Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 1) - Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “Nhiệt kỹ thuật” được xây dựng và biên soạn trên cơ sở chương
trình khung đào tạo nghề Công nghệ ô tô đã được Ban giám hiệu nhà trường phê
duyệt, dựa vào năng lực thực hiện của người giáo viên kỹ thuật lành nghề.
Nhiệt kỹ thuật là một môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng
lượng (chủ yếu là biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt
năng trong các vật nói chung hoặc trong các thiết bị nhiệt nói riêng.
Cuốn giáo trình Nhiệt kỹ thuật này được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu
giảng dạy và học tập của sinh viên các trường Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề,
trên cơ sở chương trình khung của bộ và trên cơ sở đề cương chi tiết đã được nhà
trường phê duyệt. Nội dung của môn học đã được cải tiến nhờ kinh nghiệm giảng
dạy lâu năm của tác giả để phù hợp với thực tiễn đào tạo.
Trong quá trình thực hiện biên soạn đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp
thẳng thắn, khoa học và trách nhiệm của nhiều giảng viên chuyên nghành. Xong do
điều kiện về thời gian và đây là lần đầu tiên biên soạn giáo trình dựa trên chương
trình khung của Bộ đã ban hành, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất
định. Rất mong nhận được những ý kiến tham gia đóng góp để giáo trình được
hoàn thiện hơn, đáp ứng được yêu đào tạo kiến thức cơ bản cho học viên.
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật đào tạo cho cấp trình độ lành nghề khối cao đẳng
và công nhân kỹ thuật đã được hội đồng thẩm định của trường nghiệm thu, nhất trí
đưa vào sử dụng và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo
chính quy của nhà trường.
NHÓM BIÊN SOẠN
1
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯƠNG I.............................................................................................................8
KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN........................................................8
Bài 1........................................................................................................................8
CÁC KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN........................................................8
1. Các khái niệm......................................................................................................8
1.1. Máy nhiệt .........................................................................................................8
1.1.1. Phân loại........................................................................................................8
1.1.2. Động cơ nhiệt:...............................................................................................8
1.1.3. Máy lạnh: ......................................................................................................8
1.1.4. Bơm nhiệt:.....................................................................................................8
1.2. Môi chất: ..........................................................................................................8
1.3. Hệ thống nhiệt động (hệ nhiệt động).................................................................9
2. Các thông số cơ bản của môi chất........................................................................9
2.1. Nhiệt độ:...........................................................................................................9
2.1.1. Nhiệt độ bách phân:.......................................................................................9
2.1.2. Nhiệt độ tuyệt đối: (nhiệt độ kenvin)..............................................................9
2.1.3. Nhiệt độ Farenheit:......................................................................................10
2.2. Áp suất:..........................................................................................................10
2.3. Thể tích riêng: ................................................................................................10
2.4. Khối lượng riêng: ...........................................................................................10
2.5. Nội năng:........................................................................................................10
2.6. Entrôpi: ..........................................................................................................11
2.7. Execgi: ...........................................................................................................11
2.8. Entanpi:..........................................................................................................11
Bài 2......................................................................................................................11
HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI ...................................11
1. Hệ nhiệt động....................................................................................................11
1.1. Khái niệm.......................................................................................................11
1.2. Phân loại: .......................................................................................................12
+ Hệ kín: ...............................................................................................................12
+ Hệ hở:................................................................................................................12
+ Hệ cô lập: ..........................................................................................................12
+ Hệ đoạn nhiệt: ...................................................................................................12
2. Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động. .......................................................12
2.1. Nhiệt độ tuyệt đối:..........................................................................................12
2.2. Áp suất tuyệt đối: ...........................................................................................13
2.3. Thể tích riêng và khối lượng riêng:.................................................................13
2.4. Nội năng:........................................................................................................13
2
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
2.5. Tính chất của thông số trạng thái:...................................................................13
Bài 3......................................................................................................................14
PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG........................................................................14
1. Quá trình nhiệt động..........................................................................................14
2. Phương trình định luật nhiệt động. ....................................................................15
2.1. Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng.....................................................15
2.2. Động cơ vĩnh cửu. ..........................................................................................15
2.3. Định luật 1 nhiệt động học..............................................................................15
2.3.1. Phương trình định luật nhiệt động viết cho hệ kín:.......................................15
2.3.2. Phương trình định luật nhiệt động áp dụng cho dòng chảy: .........................16
2.4. Định luật 2 nhiệt động học..............................................................................16
3.1. Nhiệt của quá trình (Q)...................................................................................18
3.2. Công của quá trình (L) ...................................................................................19
Bài 4......................................................................................................................20
NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI.....................20
1. Trạng thái:.........................................................................................................20
2. Thông số trạng thái:...........................................................................................20
3. Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất một pha. ...................................................21
4. Nhận dạng các loại động cơ nhiệt......................................................................21
5. Nhận dạng dụng cụ đo và phương pháp đo các thông số trạng thái....................22
5.1. Dụng cụ đo.....................................................................................................22
5.2. Phương pháp đo áp suất:.................................................................................23
5.3. Bảng số liệu đo áp suất Pc của một số loại động cơ:.......................................23
Chương II..............................................................................................................26
MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT.................................................................26
Bài 1......................................................................................................................26
KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC ............................26
1. Khái niệm, phân loại khí lý tưởng .....................................................................26
1.1. Khái niệm:......................................................................................................26
1.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng...............................................................26
2. Khái niệm, phân loại khí thực:...........................................................................27
2.1. Khái niệm:......................................................................................................27
2.2. Phương trình trạng thái khí thực. ....................................................................27
2.2.1. Áp suất: .......................................................................................................27
2.2.2. Thể tích: ......................................................................................................27
Bài 2......................................................................................................................28
KHÁI NIỆM PHÂN LOẠI SỰ TRUYỀN NHIỆT................................................28
1. Khái niệm..........................................................................................................28
2. Phân loại: ..........................................................................................................28
3. Dẫn nhiệt...........................................................................................................28
3.1. Khái niệm.......................................................................................................28
3
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
3.2. Phân loại dẫn nhiệt: ........................................................................................29
3.2.1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng:...........................................................................29
3.2.2. Dẫn nhiệt qua vách trụ.................................................................................30
4. Trao đổi nhiệt đối lưu........................................................................................32
4.1. Khái niệm:......................................................................................................32
4.2. Phân loại: .......................................................................................................32
4.2.1. Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. ...................................................................32
4.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức:................................................................32
4.2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha: ..................................................33
5. Trao đổi nhiệt bức xạ.........................................................................................33
5.1. Khái niệm.......................................................................................................33
5.2. Đặc điểm trao đổi nhiệt bức xạ:......................................................................33
Bài 3......................................................................................................................35
KHÁI NIỆM VỀ SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT............................35
1. Khái niệm:.........................................................................................................35
2. Sự chuyển pha của các đơn chất. .......................................................................35
2.1. Đồ thị pha.......................................................................................................35
2.2. Sự chuyển pha. ...............................................................................................36
2.2.1. Sự thăng hoa - ngưng kết.............................................................................36
2.2.2. Sự nóng chảy – đông đặc:............................................................................36
2.2.3. Sự hóa hơi – ngưng tụ..................................................................................36
Bài 4......................................................................................................................37
NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT SỰ CHUYỂN PHA SỰ TRUYỀN NHIỆT CỦA
MÔI CHẤT...........................................................................................................37
1. Nhận dạng và phân biệt sự chuyển pha của môi chất:........................................37
1.1.Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha .......................................................37
1.2.Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi...........................................................................37
1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng tụ ................................................................38
2.Nhận dạng và phân biệt sự truyền nhiệt của môi chất. ........................................40
2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng..........................................................................41
2.2 Truyền nhiệt qua vách trụ................................................................................42
2.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh. .......................................................................44
2.4. Tăng cường truyền nhiệt.................................................................................45
Chương III ............................................................................................................48
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT..........................................48
Bài 1......................................................................................................................48
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN – ĐOẠN NHIỆT - ĐẲNG NHIỆT -
ĐẲNG ÁP - ĐẲNG TÍCH- QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN............................................48
1. Các quá trình đẳng nhiệt cơ bản: .......................................................................48
2. Quá trình đoạn nhiệt. .........................................................................................48
2.1. Khái niệm:......................................................................................................48
4
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
2.2. Phương trình của quá trình đoạn nhiệt:...........................................................48
2.3. Đường biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt: .....................................................49
3. Quá trình đẳng nhiệt..........................................................................................49
3.1. Khái niệm:......................................................................................................49
3.2. Phương trình của quá trình đẳng nhiệt:...........................................................50
3.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng nhiệt: .....................................................50
4. Quá trình đẳng áp:.............................................................................................50
4.1. Khái niệm:......................................................................................................50
4.2. Phương trình của quá trình đẳng áp: ...............................................................50
4.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng áp: .........................................................51
5. Quá trình đẳng tích............................................................................................51
5.1. Khái niệm:......................................................................................................51
5.2. Phương trình của quá trình đẳng tích:.............................................................52
5.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng tích: .......................................................52
Bài 2......................................................................................................................56
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ THỰC..........................................56
1. Xác định biến đổi entanpi, nội năng và entrôpi..................................................56
2. Quá trình đẳng tích............................................................................................57
3. Quá trình đẳng áp ..............................................................................................57
4. Quá trình đẳng nhiệt..........................................................................................58
5. Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.....................................................................58
Bài 3......................................................................................................................59
QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI.......................................................59
1. Hỗn hợp khí lý tưởng. .......................................................................................59
1.1. Những tính chất của hỗn hợp khí lý tưởng......................................................59
1.2. Các thành phần của hỗn hợp...........................................................................60
1.2.1. Thành phần khối lượng................................................................................60
1.2.2. Thành phần thể tích. ....................................................................................60
1.2.3. Thành phần kilômol.....................................................................................61
2. Xác định các đại lượng của hỗn hợp..................................................................61
2.1. Kilômol của hỗn hợp. .....................................................................................61
2.2. Hằng số chất khí của hỗn hợp.........................................................................61
2.3. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí...................................................................62
2.4. Xác định phân áp suất của khí thành phần. .....................................................62
3. Quá trình hỗn hợp của chất khí..........................................................................62
3.1. Hỗn hợp trong thể tích đã cho.........................................................................63
3.2. Hỗn hợp theo dòng. ........................................................................................64
3.3. Hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định. ............................................................65
Chương IV ............................................................................................................66
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT........................................66
Bài 1......................................................................................................................66
5
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
KHÁI NIỆM – YÊU CẦU – PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.............66
1. Khái quát chung ................................................................................................66
2. Khái niệm cơ bản. .............................................................................................66
3. Phân loại: ..........................................................................................................69
3.1. Chu trình thuận chiều: ....................................................................................69
3.1.1. Chu trình động cơ đốt trong.........................................................................69
3.1.2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: .......................................................................71
3.1.3. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích:......................................................................73
3.1.4. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp:........................................................................74
3.1.5. Chu trình tuabin khí:....................................................................................75
3.1.6. Chu trình động cơ phản lực: ........................................................................77
3.2. Chu trình ngược chiều (máy lạnh). .................................................................79
3.2.1. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt không khí:...............................................80
3.2.2. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi..................................................81
4. Định nghĩa chu trình nhiệt động ........................................................................84
4.1. Công của chu trình. ........................................................................................85
4.2. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt.........................................85
4.3. Hiệu suất execgi .............................................................................................86
4.4. Hiệu suất nhiệt của chu trình carnot................................................................87
Bài 2......................................................................................................................88
SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT..88
1. Khái niệm và phân loại......................................................................................88
1.1. Khái niệm:......................................................................................................88
1.2. Phân loại: .......................................................................................................88
2. Cấu tạo và hoạt động của động cơ bốn kỳ. ........................................................89
2.1. Cấu tạo chung:................................................................................................89
2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳ: ...............................................90
2.2.1. Quá trình nạp:..............................................................................................90
2.2.2. Quá trình nén:..............................................................................................90
2.2.3. Quá trình cháy – giãn nở - sinh công: ..........................................................91
2.2.4. Quá trình thải...............................................................................................93
3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ, ..................................94
3.1. Sơ đồ cấu tạo của động cơ hai kỳ: ..................................................................94
3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ. .........................................................95
3.2.1. Kỳ 1: Hút, nén (hình4.27. a) :.....................................................................95
3.2.2. Kỳ 2 : Sinh công và thay khí (hình 4.27: b).................................................95
3.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điêzen hai kỳ ...........................96
3.3.1. Sơ đồ cấu tạo :.............................................................................................96
3.3.2. Nguyên lý làm việc :....................................................................................96
4. So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ bốn kỳ và động cơ hai kỳ :......................97
4.1. Ưu điểm : .......................................................................................................97
6
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
4.2. Nhược điểm :..................................................................................................97
5. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tuốc bin khí ........................................98
5.1. Sơ đồ cấu tạo:.................................................................................................98
5.2. Nguyên tắc hoạt động:....................................................................................98
6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ máy bay có máy nén...........................98
6.1. Sơ đồ cấu tạo..................................................................................................98
6.2. Nguyên tắc hoạt động:....................................................................................99
7. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa: ...............................................99
7.1. Sơ đồ cấu tạo:.................................................................................................99
7.2. Nguyên tắc hoạt động:....................................................................................99
BÀI TẬP.............................................................................................................100
7
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
CHƯƠNG I
KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
Bài 1
CÁC KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN
1. Các khái niệm
1.1. Máy nhiệt
Là một loại thiết bị dùng để chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng của hai
nguồn nhiệt: Nguồn nóng và nguồn lạnh.
1.1.1. Phân loại.
Máy nhiệt gồm hai loại:
+ Động cơ nhiệt
+ Máy lạnh
1.1.2. Động cơ nhiệt:
Động cơ nhiệt dùng để biến đổi nhiệt năng do đốt cháy nhiên liệu thành cơ
năng. Tức là môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng (nhiên liệu cháy) giãn nở một phần
biến thành công, sau đó nhả nhiệt còn lại cho nguồn lạnh (ra nước làm mát hoặc
không khí như: Động cơ đốt trong; động cơ phản lực và các tuốc bin khí...)
1.1.3. Máy lạnh:
Máy lạnh có tác dụng ngược lại với động cơ nhiệt. Tức là môi chất nhận
công hoặc nhiệt năng từ nguồn lạnh (nhiệt của vật hoặc buồng cần làm lạnh truyền
cho nguồn nóng).
1.1.4. Bơm nhiệt:
Bơm nhiệt là máy tiêu hao năng lượng, tức là môi chất nhận công hoặc nhiệt
năng từ nguồn nóng truyền cho nguồn lạnh để sưởi ấm hay sấy các vật.
1.2. Môi chất:
Môi chất là chất trung gian để biến đổi và truyền tải năng lượng giữa nhiệt
năng và công trong các máy nhiệt.
Môi chất có 3 thể: Thể khí, thể lỏng, thể rắn.
Trong máy nhiệt dùng môi chất là thể khí. Vì chất khí có khả năng thay đổi
thể tích rất lớn nên có khả năng trao đổi công rất lớn.
Thể khí:
Thể khí gồm 2 loại: Khí thực và khí lý tưởng.
*Khí thực:
Khí thực là mọi chất khí trong tự nhiên. Khí thực tạo nên từ các phân tử và
nguyên tử. Chúng có kích thước và giữa chúng có lực tác dụng tương hỗ.
* Khí lý tưởng:
8
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Khí lý tưởng là khí không có kích thước và giữa chúng không có lực tác
dụng tương hỗ như: Không khí hydro, ô xy... ở điều kiện áp suất thấp và nhiệt độ
thường.
1.3. Hệ thống nhiệt động (hệ nhiệt động).
Là tập hợp các phần tử để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt. Hệ nhiệt động
được đặt trong môi trường và được ngăn cách với môi trường bằng mặt bao.
Thường gặp hệ nhiệt động là môi chất, nguồn nóng, nguồn lạnh hoặc tổ hợp
môi chất nguồn nóng và nguồn lạnh, máy nhiệt...
1.4. Thông số trạng thái
Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng
thái nhất định nào đó. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà
không phụ thuộc vào quá trình. Nếu môi chất biến đổi rồi lại trở về trạng thái ban
đầu, giá trị các thông số trạng thái sẽ không đổi.
Các thông số nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng được gọi là các thông số trạng
thái cơ bản vì chúng có thể đo được trực tiếp. Các thông số trạng thái còn lại gọi là
hàm trạng thái, vì chúng không đo được trực tiếp mà phải thông qua các thông số
trạng thái cơ bản.
1.5. Công
Công là tích của vết chiếu của lực trên đường đi nhân với quãng đường đi.
Công là số đo sự truyền chuyển động, tức là sự truyền năng lượng từ vật này sang
vật khác.
2. Các thông số cơ bản của môi chất.
Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng
thái xác định nào đó. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà
không phụ thuộc vào quá trình.
Các thông số trạng thái cơ bản đó là: Nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng.
2.1. Nhiệt độ:
Là mức đo trạng thái nhiệt (nóng, lạnh) của vật.
2.1.1. Nhiệt độ bách phân:
Dùng thang nhiệt bách phân (100 vạch, mỗi vạch ứng với 10) và ký hiệu là
0C. 00C ứng với nhiệt độ nước đá đang tan và 1000C ứng với nước đang sôi ở áp
suất P = 760 mmHg.
2.1.2. Nhiệt độ tuyệt đối: (nhiệt độ kenvin)
Ký hiệu là T, đơn vị đo là 0K, 00K tương ứng với nhiệt độ thấp nhất của trạng
thái vật chất mà trong đó các phân tử ngừng chuyển động. 00K tương ứng với (-)
273,150C.
9
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
2.1.3. Nhiệt độ Farenheit:
0
Đơn vị: F, 320F = 00C ; 2120F = 1000C
2.2. Áp suất:
Là lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp truyền lên đơn vị diện tích
thành bình chứa khí hoặc chất lỏng.
Áp suất được ký hiệu là P và được xác định bằng biểu thức:
F
P =
N/m2
S
F: Lực tác dụng của các phân tử khí hoặc chất lỏng (N).
S: Diện tích thành bình (m2).
Đơn vị đo áp suất : N/m2 = Pa (pascal)
1KPa = 103Pa; 1MPa = 106Pa.
Các đơn vị đo áp suất:
1bar = 0,1 MPa = 1kG/cm2
1at = 0,98 bar = 735,5mmHg = 10mmH20 (ở 00C)
1psi = 0,07at = 6895Pa.
1N/m2 = 1Pa = 10-5kG/cm2
1kN/m2 = 1kPa = 10- 2kG/cm2
1MN/m2 = 1MPa = 10kG/cm2
Áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là độ chân không, ký hiệu là : Pck.
2.3. Thể tích riêng:
Là thể tích của một đơn vị khối lượng. Được ký hiệu là V và được xác định
bằng biểu thức:
V
V =
(m3/kg)
G
V: Thể tích của vật (m3)
G: Khối lượng của vật (kg)
2.4. Khối lượng riêng:
Là khối lượng của một đơn vị thể tích của hệ, là đại lượng nghịch đảo của
thể tích riêng.
1
m
V
P=
=
(kg/m3)
V
2.5. Nội năng:
Là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật.
Nội năng bao gồm: Nội nhiệt năng (do chuyển động của các phân tử và
nguyên tử) và các dạng năng lượng khác (hóa năng, năng lượng nguyên tử...).
Nội năng là hàm của nhiệt độ : u = u(T)
Đơn vị: U ( Ј ); u (Ј/kg)
10
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
2.6. Entrôpi:
Là vi phân nhiệt lượng (dq) chia cho nhiệt độ tuyệt đối (T) của vật khi trao
đổi nhiệt cho ta vi phân hàm trạng thái.
dq
T
ds =
Ký hiệu: S; s.
Đơn vị: S (Ј/0K); s (Ј/kg0K)
2.7. Execgi:
Là năng lượng có thể biến đổi hoàn toàn thành công trong quá trình thuận
nghịch.
Ký hiệu: E ; e.
Đơn vị : E (Ј); e (Ј/kg)
2.8. Entanpi:
Entanpi là hàm phụ thuộc 2 trong 3 thông số trạng thái cơ bản (P,V,T).
Ký hiệu: I ; i
Đơn vị : I (Ј); i (Ј/kg)
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Trình bày các khái niệm về nhiệt của hệ nhiệt động cơ bản?
2. Trình bày các thông số cơ bản của môi chất?
Bài 2
HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
1. Hệ nhiệt động.
1.1. Khái niệm.
Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác
để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả các vật ngoài hệ gọi là
môi trường.
Nói cách khác : Tập hợp các vật thể liên quan với nhau về mặt cơ hoặc nhiệt
được tách ra để nghiên cứu gọi là hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm
trong hệ nhiệt động gọi là môi trường xung quanh. Ranh giới giữa hệ nhiệt động và
môi trường có thể là một bề mặt cụ thể, cũng có thể là bề mặt tưởng tượng do ta
quy ước.
Ví dụ: Nghiên cứu quá trình đun nước trong một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt
động là nước và hơi trong bình, còn môi trường xung quanh là bình và không khí
11
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
xung quanh. Các vật thể nằm trong hệ có thể trao đổi nhiệt với nhau và với môi
trường xung quanh.
1.2. Phân loại:
Hệ nhiệt động bao gồm nhiều loại:
+ Hệ kín:
Là hệ trong đó trọng tâm của hệ không chuyển động, như chất khí chứa trong
bình kín hoặc chu trình động cơ đốt trong...
+ Hệ hở:
Là hệ trong đó trọng tâm của hệ có chuyển động, như tuabin khí và máy nén,
vì lượng khí đi vào và ra khỏi xi lanh.
+ Hệ cô lập:
Là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường.
+ Hệ đoạn nhiệt:
Là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường.
2. Thông số trạng thái của một hệ nhiệt động.
Khi thông số trạng thái tại mọi điểm trong toàn bộ thể tích của hệ có trị số
đồng nhất và không thay đổi theo thời gian ta nói hệ ở trạng thái cân bằng. Ngược
lại khi không có sự đồng nhất này nghĩa là hệ ở trạng thái không cân bằng.
Chỉ có trạng thái cân bằng mới biểu diễn được trên đồ thị bằng một điểm nào
đó, còn trạng thái không cân bằng thì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ
khác nhau, do đó không biểu diễn được trên đồ thị. Vì vậy các thông số trạng thái
mà ta nghiên cứu là các trạng thái cân bằng.
2.1. Nhiệt độ tuyệt đối:
Là một trong số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật. Nó thể hiện
mức độ chuyển động của các phân tử. Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ
của chất khí là đại lượng thống kê tỷ lệ thuận với động năng trung bình chuyển
động tịnh tiến của các phân tử.
m 2
3k
T =
Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối của vật
m - Khối lượng phân tử
- Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử
k - Hằng số Benzman = 1,3805.10- 23 J/k
Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng lớn thì
nhiệt độ của vật càng cao.
Đơn vị: 0C ; 0K ; 0R ; 0F.
12
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Để đo nhiệt độ người ta dùng các dụng cụ khác nhau như: Nhiệt kế thủy
ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hỏa quang kế...
2.2. Áp suất tuyệt đối:
Lực tác dụng của môi chất vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp
xúc gọi là áp suất tuyệt đối của môi chất.
Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỷ lệ với động năng trung bình chuyển
động tịnh tiến của các phân tử và với số phân tử khí trong một đơn vị thể tích.
m. 2
3
P = α.n
Trong đó: n - Số phân tử khí trong một đơn vị thể tích
α - Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào kích thước bản thân phân tử và lực
tương tác giữa các phân tử
m - Khối lượng phân tử
- Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử
Đơn vị đo áp suất là pascal (Pa)
1Pa = 1 N/m2 ; 1kPa = 103Pa ; 1Mpa = 106Pa
Ngoài đơn vị tiêu chuẩn trên hiện nay trong thiết bị kỹ thuật người ta còn dùng đơn
vị đo khác như : atmotphe (at) ; kg/cm2 - (1at = 1kg/cm2)
2.3. Thể tích riêng và khối lượng riêng:
Một vật có khối lượng G (kg) và thể tích V (m3) thì thể tích riêng của nó là:
V
G
V =
(m3/kg) và khối lượng riêng : ρ =
(kg/m3)
G
V
2.4. Nội năng:
Bao gồm hai thành phần: Nội động năng và nội thế năng
- Nội động năng là động năng của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay
dao động của các phân tử, nguyên tử.
- Nội thế năng là thế năng tương tác giữa các phân tử
U = Uđn + Utn
Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ (T) và thể tích (V) khi vật ở trạng thái xác
định nào đó có giá trị nhiệt độ (T) và thể tích (V) xác định thì sẽ có giá trị nội năng
(U) xác định.
Theo quy ước đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0,010C và
áp suất P = 0,0062at.
2.5. Tính chất của thông số trạng thái:
Thông số trạng thái có vi phân toàn phần.
Thông số trạng thái là hàm đơn vị của trạng thái, lượng biến thiên thông số
trạng thái chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ
thuộc vào đường đi của quá trình.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Hãy trình bày khái niệm về hệ nhiệt động?
13
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
2. Trình bày các thông số trạng thái của một hệ nhiệt động?
Bài 3
PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1. Quá trình nhiệt động.
Bất kỳ sự thay đổi trạng thái nào của vật hoặc của hệ đi từ trạng thái này
sang trạng thái khác, tính cân bằng ở mỗi trạng thái bị sai lệch và quá trình nhiệt
động thực tế sẽ đi qua những trạng thái không cân bằng và quá trình thực tế là quá
trình không cân bằng. Với những hiện tượng gần với hiện tượng nhiệt gọi là quá
trình nhiệt động.
Nói cách khác: Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp
các trạng thái của hệ nhiệt.
Giả thiết quá trình chuyển trạng thái vô cùng chậm chạp đến nỗi mỗi thời
điểm ta thiết lập một trạng thái cân bằng. Quá trình đi qua những trạng thái cân
bằng đó là quá trình cân bằng.
Điều kiện để có sự thay đổi trạng thái nhiệt động của hệ là có trao đổi nhiệt
hoặc công với môi trường và ít nhất phải có một thông số trạng thái thay đổi.
Quá trình nhiệt động có hai trạng thái:
Trạng thái cân bằng là trạng thái nhiệt động trong đó các thông số trạng thái
của hệ có giá trị đồng đều trong toàn bộ hệ và không thay đổi theo thời gian nếu
như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường phá vỡ trạng thái đó.
Có thể biểu diễn trạng thái cân bằng bằng đồ thị A; A’; A”...(Hình 1.1.a)
b) Quá trình thuận nghịch
a) Quá trình cân bằng
Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn trạng thái quá trình nhiệt động học
Quá trình cân bằng khi đi qua những trạng thái nào nếu về cũng qua những
trạng thái ấy là quá trình thuận nghịch (hình 1.1. b).
14
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Quá trình không cân bằng hoặc quá trình cân bằng khi đi qua những trạng
thái này khi về ít nhất qua trạng thái khác là quá trình không thuận nghịch.
Quá trình thuận nghịch là quá trình lý tưởng xảy ra vô cùng chậm chạp, công
sinh ra trong quá trình thuận nghịch là cực đại. Quá trình thực tế là quá trình không
thuận nghịch. Quá trình không thuận nghịch phải tiêu tốn công để khắc phục ma sát
xoáy và truyền nhiệt. Công sinh ra trong quá trình không thuận nghịch nhỏ hơn
công sinh ra trong quá trình thuận nghịch tương ứng.
Phần công tiêu tốn để khắc phục ma sát xoáy và truyền nhiệt biến thành nhiệt
nung nóng hệ, có thể xem quá trình không thuận nghịch như quá trình thuận nghịch
có thêm truyền nhiệt từ môi trường vào hệ để nung nóng hệ.
Công và nhiệt là hai đại lượng đặc trưng cho quá trình là hàm quá trình.
2. Phương trình định luật nhiệt động.
2.1. Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng.
Năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi nó có thể chuyển từ hệ
thống này sang hệ thống khác dưới những dạng khác nhau. Nhưng tổng năng lượng
của một hệ cô lập luôn luôn được bảo toàn trong mọi điều kiện.
2.2. Động cơ vĩnh cửu.
Là máy có thể sinh ra công liên tục mà không tiêu thụ bất kỳ năng lượng nào.
Theo định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng thì không thể tồn tại loại động cơ
vĩnh cửu vì nó tự sinh ra công.
2.3. Định luật 1 nhiệt động học.
Là kết quả của sự áp dụng định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng cho quá
trình trao đổi năng lượng dưới dạng công và nhiệt khi hệ tương tác với môi trường.
((Tổng năng lượng hệ trao đổi với bên ngoài bằng biến thiên năng lượng
trong hệ ))
Năng lượng trao đổi giữa hệ với môi trường buộc phải đi qua biên giới hệ
nên phải là công và nhiệt. Khi hệ tiếp nhận các đại lượng sẽ có dấu là – L; + Q.
L: Công thể tích (gắn liền với sự thay đổi thể tích của hệ)
Q: Lượng nhiệt trao đổi (dấu + Lượng nhiệt nhận được, dấu - lượng nhiệt
thải ra)
Biến thiên năng lượng là: + ∆w
Như vậy: ∆w = Q – L
Q = ∆w + L
Dạng vi phân: dQ = du + dL
Viết cho 1kg:
Dạng vi phân:
q = ∆w + l
Dq = dw + dl
2.3.1. Phương trình định luật nhiệt động viết cho hệ kín:
Công hệ thực hiện là công thể tích thì:
dQ = du + Pdv
15
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Q = ∆u + Pdv
dq = du + Pdv
Q = ∆u + Pdv
Viết cho một kg:
2.3.2. Phương trình định luật nhiệt động áp dụng cho dòng chảy:
Xét dòng chảy (chất khí hoặc chất lỏng) ổn định và liên tục. Ổn định là các
thông số tại mọi điểm trong dòng không thay đổi theo thời gian, liên tục là được
thỏa mãn phương trình liên tục:
F.W
V
G =
= const
G : Khối lượng (kg/s)
W: Tốc độ dòng chảy (m/s)
F : Diện tích tiết diện dòng chảy (m2)
V : Thể tích riêng (m3/kg)
2.4. Định luật 2 nhiệt động học.
2.4.1. Khái niệm cơ bản
a. Nội dung của định luật nhiệt thứ hai
Bổ xung cho định luật thứ nhất, định luật thứ hai xác định thêm điều kiện,
chiều hướng và mức độ chuyển hóa năng lượng. Nội dung là một, nhưng tùy theo
đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, có nhiều cách phát biểu khác nhau.
Phát biểu của Clausius: Không thể có bất kỳ một máy lạnh hay bơm nhiệt
nào có thể vận chuyển nhiệt lượng từ một nơi có nhiệt độ nhỏ hơn đến nơi có nhiệt
độ cao hơn mà không tốn gì hết.
Phát biểu của kelvin Planck: Không có bất kỳ một động cơ nào có thể biến
toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công.
b. Chu trình carnot
V
B
q1 RT ln
1
VA
Các quá trình trên chu
trình:
- AB: nhận nhiệt lượng q1 (ở nhiệt
độ không đổi T1) - dãn nở đẳng nhiệt
- BC: cô lập và dãn nở, sinh công,
nhiệt độ hạ từ T1 T2 - dãn nở đoạn
nhiệt.
- CD: thải nhiệt lượng q2 cho
nguồn lạnh (ở nhiệt độ T2) - nén đẳng
nhiệt.
- DA: cô lập và chịu nén, nhận
công để trở về trạng thái ban đầu - nén
Hình1.2: Đồ thị p-v
16
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
đoạn nhiệt.
q2
q1
t 1
Hiệu suất nhiệt của chu trình:
Xét 2 quá trình AB và CD. Quá trình đẳng nhiệt AB
VB
VA
q1 RT1ln
VD
VC
Quá trình đẳng nhiệt CD: q2 RT2ln
q1
q2
Lấy tỷ số
ta có:
VB
VA
T ln
1
q1
q2
VC
VD
T ln
2
- Xét 2 quá trình BC và DA.
k1
T2
VB
VC
T
1
Quá trình đoạn nhiệt BC:
Quá trình đoạn nhiệt DA:
k1
k1
k1
V
V
T2
VA
VD
B
A
V
V
T
C
D
1
VC
VB
VA VD
VB
T ln
1
q1
q2
q1
VA
T
T2
1
t 1
q2 T2
T
VC
VD
1
T ln
2
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều:
T2
t 1
T
1
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều:
17
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
T2
T T2
1
Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nhiệt.
Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ hai:
Giữa hai nguồn nhiệt C là lớn nhất
Giữa Ta và Tb thì C của các chu trình Carnot bằng nhau.
Định luật nhiệt động hai là cơ sở để xây dựng thang nhiệt độ động học
Q
0
T
Chu trình thuận nghịch đẳng thức logic
Q
T
0 Chu trình không thuận nghịch bất đẳng thức logic (phương trình
logic thứ 2)
2.4.2: Entropy – đồ thị T-s
Từ đẳng thức chu trình Carnot
q1
q1
q2
T2
T
q1 q2
1
0
q2 T2
T
T
T2
1
1
q1 và q2 có dấu ngược nhau
dq
Tq
0
0
T
hoặc
dq
T
Vi phân toàn phần, thể hiện sự biến thiên của một biến số trạng thái nào
đó của hệ.
Ký hiệu là s; entropy, đơn vị là (J/K). Đây là một hàm trạng thái mới nên ta
2
dq
ds s s
2
1
ds
T
1
có:
và
3. Nhiệt và công của quá trình
3.1. Nhiệt của quá trình (Q)
Là năng lượng nhiệt hệ trao đổi với môi trường nhiệt do hệ thực hiện quá
trình thuận nghịch được xác định theo định nghĩa entropi.
18
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Dq = Tds
Q = 1∫2 Tds
Vì nhiệt độ tuyệt đối T > 0 nên dấu
của nhiệt q phụ thuộc dấu của biến thiên
entropi ds nên ds > 0 nhiệt q > 0 hệ
nhận nhiệt từ môi trường bên ngoài.
ds < 0 nhiệt q < 0 hệ tỏa nhiệt cho
môi trường có thể tích nhiệt theo nhiệt
dung riêng.
Hình 1.3: Đồ thị nhiệt
dq = Cdt
q = ∫t2Cdt
1
t
Biết quan hệ giữa C và T sẽ tính được tích phân và nhận được nhiệt q nên
C = constan
Q = C (t2 - t1)
Nếu sử dụng nhiệt dung riêng:
t2
q = [C] 1 (t2 – t1)
t
t1
t2
Nếu sử dụng bảng nhiệt dung riêng nhận được giá trị [C]0 và [C]0 tìm được
nhiệt.
t2
t1
Q = [C]0 .t2 - [C]0 .t1
Nhiệt trao đổi với hệ mkg môi chất: Q = m.q
Ví dụ: Xác định nhiệt cần thiết đưa 4kg không khí từ nhiệt độ ban đầu t1 = 1000C.
Nhiệt độ cuối t2 = 5000C theo quá trình đẳng áp.
100
Giải: Tra bảng phụ lục nhiệt dung riêng không khí [C
kJ/kmol.k.
]
P 0
= 29,15
500
[C
]
= 30,1 kJ/kmol.k.
P 0
100
CP
29,15
29
0
1
100
Nhận được: [CP]0
=
kJ/kg.k
500
CP
30,1
29
0
1,04
500
[CP]0
=
kJ/kg.k
qp = 420 kJ/kg nhiệt cung cấp cho 4kg không khí.
Qp = m.qp = 4. 420 = 1680 kJ
3.2. Công của quá trình (L)
Là hình thái trao đổi năng lượng cơ học giữa hệ với môi trường khi xảy ra
quá trình nhiệt động.
Công có thể xác định bằng tích của lực với độ dịch chuyển và có thể xác
định theo quan niệm công là sự thay đổi thế năng áp suất.
Với hệ kín như khối xi lanh động cơ đốt trong, hệ khí sẽ trao đổi với môi
trường công giãn nở.
19
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Cấu trúc hệ hở như khối khí trong buồng đốt động cơ, tâm lửa hệ sẽ trao đổi
với môi trường công kỹ thuật.
Công hệ sinh ra là dương (l > 0) và công hệ nhận vào là âm (l < 0).
b) hệ hở
Hình 1.4: Sơ đồ công của quá trình
a) hệ kín
Công là đại lượng mở rộng: Công của hệ mkg là L
L = m.l
Công là hàm quá trình phụ thuộc tính chất quá trình hệ đi từ trạng thái đầu
đến trạng thái cuối theo quá trình khác nhau sẽ có công khác nhau.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Vẽ đồ thị và trình bày quá trình nhiệt động?
2. Viết phương trình định luật nhiệt động?
3. Trình bày nhiệt và công của quá trình nhiệt động?
Bài 4
NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI
1. Trạng thái:
Là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi chất hay của
hệ ở thời điểm nào đó. Các đại lượng vật lý đó được gọi là thông số trạng thái.
2. Thông số trạng thái:
Là một hàm đơn vị của trạng thái có vi phân toàn phần. Do đó khi vật hoặc
hệ ở trạng thái xác định thì các thông số trạng thái cũng có một giá trị xác định.
Nghĩa là độ biến thiên các thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào
điểm đầu và điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá
trình.
Trong nhiệt động dùng 3 thông số trạng thái có thể đo trực tiếp là nhiệt độ T,
áp suất P và thể tích riêng (hoặc khối lượng riêng ρ) còn gọi là thông số trạng thái
cơ bản. Ngoài ra trong tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác
20
Tải về để xem bản đầy đủ
47 trang
10/01/2024
10180
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 1) - Trường Cao đẳng nghề Yên Bái", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_nhiet_ky_thuat_phan_1_truong_cao_dang_nghe_yen_ba.pdf
