chuong 1 khai niem chung
Post on 19-Jan-2016
37 Views
Preview:
TRANSCRIPT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
1
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
TS. Trần Văn Hƣng
Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
2
• Tên môn học: Nhiệt động lực học kỹ thuật
• Mã môn học: 210014
• Số tiết: 42 tiết
• Số tín chỉ: 2
• Hình thức đánh giá:
• Kiểm tra giữa kỳ: 15%, 20%, 15%
• Kiểm tra cuối kỳ: 50%
• Tài liệu tham khảo:
• Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997
• Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB ĐHQG
TpHCM, 2002
•Hoàng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001
Sơ lƣợc về môn học
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
3
NỘI DUNG MÔN HỌC
• Chương 1: Các khái niệm cơ bản và PTTT KLT
• Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
• Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai
• Chương 4: Exergy (tham khảo)
• Chương 5: Chất thuần khiết
• Chương 6: Không khí ẩm
• Chương 7: Chu trình thiết bị động lực hơi nước
• Chương 8: Chu trình thiết bị lạnh
• Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong
• Chương 10: Quá trình nén khí và hơi
• Chương 11: Quá trình lưu động và tiết lưu
• Chương 12: Chu trình turbine khí và động cơ phản lực
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
4
CHƢƠNG 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG
1. Các vấn đề chung
2. Trạng thái và thông số trạng thái
3. Phương trình trạng thái của chất khí
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
5
1. Các vấn đề chung
Nhiệt động lực học?
Quy luật biến đổi năng lượng
Nhiệt năng Cơ năng
Các biện pháp nâng cao hiệu quả của các biến đổi
Kiến thức nhiệt động lực học rất cần thiết cho các lĩnh vực:
ĐHKK, Cấp trữ đông, thông gió…
Bơm, quạt, máy nén
Thiết bị sấy
Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong, động cơ phản lực…
Công nghệ tách khí, hóa lỏng
Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều…
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
6
Hệ nhiệt động:
Khoảng không gian chứa một lượng nhất định chất môi giới đang khảo sát bằng các
biện pháp nhiệt động.
Heä nhieät ñoäng
(Chaát moâi giôùi)
q1
q2
Beà maët ranh giôùi
l
Moâi tröôøng
xung quanh
Chất môi giới?
Mặt ranh giới?
Môi trường?
Chất môi giới (Chất công tác)?
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Hoặc có thể tích trữ năng lượng
VD: Trong động cơ nhiệt: không khí
Trong động cơ hơi nước: hơi nƣớc
Trong động cơ đốt trong: hỗn hợp xăng + khí
Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
7
Hệ kín:
Chỉ trao đổi về mặt năng lượng với môi trường
Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi
Máy lạnh
Bơm nhiệt…
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
8
Hệ hở:
Hệ trao đổi với môi trường cả năng lượng và khối lượng
Chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống
Động cơ đốt trong
Động cơ phản lực
Turbin khí…
Ví dụ:
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
9
Hệ cô lập:
Giữa chất môi giới và môi trường hoàn toàn không có bất kỳ sự trao
đổi năng lượng nào
Hệ không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường
Hệ đoạn nhiệt:
Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
10
Nguồn nhiệt ?
Nguồn nóng + nguồn lạnh ?
Máy nhiệt ? Động cơ nhiệt,
Bơm nhiệt và máy làm lạnh
Động cơ nhiệt:
- Máy nhiệt dùng để sinh công
- Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ
nguồn nóng đến nguồn lạnh
Ví dụ:
Động cơ đốt trong
Động cơ phản lực
Thiết bị động lực hơi nước
Các loại turbine…
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
11
- Q1: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng T1
- Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh T2
- W: công sinh ra
WQQ 21
Hiệu suất ĐCN
1
2
1
21
1 Q
Q1
Q
Q
W
1
2
q
q1
Trên 1 đơn vị khối lượng
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
12
Bơm nhiệt và máy làm lạnh
- Nhận công từ bên ngoài
- Vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược
từ ngụồn lạnh đến nguồn nóng
- Q1: nhiệt lượng nhả ra nguồn nóng T1
- Q2: nhiệt lượng nhận vào từ nguồn lạnh T2
- W: công sinh nhận
12 QWQ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
15
Chất môi giới
Pha và chất thuần khiết
Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng
Trạng thái: rắn, lỏng, khí, hơi.
Khí lý tƣởng
Thể tích bản thân các phân tử bằng không
Lực tương tác giữa các phân tử bằng không
Có thể xem O2, N2, Ar, He, H2,… là khí lý tưởng
Pha: thuật ngữ biểu diễn một khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý và thành phần
hóa học.
Rắn, lỏng, hơi (hay khí)
Chất thuần khiết: là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học.
Có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
16
2. Trạng thái và thông số trạng thái
Trạng thái
Trạng thái cân bằng
- Trạng thái là tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của CMG tại
một thời điểm và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt động
- Giá trị các thông số trạng thái là như nhau trong toàn bộ hệ
- Các giá trị này không đổi hoặc thay đổi vô cùng chậm theo thời gian
Chỉ khảo sát các biến đổi trạng thái của CMG từ trạng thái cân
bằng này đến trạng thái cân bằng khác
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
18
Thông số trạng thái?
- Các thông số dùng để xác định trạng thái của CMG
- Tại một điều kiện bất kỳ, trạng thái của CMG có thể xác định bằng 2 thông
số trạng thái độc lập
+ Thông số trạng thái cơ bản:
- Nhiệt độ: t (oC)
- Áp suất: p (N/m2)
- Thể tích riêng: v (m3/kg)
Xác định trực tiếp bằng cách đo đạc
+ Một số thông số trạng thái khác:
- Nội năng: u (kJ/kg)
- Enthalpy: i (kJ/kg)
- Entropy: s (kJ/kg.K)
Xác định thông qua thông số trạng thái cơ bản ( hàm trạng thái)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
19
Nhiệt độ là gì?
- Biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật
- Là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt
Thuyết động học phân tử: Nhiệt độ là thước đo giá trị động năng
trung bình của vô số phân tử chuyển động tịnh tiến
k = 1,3865.10-23 J/ñoäK, haèng soá Boltzmann,
T : nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa khoái chaát khí ñang khaûo saùt
M : khoái löôïng cuûa moät phaân töû
: caên baäc hai cuûa trung bình bình phöông toác ñoä cuûa caùc phaân töû
2M2
1T.k
2
3
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
20
- Định luật nhiệt động thứ không:
Nếu 2 vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật thứ 3 thì
nhiệt độ của 2 vật đó bằng nhau.
t1 = t3
t2 = t3
t1 = t2
- Các thang đo nhiệt độ:
Thang nhiệt độ bách phân _ Celcius t (oC)
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Kelvin T (K)
Thang nhiệt độ Fahrenheit _ oF
Thang nhiệt độ tuyệt đối _ Rankine oR
15,273CtKT
67,459RTFt
8,1
32FCt
)K(T.8,1)R(T
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
21
Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ
°C
Nhieät ñoä ñieåm 3 theå
27
3.1
6
Möùc khoâng cuûa thang
nhieät ñoä tuyeät ñoái
Ñieåm ñoùng baêng cuûa nöôùc
0.0
0
Ke
lvin
Ce
lciu
s
27
3.1
5
Ñieåm soâi cuûa nöôùc
37
3.1
5
°K
49
1.6
9
0.0
1
32
.02
-4
59
.67
-2
73
.15
0.0
0
Ran
kin
e
0.0
0
49
1.6
7
Fah
re
nh
eit
32
.0
67
1.6
7
10
0.0
°R
21
2
°F
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
22
Áp suất là gì?
Lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với về mặt đó
1 Pa = 1 N/m2. (Kpa, Mpa)
1 bar = 105 N/m2=750 mmHg.
1 at = 0,981.105 N/m2 = 1 kgf/cm2 = 10 mH2O = 735,5 mmHg.
1 mmH2O = 9,81N/m2.
1 mmHg = 133,32 N/m2.
1 psi (lbf/in2 ) = 6895 N/m2.
Đơn vị đo áp suất
A
FlimP n
'AA
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
23
Các loại áp suất:
Aùp suaát khí quyeån : aùp suaát cuûa coät khoâng khí ñeø treân maët ñaát.
Ñöôïc ño baèng Barometer
pkq
= pkt
= 1 bar
Aùp suaát dö (pd) : khi aùp suaát cuûa moâi tröôøng khaûo saùt coù trò soá lôùn
hôn aùp suaát khí quyeån, ta goïi ñoä cheânh leäch giöõa aùp suaát cuûa moâi
tröôøng ñoù vôùi aùp suaát khí quyeån laø aùp suaát dö. Ño baèng Manometer
Aùp suaát chaân khoâng (pck) : laø ñoä cheânh aùp suaát khi aùp suaát moâi
tröôøng khaûo saùt nhoû hôn aùp suaát khí quyeån. Ño baèng Vacummeter
Aùp suaát tuyeät ñoái (p)
p = pkq
+ pd
p = pkq
- pck
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
24
AÙp suaát tuyeät ñoái
Chaân khoâng tuyeät ñoái
AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt
nhoû hôn aùp suaát khí quyeån
AÙp suaát tuyeät ñoái
AÙp suaát khí quyeån
AÙp suaát moâi tröôøng khaûo saùt
lôùn hôn aùp suaát khí quyeån
Ñoä chaân khoâng
AÙp suaát dö
Mối quan hệ giữa các loại áp suất
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
25
)m/kg(V
G
v
1 3
Thể tích riêng, khối lƣợng riêng?
)kg/m(G
Vv 3
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng vật chất
V: thế tích choán chỗ của khối chất môi giới (m3)
G: khối lượng khối chất môi giới đang khảo sát (kg)
v: thể tích riêng (m3/kg)
ρ: Khối lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát (kg/m3)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
26
Nội năng?
121t2t1đ2đ12 UUEEEEEE
Năng lượng tổng của hệ thống E gồm các thành phần:
- Động năng Eđ: do sự chuyển động của toàn bộ hệ thống
- Thế năng Et: do sự thay đổi vị trí của toàn bộ hệ thống
- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên trong
hệ thống
UEEE tđ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
27
Lượng biến đổi nội năng thực chất là lượng biến đổi nội nhiệt năng:
- Động năng: do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của
các phân tử và do các dao động trong nội bộ phân tử
- Thế năng: do lực tương tác giữa các phân tử
- Nội năng U: gồm tất cả các biến đổi năng lượng còn lại bên
trong hệ thống
tđ UUU
tđ uuu
Xét trên 1kg chất môi giới
uđ: Chỉ phụ thuộc nhiệt độ
ut: Phụ thuộc vào khoảng cách trung bình giữa các phân tử phụ thuộc
thể tích riêng hay mật độ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
28
Đơn vị:
kJ, kcal, kWh,
Btu (Bristish thermal unit),
Chu (Centigrade heat unit)
1 kcal = 4,1868kJ = 4,1868kW.s = 1/861,24 kWh
1Btu = 1,055kJ = 0,55555Chu
Nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ và thể tích riêng
U = f(T, v)
Đối với khí lý tƣởng: lực tương tác giữa các phân tử được
xem bằng không
nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
29
Entropy S?
T
Qds
Đơn vị:
kJ/kg.K hay kcal/kg.K
- Là một hàm nhiệt động
- Là thông số trạng thái mà giá trị của nó được giữ không đổi khi
chất môi giới tiến hành quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch
- Lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó
có giá trị bằng Q/T
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
30
Entanpi ?
Khi thực hiện các bài toán về nhiệt động ta thường gặp biểu thức u + pv
Kamerlingh Onnes đặt tên là Entanpi
Với khối chất môi giới khảo sát là 1kg
i = u + pv
Với khối chất môi giới khảo sát là G kg
I = G.i = G.(u + pv)
Đối với khí lý tưởng, u và pv phụ thuộc nhiệt độ
i cũng chỉ phụ thuộc t
Về ý nghĩa vật lý của entanpi, lượng biến đổi entanpi mang ý nghĩa năng lượng
Tương tự như nội năng, entanpi không trực tiếp đo được mà phải tính toán.
Đơn vị: kcal, kJ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
31
3. Phƣơng trình trạng thái của khí
Khí lý tưởng?
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng?
Khí là tập hợp của vô số các phân tử. Ở các điều kiện thực tế, giữa các phân tử đều có một lực
tương tác nhất định nào đó và bản thân mỗi phân tử đều có một thể tích nào đó.
KLT là chất khí thỏa mãn 2 điều kiện sau :
- Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 ( v = 0)
- Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 ( f = 0)
Ở điều kiện áp suất khá thấp và nhiệt độ khá cao thì khí thực có thể được xem là KLT.
Trong đó :
p : áp suất tuyệt đối, N/m2.
V : thể tích khối khí, m3.
G : khối lượng khối khí, kg.
T : nhiệt độ tuyệt đối, K.
R : hằng số chất khí, J/kgK.
pV = GRT pv = RT
)K.kg/J(8314R
R
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
32
Hỗn hợp khí lý tƣởng
- Các thành phần được trộn lẫn lại theo kiểu cơ học,
- Không xảy ra phản ứng hóa học.
- Nếu mỗi thành phần trong hỗn hợp đều có thể được xem là khí lý
tưởng thì hỗn hợp được xem là hỗn hợp khí lý tưởng.
có thể sử dụng PTTT của KLT cho trường hợp của hỗn hợp.
Ví dụ: không khí có thể được xem là hỗn hợp KLT bao gồm N2, O2,
CO2, Ar, hơi nước, …
Cần chú ý, mỗi thành phần trong hỗn hợp đều ở nhiệt độ của hỗn hợp
và chiếm tòan bộ thể tích của hỗn hợp.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
33
Áp suất riêng phần:
- Khi một thành phần nào đó của hỗn hợp chóan toàn bộ thể
tích của hỗn hợp và ở nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất tương
ứng của thành phần đó được gọi là áp suất riêng phần hay
phân áp suất của thành phần đó.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
34
n
1i
ipp
Định luật Gibbs-Dalton:
“Khi mỗi một thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều
kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân
áp suất của các thành phần và nội năng của hỗn hợp bằng tổng nội năng
của các thành phần”
n
1i
iUU
pi: áp suất riêng phần
p: áp suất hỗn hợp
Ui: nội năng của các thành phần
U: nội năng của hỗn hợp
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
35
- Thể tích riêng phần (phân thể tích) là thể tích choán chỗ của
thành phần thứ i khi thành phần đó ở điều kiện áp suất và
nhiệt độ của hỗn hợp
Thể tích riêng phần (phân thể tích)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
36
n
1i
iVV
Định luật Amagat:
Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần
của các thành phần
Vi: thể tích của từng thành phần có trong hỗn hợp
V: thể tích hỗn hợp
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
37
Cách biểu diễn thành phần của hỗn hợp
Thành phần khối lượng:
Thành phần thể tích:
G
Gg i
i
n
1i
iGG
1gn
1i
i
V
Vr ii
n
1i
iVV
1rn
1i
i
Ngoài ra còn có thành phần mol,
giá trị bằng với thành phần thể tích n
n
V
Vr iii
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
38
Mối quan hệ giữa thành phần khối lượng gi và thành phần thể tích ri
n.
n.
G
Gg iii
i
ii
i rg
n
1i
i
iii
n
n
n
nr
n
1i
ii
iii
g
gr
Ngoài ra:
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
39
Xác định một số đại lƣợng đặc trƣng của hỗn hợp
Phân tử lượng tương đương của hỗn hợp
Có thể xác định theo thành phần thể tích hay theo thành phần khối lượng
Theo thành phần thể tích
1gn
1i
i
n
1i
ii 1r
n
1i
ii.r
Theo thành phần khối lượng
1 1
n ni
i
ii i
G G G
n Gn
n
1i i
i 1.
G
G
1
n
1i i
ig
1
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
40
Hằng số chất khí R của hỗn hợp
T
Vpi
n
1i
in
1i
ii GRT
pV
T
VpRG
n
1i
n
1i
iiii Rg
G
RGR
1
1
8314 83148314.
.
ni
ni i
i i
i
gR
r
Từ PTTT của chất khí thành phần trong hỗn hợp (có pi, Ti = T, Vi = V)
piV = GiRiT hay GiRi =
Có thể viết
Suy ra
Hằng số chất khí của hỗn hợp còn được tính theo công thức
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
41
Thế tích riêng và khối lƣợng riêng của hỗn hợp
1
1 1
1 1
n
i n ni i i
i ii i
VG g GV
vG G G G
1
ni
i i
gv
1
1
1
n
i ni
i i
i
GG
VV V V
n
1i
iir
Suy ra
Thể tích riêng của hỗn hợp
Khối lượng riêng của hỗn hợp
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
42
Phân áp suất của các thành phần
GR
RGpp
GRT
TRG
pV
Vp iii
iii
R
Rpgp i
ii
i
i
R
R
i
ii pgp
Ta đã biết R = .R= iRi = 8314 J/kmol.độ
pi = ri.p
Ta có piV = GiRiT và pV = GRT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
43
Ví dụ 1. Hỗn hợp khí gồm CO2 và N2 có khối lƣợng G = 0,5 kg, áp suất p =
3,5bar, nhiệt độ t = 480oC và thể tích V = 250 lít. Hãy xác định thành phần khối
lƣợng của hỗn hợp.
Ví dụ 2. Một hỗn hợp khí lý tƣởng gồm có 0,12 kg O2, 0,18 kg CO và 0,1 kg
CO2. Cho biết áp suất của hỗn hợp là 180 kPa. Xác định:
1. Hằng số chất khí của hỗn hợp,
2. Phân áp suất của từng thành phần,
top related