Giáo trình Nhiệt động lực học kỹ thuật
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT TP HCM
GVC.ThS. LEÂ KIM DÖÔÕNG
GIAÙO TRÌNH BAØI GIAÛNG
MOÂN HOÏC:
NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC KYÕ THUAÄT
Thaùng 1 naêm 2005
Truong DH SPKT TP. HCM
1
MUÏC LUÏC
Chöông 1: Nhöõng khaùi nieäm cô baûn. ---------------------------------------------------- 5
1.1: Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa maùy nhieät. -------------------------------------------------
1.2: Heä nhieät ñoäng vaø phaân loaïi.---------------------------------------------------------
1.3: Chaát moâi giôùi.-------------------------------------------------------------------------
1.4: Traïng thaùi vaø thoâng soá traïng thaùi nhieät ñoäng.------------------------------- ---
1.4.1: Thoâng soá traïng thaùi. -----------------------------------------------------------
1.4.2: Phöông trình traïng thaiù . -----------------------------------------------------
Chöông 2: Chaát moâi giôùi. -----------------------------------------------------------------
2.1: Ñònh nghóa.----- -----------------------------------------------------------------------
2.2: Hoån hôïp khí lyù töôûng. ----------------------------------------------------------------
2.2.1: Ñònh luaät Gip – Dalton. ------------------------------------------------------
2.2.2: Bieåu thò thaønh phaàn hoãn hôïp. -----------------------------------------------
2.2.3: Xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng cuûa hoãn hôïp. --------------------------------------
2.2.4: Phaân aùp suaát thaønh phaàn. ---------------------------------------------------
5
5
6
6
6
9
11
11
11
11
12
13
15
15
15
16
18
21
21
21
22
24
27
27
27
27
27
28
29
30
2.3: Khí thöïc. ------------------------------------------------------------------------------
2.3.1: Khaùi nieäm. -------------------------------------------------------------------------
2.3.2: Quaù trình hoaù hôi ñaúng aùp (hôi nöôùc ). ------------------------------------
2.3.3: Phöông phaùp xaùc ñònh thoâng soá traïng thaùi cuûa hôi. ----------------------
2.4: Khoâng khí aåm. ------------------------------------------------------------------------
2.4.1: Ñònh nghóa. --------------------------------------------------------------------
2.4.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------
2.4.3: Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa khoâng khí aåm. --------------------------------
2.4.4: Ñoà thò i-d cuûa khoâng khí aåm. -----------------------------------------------
Chöông 3: Nhieät vaø coâng. ---------------------------------------------------------------
3.1: Quaù trình nhieät ñoäng. ---------------------------------------------------------------
3.2: Nhieät löôïng vaø caùch tính nhieät löôïng theo nhieät dung rieâng. ------------------
3.2.1: Ñònh nghóa nhieät dung rienâ g. ------------------------------------------------
3.2.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------
3.2.3: Söï phuï thuoäc nhieät dung rieâng vaøo nhieät ñoä. ------------------------------
3.2.4: Tính nhieät löôïng theo nhieät dung rieâng. -----------------------------------
3.2.5: Nhieät dung rieâng cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng. ------------------------------
Truong DH SPKT TP. HCM
2
31
31
31
33
33
33
33
33
34
34
3.3: Caùc loaïi coâng. ------------------------------------------------------------------------
3.3.1: Coâng thay ñoåi theå tích. -------------------------------------------------------
3.3.2: Coâng kyõ thuaät. ----------------------------------------------------------------
Chöông 4:Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát. -----------------------------------------------
4.1: Noäi dung,yù nghóa ñònh luaät. --------------------------------------------------------
4.2: Phöông trình ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát. -------------------------------------
4.2.1: Phöông trình canâ baèng naêng löôïng toång quaùt. ----------------------------
4.2.2: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát cho heä kín vaø hôû. ------------------------
4.2.3: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát quaù trình löu ñoäng. ----------------------
4.2.4: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát ñoái vôùi quaù trình hoån hôïp. -------------
4.3: Öùng duïng ñònh luaät thöù nhaát ñeå tính bieán thieân caùc haøm traïng thaùi vaø caùc
thoâng soá quaù trình. ------------------------------------------------------------------------
4.3.1: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí lyù töôûng. -----------------------
4.3.2: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí thöïc. ---------------------------
Chöông 5: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cuûa khí vaø hôi. ----------------------------------
35
35
43
46
46
46
46
49
53
53
5.1: Quùa trình neùn khí hoaëc hôi. -----------------------------------------------------
5.1.1: Khaùi nieäm. ----------------------------------------------------------------------
5.1.2: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston moät caáp.--------------------------
5.1.3: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston nhieàu caáp. ----------------------
5.2: Quaù trình löu ñoäng . -----------------------------------------------------------------
5.2.1: Khaùi nieäm. ---------------------------------------------------------------------
5.2.2: Caùc giaû thieát khi nghieân cöùu quaù trình löu ñoäng. -------------------------
5.2.3: Caùc coâng thöùc cô baûn cuûa quaù trình löu ñoäng. ----------------------------
53
55
5.2.4: Söï phuï thuoäc hình daïng oáng daãn vaøo toác ñoä khi löu ñoäng. ------------- 58
61
61
62
63
63
63
63
63
63
64
5.3: Quaù trình tieát löu. --------------------------------------------------------------------
5.3.1: Khaùi nieäm vaø ñaëc ñieåm quaù trình tieát löu. --------------------------------
5.3.2: Hieäu öùng Joule-Thomson. --------------------------------------------------
Chöông 6: Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. -----------------------------------------------
6.1: Chu trình nhieät ñoäng. ----------------------------------------------------------------
6.1.1: Ñònh nghóa veà chu trình. -----------------------------------------------------
6.1.2: Chu trình thuaän chieàu. --------------------------------------------------------
6.1.3: Chu trình nghòch chieàu. ------------------------------------------------------
6.1.4: Coâng cuûa chu trình. -----------------------------------------------------------
6.1.5: Hieäu suatá nhieät,heä soá laøm laïnh,heä soá bôm nhieät. ------------------------
Truong DH SPKT TP. HCM
3
6.1.6: Chu trình Carnot. -------------------------------------------------------------- 65
67
67
67
69
69
69
71
71
71
72
74
76
77
79
79
81
83
85
86
86
87
89
91
91
92
94
96
97
100
102
6.2: Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. -------------------------------------------------------
6.2.1: Noäi dung vaø caùch phaùt bieåu. -------------------------------------------------
6.2.2: Ñoä bieán thieân entropy cuûa heä nhieät ñoäng. ---------------------------------
6.3: Exergy. ---------------------------------------------------------------------------------
6.3.1: Khaùi nieäm. ---------------------------------------------------------------------
6.3.2: Caùc bieåu thöùc veà exergy. ----------------------------------------------------
Chöông 7: Chu trình thuaän chieàu. -------------------------------------------------------
7.1: Ñònh nghóa vaø phaân loaïi. -----------------------------------------------------------
7.2: Chu trình ñoäng cô ñoát trong (kieåu piston). ---------------------------------------
7.2.1: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng tích. -------------------------
7.2.2: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng aùp. -------------------------
7.2.3: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät hoãn hôïp. --------------------------
7.2.4: So saùnh hieäu suaát nhieät. ------------------------------------------------------
7.3: Chu trình turbine khí. ---------------------------------------------------------------
7.3.1: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp. ----------------------------------
7.3.2: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù hoài nhieät. -------------------
7.3.3: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng tích. ---------------------------------
7.3.4: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng tích coù hoài nhieät. ------------------
7.4: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc. -----------------------------------------------------
7.4.1: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu. --------------------------------------
7.4.2: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn. ----------------------------
7.4.3: Chu trình teân löûa. -------------------------------------------------------------
7.5: Chu trình ñoäng löïc thieát bò hôi nöôùc. ---------------------------------------------
7.5.1: Chu trình Carnot khí thöïc.(hôi nöôùc) ----------------------------------------
7.5.2: Chu trình Rankine. ------------------------------------------------------------
7.5.3: Caùc bieän phaùp naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa chu trình khí thöïc.--------
7.5.4: Chu trình quaù nhieät trung gian. ---------------------------------------------
7.5.5: Chu trình hoài nhieät. -----------------------------------------------------------
7.5.6: Chu trình gheùp. ----------------------------------------------------------------
7.5.7: Chu trình caáp nhieät caáp ñieän. -----------------------------------------------
Truong DH SPKT TP. HCM
4
Chöông 8: Chu trình ngöôïc chieàu. ------------------------------------------------- 104
104
104
104
105
107
107
109
111
113
117
132
8.1: Ñònh nghóa vaø phaân loaïi. ------------------------------------------------------------
8.1.1: Ñònh nghóa. --------------------------------------------------------------------
8.1.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------
8.2: Chu trình maùy laïnh vaø bôm nhieät duøng khoâng khí. -----------------------------
8.3: Chu trình maùy laïnh duøng hôi. -----------------------------------------------------
8.3.1: Chu trình maùy laïnh coù maùy neùn. -------------------------------------------
8.3.2: Chu trình maùy laïnh eùjecteur. ------------------------------------------------
8.3.3: Chu trình maùy laïnh haáp thuï. -----------------------------------------------
Baiø taäp. ----------------------------------------------------------------------------
Banû g.
----------------------------------------------------------------------------
Ñoà thò. -----------------------------------------------------------------------------
Truong DH SPKT TP. HCM
- 5 -
CHÖÔNG 1
NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN
1.1: NGUYEÂN LYÙ LAØM VIEÄC CUÛA MAÙY NHIEÄT
Maùy nhieät laø thieát bò thöïc hieän quaù trình chuyeån hoaù giöõa nhieät naêng vaø cô
naêng ôû hai nguoàn noùng (T1) vaø laïnh (T2).
Maùy nhieät ñöôïc chia laøm hai nhoùm: Nhoùm ñoäng cô nhieät vaø nhoùm maùy laïnh,
bôm nhieät.
Ñoäng cô nhieät: Goàm maùy hôi nöôùc, ñoäng cô ñoát trong, ñoäng cô phaûn löïc, turbine
hôi, turbine khí,… loaïi naøy laøm vieäc theo nguyeân lyù chaát moâi giôùi nhaän nhieät (Q1) töø
nguoàn noùng ( quaù trình chaùy nhieân lieäu), keá ñeán laø giaõn nôõ ñeå bieán moät phaàn nhieät
thaønh coâng (L0), sau ñoù chaát moâi giôùi nhaû phaàn nhieät (Q2) cho nguoàn laïnh. Q1 - Q2 =
L0 .
Maùy laïnh vaø bôm nhieät : Laøm vieäc theo nguyeân lyù maùy tieâu hao naêng löôïng L0,
chaát moâi giôùi nhaän nhieät (Q2) töø nguoàn laïnh ñeå laøm laïnh vaät, roài truyeàn (Q2) vaø (L0)
cho nguoàn noùng. Maùy laïnh söû duïng nhieät (Q2) ñeå laøm laïnh vaät coøn bôm nhieät söû duïng
(Q1) ñeå söôûi aám hoaëc saáy.
Nhieät vaø coâng laø caùc daïng naêng löôïng laø caùc ñaïi löôïng vaät lyù phuï thuoäc
vaøo quaù trình.
Qui öôùc:
Nhieät nhaän Q > 0
Nhieät nhaû Q < 0
Coâng sinh ra L > 0
Coâng tieâu hao L < 0
Ñôn vò:
1cal
1 Btu
1 Btu/h
= 4,18 J
= 252 cal
= 0,3 W.
(British Thermal Unit)
1.2: HEÄ NHIEÄT ÑOÄNG VAØ PHAÂN LOAÏI .
Heä nhieät ñoäng laø moät vaät hoaëc nhieàu vaät ñöôïc taùch ra ñeå nghieân cöùu nhöõng tính
chaát nhieät ñoäng cuûa noù. Heä nhieät ñoäng bao goàm :
a/ Heä kín vaø heä hôû:
Ñoái vôùi heä kín chaát moâi giôùi khoâng bao giôø ñi xuyeân qua beà maët ranh giôùi ngaên
caùch giöõa heä thoáng vôùi moâi tröôøng, khoái löôïng chaát moâi giôùi xem laø khoâng ñoåi. (moâi
chaát trong maùy laïnh…).
Ngöôïc laïi heä thoáng hôû chaát moâi giôùi coù theå vaøo vaø ra khoûi heä thoáng. (ñoäng cô
ñoát trong, ñoäng cô phaûn löïc, ñoäng cô turbine…).
b/ Heä coâ laäp vaø heä ñoaïn nhieät:
Moät heä thoáng ñöôïc goïi laø coâ laäp khi hoaøn toaøn khoâng trao ñoåi naêng löôïng naøo
(nhieät vaø cô naêng) giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng.
Truong DH SPKT TP. HCM
- 6 -
Neáu giöõa heä vaø moâi tröôøng chæ khoâng coù söï trao ñoåi nhieät maø thoâi thì goïi laø heä
ñoaïn nhieät.
1.3: CHAÁT MOÂI GIÔÙI.
Chaát moâi giôùi (CMG)laø chaát trung gian duøng ñeå thöïc hieän caùc chuyeån bieán veà
naêng löôïng.
Chaát moâi giôùi ñöôïc söû duïng trong nhieät ñoäng thöôøng ôû daïng khí hoaëc hôi. (chaát
moâi giôùi ñöôïc xem laø ôû daïng khí khi caùc thoâng soá thöôøng gaëp ôû xa traïng thaùi baõo hoøa,
loaïi naøy nhieät ñoä tôùi haïn thaáp. Ngöôïc laïi chaát moâi giôùi ñöôïc goïi laø daïng hôi.)
Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät chaát moâi giôùi ôû daïng khí ñöôïc chia laøm hai loaïi: Khí
lyù töôûng vaø khí thöïc.
Chaát khí ñöôïc xem laø khí lyù töôûng khi hoäi ñuû 2 yeáu toá :
- Theå tích baûn thaân phaân töû khí baèng khoâng.
- Löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû cuõng baèng khoâng.
Coøn laïi ñöôïc goïi laø khí thöïc.
1.4: TRAÏNG THAÙI VAØ CAÙC THOÂNG SOÁ TRAÏNG THAÙI .
Traïng thaùi laø taäp hôïp caùc ñaïi löôïng xaùc ñònh tính chaát vaät lyù cuûa chaát moâi giôùi
taïi thôøi ñieåm naøo ñoù. Caùc thoâng soá duøng ñeå xaùc ñònh traïng thaùi cuûa chaát moâi giôùi ñöôïc
goïi laø thoâng soá traïng thaùi, ôû moãi traïng thaùi xaùc ñònh thì thoâng soá traïng thaùi cuõng coù
nhöõng giaù trò xaùc ñònh.
Moät traïng thaùi ñöôïc goïi laø caân baèng cuûa chaát moâi giôùi khi caùc thoâng soá traïng
thaùi coù cuøng moät giaù trò ôû moïi ñieåm trong toaøn boä khoái chaát moâi giôùi. Ngöôïc laïi goïi laø
traïng thaùi chaát moâi giôùi khoâng caân baèng.
1.4.1: Thoâng soá traïng thaùi.
Ñeå bieåu dieãn traïng thaùi cuûa chaát moâi giôùi ngöôøi ta nhôø ñeán ba thoâng soá traïng
thaùi cô baûn: Nhieät ñoä, aùp suaát, theå tích rieâng. Ngoaøi 3 thoâng soá naøy coøn duøng ñeán caùc
thoâng soá khaùc nhö : Noäi naêng, Enthanpy, Entropy, Exergy, …
a/ Nhieät ñoä:
Nhieät ñoä laø thoâng soá bieåu thò möùc ñoä noùng laïnh cuûa vaät, coøn theo thuyeát ñoäng
hoïc phaân töû nhieät ñoä bieåu thò giaù trò ñoäng naêng trung bình cuûa caùc phaân töû chuyeån
ñoäng tònh tieán.
2
2
3
m
kT
(1-1)
2
Trong ñoù: T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái, K
m : Khoái löôïng phaân töû, kg
: Vaän toác trung bình caùc phaân töû, m/s
k : Haèng soá Boltzmann.
k = 1,3805 .10-23 (J/ñoä)
Ñeå xaùc ñònh nhieät ñoä ngöôøi ta thöôøng duøng 2 thang ño nhieät ñoä:
Truong DH SPKT TP. HCM
- 7 -
0
Nhieät ñoä baùch phaân. ( Nhieät ñoä Celcius : t, C )
Nhieät ñoä tuyeät ñoái. ( Nhieät ñoä Kelvin : T, K )
Moái quan heä :
T(K) = t(0C) + 273,15
Ngoaøi ra coøn coù caùc thang nhieät ñoä khaùc nhö : Nhieät ñoä Fahrenheit t(0F),
Rankine T(0R).
Moái quan heä :
5
9
5
t
o C
t
o F
32
(1-2)
(1-3)
t
o C
T
o R
273,15
9
b/ Aùp suaát:
Aùp suaát laø löïc taùc duïng caùc phaân töû theo phöông phaùp tuyeán leân moät ñôn vò
dieän tích thaønh bình chöùa.
F
p
(N/m2)
(1-4)
S
ÔÛ ñaây:
p : aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2)
F : löïc taùc duïng (N)
(1 N = 1 kgm/s2)
S : dieän tích thaønh bình (m2)
Ñeå ño aùp suaát ngöôøi ta duøng nhieàu ñôn vò ño khaùc nhau, ta coù moái quan heä giöõa
caùc ñôn vò ño aùp suaát nhö sau :
1at = 9,81 . 104 (N/m2) 0,981bar 9,81 . 104 Pa
= 1 kG/cm2
= 10 mH2O
= 14,7 psi
= 735,5 mmHg
Ngoaøi ra ta coù caùc khaùi nieäm khaùc veà aùp suaát nhö:
Trong ñoù:
Pd
p: aùp suaát tuyeät ñoái
pd : aùp suaát dö
pKT : aùp suaát khí trôøi
P
Pck
P
Pkt
pCK : aùp suaát chaân khoâng
* Khi ño aùp suaát baèng chieàu cao coät thuûy ngaân phaûi qui veà ñieàu kieän 00C tröôùc
khi chuyeån ñoåi ñôn vò, theo coâng thöùc:
0
h0 C = h (1- 0,000172.t)
Trong ñoù :
0
h0 C : chieàu cao coät thuyû ngaân ôû 00C .
h
: chieàu cao coät thuyû ngaân ôû t 0C.
Truong DH SPKT TP. HCM
- 8 -
c/ Theå tích rieâng:
Theå tích rieâng laø theå tích cuûa moät ñôn vò khoái löôïng.
Neáu moät löôïng khí coù khoái löôïng laø G kg, theå tích laø V m3 thì theå tích rieâng seõ laø:
V
v =
, (m3/kg)
(1-5)
G
Khoái löôïng rieâng laø ñaïi löôïng nghòch ñaûo cuûa theå tích rieâng.
1
, (kg/m3)
(1-6)
v
d/ Noäi naêng: ( kyù hieäu: u, J/kg)
Noäi naêng cuûa moät vaät bao goàm: nhieät naêng, hoaù naêng, naêng löôïng nguyeân töû.
Ñoái vôùi quaù trình nhieät ñoäng hoaù naêng vaø naêng löôïng nguyeân töû khoâng thay ñoåi neân
söï thay ñoåi noäi naêng cuûa vaät chæ laø söï thay ñoåi nhieät naêng.
Noäi naêng bao goàm: Noäi ñoäng naêng vaø noäi theá naêng.
Noäi ñoäng naêng sinh ra laø do chuyeån ñoäng tònh tieán, chuyeån ñoäng dao ñoäng,
chuyeån ñoäng quay cuûa caùc phaân töû.
Noäi theá naêng sinh ra laø do löïc töông taùc caùc phaân töû.
Theo thuyeát ñoäng hoïc phaân töû thì noäi ñoäng naêng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, noäi
theá naêng phuï thuoäc vaøo khoaûng caùch caùc phaân töû, laø haøm ñôn trò cuûa theå tích, do vaäy:
u = f (T, v)
Ñoái vôùi khí lyù töôûng thì:
u = f (T)
Maët khaùc noäi naêng laø moät thoâng soá traïng thaùi, chæ phuï thuoäc vaøo traïng thaùi ñaàu
vaø cuoái, khoâng phuï thuoäc vaøo quaù trình tieán haønh.
du = cv dT.
Khi cho quaù trình tieán haønh töø traïng thaùi 1ñeán traïng thaùi 2 ñoä bieán thieân noäi naêng seõ
laø:
u = cv ( T2 – T1)
(1-7)
ÔÛ ñaây: cv laø nhieät dung rieâng khoái löôïng ñaúng tích(J/kg.ñoä)
e/ Naêng löôïng ñaåy: (d : J/kg)
Ñoái vôùi doøng khí hoaëc chaát loûng chuyeån ñoäng, ngoaøi ñoäng naêng vaø theá naêng
beân ngoaøi coøn moät naêng löôïng giuùp khoái khí dòch chuyeån, goïi laø naêng löôïng ñaåy.
Naêng löôïng ñaåy ñöôïc xaùc ñònh baèng bieåu thöùc :
d = pv
(1-8)
Naêng löôïng ñaåy laø moät thoâng soá traïng thaùi vaø chæ coù ôû heä hôû, khi doøng khí
chuyeån ñoäng thì naêng löôïng ñaåy thay ñoåi vaø taïo ra coâng löu ñoäng ñeå ñaåy doøng khí
dòch chuyeån.
f/ Enthanpy: (i, h: J/kg)
Enthanpy laø moät thoâng soá traïng thaùi.
Truong DH SPKT TP. HCM
- 9 -
Trong nhieät ñoäng enthanpy ñöôïc ñònh nghóa baèng bieåu thöùc:
i = u + pv
(1-9)
Ñoái vôùi khí thöïc enthanpy phuï thuoäc vaøo 2 trong 3 thoâng soá traïng thaùi cô baûn,
coøn ñoái vôùi khí lyù töôûng thì:
(1-9)
di = du + d(R.T)
di = cvdt + RdT
di = cpdT.
Ñoä bieán thieân enthanpy giöõa hai traïng thaùi 1 vaø 2 seõ laø:
i = cp (T2 – T1)
(1-10)
g/ Entropy: (s: J/kg.ñoä)
Entropy laø moät ñaïi löôïng vaät lyù maø söï thay ñoåi cuûa noù chöùng toû coù söï trao ñoåi
nhieät.
Phöông trình vi phaân entropy coù daïng :
dq
ds
( 1-11)
T
dq : nhieät löôïng trao ñoåi giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng trong quaù trình voâ
cuøng beù.
h/ Exergy: (e: J/kg)
Exergi laø naêng löôïng toái ña coù theå bieán hoaøn toaøn thaønh coâng trong quaù trình
thuaän nghòch. Ñoái vôùi nhieät naêng:
q = e + a
q : nhieät naêng
e : exergy
a : anergy – phaàn nhieät naêng khoâng theå bieán thaønh coâng.
(1-12)
Trong ñoù :
1.4.2: Phöông trình traïng thaùi :
Phöông trình traïng thaùi cuûa chaát khí moät caùch toång quaùt ñöôïc bieåu dieãn theo
moái quan heä haøm soá nhö sau:
F ( p,v,T) = 0
Noù cho pheùp ta xaùc ñònh ñöôïc moät traïng thaùi baát kyø khi bieát 2 trong 3 thoâng soá
traïng thaùi.
a/ Phöông trình traïng thaùi cuûa khí lyù töôûng:
+ Phöông trình traïng thaùi khi vieát cho 1 kg khí coù daïng :
p.v = R.T
Trong ñoù :
p : aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2)
v : Theå tích rieâng
(m3/kg)
(1-13)
R : Haèng soá chaát khí (J/kg.ñoä)
T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái (K)
Truong DH SPKT TP. HCM
-10-
+ Phöông trình traïng thaùi ñoái vôùi G kg khí :
p.v.G = G.R.T
p.V = G.R.T
(1-14)
+ Phöông trình khi vieát cho 1 kmol chaát khí:
Töø (1-13)
p.v. = .R.T
pV = .R.T
vôùi : V = v. : Theå tích 1 kmol khí. (m3/kmol)
Ñaët : R = .R : Haèng soá phoå bieán chaát khí (J/kmol.ñoä)
pV = RT
(1-15)
(1-16)
pV
R =
T
Theo Avogadro – Ampere: ôû ñieàu kieän tieâu chuaån : p = 760 mmHg, t = 00C =
273,15 K, theå tích 1 kmol khí lyù töôûng V = 22,4 m3 vaäy :
760
.105.22,4
101332.22,4
273,15
750
R =
273,15
R = 8314
(J/kmol.ñoä)
.
R
8314
R =
b/ Phöông trình traïng thaùi khí thöïc:
Trong thöïc teá caùc khí söû duïng ñeàu laø khí thöïc vaø vieäc tính toaùn noù raát phöùc taïp.
Ñeå thieát laäp phöông trình cho khí thöïc ngöôøi ta döïa vaøo phöông trình cuûa khí lyù töôûng
roài theâm vaøo moät soá heä soá ñieàu chænh ñöôïc ruùt ra töø thöïc nghieäm.
Theo Vander Waals phöông trình coù daïng:
a
v2
p
.
v b
R.T
(1-17)
Trong ñoù: a/v2: Heä soá ñieàu chænh veà aùp suaát noäi boä, khi keå ñeán löïc taùc duïng
töông hoã giöõa caùc phaân töû.
b : Heä soá ñieàu chænh veà theå tích baûn thaân phaân töû.
a,b: Coøn goïi laø caùc haèng soá caù bieät bieán thieân theo caùc loaïi chaát khí.
Truong DH SPKT TP. HCM
-11-
CHÖÔNG 2
CHAÁT MOÂI GIÔÙI
2.1: ÑÒNH NGHÓA .
Nhö ñaõ trình baøy ôû chöông 1 chaát moâi giôùi laø chaát trung gian duøng ñeå thöïc hieän
caùc chuyeån bieán veà naêng löôïng, chaát moâi giôùi ta thöôøng gaëp ôû daïng khí hoaëc hôi.
Chaát moâi giôùi ñöôïc xem laø ôû daïng khí khi traïng thaùi cuûa noù ôû xa traïng thaùi baõo
hoaø, thöôøng nhieät ñoä tôùi haïn töông ñoái thaáp. Ngöôïc laïi moät chaát xem laø ôû theå hôi khi
nhieät ñoä tôùi haïn cuûa noù töông ñoái cao so vôùi thoâng soá thöôøng gaëp.
Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät ta coù theå xem: O2 , N2, H2, hôi nöôùc trong khoâng
khí… laø khí lyù töôûng. Coøn hôi nöôùc trong thieát bò ñoäng löïc hôi nöôùc, Freon ( R12, R22,
R134a,…), amoâniaéc (NH3) trong maùy laïnh … khoâng ñöôïc xem laø khí lyù töôûng.
Ví duï:
- Ñoäng cô hôi nöôùc: chaát moâi giôùi laø hôi nöôùc.
- Ñoäng cô ñoát trong, turbine khí: chaát moâi giôùi laø saûn phaåm chaùy.
- Maùy laïnh: chaát moâi giôùi laø caùc loaïi Freon hay amoâniaéc.
2.2: HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG.
Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät coù moät soá tröôøng hôïp chaát moâi giôùi bao goàm nhieàu
thaønh phaàn khí khaùc nhau ( khoâng khí goàm: O2 , N2 vaø moät soá khí khaùc…)
Vaäy ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa hoãn hôïp ta caàn phaûi bieát caùc thoâng soá cuûa
caùc thaønh phaàn.
Laø hoãn hôïp khí thì baát kyø thaønh phaàn naøo trong ñoù ñeàu coù cuøng nhieät ñoä vaø
chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp.
2.2.1: Ñònh luaät Gip – Dalton.
“Aùp suaát cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng baèng toång caùc aùp suaát rieâng phaàn cuûa caùc
chaát khí thaønh phaàn.”
n
pi
(2-1)
p =
i1
p : aùp suaát hoãn hôïp.
pi : phaân aùp suaát chaát khí thöù i. (aùp suaát rieâng phaàn)
Aùp suaát rieâng phaàn cuûa chaát khí thaønh phaàn laø aùp suaát cuûa chaát khí ñoù khi noù
chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp vaø ôû ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.
Neáu goïi :
V, T laø theå tích vaø nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.
pi, Gi, Ri laø aùp suaát rieâng phaàn, khoái löôïng, haèng soá chaát khí cuûa
thaønh phaàn thöù i trong hoãn hôïp.
piV = GiRiT.
Gi RiT
P
(2-2)
i
V
Truong DH SPKT TP. HCM
-12-
Töông töï:
n
U
U
i
i 1
n
I Ii
(2-3)
i1
n
S Si
i1
2.2.2: Bieåu thò thaønh phaàn hoãn hôïp .
Thaønh phaàn hoãn hôïp coù theå bieåu thò theo khoái löôïng, theå tích hoaëc soá mol.
a/ Thaønh phaàn khoái löôïng: (gi)
Thaønh phaàn khoái löôïng moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa khoái löôïng chaát ñoù
vôùi khoái löôïng hoãn hôïp.
Gi
gi
(2-4)
G
Trong ñoù:
gi : Thaønh phaàn khoái löôïng cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp.
Gi: khoái löôïng chaát thöù i.
G: khoái löôïng hoãn hôïp.
n
Gi
G =
i1
n
Gi
n
i1
gi
1
(2-5)
G
i1
b/ Thaønh phaàn theå tích: (ri)
Thaønh phaàn theå tích cuûa moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa theå tích rieâng
phaàn cuûa chaát ñoù vôùi theå tích hoãn hôïp.
Vi
r
(2-6)
i
V
Trong ñoù: ri : Thaønh phaàn theå tích cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp.
Vi : Theå tích rieâng phaàn cuûa chaát thöù i.
V : Theå tích hoãn hôïp.
Theå tích rieâng phaàn Vi cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp, ôû ñieàu kieän aùp suaát vaø
nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp:
pVi = GiRiT
(a)
Gi RiT
Vi
(2-7)
p
Truong DH SPKT TP. HCM
-13-
Töø (2-2) : piV = GiRiT
(b)
(a) vaø (b) pVi = piV
Vi
pi
p
Hay:
ri
(c)
V
Vpi
p
Vi
n
n
V
Vi
pi .
p
i1
i1
n
Theo Gip-Dalton :p =
pi
i1
n
V Vi
i1
n
n
pi
p
Töông töï: (c)
r
1
(2-8)
i
i1
i1
c/ Thaønh phaàn mol:(ri)
Thaønh phaàn mol cuûa moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa soá kmol cuûa chaát ñoù
vôùi soá kmol cuûa hoãn hôïp.
Mi
r
(2-9)
i
M
Trong ñoù: Mi : soá kmol chaát thöù i.
M : soá kmol hoãn hôïp.
n
n
M i
r
1
(2-10)
i
M
i1
i1
2.2.3: Xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng vaät lyù cuûa hoãn hôïp.
a/ Phaân töû löôïng cuûa hoãn hôïp:
Ta coù:pV M = M.R.T
Maø:
V = V.M
pV = M.R.T
pV = G.R.T
(a)
(b)
vaø:
R
pV = G
T
G
Töø (a) vaø (b)
=
M
G
M =
Truong DH SPKT TP. HCM
-14-
G
G
=
=
n
n
G
i
M
i
i1
i1
i
1
Hay
(c)
n
Gi
1
G i
i1
Gi
G
Maø töø (2-4): gi
1
=
(2-11)
n
g
i
i
i1
b/ Haèng soá chaát khí R cuûa hoãn hôïp:
8314
Ta coù: R
n
gi
Hay
R = 8314.
(2-12)
i1
i
Hoaëc R coù theå xaùc ñònh:
Gi RiT
Töø (2-2) :
P
i
V
n
n
Gi RiT
V
GRT
V
pi
p
i1
i1
n
Gi Ri GR
i1
n
Gi Ri
G
i1
R
n
Gi
n
i1
Maø (2-5):
gi
G
i1
n
R gi Ri
(2-13)
i1
c/ Theå tích rieâng hoãn hôïp:
n
Vi
V
i1
v
G
G
n
n
Gi
Maø :
Vi
i1
i1
i
n
Gi
G1
v
i
i1
Truong DH SPKT TP. HCM
-15-
n
Gi
gi
G
n
i1
vôùi
gi
v
i1
n
(2-14)
i1
i
Khoái löôïng rieâng cuûa hoån hôïp:
n
i
gi
1
v
i1
2.2.4: Phaân aùp suaát thaønh phaàn
Phaân aùp suaát thaønh phaàn ñöôïc xaùc ñònh theo aùp suaát hoãn hôïp (ño ñöôïc).
Ta coù: piV = GiRiT
pV = GRT
(a)
(b)
pi Gi Ri
Gi
G
Töø (a) vaø (b)
(vôùi gi
)
p
GR
Ri
pi p.gi
R
maø R = .R = iRi = 8314 J/kmol.ñoä
Ri
i
R
i
pi p.gi
(2-15)
2.3: KHÍ THÖÏC.
2.3.1: Khaùi nieäm.
Trong thöïc teá ta gaëp khaù nhieàu tröôøng hôïp chaát moâi giôùi khoâng ñöôïc xem laø khí
lyù töôûng maø laø khí thöïc, ví duï nhö CO2, NH3 vaø caùc loaïi Freon duøng trong maùy laïnh,
hôi nöôùc duøng trong turbine hôi, ñoäng cô hôi nöôùc… Luùc naøy ta khoâng theå boû qua löïc
töông taùc giöõa caùc phaân töû vaø theå tích baûn thaân caùc phaân töû ñöôïc. Do vaäy khoâng cho
pheùp duøng caùc coâng thöùc cuûa khí lyù töôûng ñeå tính toaùn. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy ta
tìm hieåu veà tính chaát cuûa hôi nöôùc.
a/ Quaù trình hoaù hôi:
Laø quaù trình chuyeån töø pha loûng sang pha hôi. Ngöôïc laïi goïi laø quaù trình ngöng
tuï. ( xaûy ra trong toaøn boä theå tích khoái chaát loûng).
b/ Quaù trình noùng chaûy:
Laø quaù trình chuyeån töø raén sang loûng. Ngöôïc laïi goïi laø ñoâng ñaëc.
c/ Quaù trình thaêng hoa:
Laø quaù trình chuyeån töø raén sang hôi khoâng qua traïng thaùi loûng. Ngöôïc laïi goïi laø
ngöng keát.
Truong DH SPKT TP. HCM
-16-
2.3.2: Quaù trình hoaù hôi ñaúng aùp . (Ví duï: Hôi nöôùc)
Quaù trình hoaù hôi thöôøng xaûy ra ôû aùp suaát khoâng ñoåi.
o
t( C)
p
p
p
p
p
D
B
C
A
q (kJ/kg)
O
Quaù trình ñöôïc tieán haønh nhö sau:
Cho vaøo xi lanh 1 kg nöôùc ôû 00C treân ñoù coù ñaët 1 piston vaø coù theå dòch chuyeån
deã daøng vôùi aùp suaát p = const. Vì piston ñeø leân maët thoaùng cuûa nöôùc neân khoâng xaûy ra
söï bay hôi maø chæ xaûy ra söï soâi khi caáp nhieät.
Khi caáp nhieät vaøo xi lanh quaù trình bieán nöôùc thaønh hôi nhö sau:
+ Ñoaïn OA : Quaù trình ñoát noùng nöôùc töø 00C ñeán nhieät ñoä soâi, giai ñoaïn naøy
khi nhieät ñoä taêng thì theå tích cuõng taêng. Caùc thoâng soá cuûa nöôùc ôû traïng thaùi ban ñaàu
( ñieåm O) coù kyù hieäu: v0 , u0 , i0, t0. Taïi A nhieät ñoä cuûa nöôùc ñaït ñeán nhieät ñoä soâi. Caùc
thoâng soá nöôùc soâi coù kyù hieäu: v’, u’, i’, t’= ts .
+ Ñoaïn AC : Bieåu dieãn quaù trình soâi, trong giai ñoaïn naøy maëc duø tieáp tuïc caáp
nhieät, nhöng nhieät ñoä cuûa nöôùc vaãn khoâng ñoåi. Nhieät löôïng cung caáp cho nöôùc trong
ñoaïn AC khoâng laøm nhieät ñoä cuûa nöôùc taêng leân goïi laø nhieät hoaù hôi, kyù hieäu: r
Taïi C gioït nöôùc cuoái cuøng bieán thaønh hôi, söï soâi keát thuùc, hôi nöôùc ôû traïng thaùi
naøy goïi laø hôi baõo hoaø khoâ, kyù hieäu caùc thoâng soá : v’’, u’’, i’’, t’’= ts
Hôi nöôùc taïi ñieåm B naøo ñoù trong ñoaïn AC (hoãn hôïp giöõa nöôùc soâi vaø hôi nöôùc
baõo hoaø khoâ) goïi laø hôi nöôùc baõo hoaø aåm. Thoâng soá traïng thaùi cuûa B kí hieäu laø: vx, ux,
ix, tx = ts
Ñeå xaùc ñònh traïng thaùi hôi nöôùc baõo hoaø aåm ngöôøi ta ñöa ra thoâng soá môùi x, goïi
laø ñoä khoâ. Ñoä khoâ cho bieát löôïng hôi baõo hoaø khoâ chöùa trong 1 kg hôi baûo hoaø aåm.
G kg hôi baõo hoøa khoâ
G kg hôi baõo hoøa aåm
x =
Gk
Gk
=
Gx Gn Gk
Ngoaøi ra ta coøn duøng 1 thoâng soá khaùc y: goïi laø ñoä aåm.
G kg nöôùc soâiâ
G kg hôi baõo hoøa aåm
y = 1 - x =
Truong DH SPKT TP. HCM
-17-
Ñoä aåm cho bieát löôïng nöôùc chöùa trong 1 kg hôi baõo hoaø aåm.
Ñoaïn CD: Bieåu dieãn quaù trình bieán hôi baõo hoøa khoâ thaønh hôi quaù nhieät. Sau
khi toaøn boä nöôùc ñaõ bieán thaønh hôi taïi C, neáu tieáp tuïc caáp nhieät luùc naøy nhieät ñoä cuûa
hôi seõ taêng leân cho ñeán traïng thaùi D naøo ñoù. D goïi laø traïng thaùi hôi quaù nhieät, thoâng
soá hôi quaù nhieät laø : v, u, i, t > ts . Quaù trình tieán haønh nhieàu laàn ôû caùc aùp suaát khaùc
nhau, sau khi xöû lí soá lieäu ñöôïc toùm taéc vaø bieåu dieãn treân ñoà thò p-v nhö sau:
p
pk
P3
P2
K
O3
O2
A3
C3
III
C1
I
II
A2
C2
O1
A1
P1
x = 1
x = 0
v
Treân ñoà thò caùc ñieåm O1, O2, O3 bieåu dieãn traïng thaùi nöôùc ôû 00C vôùi caùc aùp suaát
khaùc nhau, chuùng naèm treân ñöôøng thaúng gaàn nhö song song vôùi truïc p ( vì theå tích cuûa
nöôùc ôû 00C haàu nhö khoâng thay ñoåi theo aùp suaát).
Nhöõng ñieåm A1, A2, A3 bieåu dieãn traïng thaùi nöôùc soâi ôû caùc aùp suaát khaùc nhau,
aùp suaát caøng cao caùc ñieåm nay caøng nghieâng veà beân phaûi, vì nhieät ñoä soâi cao neân theå
tích taêng theo aùp suaát.
Caùc ñieåm C1, C2, C3 bieåu dieãn traïng thaùi hôi baõo hoaø khoâ ôû caùc aùp suaát khaùc
nhau, aùp suaát caøng lôùn thì ñöôøng naøy caøng coù khuynh höôùng nghieâng veà beân traùi ( p
vaø v cuûa hôi baõo hoaø khoâ coù quan heä tæ leä nghòch).
Noái caùc ñieåm O1, O2, O3,… ta ñöôïc ñöôøng nöôùc ôû 00C. Noái caùc ñieåm A1, A2,
A3,… ta ñöôïc ñöôøng nöôùc soâi hay goïi laø ñöôøng giôùi haïn döôùi coù x = 0. Noái caùc ñieåm
C1, C2, C3,… ta coù ñöôøng hôi baõo hoaø khoâ goïi laø ñöôøng giôùi haïn treân coù x = 1.
Khi aùp suaát caøng taêng thì hai ñöôøng giôùi haïn döôùi vaø treân tieán laïi gaàn nhau, ñeán
moät aùp suaát naøo ñoù goïi laø aùp suaát tôùi haïn thì hai ñöôøng naøy seõ gaëp nhau taïi k, k goïi laø
ñieåm tôùi haïn.
Thoâng soá taïi k :
pk = 221bar 225 at
vk = 0,003 m3/kg
tk = 3740C
Ngoaøi ra ñoà thò chia laøm 3 vuøng :
Vuøng I : vuøng nöôùc chöa soâi.
Vuøng II : vuøng hôi baõo hoaø aåm.
Vuøng III : vuøng hôi quaù nhieät.
Truong DH SPKT TP. HCM
-18-
* Nhieät löôïng caàn thieát ñeå bieán nöôùc ôû 00C ñeán traïng thaùi hôi quaù nhieät laø :
q = qn + r + qk
(2-16)
Trong ñoù : qn = i’ – i0 = cpn ( ts – t0)
qn :Nhieät löôïng caàn thieát laøm cho nöôùc ôû 00C ñaït ñeán nhieät ñoä soâi.
r = i” – i’
r : Nhieät hoaù hôi.
qk = cph ( t– ts)
qk:Nhieät löôïng caàn thieát ñeå bieán hôi baõo hoaø khoâ thaønh hôi quaù
nhieät.
cph :Nhieät dung rieâng ñaúng aùp cuûa hôi quaù nhieät.
2.3.3: Phöông phaùp xaùc ñònh thoâng soá traïng thaùi cuûa hôi nöôùc
Hôi nöôùc laø khí thöïc coù tính chaát khaùc xa khí lyù töôûng, ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá
traïng thaùi cuûa noù ta nhôø ñeán baûng hoaëc ñoà thò.
a/ Baûng hôi nöôùc:
Tuyø theo hôi nöôùc ôû traïng thaùi naøo maø ta coù hai loaïi baûng ñeå tra caùc thoâng soá
traïng thaùi cuûa hôi nöôùc.
/ Baûng nöôùc soâi vaø hôi baõo hoaø khoâ:
Duøng xaùc ñònh caùc thoâng soá nöôùc soâi vaø hôi baõo hoaø khoâ, phuï thuoäc vaøo thoâng
soá bieát tröôùc, ta coù 2 loaïi:
* Loaïi cho theo nhieät ñoä: (t 0C)
t
p
bar
v’
m3/kg
…
v’’
’’
i’
i’’
r
s’
s’’
oC
m3/kg kg/m3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.ñoä kJ/kg.ñoä
30 0,0424
…
…
…
…
…
…
…
100 1,0132 0,00104 1,673 0,5977 419,1 2676
2257
…
1,3071
…
7,3547
…
…
…
…
…
…
…
…
150 4,760 0,00109 0,3926 2,547 632,2 2746
* Loaïi cho theo aùp suaát: (p bar)
2114
1,8418
6,8383
p
bar
…
t
oC
…
v’
m3/kg
…
v’’
’’
i’
i’’
r
s’
s’’
m3/kg kg/m3
kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.ñoä kJ/kg.ñoä
…
…
…
…
…
…
…
0,1 45,84 0,00101 14,68 0,06812 191,9 2393 2257 0,6492
8,149
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
100 310,96 0,00145 0,0180 55,46 1407,7 2725 1317
3,360
5,615
Truong DH SPKT TP. HCM
-19-
/ Baûng nöôùc chöa soâi vaø hôi quaù nhieät:
Duøng tra caùc thoâng soá nöôùc chöa soâi vaø hôi quaù nhieät. Khi tra caùc thoâng soá
trong baûng naøy caàn bieát tröôùc 2 thoâng soá p vaø t.
TS
t
20
40
60
80
100
120
140
160
180
p
v
i
0,04
0,08
0,1
s
v
i
s
v
i
0,0010
83,7
s
v
i
0,2961
16,64
28,02
8,642
0,12
s
Rieâng ñoái vôùi hôi baõo hoaø aåm khoâng coù trong baûng, ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá
cuûa noù ta xaùc ñònh theo ñoä khoâ x, caùc thoâng soá cuûa hôi baõo hoaø khoâ vaø nöôùc soâi, theo
caùc coâng thöùc sau:
vx = v’+ x (v’’ – v’)
ix = i’ + x (i’’– i’)
sx = s’ + x (s’’– s’)
ux = u’ + x (u’’– u’)
(2-17)
ix i'
i''i'
sx s'
s''s'
Suy ra:
Hoaëc:
x=
x=
Ngoaøi ra noäi naêng khoâng coù trong caùc baûng vaø ñoà thò, vaø ñöôïc xaùc ñònh töø
enthanpi:
i = u + pv
u = i – pv
(2-18)
Tải về để xem bản đầy đủ
139 trang
29920
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nhiệt động lực học kỹ thuật", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_nhiet_dong_luc_hoc_ky_thuat.pdf
