Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2a: Năng lượng Bảo toàn năng lượng (Định luật nhiệt động học 1)

Năng lượng

Bảo toàn năng lượng (Định

luật nhiệt động học 1)

1

Một số lưu ý

• Nội dung giảng dạy trong các cuốn sau:

[1] Thermodynamics: An Engineering Approach: Các chương 1,

2, 3, 4, 5 và 6

[2] Basic Engineering Thermodynamics: Chương 9 – Heat

Transfer

[3] Sách Nhiệt động lực học: các chương từ 1-5

• Bài tập: Giao theo cá nhân trong các chương 1-6

cuốn [1]

• Học liệu (Course Materials) cung cấp trên website:

scholar.vimaru.edu.vn/diemphd và facebook group:

Engineering Thermodynamics Group 4

2

1

Objectives

- Năng lượng của hệ, các dạng năng lượng;

- Hai dạng truyền năng lượng là nhiệt và công;

- Các dạng công khác nhau;

- Sự bảo toàn năng lượng – Định luật nhiệt động

học thứ nhất;

- Hiệu suất truyền năng lượng;

- Năng lượng và ô nhiễm môi trường.

3

Sự bảo toàn khối lượng

• Nguyên lý chung: Vật chất (Khối lượng) được

bảo toàn, không sinh ra và mất đi, chỉ có thể

biến đổi từ dạng này sang dạng khác

• Đối với hệ nhiệt động: Khối lượng vào – Khối

lượng ra = Sự thay đổi khối lượng.

ꢈꢁ

ꢀ ꢁ_ꢂꢃ− ꢀ ꢁ_ꢄꢅꢆ

=

ꢈꢉ

4

2

Sự bảo toàn khối lượng

ꢎꢏ

• Hệ kín: ꢁ = ꢊꢋꢌꢍꢉ;

= 0

ꢎꢆ

Ví dụ: Lốp xe, động cơ đốt trong sau khi coi các

quá trình nạp và thải là triệt tiêu nhau.

• Hệ hở: thường gặp với các giả thiết là dòng

chảy đều và ổn định:

• Ví dụ: vật chất (lỏng, khí) chảy qua ống; hơi nước chảy

qua động cơ tuabin hơi.

5

Năng lượng: Nhiệt, Công, sự truyền

năng lượng

Energy: Heat, Work, Energy Transfer

6

3

Sự bảo toàn năng lượng

 Ví dụ 1: Tủ lạnh làm việc

trong phòng kín, cách nhiệt,

cánh tủ mở.

 Nhiệt độ phòng ntn?

 Các dạng năng lượng tham

gia vào quá trình?

 Ví dụ 2: Quạt chạy trong

phòng kín, cách nhiệt.

 Nhiệt độ phòng ntn?

 Các dạng năng lượng tham

gia vào quá trình?

 Cơ sở để kết luận về sự

thay đổi nhiệt độ?

7

Các dạng năng lượng (Forms

of Energy)

Năng lượng (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):

- Động năng:

-

- Thế năng:

-

Năng lượng toàn phần:

Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng:

4

Năng lượng vi mô, vĩ mô

 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.

 Năng lượng của chuyển động phân tử: Nhiệt

hiện (Sensible energy);

 Năng lượng biến đổi pha: Nhiệt ẩn (Latent

energy);

 Năng lượng liên kết nguyên tử: Hóa năng

(Chemical energy), Năng lượng nguyên tử

(Atomic energy).

9

Sự dụng năng lượng

. Static energy: được tích trữ trong hệ thống;

. Dynamic energy: được hệ thống trao đổi (qua biên

hệ). Chỉ có 2 dạng năng lượng trao đổi:

.

Nhiệt (Heat);

.

Công (Work).

. Ví dụ: Tuabin thủy điện:

.

Năng lượng vĩ mô của dòng

chảy làm quay tuabin (sinh

công).

.

Năng lượng vi mô chuyển

động hỗn loạn các phần tử

H2O không có tác dụng.

10

5

Năng lượng trong hệ kín, hở

 Hệ kín (close system):

 Hệ hở (control volume):

 Thường không có

chuyển động

(stationary);

 Có dòng chảy (mass

flow rate);

 Energy Flow rate

 KE = 0;

 PE = 0;

 ∆E = ∆U

 Ví dụ: Dòng chảy trong

động cơ tuabin hơi

 Ví dụ: đun nóng vật chất

trong một bình kín.

Sự thay đổi năng lượng trong hệ kín, hệ hở

11

được nghiên cứu ở các chương sau.

Năng lượng truyền qua biên hệ kín

 Dạng nhiệt (Heat): Nếu

System

Q

W

năng lượng truyền qua

biên hệ liên quan đến sự

chênh nhiệt độ.

 Nếu không thì là work.

Heat: là một dạng năng

lượng (thermal energy)

truyền giữa các vật (qua

biên hệ) khi có sự chênh

về nhiệt độ.

12

6

Truyền năng lượng dạng nhiệt

 Năng lượng có thể truyền

qua biên hệ kín dạng

Nhiệt hoặc Công.

 Nhiệt truyền qua biên hệ

khi có độ chênh nhiệt độ.

 Nhiệt chỉ được nhận dạng

khi truyền qua biên hệ

13

Truyền năng lượng dạng nhiệt

 Nhiệt lượng trao đổi từ state 1 đến state 2:

 Nhiệt lượng truyền/đơn vị thời gian (công

suất truyền nhiệt):

ꢈꢐ

ꢐ =

(ꢒꢓ/ꢍ, ꢒꢔ)

ꢈꢉ

 Tổng nhiệt lượng trao đổi:

 Nếu công suất truyền nhiệt không đổi theo

thời gian:

14

7

Hệ thống đoạn nhiệt (Adiabatic)

 Hệ thống diễn ra quá trình

không có trao đổi năng lượng

dạng Nhiệt với bên ngoài:

 Khi hệ được bọc cách nhiệt;

 Khi hệ không có chênh lệch nhiệt

độ với xung quanh.

 Phân biệt (adiabatic process)

và Isothermal process (ĐẲNG

NHIỆT)

 Quá trình đoạn nhiệt có thể có

sự thay đổi nhiệt độ.

15

Truyền năng lượng dạng công

 Công trao đổi từ state 1 đến state 2:

 Công truyền/đơn vị thời gian (công suất):

ꢈꢔ ꢒꢓ

ꢔ =

(

ꢀ ꢁꢂꢃ

ꢈꢉ

ꢍ

Work là năng lượng trao đổi liên quan

đến tác động lực và dịch chuyển

(chuyển động) của hệ.

ꢀꢁ

8

Ký hiệu, đơn vị Nhiệt/Công

 Q or ₁Q₂

 Lượng nhiệt trao đổi trong

 W or ₁W₂

 Công thực hiện đối với một

quá trình từ trạng thái 1

đến trạng thái 2.

 Units: kJ or BTU

hệ thống để thay đổi từ

trạng thái 1 đến trạng thái

2.

 Units: kJ or BTU

 w

 q

 Nhiệt lượng/đơn vị khối

lượng.

 Công/đơn vị khối lượng.

 Units: kJ/kg or BTU/lb_m

•



^W

Q

 Rate of heat transfer: Công

 Công suất (Power):

suất truyền nhiệt

Công/đơn vị thời gian.

 kJ/sec = kW

17

Quy ước dấu Nhiệt và Công

 Heat truyền đến hệ thống (hệ

thống nhận) mang dấu dương

(+).

 Work thực hiện do nhận tác

động từ bên ngoài (tạo ra

chuyển động của hệ) là công

âm (-).

 Work sinh ra bởi hệ thống (tác

động ngược lại với môi

 Heat truyền từ hệ thống ra môi

trường mang dầu âm (-).

trường) là công dương (+).

18

9

Đặc điểm Heat and Work

 Nhiệt và công đều truyền qua biên hệ.

 Các hệ thống nhiệt đều có năng lượng, nhưng

không phải Nhiệt hay Công. Khi trao đổi nhiệt

hoặc công với môi trường qua biên hệ, năng

lượng của hệ thay đổi.

 Trao đổi nhiệt hoặc công diễn ra theo quá trình

– không phải ở trạng thái cố định.

 Nhiệt và công là hàm của quá trình: phụ thuộc

vào đường đi quá trình và 2 trạng thái đầu,

cuối.

19

Hàm trạng thái-Hàm quá trình?

State (point) function-Path function?

 Path functions ký hiệu bằng

đạo hàm riêng δ, ví dụ δQ, δW.

2

δW =W₁₂

(not ∆W

)



1

 Point functions ký hiệu bằng đạo

hàm toàn phần ∆, ví dụ: ∆V

2

dV =V₂-V₁= ΔV



1

Các thông số trạng thái (P, v, T) là hàm của trạng thái

(point functions),

ꢂꢃ

Nhiệt và công là hàm của quá trình (path functions).

10

Các loại công - Types of work

 Công cơ học - Mechanical Work

 Dich chuyển biên hệ (Moving boundary work)

 Công trên trục (Shaft work)

 Công lò xo (Spring work)

 Công điện - Electric Work

 (W_e=V I ∆t)

. V =voltage

. I=current

. ∆t =time

21

Nhiệt hay Công

 Nung nóng một lò được cách

nhiệt bằng may so điện.

 Nếu coi hê thống bao gồm

lò nung và may so điện thì

hệ thống nhận Nhiệt hay

Công?

 Nếu coi hệ thổng không

bao gồm may so điện thì

hệ thống nhận Nhiệt hay

Công?

22

11

Công cơ học

 Lực tác dụng làm hệ

chuyển động

 Hai điều kiện xuất

hiện công cơ học:

 1. Có lực tác dụng lên

biên hệ.

 2. Biên hệ dịch

chuyển.

Trong nhiều hệ nhiệt động, công cơ

học là dạng công duy nhất và là mục

đích của hệ

23

Công trên trục (shaft work)

 Lực F tác động qua cánh tay

đòn r tạo thành mô men T:

 Quãng đường dịch chuyển s

khi trục quay được n vòng:

 Sinh ra công trên trục:

 Công suất trên trục:

Với ꢄ là tốc độ quay của trục.

24

12

Công lò xo (spring work)

 Lực F tác động làm lò xo dịch

chuyển x:

 Với lò xo tuyến tính:

 Công lò xo:

25

Định luật NĐH thứ nhất

First law of thermodynamics

 Năng lượng không tự nhiên

sinh ra hay tự nhiên mất đi, mà

chỉ chuyển từ dạng này sang

dạng khác

 Là nguyên lý bảo toàn năng

lượng trong phạm vi nhiệt

VD2

Thế năng chuyển thành

động năng

VD1

Nhiệt năng tăng lên của hệ

bằng nhiệt năng nhận được

26

13

First law of thermodynamics

VD5

VD3

VD4

Năng lượng tăng lên bằng

công (điện/cơ học) tiêu thụ

Nhiệt năng thực nhận bằng

nhiệt năng nhận vào trừ

nhiệt năng tỏa ra

Năng lượng tăng lên bằng

công (điện) tiêu thụ

27

Biểu thức ĐL1

28

14

ĐL 1 với hệ tĩnh tại (stationary)

 Thường gặp các hệ

tĩnh tại:

 Không có chuyển

động;

 Không thay đổi độ

cao.

 Ví dụ: Nhà máy nhiệt

điện, căn phòng (điều

hòa)

29

Các dạng truyền năng lượng

 Dạng nhiệt (heat transfer);

 Dạng công (work transfer);

 Khi thay đổi lượng vật chất

(mass flow).

30

15

Ví dụ 1

 Két được làm mát với máy khuấy. Nội năng

ban đầu: 800kJ; Lượng nhiệt tỏa ra: 500kJ;

Điện năng máy khuấy tiêu thụ: 100kJ.

 Hỏi: Năng lượng còn lại của hệ?

31

Ví dụ 2

 Quạt tiêu thụ công suất 200W

đặt trong phòng có nhiệt độ

25⁰C, diện tích bao quanh

A=30m2; Nhiệt truyền ra

ngoài theo công thức

 Xác định nhiệt độ phòng sau

ổn định?

 Công suất 200W truyền cho

không khí trong phòng như thế

nào?

32

16

Hiệu suất truyền năng lượng

 Hiệu suất:

 Hiệu suất truyền năng lượng:

ꢇꢈꢄꢉ ꢊꢋꢌꢄꢉ ꢄℎꢍꢄ ꢎꢋꢌꢏ

ꢆ =

ꢐꢑꢄꢉ ꢄꢈꢄꢉ ꢊꢋꢌꢄꢉ

 Ví dụ:

 Đun nước trong bình nước nóng (điện): ꢆ = 90%

 Đun nước trong bình nước nóng (gas): ꢆ = 55%

 Hiệu suất quạt điện: ꢆ = ?

33

Hiệu suất truyền năng lượng

 Hiệu suất toàn bộ: Một hệ thống có thể diễn ra nhiều quá trình

biến đổi năng lượng. Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện:

 Quá trình cháy nhiên liệu trong lò hơi: Hiệu suất cháy;

 Quá trình biến đổi năng lượng nhiệt thành cơ năng quay

tuabin hơi: Hiệu suất nhiệt;

 Quá trình biến cơ năng thành điện năng trên máy phát điện:

Hiệu suất máy phát.

 Hiệu suất động cơ đốt trong, ꢆ_ꢎꢒ=?

 Hiệu suất nhà máy nhiệt điện, ꢆ_{ꢓꢔꢕꢖꢗꢘꢙ ꢚꢙꢘꢛꢓ}=?

34

17

Năng lượng và Môi trường

Energy & Environment

 Phần lớn năng lượng từ nhiên

liệu hóa thạch (Fossile fuels):

 Coal,

 LPG, LNG,

 Gasoline,

 Diesel Oil, Heavy Fuel Oil):

 Các lĩnh vực chủ yếu:

 Sản xuất điện;

 Giao thông: Ô tô; máy bay;

tàu hỏa; tàu thủy.

35

Energy & Environment

 Khí thải từ đốt nhiên

liệu hóa thạch:

 CO, CO2,

 Tác hại:

 Hiệu ứng nhà kính

(greenhouse effect);

 Mưa axit (acid rain);

 SOx,

 Suy giảm tầng Ozone

 NOx,

(Ozone depletion);

 HC (VOCs)

 Khói bụi (Smoke,

Particulate Matters-

PM)

36

18

Energy & Environment

 Hiện tượng khói bụi đô

thị (Smog and Ozone):

 Là khói, bụi kết hợp với

các Ozone ở tầng thấp,

HC, Nox, thường xuất

hiện trong những ngày

nhiệt độ cao, lặng gió;

 Tác hại: Gây cay mắt,

khó thở, bệnh hô hấp;

ảnh hưởng mùa màng

37

Energy & Environment

 Mưa axit (Acid rain): Các

khí SOx, NOx trong

không khí kết hợp với hơi

ẩm, nước mưa tạo thành

nước mưa có hàm lượng

axit cao

 Tác hại: Mùa màng giảm

năng suất, rừng, cây

chậm phát triển, thủy sinh

bị chết, phá hủy các công

trình (tượng đồng/đá)

38

19

Energy & Environment

 Hiệu ứng nhà kính:

 Từ khi xuất hiện cách

mạng công nghiệp (TK19),

nhiệt độ trái đất tang lên

bao nhiêu?

 Khí nhà kính là những khí

nào?

 CO2 hiện chiếm bao nhiêu

% trong không khí? Trước

CMCN là bao nhiêu?

 What should you do to

save our planet?

39

Bài tập về nhà

 Làm bài tập chương 3 (danh sách bài tập

Chương 3, 4 đã post lên facebook);

 Đọc:

 Tiếng Việt: Chương IV – Sự bảo toàn năng

lượng;

 English: Chapter 4 – Enery analysis of closed

systems

40

20