-
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Số tiết học: 42 tiết kéo dài trong 8 tuần
- Tuần 1 4 : 5 chương đầu tiên
- Tuần 4 : KIỂM TRA giữa học kỳ
- Tuần 5 8 : 5 chương cuối
- THI CUỐI HỌC KỲ
20%20%
80%80%
Bộ môn: Công nghệ Nhiệt Lạnh – Khoa Cơ Khí
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.1p.1
-
Mục đích môn họcNắm vững những qui luật về biến đổi năng lượng
(chủ yếu là
nhiệt năng và cơ năng) nâng cao hiệu quả sự dụng năng lượng
là môn cơ sở để nghiên cứu và thiết kế các loại máy nhiệt nói
riêng và các hệ thống nhiệt động nói chung
VD: - Các loại động cơ nhiệt: ĐC đốt trong, ĐC phản lực- HTĐHKK,
Tủ lạnh- Các thiết bị sấy, lò hơi- Bơm, máy nén- Các hệ thống sử
dụng năng lượng mặt trời, vv….
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.2p.2
-
Nội dung môn họcChương 1: Mô ̣t số khái niệm cơ ba ̉n –
Phương trình trạng thái của chất khí
Chương 2: Định luật Nhiệt động thứ nhất (Nguyên lý bảo toàn năng
lượng)
Chương 3: Định luật Nhiệt động thứ hai
Chương 4: Chất thuần khiết
Chương 5: Một số quá trình đặc biệt của khí và hơi
Chương 6: Không khí ẩm
Chương 7: Quá trình nén khí và hơi
Chương 8: Chu trình thiết bị động lực hơi nước
Chương 9: Chu trình động cơ đốt trong
Chương 10: Chu trình máy lạnh
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.3p.3
-
Tài liệu tham khảo1. Hoàng đình Tín – Lê chí Hiệp, Nhiệt động
lực học kỹthuật, NXB Đại học quốc gia Tp HCM, 2007.
2. Hoàng Đình Tín – Bùi Hải: Bài tập Nhiệt động lực họcKT &
truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2008.
3. Hoàng đình Tín, Nhiệt công nghiệp, NXB Đại học quốc gia Tp
HCM, 2001.
4. Cengel, Y. A. – Boles, M. A., Thermodynamics: An Engineering
Approach, 5th Edition, McGraw-Hill’ publisher, 2006.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.4p.4
-
CHƯƠNG 1 (Phần 1):
Một sô ́ kha ́i niê ̣m cơ ba ̉n
1.1 Các vấn đề chung
1.2 Những khái niệm cơ bản
1.3 Thông số trạng thái của môi chất
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.5p.5
-
1.1 Các vấn đề chungTất cả các bài toán về NHIỆT chung qui cũng
chỉ nhằm:
Xác định NĂNG LƯỢNG của hệ thống cũng như SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG
LƯỢNG trong hệ thống
VD1:•
m
VD2: Bơm xe đạp nóng lên khi bơm
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.6p.6
-
1.2 Những khái niệm cơ bản
1.2.1 Nhiệt lượng và công
1.2.2 Hệ nhiệt động
1.2.3 Máy nhiệt
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.7p.7
-
1.2.1 Nhiệt lượng và côngNhiệt lượngNhiệt lượng: là lượng năng
lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa chất môi giới và môi
trường có sự chênh lệch nhiệt độ- Qui Qui ướcước: + Vật nhận nhiệt:
Q (+)
+ Vật thải nhiệt: Q (-)
CôngCông: là lượng năng lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả
năng dịch chuyển một vật nào đó.- Qui Qui ướcước: + Vật sinh ra
công: W (+)
+ Vật nhận công: W (-)
Đơn vị đoĐơn vị đo: - Hệ SI: 1 J (jun) = 1N.m = 107 erg ; 1 cal
(calo) = 4.18 J
- Hệ khác: 1 Btu = 1055 J = 252 cal ; 1 Wh = 3.413 Btu
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.8p.8
-
Mechanical Equivalent of Heat
Joule demonstrated that water can be heated by doing
(mechanical) work, and showed that for every 4186 J of work done,
the temperature of water rose by 1C0 per kg.
p.9p.9
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
-
1.2.21.2.2 Hệ Hệ nhiệt độngnhiệt động
- Hệ nhiệt động (HNĐ) khoảng không gian có chứa một lượng nhất
định chất môi giới đang được khảo sát bằng các biện pháp nhiệt
động.
Ví dụ minh họa
Khi xem xét một
HNĐ cần chú ý:
Chất môi giới ?? Nguồn nóng ?? Nguồn lạnh ??
Công và nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi trạng
thái
Bề mặt ranh giới ngăn cách giữa chất môi giới và môi trường
??
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.10p.10
-
Một số ví dụ về hệ nhiệt độngMột số ví dụ về hệ nhiệt động
(1)(1)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.11p.11
-
Một số ví dụ về hệ nhiệt độngMột số ví dụ về hệ nhiệt động
(2)(2)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.12p.12
-
Một số ví dụ về hệ nhiệt độngMột số ví dụ về hệ nhiệt động
(3)(3)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.13p.13
-
Phân loại hệ nhiệt độngPhân loại hệ nhiệt động
- HNĐ kín: lượng chất môi giới trong hệ thống được duy trì không
đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn
cách giữa hệ thống và môi trường. ( VD: máy lạnh)
- HNĐ hở: chất môi giới có thể đi vào và đi ra khỏi hệ thống
xuyên qua bề mặt ranh giới. ( VD: động cơ đốt trong, tuabin khí,
động cơ phản lực, etc.)
- HNĐ đoạn nhiệt: trong hệ thống này, chất môi giới không có sự
trao đổi nhiệt với môi trường trong quá trình hoạt động.
- HNĐ cô lập: trong hệ thống này, chất môi giới và môi trường
hoàn toàn không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng nào trong quá
trình hoạt động.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.14p.14
-
Ví dụ về hệ nhiệt động Ví dụ về hệ nhiệt động kínkín
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.15p.15
-
Ví dụ về hệ nhiệt động Ví dụ về hệ nhiệt động hởhở
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.16p.16
-
Ví dụ về hệ Ví dụ về hệ cô lậpcô lập
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.17p.17
-
1.2.31.2.3 Máy nhiệtMáy nhiệt
đây là loại máy dùng nhiệt để sinh công. Trong loại máy này,
chất môi giới sẽ vận chuyển nhiệt lượng theo chiều thuận từ nguồn
nóng đến nguồn lạnh và giãn nở sinh công. ( VD: động cơ đốt trong,
động cơ phản lực, tuabin, vv..)
Nguồn nóng
Nguồn lạnh
Động cơ nhiệt
Q1
Q2
W
Xét bảo toàn năng lượng cho Động cơ nhiệt:
WQQ += 21
Hiệu suất nhiệt:1
2
1
2
1
11qq
QQ
QW
−=−==η
A/ Động cơ nhiệt:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.18p.18
-
Ví dụ về động cơ nhiệtVí dụ về động cơ nhiệt
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.19p.19
-
B/ Bơm nhiệt, máy làm lạnh:
đây là loại máy nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng
theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.
(VD: máy lạnh, bơm nhiệt)
Nguồn nóng
Nguồn lạnh
Bơm nhiệt,Máy làm lạnh
Q1
Q2
W
Xét bảo toàn năng lượng cho bơm nhiệt hay máy làm lạnh: WQQ +=
21
Hệ số làm nóng (cho bơm nhiệt):21
1
21
11
qqq
QQQ
WQ
−=
−==ϕ
Hệ số làm lạnh (cho máy lạnh):21
2
21
22
qqq
QQQ
WQ
−=
−==ε
1>
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.20p.20
-
Máy điều hòa nhiệt độMáy điều hòa nhiệt độ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.21p.21
-
Tủ lạnh - Refrigeration Animation
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.22p.22
-
Bơm nhiệt – Máy ĐHKK
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.23p.23
-
1.31.3 Thông số trạng tháiThông số trạng tháiTại một điều kiện
bất kỳ, trạng thái của chất môi giới có thể được xác định = 2 thông
số trạng thái độc lập (Ví dụ)
Các thông số trạng thái thường dùng là:
- Nhiệt độ T
- Áp suất p
- Thể tích riêng v
- Nội năng u
- Entanpi i
- Entropi s
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.24p.24
-
Ví dụ về thông số trạng tháiVí dụ về thông số trạng thái
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.25p.25
-
Nhiệt độNhiệt độ TT
Thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật
Đơn vị:
Dụng cụ đo: Nhiệt kế
- NK thủy ngân, NK rượu: dựa trên sự giãn nở của chất lỏng
(NK) - NK điện trở: dựa trên sự thay đổi điện trở- Thermocouple:
dựa trên sự thay đổi dòng điện
- Độ bách phân (oC): ( )3295
−= FC oo
- Độ Fahrenheit (oF): 328.1 += CF oo
273+= CK oo- Độ Kelvin (oK):
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.26p.26
-
Tương quan giữa các thang nhiệt độTương quan giữa các thang
nhiệt độ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.27p.27
-
Absolute Zero and the Kelvin Scale
The pressure-temperature relation leads to the design of a
constant-volume gas thermometer. Extrapolation of measurements made
using different gases leads to the concept of absolute zero, when
the pressure (or volume) is zero.
t (oC)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.28p.28
-
Áp suấtÁp suất ppLực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt
ranh giới theo
phương pháp tuyến với bề mặt đó. (Ví dụ)
Dụng cụ đo:
- Manometer (áp kế): dùng để đo áp suất dư pd, phần áp suất của
chất khí lớn hơn áp suất khí trời- Parometer: đo áp suất khí trời
pkt- Vacumeter (chân không kế): đo áp suất chân không pck, phần áp
suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời
ppp ktck −=
Đơn vị:1 Pa (Pascal) = 1 N/m21 bar = 105 Pa = 750 mmHg1 at =
9.81 x 104 Pa = 0.981 bar = 10 mH2O = 735.6 mmHg1 mmHg = 133.3
N/m21 mmH2O = 9.81 N/m2
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.29p.29
-
Ví dụ về áp suấtVí dụ về áp suất (1)(1)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.30p.30
-
Ví dụ về áp suất Ví dụ về áp suất (2)(2)
2
1
2
121 A
AFFpp =⇒=
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.31p.31
-
Ví dụ về áp suất Ví dụ về áp suất (3)(3)
Đáp số: 111.7 kPa
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.32p.32
-
Ví dụ về dụng cụ đo áp suấtVí dụ về dụng cụ đo áp suất
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.33p.33
-
Nguyên lý hoạt động của Nguyên lý hoạt động của
ParometerParometer
VD: với 1mm H2O
PamNxxghOmmH 81.9/81.9001.081.910001 22 ==== ρ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.34p.34
-
Nguyên lý hoạt động củaNguyên lý hoạt động của
ManometerManometer
VD: với kPaPcmhmkg atm 96;55;/850 3 ===ρ
kPaxxghPP atmGas 6.1001055.081.985096 3 =+=+= ρ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.35p.35
-
Ví dụ: dùng Manometer đo chênh áp suất của dòng chảy
( ) ghgaPhagP 21211 ρρρ ++=++Ta có:( )ghPP 1221 ρρ −=−
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.36p.36
-
Thể tích riêngThể tích riêng vvThể tích ứng với một đơn vị khối
lượng
GVv = (m3/kg)
hay:ρ1
=v
trong đó: + G: khối lượng của khối chất môi giới đang khảo sát
(kg)+ V: thể tích choán chỗ của khối chất môi giới đó (m3)
+ ρ: khốI lượng riêng của khối chất môi giới đang khảo sát
(kg/m3)
Lưu ý: thể tích riêng v mới là thông số trạng thái, còn thể tích
V không phải là thông số trạng thái
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.37p.37
-
Ví dụ về tính thể tích riêngVí dụ về tính thể tích riêng
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.38p.38
-
Nội năngNội năng uuLà loại thông số trạng thái không đo trực
tiếp được mà phải
tính toán Nội năng U của một hệ thống bao gồm:
- Động năng Ud do chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của
các phân tử, và do các dao động trong nội bộ phân tử bên trong hệ
thống
- Thế năng Ut do lực tương tác giữa các phân tử trong hệ
thống
td UUU +=Nếu khảo sát 1kg khối lượng chất môi giới:
td uuu +=
trong đó: ud là nội động năng; ut là nội thế năng của 1 kg khối
lượng chất môi giới
(kJ/kg)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.39p.39
-
td uuu +=
Theo thuyết động học phân tử:
- Nội động năng ud chỉ phụ thuộc nhiệt độ- Nội thế năng ut phụ
thuộc khoảng cách trung bình giữa các phân tử, tức phụ thuộc vào
thể tích riêng
),( vTfu =Đối với khí lý tưởng: lực tương tác giữa các phân tử
được xem bằng
không, do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ.
Đơn vị: kJ, kcal, kWh (hệ SI) hoặc BTU (British Thermal
Unit)
Lưu ý: trong các bài toán về nhiệt động, nói chung không cần
biết giá trị tuyệt đối của nội năng mà chỉ cần biết lượng biến đổi
nội năng
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.40p.40
-
Nói thêm về nội năng ULà năng lượng bên trong, gây ra do chuyển
động và tương tác giữa các phân tử trong vật thể.
Ví dụ: - đối với vật rắn
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.41p.41
-
Ví dụ: (đối với chất khí)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.42p.42
-
EntanpiEntanpi iiLà loại thông số trạng thái không đo trực tiếp
được mà phải
tính toán
Entanpi của 1 kg khối lượng chất môi giới đuợc tính theo công
thức:
pvui += (kJ/kg)
Đối với khí lý tưởng, do u và pv chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên
i cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Lưu ý: trong các bài toán về nhiệt động, nói chung không cần
biết giá trị tuyệt đối của entanpi mà chỉ cần biết lượng biến đổi
entanpi
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.43p.43
-
EntropiEntropi ssLượng biến đổi entropi ds của 1 kg khối lượng
chất môi giới
trong 1 quá trình thuận nghịch đuợc tính theo công thức:
Tqds δ=
trong đó: - là nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi
trường trong quá trình thuận nghịch vô cùng bé
- T là nhiệt độ tuyệt đối
hayTQdS δ= cho G kg chất môi giới
(dS = G ds)
Đơn vị: kJ/kg.K, kcal/kg.KLưu ý: ∫ =Δ 0ds- dù chu trình là thuận
nghịch hay không
0=Δ∫ TQδ- nếu chu trình là thuận nghịch
0
-
---------------------------------------
HẾT CHƯƠNG 1(Phần 1)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
1/2009
p.45p.45
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌCMục đích môn họcNội dung môn họcTài liệu tham
khảoCHƯƠNG 1 (Phần 1):1.1 Các vấn đề chung1.2 Những khái niệm cơ
bản 1.2.1 Nhiệt lượng và côngMechanical Equivalent of Heat1.2.2 Hệ
nhiệt độngMột số ví dụ về hệ nhiệt động (1)Một số ví dụ về hệ nhiệt
động (2)Một số ví dụ về hệ nhiệt động (3)Phân loại hệ nhiệt độngVí
dụ về hệ nhiệt động kín Ví dụ về hệ nhiệt động hởVí dụ về hệ cô
lập1.2.3 Máy nhiệtVí dụ về động cơ nhiệtMáy điều hòa nhiệt độTủ
lạnh - Refrigeration Animation Bơm nhiệt – Máy ĐHKK1.3 Thông số
trạng tháiVí dụ về thông số trạng tháiNhiệt độ TTương quan giữa các
thang nhiệt độAbsolute Zero and the Kelvin ScaleÁp suất pVí dụ về
áp suất (1)Ví dụ về áp suất (2)Ví dụ về áp suất (3)Ví dụ về dụng cụ
đo áp suất Nguyên lý hoạt động của ParometerNguyên lý hoạt động của
ManometerVí dụ: dùng Manometer đo chênh áp suất của dòng chảyThể
tích riêng vVí dụ về tính thể tích riêngNội năng uNói thêm về nội
năng U Entanpi iEntropi
s---------------------------------------