Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh (MTXQ). Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động và MTXQ được gọi là ranh giới của HNĐ. Hệ nhiệt động được phân loạ i như sau : Rigid vessel System boundaries Water vapor Liquid water Cylinder System boundaries Piston Pump Electrical power in a) b) c) Fig. 1.1 - Thermodynamic Systems a) Closed system with constant volume, b) Closed system with nonconstant volume, c) Open system • Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và MTXQ. • Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và MTXQ. • Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với MTXQ. Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 - 4 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.2. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MCCT Môi chất công tác (MCCT) - chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi năng lượng. Thông số trạng thái của MCCT - đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của MCCT. 1.2.1. NHIỆT ĐỘ Khái niệm Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử . 2 . 3 m kT µ ω ⋅ = (1.2-1) trong đó : m µ - khối lượng phân tử ; ω - vận tốc trung bình của các phân tử ; k - hằng số Bonzman , k = 1,3805 . 10 5 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối Nhiệt kế Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v. H. 1-2. Nhiệt kế Thang nhiệt độ • Thang nhiệt độ ( 0 C) - (Anders Celsius - 1701 - 1744) • Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686 - 1736) . • Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824 - 1907 ). • Thang nhiệt độ Rankine (0R) )32( 9 5 00 −= FC ; 273 0 −= KC 32 5 9 00 +⋅= CF ; 273 0 += CK KR 5 9 0 = ; RK 0 9 5 = 0 R = 0 F + 459,67 - 5 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.2.2. ÁP SUẤT Khái niệm Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa. A F p = (1.2-2a) Theo thuyết động học phân tử : 2 3 m pn µ ω α ⋅ =⋅⋅ (1.2-2b) trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử. Đơn vị áp suất 1) N/m 2 ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 2) Pa (Pascal) ; 6) mm H 2 O 3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot) at Pa mm H 2 O mm Hg (at 0 0 C) 1 at 1 9,80665.10 4 1.10 4 735,559 1 Pa 1,01972.10 -5 1 0,101972 7,50062.10 -3 1 mm H 2 O 1.10 -4 9,80665 1 73,5559.10 -3 1 mm Hg 1,35951.10 -3 133,322 13,5951 1 1 atm = 760 mm Hg (at 0 0 C) = 10,13 . 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft 2 ) 1 at = 2049 psf 1 psi (lbf/in 2 ) = 144 psf = 6894,8 Pa 1lbf/ft 2 (psf) = 47,88 Pa Phân loại áp suất • Áp suất khí quyển (p 0 ) - • Áp suất dư (p d ) - áp suất của lưu chất so với môi trường xung quanh p d = p - p 0 • Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối. p = p d + p 0 • Độ chân không (p ck ) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển. p ck = p 0 - p - 6 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 p p 0 p d p p 0 p ck H. 1-3. Các loại áp suất Áp kế p p d p 0 p 0 Hg Vacuum a) b) H. 1-4. Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0 C. h 0 = h (1 - 0,000172. t) (1.2-3) trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [ 0 C] ; h 0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0 C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0 C. 1.2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG • Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó : m V v = [m 3 /kg] • Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó : V m = ρ [kg/m 3 ] - 7 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.2.4. NỘI NĂNG Nội nhiệt năng (U) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng. Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (U d ) và nội thế năng (U p ). Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích riêng : U = U (T, v) Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức (xem chương 3) : du = c v . dT ∆u = u 2 - u 1 = c v . ∆T 1.2.5. ENTHALPY Enthalpy (I) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức : VpUI ⋅+ = Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng thay đổi enthalpy của khí lý tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu thức (xem chương 3) : di = c p . dT ∆i = i 2 - i 1 = c p . ∆T 1.2.6. ENTROPY Entropy (S) - là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức (xem chương 4) : dQ dS T = [J/ 0 K] (1.2-6) - 8 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.3. NHIỆT NĂNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG 1.3.1. NHIỆT NĂNG Nhiệt năng là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ. Q c) Q b) Sun Q a) Earth H. 1-5. Các hình thức truyền nhiệt Đơn vị đo nhiệt năng : 1) Calorie (Ca) - 1 Ca là nhiệt năng cần thiệt để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ 14.5 0 C đến 15.5 0 C. 2) British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound nước tăng từ 59.5 0 F lên 60.5 0 F. 3) Joule (J) - 1 [J] 1 Ca = 4.187 J 1 Btu = 252 Ca = 1055 J 1.3.2. NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0 . dt dQ C = [J/deg] (1.3-1) Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0 . • Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất : 1) Nhiệt dung riêng khối lượng : C c m = [J/kg .deg] (1.3-2a) 2) Nhiệt dung riêng thể tích : tc V C c = ' [J/m 3 t c .deg] (1.3-2b) 3) Nhiệt dung riêng mol : () N C c = µ [J/kmol .deg] (1.3-2c) () µ µ c vcc tc =⋅= ' ; ( ) 4,22 ' c v c c tc µ == (1.3-3) - 9 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 • Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động : 1) NDR đẳng tích : c v , c' v , (µc v ) . 2) NDR đẳng áp : c p , c' p , (µc p ) . • Công thức Maye : c p - c v = R (1.3-5a) ( µc p ) - (µc v ) = R µ = 8314 [J/kmol. deg] (1.3-5b) • Chỉ số đoạn nhiệt : v p c c k = (1.3-6) Đối với khí lý tưởng : k = const k = 1,6 - khí 1 nguyên tử, k = 1,4 - khí 2 nguyên tử, k = 1,3 - khí nhiều nguyên tử. • Quan hệ giữa c, k và R : Từ (1.3-5) và (1.3-6) ta có : R k c v ⋅ − = 1 1 ; R k k c p ⋅ − = 1 (1.3-7) • Nhiệt dung riêng của khí thực : NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động : c = f(T, p, Quá trình). Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau : c = a 0 + a 1 . t + a 2 . t 2 + + a n . t n (1.3-8) • Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng : NDR của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Bảng 1-1. Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng Loại khí ( µ c v ) [kJ/kmol. deg] ( µ c p ) [kJ/kmol. deg] Khí 1 nguyên tử 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 20,9 29,3 Khí nhiều nguyên tử 29,3 37,4 • Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí ; ; (1.3-9) ∑ = ⋅= n i ii cgc 1 ∑ = ⋅= n i ii crc 1 '' () () ∑ = ⋅= n i i i crc 1 µµ - 10 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1.3.3. TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH Khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t, có thể tính trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t 2 như sau : • NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t : (1.3-10) 001 | t caa=+⋅t • Theo định nghĩa NDR : dq c dt = • Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2 : (1.3-11a) () 2 22 11 1 21 || t tt tt t qcdtct=⋅= ⋅− ∫ t • Mặt khác có thể viết : ( ) () 00 1 0 2 000 12122 1 −⋅−−⋅=−= tctcqqq ttttt t 1 0 2 0 12 tctc tt ⋅−⋅= (1.3-11b) • Từ (1.3-11a) và (1.3-11b) ta có : () 21 2 1 21 00 0121 21 tt t t ctct caa tt ⋅− ⋅ ==+⋅ − tt + (1.3-12) 1.4. ĐƠN VỊ TT Đại lượng Hệ đơn vị quốc tế (SI) Hệ đơn vị Anh Biến đổi 1 Khối lượng Kilogram [kg] Pound Mass [lbm] 1 lbm = 0,454 kg 2 Khoảng cách Meter [m] Foot [ft] 1 ft = 0,305 m 3 Thời gian Second [s] Second [s] 4 Nhiệt độ Degree [ 0 C] Degree [ 0 F] 5 Lực Newton [N] Pound Force [lbf] 1 lbf = 4,448 N 6 Ánh sáng Candela [cd] n (nano) 10 - 9 ; da (deka) 10 µ (micro) 10 - 6 ; h (hecto) 10 2 m (mili) 10 - 3 ; k (kilo) 10 3 c (centi) 10 - 2 ; M (mega) 10 6 d (deci) 10 - 1 ; G (giga) 10 9 - 11 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 1 kg = 2,2046 lbm 1 inch [in] = 2,54 mm 1 m = 3,281 ft 1 ft = 12 in 1 N = 10 5 dynes = 0,2248 lbf 1 m/s = 3,281 fps (ft/s) 1 mph (mi/h) = 1,467 fps = 0,447 m/s = 1,609 km/h BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài tập 1.1 A BC p = ? p 0 G F B F A A B 50 mm H 2 0 180 mm Hg Fig. 1-1 Fig. 1-2 Áp suất của không khí trong bình có khả năng đỡ cột thủy ngân cao 500 mm (Fig.1-1). Xác định áp suất tuyệt đối trong bình. Biết rằng áp suất khí quyển bằng 95 kPa, khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,6.10 3 kg/m3. Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều cao cột thủy ngân. Bài tập 1.2 Chỉ số áp suất dư trong phòng (A) là 50 mm H 2 O (Fig. 1-2). Trong phòng A đặt bình đo áp suất (B) có độ chân không là 180 mm Hg. Áp suất ngoài trời là 750 mm Hg ở nhiệt độ 30 0 C. Xác định áp suất tuyệt đối của bình đo áp suất . - 12 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007 Bài tập 1.3 Một bình kín có thể tích V = 625 dm 3 chứa oxy có áp suất tuyệt đối p = 23 bar và nhiệt độ t = 280 0 C. Áp suất khí quyển p 0 = 750 mmHg ở 0 0 C. Xác định : 1) Áp suất dư của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [N/m 2 ], [mmHg], [mmH 2 O], [at] ? 2) Nhiệt độ của oxy tính theo 0 F, 0 R và K ? 3) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở trạng thái thực tế (v, ρ) và trạng thái tiêu chuẩn (v tc , ρ tc ) ? 4) Khối lượng của oxy có trong bình (m) ? 5) Thể tích của oxy ở điều kiện tiêu chuẩn (V tc ) ? Bài tập 1.4 Chỉ số của chân không kế thủy ngân nối với bình chứa là p ck = 420 mm khi nhiệt độ thủy ngân trong chân không kế là t ck = 20 0 C. Áp suất khí trời theo barometer thủy ngân là p 0 = 768 mm ở nhiệt độ t 0 = 18 0 C. Xác định áp suất tuyệt đối (p) trong bình theo at và bar ? Bài tập 1.5 Nhiệt dung riêng trung bình đẳng tích và đẳng áp của khí N 2 trong khoảng nhiệt độ 0 0 C ÷ 1500 0 C được biểu diễn bằng các biểu thức sau : = 0,7272 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg] 0 | t v c 0 | t p c = 1,0240 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg] Xác định NDR trung bình đẳng tích và đẳng áp của N 2 trong khoảng nhiệt độ từ t 1 = 200 0 C đến t 2 = 800 0 C ? . trưng cho trạng thái nhiệt động của MCCT. 1.2.1. NHIỆT ĐỘ Khái niệm Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình. system • Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ và MTXQ. • Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và MTXQ. • Hệ nhiệt động cô lập. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những