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).  
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:  
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/lbm  
Units: kJ/kg or BTU/lbm  
•
•
W  
Q
Rate of heat transfer: Công  
Công suất (Power):  
suất truyền nhiệt  
Công/đơn vị thời gian.  
kJ/sec = kW  
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  
(We=V I ∆t)  
. V =voltage  
. I=current  
. ∆t =time  
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, ꢆꢎꢒ =?  
Hiệu suất nhà máy nhiệt điện, ꢆꢓꢔꢕꢖꢗꢘꢙ 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?  
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  
pdf 20 trang yennguyen 17360 Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2a: Năng lượng Bảo toàn năng lượng (Định luật nhiệt động học 1)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_nhiet_chuong_2a_nang_luong_bao_toan_nang.pdf