Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản
Chương 1
Những khái niệm cơ
bản
Mục đích
■ 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
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)
2
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 (2nd law))
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.
Áp kế
■ Nhiệt độ biểu thị sự nóng lạnh của vật chất và tỷ lệ với
tốc độ chuyển động phân tử:
■ Quan điểm vi mô, có thể tính được nhiệt độ (thuyết động
học phân tử);
■ Thay vào đó chỉ cần nhiệt kế để đo nhiệt độ.
Nhiệt động học chỉ nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô
3
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.
4
■ Hệ thống nhiệt là 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 là Môi trường (surroundings).
■ Hệ thống được phân biệt với môi trường bởi Ranh 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
- và Hệ 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.
5
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
chính xác và dễ dàng hơn.
■ Ranh giới của hệ thống hở được gọi là mặt ranh giới
(boundary surface)
■ Mặt ranh giới có thể là thực hoặc tưởng tượng.
■ Hệ thống hở có thể cố định về kích thước, hình dáng,
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?
6
Open systems
Open systems
7
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
8
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
9
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.
= Volume/mass, (m3/kg)
= 1/
Water
Gases
Liquids
P
T
10
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?
11
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:
f (P, v, T, , …)
■ Một trong những nhiệm vụ là tìm ra mối liên hệ giữa các
thông số trạng thái của hệ
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).
12
Cân bằng về nhiệt (Thermal Equilibrium)
■ Là không có sự khác nhau về nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống.
20 C
32 C
30 C
32 C
30 C
32 C
35 C
40 C
32 C
32 C
Thermal equilibrium
No thermal equilibrium
Cân bằng về cơ học (Mechanical
Equilibrium)
■ Là không có sự khác nhau về áp suất trong toàn bộ hệ thống.
13
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.
Vapor, P
Vapor, P = Pv
Vacuum
t= 0, P = 0
Water
Water
Water
After some time
After long time
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.
14
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
process) T = constant .
■ Quá trình đẳng áp (Isobaric
process) P = constant .
■ Qua trình đẳng tích (Isochoric
process/constant volume).
15
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
sánh.
Process path
State 2
P
Intermediate
states
- Ví dụ: Nén thật chậm không khí trong
cyliner, áp lực khí nén sẽ tự giãn nở và
đẩy piston ngược lại.
State 1
20
V
- Quá trình thuận nghịch chỉ diễn ra với
điều kiện lý tưởng (không có ma sát,
truyền nhiệt). Thực tế không tồn tại.
20 pa
20 pa
20 pa
20 pa
20 pa
(a) Slow compression (quasi-equilibrium)
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.
16
Một số câu hỏi
■ Nhiệt động học kỹ thuật nghiên cứu sự biến đổi giữa 2 đại lượng cơ bản
là gì?
■ Có mấy loại hệ thống nhiệt, lấy ví dụ?
■ Sự khác nhau giữa HT kín và HT hở?
■ 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
17
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
- Đơn vị cơ bản (base unit): Là đơn vị
chuẩn.
- Đơn vị dẫn xuất: Là đơn vị có thể suy
ra từ các đơn vị gốc.
- Ví dụ: Thể tích là dẫn xuất từ đơn vị
gốc là chiều dài (V = L3)
Symbol
Name
ampere
kelvin
second
metre
Quantity
electric current
temperature
time
A
K
The SI base
units
s
m
length
Hãy truy cập internet và tìm
kiếm với từ khóa “unit
converter” và làm quen với
công cụ chuyển đổi đơn vị
kg
cd
mol
kilogram mass
candela
mole
luminous intensity
amount of substance
18
Dimensions and Units
SI
British System
Foot (ft)
Conversion
Length
Time
Meter (m)
Second (s)
1 ft = 0.3048 m
Second (s)
Slug
Pound mass (lbm)
1 slug = 32.2 lbm
1 slug =14.59 kg
1 lbm = 0.4536 kg
Kg
Mass
Force
Newton (N)
Pound force (lbf)
1 N = (1Kg).(1 m/s2)
1 lbf = (1 slug)(1. ft/s2)
1 lbf = 4.448 N
Definition Newton (N): is the force Pound force (lbf) is the force
C = (5/9)*(F –32)
of
required to give a mass of required to give a mass of 1
1 kg an acceleration of 1 slug an acceleration of 1 ft/s2.
m/s2.
Unit force
R = (9/5)*K
Degree Celsius.(C)
Absolute Temp.: Kelvin (K).
K = C + 273.15
Degree Fahrenheit (F)
Absolute Temp.: Rankine (R)
R = F + 459.67
C = (5/9)*(F –32)
R = (9/5)*K
Tempe-
rature
5. Nhiệt độ
19
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
phân tử và có thể tính được.
■ Quan điểm vĩ mô: Nhiệt độ đo bằng các
thiết bị đo
Nhiệt độ và đơn vị đo
(Temperature scales)
T
T
T
T
K
R
R
T
T
oC
oF
273.15
459.67
■
Nhiệt độ Kelvin, hay nhiệt độ tuyệt đối, T(K) – lưu ý
1.8T
K
không có ký hiệu “0”.
oF
1.8T
oC
oC
o F
32
■
■
■
Nhiệt độ Celcius, hay nhiệt độ bách phân, T(0C).
Nhiệt độ Fahrenheit, T(0F).
T
T
K
T
T
Nhiệt độ Rankine, T(0R)
R
■
■
T(K) = 0: độ không tuyệt
đối, vật chất không chuyển
động.
Thang đo T(K) = T(0C).
20
Tải về để xem bản đầy đủ
30 trang
134420
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_nhiet_chuong_1_nhung_khai_niem_co_ban.pdf
