Giáo trình kỹ thuật nhiệt spkt

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT NHIỆT SPKT GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT NHIỆT HCMUTE GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT NHIỆT SPKT GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT NHIỆT HCMUTE

Phần thứ nhất

Nhiệt động lực học kỹ thuật

Chương 1

Những khái niệm cơ bản,

phương trình trạng thái của chất khí

Các nội dung trọng tâm của Chương 1

1 Hiểu được các khái niệm, định nghĩa về Hệ cô lập, hệkhông cô lập, hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt; chất môi giới; nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, nội năng, enthalpy,entropy, khí lý tưởng và khí thực Lưu ý cách đổi đơn vịđo các thông số trạng thái của hệ nhiệt động.

2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng (Clapeyron),phương trình trạng thái khí thực.

3 Phân tích bài toán đưa về phương trình trạng thái khí lý

1.1 Những khái niệm cơ bản

1.1.1 Đối tượng và phương pháp

nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật

Nhiệt động học nghiên cứu những quy luật về biếnđổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năngnhằm tìm ra các biện pháp biến đổi có lợi nhất giữanhiệt năng và cơ năng.

Phương pháp nghiên cứu: Nhiệt động học đượcnghiên cứu bằng phương pháp giải tích, thực nghiệmhoặc kết hợp cả hai.

• Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thí nghiệmđể xác định giá trị các thông số thực nghiệm, từ đó tìmra các quy luật và công thức thực nghiệm.

• Phương pháp giải tích: Ứng dụng các định luật vật lýkết hợp với các biến đổi toán học để tìm ra công thứcthể hiện quy luật của các hiện tượng, các quá trìnhnhiệt động.

1.1.2 Hệ thống nhiệt động học

Hệ thống nhiệt động học thực hiện việc chuyển tải nhiệt từvùng này đến vùng khác hoặc biến đổi nhiệt thành công.

Hệ thống nhiệt động học: Là tậphợp các vật thể có liên quan vớinhau về nhiệt năng và cơ năng.

Môi trường xung quanh: Là tậphợp các vật thể không nằm tronghệ thống nhiệt động học.

Biên giới: Là bề mặt ngăn cáchgiữa hệ thống nhiệt động học và

HệthốngMôi trường

xung quanhBiên giới

Năng lượngVật chất

* Phân loại hệ thống nhiệt động học:

Hệ cô lập là hệ thống nhiệt động (thường gọi tắt là hệ) khôngtrao đổi vật chất, nhiệt lượng và công với môi trường xungquanh.

Hệ không cô lập là hệ có khả năng trao đổi vật chất, nhiệtlượng và công với môi trường xung quanh.

Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xungquanh.

Hệ hở là hệ có trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt lượng với môi trườngxung quanh.

1.1.3 Chất môi giới

Chất môi giới (còn gọi là môi chất hay chất công tác) là chấttrung gian dùng để thực hiện việc truyền tải nhiệt và chuyểnhoá nhiệt năng thành cơ năng hoặc ngược lại trong các thiết bịnhiệt.

Trong thực tế, môi chất thường ở thể lỏng, thể hơi hoặc thể khívì chúng dễ dàng nén, ép và có khả năng thay đổi thể tích lớn,thuận lợi cho việc trao đổi công.

1.1.4 Các thông số trạng thái của một hệ nhiệt độngTrạng thái của vật chất trong một hệ nhiệt động là tâp hợpcác đại lượng đặc trưng cho tính chất cơ, lý của vật chất.

Trong nhiệt động kỹ thuật, thường dùng các thông số trạngthái sau đây:

Nhiệt độ tuyệt đối: T [K].

Áp suất tuyệt đối: p [Pa] hoặc [N/m2].Thể tích riêng: v [m3/kg].

Nội năng riêng: u [J/kg].

Enthalpy riêng: h hoặc i [J/kg].Entropy riêng: s [J/kg.độ].

• T, p, v có thể đo trực tiếp trên vật nên được gọi là thông số trạng thái.

• u, i, s không thể đo trược tiếp trên vật mà phải tính toán thông qua các thông số trạng

8

* Nhiệt độ tuyệt đối:

Nhiệt độ là một thông số trạng thái đặc trưng cho mức độ nónglạnh của vật chất, biểu thị giá trị động năng trung bình của cácphân tử vật chất.



Trong hệ thống SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ:

Thang nhiệt độ bách phân: Nhiệt độ ký hiệu bằng chữ t, đơn vịđo là độ Celcius [0C].

Thang nhiệt độ tuyệt đối: Nhiệt độ ký hiệu bằng chữ T, đơn vịđo là độ Kelvin [K].

T [K] = t [0C] + 273,15

Ngoài ra, một số nước như Anh, Mỹ còn dùng thang nhiệt độFahrenheit, đơn vị đo là 0F và thang nhiệt độ Renkine, đơn vịđo là 0R.

t [0C] = T [K] - 273,15 = 5/9(t [0F] - 32) = 5/9(t [0R]) - 273,15

Bảng quy đổi các thang nhiệt độ thông dụng

tFtF = 1,8t + 32

tF = 1,8(T 273,15) + 32

-T = t + 273,15

1 32 tF

tt = T - 273,15

Thang nhiệt độ Fahrenheit [0F]

Thang nhiệt độ Fahrenheit [0F]`Thang nhiệt độ

Celcius [0C]Thang nhiệt độ

Kelvin [K]

Thang nhiệt độ Kelvin [K]

Thang nhiệt độ

* Mỗi K trong thang đo (độ chia/nhiệt giai) Kelvin (1K) bằng một độtrong thang đo Celsius (10C)

* Áp suất tuyệt đối:

Áp suất là lực tác dụng của môi chất theo phương vuông góclên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc.

Đơn vị tiêu chuẩn đo áp suất là Pascal, ký hiệu là Pa

Hiện nay trong các thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn vịđo khác như:

• Atmôtphe kỹ thuật [at] hay [kG/cm2] (1at = 1kG/cm2);• Bar [bar];

• Milimet cột nước [mmH2O];• Milimet thuỷ ngân [mmHg]Quan hệ giữa chúng như sau:

N

Bảng quy đổi các thang áp suất thông dụng:

At [kgf/cm2],

kG/cm2] 0,981.105 1 104 735,559mmH2O9,8110-41735,559.10-4

1 psi = 0,069 bar

Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thuỷ ngân với độ chính xác cao cầnphải quy về điều kiện nhiệt độ 00C vì có sự thay đổi thể tích thuỷ ngântheo nhiệt độ Công thức quy đổi như sau:

h(00C) = h(t).(1-0,000172.t)

Với h(00C): chiều cao cột thuỷ ngân ở 00C.

h(t): chiều cao cột thuỷ ngân ở t(0C). 14

Áp suất của không khí ngoài trời (ở trên mặt đất) gọi là áp suất khíquyển, ký hiệu là pk hoặc B, đo bằng barometer.

• Nếu áp suất p < pk thì hiệu giữa chúng được gọi là áp suất chân không,ký hiệu là pck, đo bằng chân không kế vacuumeter.

pck = pk - p

Một chất khí chứa trong bình kín có áp suất tuyệt đối là p.

• Nếu áp suất p > pk thì hiệu giữa chúng được gọi là áp suất dư, ký hiệulà pd, đo bằng manometer.

pd = p - pk

vp

v  [m3/kg]

Khối lượng riêng:

VG

* Nội năng:

Nội năng của một vật là toàn bộ năng lượng bên trong vật đó,gồm nội nhiệt năng, hoá năng và năng lượng nguyên tử.

Trong nhiệt động học, nội năng là nội nhiệt năng.

Nội năng bao gồm hai thành phần: Nội động năng và nội thếnăng, đơn vị đo nội năng là Joule [J].

Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích v: U = f(T, v)

Đối với khí lý tưởng: U = f(T) (vì lực tương tác giữa các phântử bằng không)

Trong mọi quá trình, nội năng được xác định bằng:

Ở một số quốc gia dùng các đơn vị đo khác như: KCal; KWh; Btu, …

Quan hệ giữa các đơn vị đó là:

1kJ = 0,239 kCal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 Btu

Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết biến thiên nội năng màkhông cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng, do đó có thể chọn điểm gốctuỳ ý mà tại đó nội năng bằng không.

Theo qui ước, đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0,010Cvà áp suất p = 0,0062 at (điểm 3 thể của nước).

cv : nhiệt dung riêng đẳng tích.

du = cvdT hoặc u = cv(T2 - T1)

* Enthalpy:

Enthalpy là năng lượng toàn phần của vật chất, bằng tổng nộinăng U và ngoại năng W của vật, được ký hiệu là E, đơn vị đoenthalpy là Joule [J]:

E = (Uđ + Ut) + (Wđ + Wt) [J].Wđ thay đổi không đáng kể.

Wt = pV

Đối với Gkg, enthalpy thường được ký hiệu là I (hoặc H); đốivới 1kg, enthalpy được ký hiệu là i hoặc h (nhiệt lượng riêng),và được định nghĩa bằng biểu thức:

I = G.i = G.(u + pv) = U + pV; [J]i = u + pv; [J/kg]

Entropy là một đại lượng đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ khimột hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ xác định T,

được ký hiệu là s, đơn vị đo entropy là [J/kg.độ] và có vi phântoàn phần bằng:

Chọn điểm gốc tính toán: Thông thường hay chọn gốc củaentropy cùng gốc của nội năng U và enthalpy I ở 0[0C] 20

* Tính chất của thông số trạng thái

- Thông số trạng thái có vi phân toàn phần.

- Thông số trạng thái là hàm đơn trị của trạng thái, lượng biếnthiên thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểmcuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quátrình.

Nhiệt lượng và công trao đổi trong một quá trình phụ thuộcvào đường đi của quá trình nên không phải là thông sốtrạng thái, chúng là hàm của quá trình.

CHUYỂN ĐỔI MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐO THÔNG DỤNG

1 [lb] (Pound)=0,454 [kg]1 [oz] (Ounce)=0,028 [kg]1 [gal] (Gallon)=3,785 [lit]1 [Inch]=0,0254 [m]1 [Cal]=4,184 [J]1 [HP] (Horse Power)=745,7 [W]

1 [kWh]=3412,773 [Btu] (British Thermal Unit)

1.2.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng(Clapeyron)

1.2 Phương trình trạng thái của chất khí

Khí lý tưởng là khí mà thể tích bản thân phân tử củachúng vô cùng bé và lực tương tác giữa các phân tửbằng không.

1.2.1.1 Định nghĩa

Trong kỹ thuật ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường có thểcoi các chất như hydrogen, oxygen, nitrogen, hơi nước, khôngkhí, … là khí lý tưởng.

G: khối lượng chất khí, [kg].

R: hằng số chất khí (cho 1 kg), [J/kg.độ].T: nhiệt độ chất khí, [K].

M: số kmol của hệ, [kmol].

R: hằng số phổ biến chất khí (cho 1 kmol), [J/kmol.độ].

: khối lượng 1 kmol, [kg/kmol].

Đối với không khí:  = 29 [kg/kmol].

Theo Avogadro, ở điều kiện tiêu chuẩn p=760[mmHg],t=0[0C]=273,15[K] thì 1kmol khí bất kỳ đều có:

• Thể tích 1 kmol chất khí: V = 22,4 [m3/kmol].• Hằng số Avogadro: N = 6,0228.1023 phân tử.Ta có:

R = N.k = const = 8314 [J/kmol.độ] = 2 [kcal/kmol.độ].Với k: số mũ đoạn nhiệt.

V: thể tích 1 kmol chất khí, [m3/kmol].Phương trình trạng thái cho 1 kg chất khí:

p.v = R.T

Phương trình trạng thái cho 1 kmol chất khí:p.V = R.T = 8314.T

1.2.2 Phương trình trạng thái của khí thực:1.2.2.1 Định nghĩa:

Khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tửkhác không (>0) và tồn tại lực tương tác giữa các phântử Nếu khí thực có áp suất rất thấp và nhiệt độ cao thìcó thể coi là khí lý tưởng.

1.2.2.2 Phương trình trạng thái:

Phương trình trạng thái khí thực Van der Waals cho 1kg chấtkhí được viết như sau:

Phương trình trạng thái khí thực chuyển dần về phương trình trạng thái

1.2.3 Phương trình trạng thái của khí thực gầnvùng 2 pha:

Phương trình trạng thái của khí thực gần vùng 2 pha còn gọilà phương trình trạng thái hơi (phương trình Vukanovic -Novikov).

(  2 v  b  R T  cT m1,5

Đối với hơi nước thì phương trình Vukanovic - Novikov làchính xác nhất.

Với a, b: là các hệ số điều chỉnh Van der Waals.

c, m: là các hệ số bổ sung, xác định bằng thực nghiệmcho từng loại khí.

Chương 2

Định luật nhiệt động học I

Các nội dung trọng tâm của Chương 2

1 Hiểu được các khái niệm, định nghĩa về Nhiệtdung, nhiệt dung riêng, nhiệt lượng, công; định luật Inhiệt động học.

2 Công thức tính nhiệt dung riêng, tính nhiệt lượng,tính công; định luật I nhiệt động học.

3 Vận dụng định luật I nhiệt động học để tính côngthay đổi thể tích, công kỹ thuật, nội năng vàenthalpy.

2.1 Nhiệt dung và nhiệt dung riêng2.1.1 Nhiệt dung

Định nghĩa: Nếu cung cấp cho vật một nhiệt lượngnguyên tố dQ thì nhiệt độ của vật thay đổi 1 lượng vôcùng bé dt, tỷ số:

dtdQ

2.1.2 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để nângnhiệt độ của một đơn vị đo lường chất đó lên thêm 1 độ trongmột quá trình nào đó Nói cách khác là nhiệt dung riêng tínhcho một đơn vị đo lường Ký hiệu c

Nếu một chất có khối lượng là 1[kg] cần một lượng nhiệt là dqđể làm cho nó thay đổi nhiệt độ dt thì:

Nhiệt dung riêng của một chất phụ thuộc vào bản chất, ápsuất và nhiệt độ của nó.

qc tt



Phân loại nhiệt dung riêng* Phân loại theo đơn vị đo:

- Nhiệt dung riêng khối lượng là tỷ số giữa nhiệt dung của vậtvới khối lượng của nó Ký hiệu c [J/(kg.độ)]:

- Nhiệt dung riêng thể tích là tỷ số giữa nhiệt dung của vật với

* Phân loại theo quá trình:

- Nhiệt dung riêng đẳng áp khi quá trình trao đổi nhiệt là đẳngáp (p=const):

- Nhiệt dung riêng đẳng tích khi quá trình trao đổi nhiệt làđẳng tích (v=const):

- Nhiệt dung riêng đa biến khi quá trình trao đổi nhiệt là đabiến:

cp, c’p, cp

cv, c’v, cv

cn, c’n, cn

Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng

Với 22,4 [m3] là thể tích 1 kmol ở điều kiện tiêu chuẩn.

2.1.3 Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng

c 1kg

Theo thuyết động học phân tử, ta có nhiệt dung riêng của khílý tưởng chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử có trong phân tử khílý tưởng theo mối quan hệ như sau:

R = 8314/ [J/kmol.độ]

 cp  cvcp - cv=R : công thức Mayer.

Giải phương trình trên ta có:

: số mũ đoạn nhiệt.

p 

36

c 1kmol

Tương tự:

tử cótrongphân tử

2.1.4 Nhiệt dung riêng của khí thực

Nhiệt dung riêng của khí thực là hàm số của các thông số trạngthái và các quá trình Nhiệt dung riêng phụ thuộc lớn nhất vàonhiệt độ và phụ thuộc vào p, v không đáng kể, có thể bỏ qua.

Phân loại nhiệt dung riêng thực

Nhiệt dung riêng thực: là nhiệt dung riêng tại nhiệt độ đang tính toán:

c

Nhiệt dung riêng trung bình: Nếu trong 1 quá trình mơi chấtthay đổi thơng số từ thơng số 1 đến thơng số 2 và nhận mộtnhiệt lượng là q thì tỷ số

[J/kg.độ]

12

Công thức thực nghiệm tính nhiệt dung riêng thực

Công thức đơn giản:

a0, a1, …, an: các hệ số thực nghiệm.

n: số chọn theo yêu cầu độ chính xác, n càng lớn thì trị sốc(t) càng chính xác, nhưng tính toán càng phức tạp.

 n

(

2.2 Nhiệt lượng

2.2.1 Khái niệm

Khi 2 vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau thìnội năng của vật có nhiệt độ cao hơn sẽ tự phát truyền sang vậtcó nhiệt độ thấp hơn Nhiệt lượng là số lượng nội năng đượctruyền đi Ký hiệu Q, đơn vị tính Joule [J].

GQq 

Như vậy nhiệt lượng là 1 dạng năng lượng chỉ xuất hiện trongquá trình biến đổi năng lượng.

2.2.2 Cách tính nhiệt lượnga Tính theo nhiệt dung riêng

- Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng thực:

Với n=0, ta có: q=a0(t2-t1).

n=2, ta có:

n=1, ta có:

- Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: Giá trịcác loại nhiệt dung riêng trung bình thường cho sẵn trong cácsổ tay kỹ thuật trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến t0C.

Công thức tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình:

).(t2 t1c

Công thức tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng đẳng tích:

b Tính theo sự thay đổi entropy

Nếu quá trình đẳng nhiệt T=const  q=T(s2-s1)

qT

2.2.3 Biểu diễn nhiệt lượng trên đồ thị T-s

Đồ thị T-s được sử dụng rộngrãi khi nghiên cứu các chutrình nhiệt động học của cácthiết bị nhiệt (hình 2.1).

Hình 2.1: Biểu quá trình trên đồ thị T-s

T2

2.2.4 Nhiệt lượng là hàm số của quá trình

Hình 2.2: Nhiệt lượng phụ thuộc vào quá trình

thuộc vào quá trình được minhhoạ bằng đồ thị như hình 2.2.

q1a2=dt(s11a2s2)>q1b2=dt(s11b2s2)>q1c2=dt(s11c2s2)

2.3 Công

2.3.1 Khái niệm về công

Công là dạng chuyển hoá năng lượng Về bản chất công giốngnhư nhiệt lượng Tuy nhiên công khác nhiệt lượng là côngphải có sự thay đổi trạng thái của hệ, nhất là thể tích.

Công của hệ nhiệt nhiệt động ký hiệu L, đơn vị tính Joule [J].

Trong kỹ thuật nhiệt thường sử dụng phổ biến 2 loại công sauđây:

2.3.2 Phân loại và cách tính công

- Công kỹ thuật:

- Công thay đổi thể tích (công dãn nở) là công sinh ra do thayđổi thể tích:



2.3.3 Biểu diễn công trên đồ thị p-v

Hình 2.3: Biểu diễn công trên đồ thị p-vp2

dtpdv

Hình 2.4: Công phụ thuộc vào quá trìnha

2.3.4 Công là hàm số của quá trình

l1a2=dt(v11a2v2)>l1b2=dt(v11b2v2)>l1c2=dt(v11c2v2).l dt(p 1a2p )>l dt(p 1b2p )>l dt(p 1c2p ).

2.4 Định luật nhiệt động học I

Định luật nhiệt động học I là định luật bảo toàn và biến hoánăng lựợng viết cho các quá trình nhiệt động.

2.4.1 Phát biểu định luật nhiệt động học I

Nhiệt lượng cấp vào cho hệ một phần dùng để thay đổi nộinăng, một phần dùng để sinh công:

Q = U + L

Ý nghĩa: Định luật nhiệt động học I cho phép ta viếtphương trình cân bằng năng lượng cho một quá trình nhiệtđộng.

2.4.2 Công thức của định luật nhiệt động học I

Trong trường hợp tổng quát, khi cung cấp cho hệ một nhiệtlượng Q thì hệ sẽ thực hiện một công L và phần còn lại làmthay đổi nội năng U của vật.

Trong các quá trình nhiệt động thì công chủ yếu là công dãnnở thể tích.

Tính cho 1kg:

dq =du+pdv (*)=du+pdv+vdp-vdp=du+d(pv)-vdp

Công thức (*) và (**) là công thức của định luật nhiệt độnghọc I.

Chương 3

Các quá trình nhiệt động cơ bảncủa khí lý tưởng

1 Quá trình đẳng tích: dv = 02 Quá trình đẳng áp: dp = 0