn nhiệt (đẳng entropi) Là các tr- ờng hợp đặc biệt của quá trình đa biến, đ- ợc gọi là các quá trình nhiệt động có một thông số bất biến Sau đây ta khảo sát các quá trình nhiệt động của khí lý t- ởng

1

a

b

2

P

V

0

3.2.2 Quá trình đa biến

Tất cả các quá trình đã nghiên cứu ở trên có đặc tính là tiến hành trong một điều kiện nhất định (khi V = const, P = const, T = const, q = const)

Trong tr- ờng hợp tổng quát ta nghiên cứu quá trình có hệ số biến hoá năng l- ợng const

khác nhau Hệ số biến hoá năng l- ợng chỉ không thay đổi trong từng quá trình

- Ph- ơng trình của quá trình

Từ ph- ơng trình nhiệt nhiệt động thứ nhất: dq = di - vdp

Nếu gọi Cn là nhiệt dung riêng của chất khí trong quá trình đa biến:

dv C C

C C

v n

p n

C C

C C



 (4.15)

  0

p

dp v

v

C

C T C

T C q