TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 1. Công 2 hiệ l 2. Nhiệt lượng 3. Nhiệt dung riêng 4. Định luật nhiệt động thứ nhất 1 Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân 5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
33
Embed
Chuong 2 Dinh Luat Nhiet Dong Thu Nhat Compatibility Mode
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
CHƯƠNG 2CHƯƠNG 2
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
1. Công
2 hiệ l2. Nhiệt lượng
3. Nhiệt dung riêng
4. Định luật nhiệt động thứ nhất
1Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Dạng năng lượng cơ bản tham gia vào quá trình nhiệt động:
- Công
Nhiệt lượng- Nhiệt lượng
Công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giớivà môi trường trạng thái của chất môig ạ ggiới bị thay đổi
2Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
1. Công là gì?g g- Công W được xem là tích số giữa lực F và đoạn đường dịch chuyển dx theo chiều tác động của lực.
2
1dxFW
Trong hệ thống nhiệt động: công là lượng năng lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó
mNJJoule )(
Power
J3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
)(sec WWattJW
Example of work crossing the boundary of a system.
Example of work crossing the boundary of a systemExample of work crossing the boundary of a system
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Công giãn nở hay công nén trong hệ kín
d x
P1
(b )(a )d x
P is ton
1 ' 2 ' v
2(a )
A: diện tích pistonA: diện tích piston
p: áp suất của chất môi giới
V: thể tích chất môi giới
Wtt = diện tích (122’1’)
Lực tác động lên bề mặt piston: F = p.A
Công tạo nên khi piston dịch chuyển một đoạn dx:
dV.pdx.A.pdx.FWtt
2V
dVW5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
1Vtt dV.pW
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Biểu diễn trên đồ thị p-v
P1
(b )
2V
Biểu diễn trên đồ thị p-v
1 ' 2 '
2
(b )(a )
2
1
V
Vtt dV.pW
1 2 v
Wtt = diện tích (122’1’)
Nhận xét :
Do áp suất tuyệt đối p luôn luôn dương, nên :
dv > 0 W > 0 : hệ dãn nở thì sinh công.
dv < 0 W < 0 : hệ nén ép thì nhận công.ệ p ậ g
Từ cách biểu diễn công dãn nở trên đồ thị pv, nếu tiến hành các quá trình khác nhau nhưng có cùng điểm đầu 1 và điểm cuối 2 thì công sinh ra sẽ không giống nhau. Rõ ràng công dãn nở phụ thuộc vào quá trình. Điều này chứng minh cho lập luận công là hàm của
6Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
g p ụ ộ q y g ập ậ gquá trình.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Công trong hệ thống hở
- Công lưu độngCông sinh ra do môi chất chuyển động khi áp suất thay đổi
ốG : lưu lượng khối lượng
F : lưu lượng thể tích
v : thể tích riêng
F : diện tích tiết diện ngang
:vận tốc dòng khí
Công lưu động trong trường hợp chất khí di chuyển trong các ống thỏa các điều kiện sau:
• Chất khí lưu động liên tục và ổn định.
• Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục.Tiết diện ngang của ống thay đổi một cách liên tục.
• Các thông số trạng thái của chất khí trên cùng một tiết diện ngang là như nhau.
constFG
7Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
constv
G
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét 2 tiết diện (I) và (II) rất gần nhau
ầXét công lưu động mà phần khí giơí hạn giữa chúng sinh ra:
Phần công khối khí phải tao ra để đẩy khối khí phía sau nó :
(p + dp).(F + dF).( + d)
Phần công mà nó nhận được từ khối khí phía trước nó :
pF
Vậy nó đã nhận được một côngVậy nó đã nhận được một công
dWlđ = (p + dp).(F + dF).( + d) - pF
Bỏ qua các vi phân cấp hai và cấp ba, ta có
dWlđ = d(pF) = d(pGv)
dWlđ = G.d(pv)
Nếu xét cho một đơn vị khối lượng
dwlđ = d(pv)
Vậy trong một quá trình 1 2 nào đó thì
8Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
wlđ = p2v2 – p1v1.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Công kỹ thuậtTrong các máy móc thiết bị, khi môi chất tạo rađược một công dãn nở thì nó phải tiêu tốn mộtcông lưu động và lượng công còn lại để chúng
ó hể ử d đ i là ô kỹ h ậta có thể sử dụng được gọi là công kỹ thuật.
Tượng tự, công kỹ thuật cũng phụ thuộc vào quá trình.
Dấu của wkt trái với dấu của dp
�dp < 0 wkt > 0 : khi dãn nở (áp suất giảm) thì sinh công kỹ thuật.
9Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
dp 0 wkt 0 : dã ở (áp suấ g ả ) s cô g ỹ uậ .
�dp > 0 wkt < 0 : khi nén ép (áp suất tăng) thì nhận công kỹ thuật.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2. Nhiệt lượng là gì?ệ ợ g g
- Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênhranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ.
- Là một hàm quá trình 2
QQLà một hàm quá trình
Q: cho G kg chất môi giới
121 QQ
Q: cho G kg chất môi giới
q: cho 1kg chất môi giới
Ta qui ước :
ếQ > 0 : nếu đó là nhiệt do hệ nhận vào.
Q < 0 : nếu bản thân hệ tỏa nhiệt.
Đơn vị: Joule (J)
10Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
ị ( )
Các loại trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
An example showing the difference between heat and workAn example showing the difference between heat and work.
11Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
The effects of heat addition to a system that also can give out work.(Internal Combustion Engine)
12Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Phương pháp tính nhiệt lượng
Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropy
δq = Tds
Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độTính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
δq = Cdtδq Cdt
13Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Nhiệt dung riêngệ g g
δq = Cdt
δq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường.
ổ ấ
Trong đó :
dt : lượng thay đổi nhiệt độ của chất môi giới.
Rõ ràng dq và dt tỷ lệ qua hệ số C, được gọi là nhiệt dung riêng (NDR).
NDR là lượng nhiệt cần cung cấp để đưa ợ g ệ g pmột đơn vị vật chất lên 1 độ trong một quá trình nào đó và ngược lại
14Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
quá trình nào đó và ngược lại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Phân loại nhiệt dung riêng:
Theo đơn vị đo lường vật chất:
NDR khối lượng C (J/kg độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg)- NDR khối lượng, C (J/kg.độ): khi đơn vị đo lường vật chất là đơn vị khối lượng (kg).
- NDR thể tích, C’ (J/m3tc.độ): khi đơn vị đo vật chất là đơn vị thể tích (m3, ở đktc).
- NDR mol, C (J/kmol.độ): khi đơn vị đo vật chất là 1 Kmol.
Giữa 3 loại NDR này có mối quan hệ sau:
C = C = 22,4.C’
Theo quá trình thay đổi nhiệt độ của môi chất
- NDR đẳng áp C : khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp- NDR đẳng áp, Cp: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng áp.
Cp, C’p, Cp
- NDR đẳng tích, Cv: khi quá trình thay đổi nhiệt độ là đẳng tích.
15Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Cv, C’v, Cv
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
* NDR đẳng áp và NDR đẳng tích quan hệ như sau :
Ck
CC
v
p
Với k: hệ số đoạn nhiệt.
- Ở khí thực, giá trị k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất khí.
- Ở KLT, k chỉ phụ thuộc bản chất (cấu tạo phân tử) của chất khí.
16Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Bảng số liệu giá trị thực nghiệmố ấ
Khí lý tưởng (µc)p, kcal/kmol.độ (µc)v, kcal/kmol.độ k
Loại có 1 nguyên tử 5 3 1 6
Bảng NDR kmol của một số loại chất khí (kcal/kmol.độ)
Loại có 1 nguyên tử 5 3 1,6
Loại có 2 nguyên tử 7 5 1,4
Loại có 3 nguyên tử 9 7 1 3Loại có 3 nguyên tử 9 7 1,3
Khí lý tưởng (µc)p, kJ/kmol.độ (µc)v, kJ/kmol.độ kBảng NDR kmol của một số loại chất khí (kJ/kmol.độ)
Loại có 1 nguyên tử 20,9 12,6 1,6
Loại có 2 nguyên tử 29,3 20,9 1,4
Loại có 3 nguyên tử 37,7 29,3 1,3
Nhóm 1 nguyên tử: gồm các khí như Ar, Ne, He,…
h ồ kh h h kh
17Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nhóm 2 nguyên tử: gồm các khí như O2, N2, H2, CO, Không khí,…
Nhóm 3 nguyên tử: gồm các khí như CO2, SO2, CH4, C2H2, C2H4,…
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp?
- Nhiệt lượng dùng để làm cho toàn bộ hỗn hợp biến đổi 1 độ bằng tổng nhiệt lượng dùng để làm cho mỗi thành phần biến đổi 1 độ.
n
1iviivnn2v21v1v CgCg...CgCgC
n
1ipiipnn2p21p1p CgCg...CgCgC
1i
n
1i
iihh CgC
18Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Định luật nhiệt động thứ nhất ị ậ ệ ộ g
“ Nhiệt năng không tự sinh ra và cũng không biến mất đi mà chỉ chuyển hóa từ á d ă l khá (h thà h hữ d ă l khá ) Mộttừ các dạng năng lượng khác (hay thành những dạng năng lượng khác). Một lượng nhiệt năng mất đi sẽ sinh ra một lượng tương đương dạng năng lượng dưới các dạng khác và ngược lại “.
Định luật bảo toàn năng lượng
WQE
Với hệ nhiệt động 12 UUUE
19Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét một hệ nhiệt động:ộ ệ ệ ộ g- G kg môi chất,
- Biến đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 nào đó,
Có ột hiệt l Q th i ( ó thể hậ h ặ ất)- Có một nhiệt lượng Q tham gia ( có thể nhận hoặc mất),
- Và một công ngoài W tác động vào môi trường ( có thể cho hoặc nhận).
Nếu ở trạng thái 1 và 2, hệ nhiệt động có năng lượng toàn phần tương ứng bằng U1 và U2 thì:
Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ta có phương trình cân bằng:ị ậ g ợ g p g g
Q = (U2 – U1) + W
Nếu xét trong một quá trình vô cùng nhỏ, ta có :
dQ = dU + dW
Hoặc xét cho 1 kg chất môi giới trong 1 quá trình vô cùng nhỏ :
20Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
dq = du + dw
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ kínị ậ ệ ộ g g ệ
Do không có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường:
dw = dw = pdvdwn = dw = pdv
Do đó, với hệ kín phương trình Định luật nhiệt động 1 có dạng :
dq = du + pdvdq du pdv
Biến đổi bằng cách thêm vào pt trên vdp và –vdp, ta có :
dq = du + pdv + vdp – vdp
= du + d(pv) – vdp
= d(u + pv) – vdp
Nếu đặt i = u + pv, ta có :
dq = di – vdp
21Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét định luật nhiệt động 1 trong hệ hởị ậ ệ ộ g g ệ
Do có trao đổi về chất giữa hệ và môi trường nên môi chất phải tiêu tốn công lưu động và ta chỉ còn có thể sử dụng phần còn lại. Tức công ngoài trong trường hợp này ấ ằxấp xỉ bằng công kỹ thuật
dwkt = -vdp
Đối chiếu với dq = di – vdp ta được:q p ợ
dq = di + dwkt
Nếu công kỹ thuật này chỉ làm thay đổi động năng chất môi giới, ta có
d 2 d 2
2ddw
2
kt
2
ddidq2
Đối với khí lý tưởng
Riêng đối với KLT người ta đã chứng minh đượcRiêng đối với KLT, người ta đã chứng minh được
du = Cv.dT; di = Cp.dT
Nên các biểu thức viết cho KLT có thêm các dạng sau
22Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
dq = Cv.dT + pdv
dq = Cp.dT – vdp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Một ố á t ì h hiệt độ ơ bả ủ khí lý t ởMột số quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
Mục đích việc khảo sát phần này nhằm:Mục đích việc khảo sát phần này nhằm:
- Tìm quy luật của quá trình, thể hiện bằng các phương trình quá trìnhtrình quá trình .
- Tìm quan hệ ràng buộc giữa các thông số của quá trình.
Tí h á kế ả ề ặ ă l khi á ì h ả- Tính các kết quả về mặt năng lượng khi quá trình xảy ra.
Chú ý: chỉ khảo sát chất môi giới là KLT, các quá trình đều là cân bằng và đều có tính thuận nghịch.
23Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Qúa trình đa biến Cn = const
Xác định nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng dq = Cn.dT
dq = Cp.dT – vdp Cn.dT = Cp.dT – vdp
Từ PT nhiệt động thứ nhất đối với KLT
dq = Cv.dT + pdv Cn.dT = Cv.dT + pdv
vdpdTCC pn
pdvdTCC vn
Chia vế theo về của đẳng thức trên:CC
pdvvdp
CCCC
vn
pn
nCCCC
vn
pn
Đặt
24Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Với KLT, có thể xem Cn, Cp, Cv là các hằng số, nên giá trị n = const.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
d constnpdvvdp
vdp + npdv = 0
Chia 2 vế đẳng thức trên cho tích pv
0dvndp 0
vn
pp
Lấy tích phân 2 vế ta cóy p
ln p + n.ln v = const ln (pvn) = const
pvn = const
p1/nv = const
25Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Quan hệ p, v, Tấ ểQuan hệ giữa áp suất và thể tích riêng
nvp
12
Từ phương trình đa biến pvn = const p1v1n = p2v2
n
Nên ta cón1
Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hoặc nhiệt độ và thể tích riêng
vv
pp
2
1
1
2 n
2
1
1
2
pp
vv
Q ệ g ệ ộ p ặ ệ ộ gTừ PTTT pv = RT, có thể viết
p1v1 = RT1p2v2 = RT2
vpTChia vế cho vế 2 đẳng thức trên ta có1
2
1
2
1
2 .vv
pp
TT
1
n
1n
pT
n
pp
pp
TT
1
2
1
2
1
2 .
1
2
1
2
pp
TT
nT
n1vT
26Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
1
2
1
2
1
2
vv
.vv
TT
1
2
1
2
vv
TT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xác định công và nhiệt lượng
Công giãn nở
1n
2
111tt v
v11n
vpw 21tt TT1n
Rw
Với G kg khối khí
2211tt VpVp1n
1W
2121tttt GRTGRT1n
1TT1n
GRGwW
Công kỹ thuật
tt21kt w.nTT1n
R.nw
Nhiệt lượngq = Cn (T2 – T1)
pn CCn
p
CC
k Từ hệ số và hệ số đoạn nhiệt vn CC
n vCTừ hệ số
1nknCC vn
27Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
12v TT1nknCq
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Các quá trình đặc biệt: Phương trình của QTĐB pvn = const hay constv.p n1
C c qu đặc b ệ :
Quá trình đẳng áp
Phương trình của QTĐB pv const hay constv.p
Khi n = 0, ta có p = const, đây là quá trình đẳng áp
1
2
1
2
TT
vv
, p , y q g p
Phương trình : p = const
Quan hệ giữa các thông số :
Công thay đổi thể tích :
w12 = p(v2 – v1), J/kg
Công kỹ thuật :
wkt12 = 0
Nhiệt của quá trình :
2Tl
Qp = Gqp = Gcp(t2 – t1), J
Biến đổi entropy :
28Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
1
2p T
lncs
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Quá trình đẳng tích Qu đ g cconstv.p n
1
22 Tp
Khi n = , ta có
v = const
Q hệ iữ á thô ố1
2
1
2
TT
pp
Quan hệ giữa các thông số:
Công thay đổi thể tích:
w12 = 0
Công kỹ thuật:
wkt12 = v(p2 – p1), J/kg
Nhiệt của quá trình:
qv = cv(t2 – t1) = u, J/kg
Q = Gq = Gc (t2 – t1), J
1
2v12 T
Tlncsss
Qv Gqv Gcv(t2 t1), J
Biến đổi entropy:
29Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Quá trình đẳng nhiệt Qu đ g ệ
12 vpKhi n =1, ta có pv = const nhưng pv = RT T = const
Quan hệ giữa các thông số :2
1
1
2
vpp
Quan hệ giữa các thông số :
Công thay đổi thể tích & công kỹ thuật :
1
211
2
112kt12 v
vlnvppplnRTww
Nhiệt của quá trình :
12 plnRvlnRs
do qT = u + w12 = CvT + w12 qT = w12
Biến đổi entropy :
21 plnR
vlnRs
30Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Quá trình đoạn nhiệt
1nknCC vn
C
Khi n = k, ta có
Nghĩa là dq = Cn.dT = 0, đây là quá trình đoạn nhiệt
Cn = 0
v
p
CC
k Vậy quá trình đoạn nhiệt tương ứng với QTĐB có n = k;
k: số mũ đoạn nhiệt)
Phương trình của quá trình đoạn nhiệt là pvk = const
k
12 vp
1k
1k
1k
22 vpT
Phương trình của quá trình đoạn nhiệt là pvk = const
Quan hệ giữa các thông số :
21 vp
211 vpT
R
1k1k
Công thay đổi thể tích
2112 TT1k
Rw
k
1
21k
1
21112 p
p11k
RTpp1
1kvpw
Công kỹ thuật : wkt12 =k. w12
31Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
kt12 12
Biến đổi entropy : s = 0 s2 = s1 = const
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Biểu diễn các quá trình trên đồ thị p - vBiểu diễn các quá trình trên đồ thị p v
32Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Biểu diễn các quá trình trên đồ thị T - sBiểu diễn các quá trình trên đồ thị T s