Giáo trình Nhiệt kỹ thuật - Ngành/nghề: Công nghệ ô tô
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: NHIỆT KỸ THUẬT
NGÀNH/NGHỀ: CÔNG NGHỆ Ô TÔ
( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)
LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017
1
LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng Nhiệt kỹ thuật được biên soạn theo chương trình đào tạo Cao đẳng
nghề Công nghệ ôtô do Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành.
Bài giảng được biên soạn với nội dung ngắn gọn, dễ hiểu, nhằm trang bị cho
người học những kiến thức cơ bản, cần thiết về nhiệt kỹ thuật trong nghành công
nghệ ô tô để phục vụ cho việc tiếp thu kỹ thuật chuyên môn, rèn luyện tay nghề để
áp dụng vào sản xuất.
Với mong muốn tổng hợp có hệ thống các thông tin tư liệu và những tiêu
chuẩn mới nhất về Nhiệt kỹ thuật nhằm xây dựng một tài liệu học tập và nghiên
cứu cho học sinh, sinh viên nghề công nghệ ôtô. Trong quá trình thực hiện, tác giả
đã cố gắng rất nhiều, song do điều kiện về thời gian nên không tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để bài giảng môn
học Nhiệt kỹ thuật ngày càng được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả biên soạn: Tạ Thị Hoàng Thân
2
MỤC LỤC
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và thông số trạng thái của môi
1. Các khái niệm cơ bản
1.1. Các khái niệm
1.2. Nhiệt và công
2. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái
2.1. Hệ nhiệt động
2.2. Các thông số trạng thái
3. Định luật nhiệt động
3.1. Định luật nhiệt động I
3.2. Định luật nhiệt động II
Chương 2: Môi chất và sự truyền
1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và khí thực
1.1. Khí lý tưởng
1.2. Khí thực
2. Truyền nhiệt
2.1. Khái niệm
2.2. Phân loại
2.2.1. Dẫn nhiệt
2.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
2.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
3. Khái niệm về sự chuyển pha của các đơn chất
3.1. Khái niệm sự chuyển pha
3.2. Phân loại sự chuyển pha
Chương 3: Các quá trình nhiệt động của môi chất
1. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
1.1. Cơ sở lý thuyết để khảo sát một quá trình nhiệt động
1.1.1. Cơ sở để khảo sát
1.1.1. Các quá trình nhiệt động
1.2. Nội dung để khảo sát
1.3. Các quá trình có một thông số bất biến
2. Các quá trình nhiệt động của khí thực
2.1. Ứng dụng của hơi nước
2.2.Quá trình hóa hơi đẳng áp của nước
3
2.3. Bảng đồ thị của hơi nước
2.4. Tính toán các quá trình của hơi nước
3. Các quá trình hỗn hợp của không khí ẩm.
3.1. Khái niệm
3.2. Các thông số cơ bản của không khí ẩm
3.3. Quá trình sấy
Chương 4: Chu trình nhiệt động của động cơ
1. Khái niệm, yêu cầu và phân loại chu trình nhiệt động
1.1. Khái niệm
1.2. Yêu cầu
2. Chu trình nhiệt động của một số thiết bị nhiệt
2.1. Chu trình động cơ đốt trong
.
2.2. Chu trình thiết bị động lực hơi nước
2.3. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng máy nén khí
2.4. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng hơi
4
Chương 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA
MÔI CHẤT
Mục tiêu:
- Phát biểu đꢀng các khái niệm và các thông số trạng thái của môi chất
- Giải thích được các định luật nhiệt động I, định luật nhiệt động II
- Nhận dạng và phân biệt được các thông số trạng thái của môi chất, viết
được các phương trình định luật nhiệt động
- Tuân thủ đꢀng quy định, quy phạm về lĩnh vực nhiệt kỹ thuật.
1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Các khái niệm
1.1.1. Nguồn nhiệt: là những vật trao đổi nhiệt với môi chất; nguồn
nhiệt có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp
hơn gọi là nguồn lạnh.
1.1.2. Môi chất: là những chất mà thiết bị dùng để truyền tải và
chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác. Môi chất có thể là vật
chất ở bất cứ pha nào, nhưng thường dùng pha hơi (khí) vì nó có khả năng co
dãn rất lớn. Môi chất có thể là đơn chất hoặc hỗn hợp.
Yªu cÇu kü thuËt ®èi víi chÊt m«i chất
- Cã kh¶ n¨ng sinh c«ng lín: thÓ tÝch thay ®æi
đ¸ng kÓ khi nhiÖt ®é thay ®æi.
- Cã kh¶ n¨ng truyÒn t¶i nhiÖt n¨ng lín: Cã
nhiÖt dung riªng lín.
- RÎ tiÒn, dÔ kiÕm, kh«ng ¨n mßn thiÕt bÞ,
kh«ng ®éc h¹i cho ng êi vµ thiÕt bÞ.
- An toµn, kh«ng dÏ ch¸y, dÔ næ.
Trong thùc tÕ kh«ng cã chÊt nµo ®¸p øng ®ñ nhu
cÇu trªn, v× vËy tuú theo lÜnh vùc ¸p dông ng êi ta
chän ra c¸c chÊt m«i giíi trªn c¬ së ph¸t huy
®iÓm vµ h¹n chÕ thÊp nhÊt khuyÕt ®iÓm.
u
1.1.3. Trạng thái: là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý
của môi chất hay hệ ở một thời điểm nào đó. Các đại lượng vật lý đó được gọi
5
là thông số trạng thái.
1.1.4. Thông số trạng thái: là một đại lượng vật lý có một giá trị duy
nhất ở một trạng thái. Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái.
Nghĩa là độ biến thiên của thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào
điểm đầu và điểm cuối quá trình mà không phụ thuộc vào quá trình (đường đi)
đạt đến trạng thái đó.
1.1.5. Máy nhiệt: là hệ thống thiết bị dùng để tiến hành quá trình
truyền tải, trao đổi và chuyển hóa nhiệt năng, thực hiện sự chuyển hoá giữa
nhiệt và công nói chung.
Thiết bị nhiệt là những thiết bị trong thực tế ta gặp nhiều như: máy
lạnh, máy điều hòa nhiệt độ, các thiết bị sấy, thiết bị chưng cất, thiết bị nhà
máy điện …..chꢀng thực hiện việc chuyển hóa nhiệt từ vùng này đến vùng
khác hoặc biến nhiệt thành công.
1.1.6. Động cơ nhiệt: là các loại máy nhiệt tiêu thụ một nhiệt lượng nào
đó để sản sinh cho chꢀng ta một cơ năng tương ứng sau đó có thể được chuyển
hóa thành các dạng năng lượng khác như điện năng, thế năng.....
Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt này là nhận nhiệt năng từ nguồn
nhiệt chuyển hóa một phần thành cơ năng, phần còn lại tổn thất ra môi
trường bên ngoài.
VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v.
Ngày nay người ta cũng đã chế tạo thành công một số động cơ nhiệt
đặc biệt đó là những động cơ biến trực tiếp nhiệt năng thành điện năng như:
pin nhiệt điện, chu trình pin nhiên liệu, động cơ từ thủy động.....
1.1.7. Máy lạnh: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy được để làm
lạnh một vật nào đó.
VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.v. là loại máy lạnh.
1.1.8. Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả ra nguồn
nóng để đốt nóng hoặc sấy, sưởi một vật nào đó.
VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa
đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt.
Máy lạnh và bơm nhiệt là các thiết bị nhiệt có chức năng phạm vi ứng
dụng khác nhau nhưng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau, nhờ năng
lượng hỗ trợ từ bên ngoài nhiệt được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp( nguồn
6
lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao( nguồn nóng), trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp
trong môi trường nhiệt độ cao hơn( đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì
nhiệt độ cao trong môi trường nhiệt độ thấp hơn(đối với bơm nhiệt)
Phòng ấm (Td: 300C)
Q1 = L +
L
Q2
Môi trường (Td: 50C)
Q1 = L +
L
Q2
Kho lạnh (Td: -300C)
Sơ đồ nguyên lý và chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt
1.1.9. Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các
trạng thái của hệ do có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường.
1.1.10. Nước sôi (nước bão hoà): là nước khi bắt đầu quá trình hóa hơi
hoặc kết thꢀc ngưng tụ; cũng là phần nước cùng tồn tại với hơi.
1.1.11. Hơi bão hòa khô: là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ hoặc khi
vừa hóa hơi xong, mà cũng là phần hơi khi hai pha hơi và nước (hoặc là hơi
và rắn) cùng tồn tại.
1.1.12. Hơi bão hòa ẩm: là hỗn hợp giữa hơi bão hòa khô và nước bão
hòa (nước sôi).
1.1.13. Nước chưa sôi: là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở
cùng áp suất hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ.
1.1.14. Hơi quá nhiệt: là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở
cùng áp suất hoặc là hơi có áp suất nhỏ hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ.
1.2. Nhiệt và công
Nhiệt và công là hai hình thái của năng lượng, đây là các đại lượng đặc
trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi thực hiện
một quá trình. Khi môi chất trao đổi công với môi trường thì kèm thao các
chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi nhiệt thì luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt
độ.
- H×nh th¸i c«ng ® îc thÓ hiÖn kÌm theo sù dÞch
chuyÓn ë d¹ng vÜ m«(c¸c ®¹i l îng vÜ m« lµ c¸c ®¹i
l îng cã thÓ c©n ®o ®ong ®Õm ® îc, c¸c ®¹i l îng vi
7
m« lµ c¸c ®¹i l îng kh«ng thÓ c©n ®o ®ong ®Õm
® îc).
- H×nh th¸i nhiÖt ® îc thÓ hiÖn trong tr êng
hîp cã sù trªng lÖch nhiÖt ®é gi÷a c¸c vËt; (nÕu
kh«ng cã sù trªnh lÖch vÒ nhiÖt ®é th× sÏ kh«ng cã
sù trao ®æi n¨ng l îng nh
nhiÖt n¨ng).
vËy kh«ng suÊt hiÖn
1.2.1. Nhiệt lượng:
1.2.1.1.Khái niệm nhiệt
Mét vËt cã nhiÖt ®é kh¸c kh«ng th× c¸c ph©n tö
vµ nguyªn tö cña nã sÏ chuyÓn ®éng hçn lo¹n vµ vËt
mang mét n¨ng lượng gäi lµ nhiÖt n¨ng hay nhiệt lượng(
NhiÖt l îng lµ mét ®¹i l îng phô thuéc vµo qu¸
tr×nh)
Khi hai vËt tiÕp xóc víi nhau th× néi n¨ng cña
vËt nãng h¬n sÏ truyÒn sang vËt l¹nh h¬n. Qu¸ tr×nh
chuyÓn néi n¨ng tõ vËt nµy sang vËt kh¸c gäi lµ qu¸
tr×nh truyền nhiÖt. Lưîng néi n¨ng truyÒn ®ưîc trong
qu¸ tr×nh ®ã gäi lµ nhiÖt lưîng trao ®æi gi÷a hai
vËt.
+ KÝ hiÖu: Q (J) nếu tính cho Gkg, q (J/kg) nếu tính
cho 1kg
+ Qui íc:
- NhiÖt l îng do vËt nhËn ® îc (+)
- NhiÖt l îng do vËt nh¶ ra (-)
Trong trưêng hîp c©n b»ng (khi nhiÖt ®é c¸c vËt
b»ng nhau), vÉn cã thÓ xÈy ra kh¶ n¨ng truyÒn néi
n¨ng tõ vËt nµy sang vËt kh¸c (xem lµ v« cïng chËm)
ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng. §iÒu nµy cã ý nghÜa
quan träng khi kh¶o s¸t c¸c qu¸ tr×nh vµ chu tr×nh
lÝ tưëng.
1.2.1.2. NhiÖt dung riªng vµ c¸ch tÝnh nhiÖt
a. NhiÖt dung riªng
8
*) §Þnh nghÜa: Nhiệt dung riêng của một chất là l îng nhiÖt
cÇn cÊp cho 1 ®¬n vÞ vËt chÊt của vật nào đó ®Ó lµm nhiÖt
®é cña vËt đó t¨ng thªm 1 ®é theo mét qu¸ tr×nh nµo
®ã.
NhiÖt dung riªng của một chất phô thuéc vµo b¶n chÊt
, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt chất khí đó.
KÝ hiÖu: C, ®¬n vÞ (J/kg0K)
*) Ph©n lo¹i:
+ Theo nhiÖt ®é:
- NhiÖt dung riªng thùc: lµ nhiÖt dung riªng
® îc x¸c ®Þnh t¹i 1 nhiÖt ®é nµo ®ã.
t2
dq
C =
q = Cdt
dT
t1
- NhiÖt dung riªng trung b×nh: lµ nhiÖt dung
riªng ® îc x¸c ®Þnh trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ t1
t2.
q
t2
t1
C
=
t
- NhiÖt dung riªng trung b×nh ® îc tÝnh s½n vµ
tra b¶ng sè.
+ Ph©n lo¹i theo ®¬n vÞ l îng vËt chÊt
- NhiÖt dung riªng khèi l îng: Khi ®¬n vÞ ®o
l îng m«i chÊt lµ kg, chóng ta cã nhiÖt dung riªng
푑푄
khèi l îng, ký hiÖu 퐶 =
(J/kg)
퐺푑푇
- NhiÖt dung riªng thÓ tÝch: NÕu ®¬n vÞ ®o
l îng m«i chÊt lµ mÐt khèi l îng tiªu chuẩn (ký hiÖu
lµ m3 )th× nhiÖt dung riªng ® îc gäi lµ nhiÖt dung
푑푄
riªng thÓ tÝch, ký hiÖu lµ 퐶′ =
(J/m3 0K)
푉푑푇
- NhiÖt dung riªng Kmol: NÕu ®¬n vÞ ®o khèi
l îng m«i chÊt lµ kilomol ( kmol ) nhiÖt dung riªng
® îc gäi lµ nhiÖt dung riªng kilomol, ký hiÖu lµ
9
푑푄
퐶휇 =
(J/Kmol0K)
푀푑푇
+ Quan hÖ gi÷a C, C', CM:
Trong quá trình nhiệt động nhiệt dung riêng của chất khí không đổi
Xét một khối khí có khối lượng là G, thể tích V ( m3 ). Nếu gọi M là
tc
sô kmol của khối khí, là khối lượng 1kmol khí (kg/kmol) thì nhiệt dung
riêng của khối khí có thể được tính là G.C = Vtc.C’ = M. C
푉
퐶 = 푡푐 . 퐶′ =
퐺
1
1
. 퐶휇 ℎ푎푦 퐶 = 푉 . 퐶′ = 퐶휇
푡푐
퐺
⁄
휇
푀
Vtc - thÓ tÝch riªng cña m«i chÊt ë ®iÒu kiÖn
tiªu chuÈn vËt lý.
+ Ph©n lo¹i theo qu¸ tr×nh:
- NhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p ( CP): Qu¸ tr×nh
nhËn nhiÖt xÈy ra ë ¸p suÊt kh«ng ®æi, cã nhiÖt
dung riªng ®¼ng ¸p:
CP là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp
C'P là nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp
C là nhiệt dung riêng mol đẳng áp
P
- NhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch ( CV): Qu¸ tr×nh
nhËn nhiÖt xÈy ra ë thÓ tÝch kh«ng ®æi, cã nhiÖt
dung riªng ®¼ng tÝch :
CV là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
C'V
là nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích
C là nhiệt dung riêng mol đẳng tích
V
* §èi víi khÝ lý t ëng ¸p dông c«ng thøc Mayer
CP - CV = R
Với 1mol chất khí lý tưởng ta có: . Cp - . Cv = . R = R =
8314j/kmol. độ
(1)
Trong nhiÖt ®éng cã mèi quan hÖ:
CP
= k
(2)
CV
10
Từ (2) có Cp = k. Cv thay vào ( 1) ta có k. Cv – Cv = R hay Cv (k – 1) =
R
푅
푘
suy ra:
퐶푉 =
푣à 퐶푃 = 푘−1 푅
푘−1
k: sè mò ®o¹n nhiÖt vµ k chØ phô thuéc vµo b¶n
chÊt vµ nhiÖt ®é cña chÊt khÝ. Với khÝ lý t ëng,
trÞ sè k chØ phô thuéc vµo b¶n chÊt( cÊu t¹o ph©n
tö ) cña chÊt khÝ.
Khi cã 1 nguyªn tö: k = 1,6
Khi cã 2 nguyªn tö: k = 1,4
Khi cã 3 nguyªn tö: k = 1,3
b. C¸ch tÝnh nhiÖt
+) TÝnh nhiÖt theo nhiÖt dung riªng
Nhiệt lượng Q của chất khí trao đổi với môi trường khi nhiệt độ của nó
thay đổi từ t1 đến t2 là: Q = G.C.t(J)
Q = Vtc.C'.t (J)
2
1
dS
Hoặc Q = M. C. t
G - khèi l îng chÊt khÝ (kg);
S1
S2
S
3
Vtc - thÓ tÝch ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈmtc )
§å thÞ T - S
M – số kilômol khí
∆t = t2 - t1
S2
+) TÝnh nhiÖt theo Entropi: q = Tds
S1
q: diÖn tÝch S112S2.
NhiÖt l îng lµ mét hµm cña qu¸ tr×nh.
Dïng ®å thÞ T - S ®Ó x¸c ®Þnh q.
1.2.2. Công
Công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất
với môi trường khi có chuyển động vĩ mô. Khi thực hiện một quá trình, nếu
có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dich chuyển trọng tâm khối môi
11
chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hoá thành cơ năng. Lượng
chuyển biến đó chính là công của quá trình
Ký hiệu là: l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là J/kg.
L nếu tính cho G kg, đơn vị đo là J.
Qui ước: Nếu l > 0 ta nói vật sinh công.
Nếu l < 0 ta nói vật nhận công.
Công không thể chứa trong một vật bất kỳ nào, mà nó chỉ xuất hiện khi có
quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động của vật.
Về mặt cơ học, công có trị số bằng tích giữa lực tác dụng với độ dời
theo hướng của lực.
Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp các loại công sau: công thay đổi thể
tích; công lưu động (công thay đổi vị trí); công kỹ thuật (công thay đổi áp
suất) và công ngoài.
Trong nhiệt động kỹ thuật tồn tại các loại công sau: công thay đổi thể
tích l (J/kg), công lưu động (thay đổi vị trí) công kỹ thuật lkt (J/kg) và công
ngoài ln (J/kg).
a. Công thay đổi thể tích l(J/kg):
Công thay đổi thể tích là công do môi chất thực hiện khi có sự thay đổi
thể tích của hệ, công này có cả trong hệ kín và hệ hở.
dv
1 kg
P,
v, S
dx
P
1
2
dv
v1
v2
v
12
Khi môi chất giãn nở, v2> v1 hệ sinh một công, theo quy ước, đây là
công dương. Ngược lại, khi môi chất bị nén, v2< v1 thì hệ nhận từ môi trường
một công, theo quy ước, công này là công âm. Công thay đổi thể tích là một
hàm của quá trình.
Với 1kg môi chất, khi tiến hành một quá trình ở áp suất p, thể tích
thay đổi một lượng dv, thì môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích là:
dl = p.dv (1-1)
Khi tiến hành quá trình, thể tích thay đổi từ v1 đến v2 thì công thay
đổi thể tích được tính là:
v2
(1-2)
l p.dv
v1
Từ công thức (1-1) ta thấy dl và dv cùng dấu.
Khi dv > 0 thì dl > 0, nghĩa là khi xẩy ra quá trình mà thể tích tăng thì
công có giá trị dương, ta nói môi chất sinh công (công do môi chất thực hiện).
Khi dv < 0 thì dl < 0, nghĩa là khi xẩy ra quá trình mà thể tích giảm thì
công có giá trị âm, ta nói môi chất nhận công (công do môi trương thực hiện).
Công thay đổi thể tích không phải là thông số trạng thái, được biểu diễn trên
đồ thị p-v thì l12: diÖn tÝch v112v2
b. Công kỹ thuật lkt(J/kg):
Công kỹ thuật là công của dòng môi chất chuyển động thực hiện khi áp
suất thay đổi, công kỹ thuật chỉ có trong hệ hở. Môi chất sinh ra công này thông
qua một thiết bị như tua- bin hay máy nén nên gọi là công kỹ thuật. Từ định
nghĩa có thể thấy, khi dòng môi chất có áp suất giảm, công kỹ thuật sẽ lấy giá
trị dương và ngược lại, nếu áp suất tăng công kỹ thuật sẽ âm.
Công kỹ thuật cũng là một hàm của quá trình.
dlkt = -vdp (1-3)
Nếu quá trình được tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 thì công kỹ
thuật được tính là:
p2
l v.dp
(1-4)
kt
p1
Từ công thức (1-4) ta thấy dlkt và dp ngược dấu nên khi dp < 0 thì dlkt>
13
0, nghĩa là áp suất p giảm thì công kỹ thuật dương, ta nói môi chất sinh công
và ngược lại.
* Trªn ®å thÞ P - V cã lKT12 lµ diÖn tÝch P112P2
P
1
P1
P2
2
v
v
c. Công ngoài ln (J/kg) còn gọi là ngoại công:
Công ngoài là công trao đổi giữa hệ và môi trường trong quá trình nhiệt
động. Đây chính là công hữu ích chꢀng ta nhận được hoặc công chꢀng ta tiêu
tốn cho hệ. Để có công trao đổi với môi trường hệ phải thay đổi thể tích, hoặc
thay đổi năng lượng đẩy, hoặc thay đổi động năng, hoặc thay đổi cả ba dạng
năng lượng đó:
2
dln dl dllđ d
gdh
(1-5)
2
Vì trong hệ kín, trọng tâm khối khí không dịch chuyển do đó không có
lực đẩy, không có ngoại động năng nên công ngoài trong hệ kín bằng chính
công thay đổi thể tích. Nói cách khác, chỉ có thể nhận được công trong hệ kín
khi cho môi chất giản nở hay:
dln = dl = pdv (1-6)
Đối với hệ hở, môi chất cần tiêu hao công để thay đổi vị trí gọi là công
lưu động hay lực đẩy (dln = d(pv)), khi đó công ngoài bằng:
2
dln dl d
p.v
d
gdh
(1-7a)
2
hay có thể viết:
2
2
dln dl pdv vdp d
gdh dlkt d
gdh
(1-7b)
2
2
14
Trong thực tế, lượng biến đổi động năng và thế năng ngoài là rất nhỏ so
với công kỹ thuật do đó có thể bỏ qua, từ (1-7b) ta có:
dln = dlkt
(1-8)
Từ (1-8) ta thấy công kỹ thuật tính gần đꢀng là công có ích nhận được từ
dòng môi chất (hệ hở) thông qua một thiết bị kỹ thuật (tua- bin):
Đối với một quá trình thì: dln = dlkt ≠ dl
(1-8a)
Đối với một chu trình, vì dlld = 0 nên: dln = dlkt = dl
(1-8b)
2. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái
2.1. HÖ nhiÖt ®éng
TËp hîp tÊt c¶ c¸c vËt thÓ liªn quan víi nhau
vÒ mÆt c¬ và nhiÖt ®ưîc t¸ch ra ®Ó nghiªn cøu gäi
là hÖ nhiÖt ®éng, cßn nh÷ng vËt kh¸c kh«ng n»m
trong hÖ nhiÖt ®éng gäi là m«i trưêng xung quanh.
Hay hệ nhiệt động lµ mét vËt hoÆc nhiÒu vËt
® îc t¸ch ra khèi c¸c vËt kh¸c ®Ó nghiªn cøu nh÷ng
tÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña chóng. C¸c vËt ngoµi hÖ
gäi lµ m«i tr êng.
Ranh giíi gi÷a hÖ nhiÖt ®éng và m«i trưêng cã
thÓ là mét bÒ mÆt cô thÓ, còng cã thÓ là bÒ mÆt
tưëng tưîng do ta qui ưíc.
VÝ dô: khi nghiªn cøu qu¸ tr×nh ®un nưíc trong
mét b×nh kÝn th× cã thÓ coi hÖ nhiÖt ®éng là nưíc
và h¬i trong b×nh, cßn m«i trưêng xung quanh là
b×nh và kh«ng khÝ xung quanh. C¸c vËt thÓ n»m trong
hÖ cã thÓ trao ®æi nhiÖt víi nhau và víi m«i trưêng
xung quanh
Cã thÓ ph©n hÖ nhiÖt ®éng thành hÖ c« lËp và hÖ
®o¹n nhiÖt, hÖ kÝn và hÖ hë.
+ HÖ kÝn:
là hệ mà träng t©m của hệ kh«ng
chuyÓn ®éng (kh«ng cã chuyÓn ®éng vÜ m«) hoÆc cã
chuyÓn ®éng nh ng víi tèc ®é nhá mµ ta hoµn toµn cã
15
thÓ bá qua ®éng n¨ng cña nã. Khèi l îng cña hÖ
kh«ng ®æi vµ m«i chÊt cña hÖ kh«ng ®i qua bÒ mÆt
ranh giíi gi÷a hÖ vµ m«i tr êng.
Ví dụ: Khí chứa trong một bình kín
+ HÖ hë: Träng t©m cña hÖ cã chuyÓn ®éng(chuyÓn
®éng vÜ m«), khèi l îng cña hÖ thay ®æi vµ m«i chÊt
®i qua bÒ mÆt ranh giíi gi÷a hÖ vµ m«i tr êng.
Ví dụ: Hơi vào vào và ra khỏi tuabin trong nhà máy điện.
Dựa vào định nghĩa trên đây có thể thấy nếu xem tủ lạnh gia đình gồm
máy nén, giàn nóng, van tiết lưu và giàn lạnh là một hệ nhiệt động thì tủ lạnh
là một hệ kín. Ngược lại, nếu chúng ta tách riêng máy nén ra và xem nó là
một hệ nhiệt động thì máy nén là một hệ hở vì môi chất đi vào và đi ra khỏi
máy nén, nghĩa là môi chất đi qua ranh giới giữa hệ và môi trường. Tương tự
như vậy, nếu xem nhà máy nhiệt điện gồm lò hơi, bộ quá nhiệt, tua bin, bình
ngưng và bơm nước là một hệ thì nhà máy nhiệt điện là một hệ kín. Trong khi
đó, nếu xem riêng tua- bin hoặc tua- bin và bình ngưng là những hệ nhiệt
động thì chúng là những hệ hở.
+ HÖ ®o¹n nhiÖt: là môi chất kh«ng trao ®æi nhiÖt
víi m«i tr êng.
+ HÖ c« lËp: Lµ hÖ mà môi chất kh«ng trao ®æi nhiÖt
vµ c«ng víi m«i tr êng.
Trong thực tế không có hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập tuyệt đối mà chỉ
có các hệ đoạn nhiệt và cô lập gần đꢀng.
Vì vậy, khái niệm hệ nhiệt động mang tính tương đối, phụ thuộc vào
quan điểm của người khảo sát.
2.2. C¸c th«ng sè tr¹ng th¸i
2.2.1. Kh¸i niÖm:
Trạng thái một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi
chất hay của hệ ở một thời điểm nào đó
Thông số trạng thái lµ c¸c ®¹i l îng vËt lý cã gi¸ trÞ
x¸c ®Þnh ë mét tr¹ng th¸i nµo ®ã. Th«ng sè tr¹ng
th¸i lµ hµm chØ phô thuéc vµo tr¹ng th¸i mµ kh«ng
phô thuéc vµo qu¸ tr×nh. NÕu m«i chÊt biÕn ®æi råi
16
l¹i trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu, gi¸ trÞ c¸c th«ng sè
tr¹ng th¸i sÏ kh«ng ®æi. C¸c th«ng sè ®ã ® îc gäi
lµ th«ng sè tr¹ng th¸i cña m«i chÊt.
HoÆc ta cã thÓ ®Þnh nghÜa th«ng sè tr¹ng th¸i
cña m«i chÊt nh sau: Th«ng sè tr¹ng th¸i cña chÊt
khÝ nãi chung lµ th«ng sè vËt lý ®Æc tr ng cho
tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ; nã lµ hµm ®¬n trÞ cña
tr¹ng th¸i cuèi mµ kh«ng phô thuéc vµo tÝnh chÊt
qu¸ tr×nh.
Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất, một pha được xác định khi biết
hai thông số trang thái độc lập. Trên đồ thi trạng thái, trạng thái được biểu
diễn bằng một điểm.
Chóng ta chØ xÐt c¸c tr¹ng th¸i c©n b»ng: §ã lµ
nh÷ng tr¹ng th¸i trong ®ã c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i
ph©n bè ®ång ®Òu trong toµn bé hÖ thèng vµ c©n b»ng
víi m«i tr êng. Khi mét tr¹ng th¸i c©n b»ng bÞ ph¸
vì th× c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i sÏ thay ®æi ®Ó ®¹t
®Õn mét tr¹ng th¸i c©n b»ng míi. C¸c th«ng sè tr¹ng
th¸i cã thÓ ®o ®Õm trùc tiÕp ® îc gäi lµ th«ng sè
tr¹ng th¸i c¬ b¶n cßn c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i kh¸c
ph¶i tÝnh to¸n th«ng qua c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i c¬
b¶n gäi lµ hµm tr¹ng th¸i.
* Trong nhiÖt ®éng, thưêng dïng 3 th«ng sè
tr¹ng th¸i cã thÓ ®o ®ưîc trùc tiÕp là nhiÖt ®é T,
¸p suÊt p và thÓ tÝch riªng v (hoÆc khèi lưîng
riªng ρ), cßn gäi là
c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i c¬
b¶n.
Ngoài ra, trong tÝnh to¸n ngưêi ta cßn dïng c¸c
th«ng sè tr¹ng th¸i kh¸c như: néi n¨ng U, entanpi I
và entr«pi S, c¸c th«ng sè này kh«ng ®o ®ưîc trùc
tiÕp mà ®ưîc tÝnh to¸n qua c¸c th«ng sè tr¹ng th¸i
c¬ b¶n.
2.2.2. Các thông số trạng thái cơ bản
17
2.2.2.1 Thể tích riêng v (m3/kg): thể tích riêng v là thể tích của 1kg
môi chất. Do đó, Nếu một vật có G (kg) và thể tích V (m3) thì thể tích riêng v
V
của nó được xác định bởi tỷ số:
(1-9)
v
G
Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng gọi là khối lượng riêng:
1 G
(1-10)
v V
2.2.2.2 Áp suất tuyệt đối p(N/m2): là áp lực của các phần tử môi chất
tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình theo phương pháp tuyến ( trong
nhiÖt ®éng, chñ yÕu ta nghiªn cøu ¸p suÊt cña chÊt
khÝ vµ chÊt láng)
F
p =
(N/m2)
S
F: Lùc tác dụng của chất khí theo phương ph¸p tuyÕn (N)
S: DiÖn tÝch bề mặt tiếp xꢀc (m2)
+ §¬n vÞ ®o ¸p suÊt tiêu chuẩn là Pascal
1Pa = 1 N/m2 =10-5 bar (barômet) = 1/0,981. 10-5at(
atmôtphe ký thuật)
= 1/0,981mmH20 (milimet cột nước)
1/133,32 mmHg (milimet cột thủy ngân)
1at = 0,981bar =736mmHg =104 mmH20
1bar = 750mmHg = 105N/m2
Áp suất không khí ngoài trời ( ở trên mặt đất) gọi là áp suất khí quyển:
pk đo bằng baromet.
Một chất khí chứa trong bình kín có áp suất tuyệt đối là p, nếu áp suất
p lớp hơn pk thì hiệu giữa chꢀng gọi là áp suất dư pd, nếu áp suất p nhỏ hơn
pk thì hiệu giữa chꢀng gọi là độ chân không pck
+ C¸c lo¹i ¸p suÊt: (§o b»ng ¸p kÕ)
- ¸p suÊt tuyÖt ®èi cña khÝ quyÓn (Pkt):
Baromet
- ¸p suÊt d : Pd = P - Pkt
: Manomet
18
- ¸p suÊt ch©n kh«ng: Pck = Pkt - P
kh«ng kÕ
2.2.2.3 Nhiệt độ tuyệt đối (T):
:
Ch©n
Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật,
nó thể hiện mức độ chuyển động của cá phân tử và nguyên tử.
Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ của chất khí là đại lượng thống
kê, tỉ lệ thuận với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân
tử:
2
푚휔
푇 =
3푘
T là nhiệt độ tuyệt đối của vật
m khối lượng phân tử
là vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của cá phân tử
k là hằng số Bonzmam, k = 1,3805. 10-23j/K
Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng
lớn thì nhiệt độ của vật càng cao.
Trong hệ đo lường SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ:
+ Thang nhiÖt ®é b¸ch ph©n:
0
- Kí hiệu nhiệt độ bách phân là t, đơn vị đo là C ( Censius –
Tên nhà bác học sáng lập thang đo)
+ Thang đo nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (còn gäi lµ ®é
Kelvin):
0
- Kí hiệu nhiệt độ là T, đơn vị đo là K ( Kelvin – Tên nhà bác
học sáng lập thang đo)
Hai thang đo này có quan hệ với nhau bằng biểu thức sau:
T (0C) = T(0 K) – 273,15
Nghĩa lad 00C tương ứng với với 273,15 0K
Ngoài ra để đo nhiệt độ người ta còn dùng cá dụng cụ khác như nhiệt
kế thủy ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hỏa quang kế...
2.2.2.4 Entropy s (J/kg0K): entropy là một thông số trạng thái được phát
hiện nhờ toán học.
Khi nghiên cứu chu trình nhiệt động Clausius thấy rằng, nếu gọi dq
19
(J/kg) là mật độ dòng nhiệt vô cùng nhỏ tham gia trong quá trình có nhiệt độ
tuyệt đối T (K) nào đó thì tích phân vòng của tỷ số dq/T cũng bằng không:
dTq
(1-12)
0
Clausius cho rằng tỷ số dq/T đóng vai trò là một thông số trạng thái.
Ông gọi đó là entropy và kí hiệu là s với 1kg và S với Gkg Như vậy:
dq
(j/kg.0K). (1-13)
ds
T
Chꢀ ý rằng nhiệt lượng q hay vi phân của nó dq là một hàm số của quá
trình nhưng tỷ số của nó với nhiệt độ tuyệt đối dq/T lại là vi phân toàn phần
của hàm số.
Với Gkg thì : dS = G.ds = dQ/T (j/0K
2.2.3. C¸c hàm trạng thái( xem thêm ở GT)
2.2.3.1 Néi n¨ng: ( xem thêm ở GT)
Nội năng
chÊt.
lµ c¸c n¨ng l îng bªn trong cña vËt
+ Ký hiÖu: U (J), u (J/kg)
+ Néi n¨ng gåm: néi ®éng n¨ng, néi thÕ n¨ng
Néi ®éng n¨ng do chuyÓn ®éng cña c¸c nguyªn tö,
ph©n tö g©y ra nªn nã phô thuéc vµo nhiÖt ®é.
Néi thÕ n¨ng do lùc t¸c dông t ¬ng hç gi÷a c¸c
phÇn tö t¹o ra nªn nã phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch
gi÷a c¸c ph©n tö hay thÓ tÝch riªng
VËy néi n¨ng lµ hµm cña nhiÖt ®é vµ thÓ tÝch.
u = f(T, v)
- §èi víi khÝ lý t ëng: (có thể bỏ qua lực tương tác
giữa các phân tử nên nội thế năng bằng 0 do đó nội năng chỉ bao gồm nội
động năng và chỉ phụ thuốc vào nhiệt độ nên nội năng của khí lý tưởng là
hàm đơn trị của nhiệt độ u = f(T)
- Trong mọi quá trình biến đổi của khí lý tưởng nội năng được
xác định bằng công thức :
du = CvdT
20
Tải về để xem bản đầy đủ
88 trang
23562
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nhiệt kỹ thuật - Ngành/nghề: Công nghệ ô tô", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_nhiet_ky_thuat_nganhnghe_cong_nghe_o_to.pdf
