Tài liệu Giáo trình kỹ thuật nhiệt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ HỌC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN KỸ THUẬT NHIỆT Theo chương trình đào tạo 150 TC Số tín chỉ: 2 Thái Nguyên, năm 2011 Tên tác giả biên soạn : LÊ VĂN TRANG – ĐỖ VĂN QUÂN - VŨ VĂN HẢI - BÀI GIẢNG HỌC PHẦN:KỸ THUẬT NHIỆT Theo chương trình đào tạo 150 TC Số tín chỉ: 2 Thái Nguyên, ngày10 tháng 07 năm 2011 Trƣởng bộ môn (ký và ghi rõ họ tên) Trƣởng khoa, giám đốc trung tâm….. (ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ 3 ĐỀ CƢƠNG MÔN HỌC KỸ THUẬT NHIỆT........................................................ 6 PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT .................................................................................................... 7 CHƢƠNG I .............................................................................................................................................. 12 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ ................................... 12 I.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ..................................................................... 12 a. Định nghĩa ................................................................................................................................................ 14 b. Phân loại .................................................................................................................................................. 14 I.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT............................................... 14 I.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái ............................................................................................................ 14 I.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất .................................................................................................. 14 c. Thể tích riêng ........................................................................................................................................... 17 d. Nội năng của chất khí ............................................................................................................................... 18 e. Năng lƣợng đẩy ........................................................................................................................................ 18 f. Entanpi - nhiệt hàm ................................................................................................................................... 18 g. Entropi ..................................................................................................................................................... 19 I.3. PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KH Í .................................... 19 I.3.1. Khái niệm ........................................................................................................................................... 19 I.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng (phƣơng trình Clareyperon). ............................................... 20 I.3.3. Tính toán hỗn hợp khí lý tƣởng .......................................................................................................... 21 I.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực ................................................................................................... 24 CHƢƠNG II. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT ....................................................................... 25 II.1. NHIỆT VÀ CÔNG .......................................................................................... 25 II.1.1. Phƣơng pháp xác định nhiệt .............................................................................................................. 27 II.1.2. Phƣơng pháp xác định công............................................................................................................... 30 II.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG MỘT ................................................................ 32 II.2.1. Ý nghĩa .............................................................................................................................................. 32 II.2.2. Phát biểu định luật ............................................................................................................................. 32 II.2.3. Biểu thức ........................................................................................................................................... 33 II.3. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG .................. 33 II.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động ......................................................................................................... 33 II.3.2. Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình nhiệt động ............................................................................. 33 II.3.3. Xét quá trình tổng quát đa biến.......................................................................................................... 33 II.3.4. Một số quá trình nhiệt động cơ bản ................................................................................................... 34 II.4. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ THỰC – XÉT CỤ THỂ CHO HƠI NƢỚC ................................................................................................... 41 II.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nƣớc .................................................................................................. 41 II.4.2. Một số khái niệm ............................................................................................................................... 43 II.4.3. Bảng, đồ thị của khí thực – xét cụ thể cho hơi nƣớc .......................................................................... 44 II.4.4. Tính toán các quá trình của hơi nƣớc................................................................................................. 45 II.5. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM ................................................. 46 II.5.3. Đồ thị I- d của không khí ẩm ............................................................................................................. 50 a. Đồ thị I-d .................................................................................................................................................. 50 b. Ứng dụng đồ thị I-d .................................................................................................................................. 51 CHƢƠNG III ........................................................................................................................................... 55 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ CHU TRÌNH CARNOT ................................................................ 55 III.1. Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 ............... 55 III.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ........................................................................ 55 III.2.1. Chu trình thuận chiều ....................................................................................................................... 56 III.2.2. Chu trình ngƣợc chiều ...................................................................................................................... 56 III.3. CHU TRÌNH CARNOT ................................................................................ 57 III.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều ........................................................................................................... 57 a. Giới thiệu chu trình .................................................................................................................................. 57 b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình .............................................................................................................. 58 c. Hiệu suất nhiệt của chu trình .................................................................................................................... 58 III.3.2. Chu trình Carnot ngƣợc chiều .......................................................................................................... 58 a. Giới thiệu chu trình .................................................................................................................................. 58 b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình .............................................................................................................. 59 c. Hệ số làm lạnh của chu trình .................................................................................................................... 59 CHƢƠNG IV. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT ..................................... 60 A. Chu trình thuận chiều ......................................................................................... 60 IV.1. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG - XÉT CỤ THỂ CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ....................................................................................... 61 IV.1.1. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích ........................................................... 62 IV.1.2. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp ............................................................. 63 IV.1.3. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp ............................................................ 64 IV.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƢỚC ... 65 IV.2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị .................................................................................................................... 66 IV.2.2. Chu trình Rankine ............................................................................................................................ 66 IV.2.3. Xác định hiệu suất nhiệt ................................................................................................................... 66 B. Chu trình ngƣợc chiều ........................................................................................ 67 IV.3. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN KHÍ .................. 67 IV.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị (Hình 4-6) ................................................................................................... 67 IV.3.2. Chu trình nhiệt động ......................................................................................................................... 67 IV.4. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN HƠI .................. 68 IV.4.1. Môi chất lạnh .................................................................................................................................... 68 IV.4.2. Yêu cầu kỹ thuật ............................................................................................................................... 68 IV.4.3. Các loại môi chất lạnh ...................................................................................................................... 69 IV.4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị .................................................................................................................... 70 IV.4.5. Chu trình nhiệt động ......................................................................................................................... 71 IV.4.6. Hệ số làm lạnh của chu trình ........................................................................................................... 71 PHẦN 2. TRUYỀN NHIỆT .................................................................................................................. 74 Chƣơng I.................................................................................................................. 74 DẪN NHIỆT ........................................................................................................... 74 I.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ..................................................................... 74 I.1.1. Dẫn nhiệt ............................................................................................................................................. 74 I.1.2. Trƣờng nhiệt độ ................................................................................................................................... 74 I.1.2.1. Khái niệm ......................................................................................................................................... 74 I.1.2.2. Phân loại ........................................................................................................................................... 75 I.1.3. Mặt đẳng nhiệt..................................................................................................................................... 75 I.1.4. Gradien nhiệt độ .................................................................................................................................. 75 I.1.5. Mật độ dòng nhiệt ............................................................................................................................... 76 I.1.6. Định luật Fourier về dẫn nhiệt ............................................................................................................. 76 I.2. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG . 76 I.2.1. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng ......................................................................................... 76 I.3.2. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ .............................................................................................. 78 I.3.3. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu ............................................................................................. 79 I.3.4. Bài toán dẫn nhiệt ổn định khi =f(t) .................................................................................................. 80 Chƣơng II ................................................................................................................ 82 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU ............................................................................... 82 II.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................... 82 II.1.1. Quá trình đối lƣu ............................................................................................................................... 82 II.1.2. Tỏa nhiệt đối lƣu ................................................................................................................................ 82 II.1.2.1. Khái niệm........................................................................................................................................ 82 II.1.2.2. Phân loại ......................................................................................................................................... 82 II.1.3. Các nhân tố ảnh hƣởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lƣu ....................................................................... 83 II.1.4. Công thức Newton -Rickmman......................................................................................................... 83 II.2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT  .................................. 83 II.2.1. Phƣơng pháp giải tích (phƣơng pháp lý thuyết) ................................................................................ 83 II.2.1.1. Hệ phƣơng trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phƣơng trình: ................................................................. 83 II.2.1.2. Điều kiện đơn trị ............................................................................................................................. 84 II.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ................................................................................................................. 84 Chƣơng III ............................................................................................................... 87 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ ................................................................................. 87 III.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................................... 87 III.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ ........................................................................................................................ 87 III.1.2. Sự phân bố năng lƣợng trong vật ...................................................................................................... 88 III.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng, năng suất bức xạ hiệu dụng ........................................... 88 III.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ .................................................. 89 III.2.1. Định luật Planck ............................................................................................................................... 89 III.2.2. Định luật Stefan -Boltzmann ............................................................................................................ 90 III.2.3. Định luật Kirshoff ............................................................................................................................. 90 III.3. CÁC BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ TRONG MÔI TRƢỜNG TRONG SUỐT ....................................................................................................... 91 III.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa 2 tấm phẳng đặt song song .................................................................... 91 III.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt bọc nhau ............................................................................... 93 Chƣơng IV .............................................................................................................. 95 TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .......................................... 95 IV.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................. 95 IV.1.1. Khái niệm truyền nhiệt..................................................................................................................... 95 IV.1.2. Phƣơng pháp giải bài toán truyền nhiệt ........................................................................................... 95 IV.2. CÁC BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT CƠ BẢN ............................................. 96 IV.2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng ........................................................................................................... 96 IV.2.2. Truyền nhiệt qua vách trụ ................................................................................................................ 97 IV.2.3. Tăng cƣờng hoặc hạn chế truyền nhiệt............................................................................................. 98 IV.3. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ...................................................................... 99 IV.3.1. Thiết bị trao đổi nhiệt và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................ 99 IV.3.2. Phƣơng trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................................. 100 a. Phƣơng trình cân bằng nhiệt ................................................................................................................... 100 b. Phƣơng trình truyền nhiệt....................................................................................................................... 102 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 136 ĐỀ CƢƠNG MÔN HỌC KỸ THUẬT NHIỆT 1. Tên học phần : Kỹ thuật nhiệt ; BAS204 ; Học phần bắt buộc 2. Số tín chỉ: 2 3. Trình độ sinh viên : Năm thứ 2 4. Phân bổ thời gian trong học kỳ: 2(2, 1, 4)/12 (12 tuần thực học) Số tiết thực lên lớp: 3 tiết/ tuần x 12 tuần = 24 tiết - Lý thuyết: 2 tiết/tuần x 12 tuần = 24 tiết = 24 tiết chuẩn - Bài tập, thảo luận: 1 tiết/ tuần x 12 tuần = 12 tiết = 6 tiết chuẩn Tổng số: 24 tiết chuẩn + 6 tiết chuẩn = 30 tiết chuẩn. - Thí nghiệm: 0 tiết - Sinh viên tự học ở nhà: 4 tiết/tuần. 5. Các học phần học trƣớc: Toán cao cấp, vật lý, hóa học 6. Học phần thay thế, học phần tƣơng đƣơng: Không 7. Mục tiêu của học phần: Sau khi học xong học phần sinh viên phải nắm cơ bản về các quá trình nhiệt động của môi chất và các phƣơng pháp trao đổi nhiệt. 8. Mô tả vắn tắt nội dung học phần Môn học Kỹ Thuật Nhiệt là một môn học thuộc khối kiến thức cơ sở chuyên ngành đƣợc giảng dạy hầu hết cho sinh viên các ngành thuộc khối kỹ thuật nhằm mục đích cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về nhiệt động học, truyền nhiệt và ứng dụng các kiến thức này vào việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số thiết bị nhiệt. 9. Nhiệm vụ của sinh viên: 9.1. Đối với học phần lý thuyết: 1) Dự lớp ≥ 80 % tổng số thời lƣợng của học phần. 2) Chuẩn bị thảo luận. 9.2. Đối với học phần thí nghiệm: Không có. 10. Tài liệu học tập: * Sách, giáo trình chính: [1]; Đỗ Văn Quân, Vũ Văn Hải, Lê Văn Trang; Kỹ thuật nhiệt; Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. [2]; Đỗ Văn Quân, Lê Văn Trang, Vũ Văn Hải; Giáo trình Kỹ thuật nhiệt; NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2010. [3]; Bùi Hải và Trần Thế Sơn ; Kỹ thuật nhiệt ; NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2003. [4]; Phạm Lê Dần và Đặng Quốc Phú; Cơ sở kỹ thuật nhiệt ; NXB giáo dục, Hà nội 2001. * Sách tham khảo: [1]; Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú; Truyền nhiệt; NXB giáo dục, Hà nội 1989. [2]; Bùi Hải, Dƣơng Đức Hồng, Hà Mạnh Thƣ; Thiết bị trao đổi nhiệt; NXB Khoa học và Kỹ thuật; Hà nội 2003. [3]; Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ; Kỹ thuật lạnh cơ sở ; NXB giáo dục, Hà nội 1989. [4]; Phạm Lê Dần, Nguyễn Công Hân; Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt; NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2000. [5]; Michael A.Boles ; Thermodynamics engineering approach, department of mechanical and aerospace engineering NC state university Raleigh; NC 2795 – 7910. [6]; John H.Lienhard IV, John H.Lienhard V; a heat transfer textbook, 3rd Edit. 11. Các tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm: 11.1 Các học phần lý thuyết: * Tiêu chuẩn đánh giá: 1) Thảo luận, bài tập, chuyên cần. 2) Kiểm tra giữa học phần. 3) Thi kết thúc học phần. * Thang điểm: + Điểm đánh giá bộ phận chấm theo thang điểm 10 với trọng số nhƣ sau: - Điểm thảo luận, bài tập, chuyên cần: 20 %. - Điểm kiểm tra giữa học phần: 30%. + Điểm thi kết thúc học phần: 50 %. + Điểm học phần: Là điểm trung bình chung có trọng số của các điểm đánh giá bộ phận và điểm thi kết thúc học phần làm tròn đến một chữ số thập phân. 11.2. Các học phần thí nghiệm: Không có. 12. Lịch trình giảng dạy: Tu Nội dung ần thứ 1 Phần 1: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Chƣơng I: Những khái niệm cơ bản và trạng thái vật chất ở thể khí 1.1. Các khái niệm cơ bản 1.1.1. Thiết bị nhiệt 1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt 1.1.3. Hệ thống nhiệt 1.1.4. Chất môi giới 1.1.5. Nguồn nhiệt 1.2. Thông số trạng thái của môi chất 1.2.1. Khái niệm thông số trạng thái của môi chất 1.2.2. Các thông số trạng thái 1.2.2.1. Nhiệt độ 1.2.2.2. Áp suất 1.2.2.3. Thể tích riêng 1.2.2.4. Nội năng 1.2.2.5. Entanpi Tài liệu học tập, tham khảo 1, 2, 3 Hình thức học Giảng 2 tiết 2 3 4 5 1.2.2.6. Entropi 1.3. Phƣơng trình trạng thái của chất khí 1.3.1. Khái niệm phƣơng trình trạng thái của chất khí 1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng 1.3.2.1. Khái niệm khí lý tƣởng 1.3.2.2. Các dạng phƣơng trình của khí lý tƣởng 1.3.3. Hỗn hợp khí lý tƣởng 1.3.3.1. Khái niệm hỗn hợp khí lý tƣởng 1.3.3.2. Thành phần hỗn hợp 1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực 1.3.4.1. Khái niệm khí thực 1.3.4.2. Một số phƣơng trình thực nghiệm 2.1. Nhiệt và công các phƣơng pháp xác định 2.1.1. Phƣơng pháp xác định nhiệt 2.1.1.1. Xác định nhiệt theo nhiệt dung riêng 2.1.1.2. Xác định nhiệt theo biến thiên entropi 2.1.2. Phƣơng pháp xác định công 2.1.2.1. Công lƣu động 2.1.2.2. Công giãn nở 2.1.2.3. Công kỹ thuật 2.2. Định luật nhiệt động 1 2.2.1. Ý nghĩa của định luật nhiệt động 1 2.2.2. Nội dung của định luật nhiệt động 1 2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tƣởng 2.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động 2.3.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản 2.3.2.1. Quá trình đa biến 2.3.2.2. Quá trình đẳng áp 2.3.2.3. Quá trình đẳng tích 2.3.2.4. Quá trình đẳng nhiệt 2.3.2.5. Quá trình đoạn nhiệt 2.4. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực 2.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nƣớc 2.4.2. Một số khái niệm 2.4.2.1. Hiện tƣợng bay hơi 2.4.2.2. Hiện tƣợng sôi 2.4.2.3. Nhiệt ẩn hoá hơi 2.4.2.4. Hơi bão hoà 2.4.2.5. Hơi quá nhiệt 2.4.3. Bảng và đồ thị của hơi nƣớc 2.4.3.1. Bảng số 2.4.3.2. Đồ thị 2.4.4. Các quá trình nhiệt động của khí thực 2.4.4.1. Quá trình đẳng áp 2.4.4.2. Quá trình đẳng tích 2.4.4.3. Quá trình đẳng nhiệt 2.4.4.4. Quá trình đoạn nhiệt 2.5. Các quá trình của không khí ẩm 2.5.1. Khái niệm không khí ẩm 2.5.2. Phân loại không khí ẩm 2.5.3. Các thông số cơ bản của không khí ẩm 1, 2, 3, 4 Giảng 2 tiết 1, 7,8,9 Giảng 2 tiết Giảng 2 tiết Giảng 2 tiết 2.5.3.1. Áp suất không khí ẩm 2.5.3.2. Thể tích không khí ẩm 2.5.3.3. Khối lƣợng không khí ẩm 2.5.3.4. Nhiệt độ không khí ẩm 2.5.3.5. Độ ẩm tuyệt đối 2.5.3.6. Độ ẩm tƣơng đối 2.5.3.7. Độ chứa ẩm 2.5.3.8. Nhiệt độ đọng sƣơng 2.5.3.9. Entanpi của không khí ẩm 2.6. Đồ thị I - d của không khí ẩm 2.6.1. Đồ thị I-d 2.6.2. Ứng dụng đồ thị I-d 2.6.2.1. Quá trình sấy đẳng áp 2.6.2.2. Quá trình hỗn hợp đẳng áp 6 Thảo luận 1 7 Chƣơng III: Định luật nhiệt động hai và chu trình Carnot 8 3.1. Ý nghĩa và nội dung của định luật nhiệt động 2 3.1.1. Ý nghĩa 3.1.2. Nội dung 3.2. Chu trình nhiệt động 3.2.1. Khái niệm chu trình nhiệt động 3.2.2. Phân loại chu trình nhiệt động 3.2.2.1. Chu trình thuận chiều 3.2.2.2. Chu trình ngƣợc chiều 3.3. Chu trình Carnot thuận nghịch 3.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều 3.3.2. Chu trình Carnot ngƣợc chiều Chƣơng IV: Chu trình nhiệt động của một số thiết bị 1, …5, 6 1, …5,6 Thảo luận 4 tiết Giảng 2 tiết 1, 2, 3 Giảng 2 tiết nhiệt 4.1. Chu trình thuận chiều của khí lý tƣởng – Chu trình động cơ đốt trong 4.1.1. Khái niệm động cơ đốt trong 4.1.2. Phân loại động cơ đốt trong 4.1.3. Các thông số đặc trƣng của động cơ đốt trong 4.1.4. Động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích 9 4.1.5. Động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp 4.1.6. Động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp 4.2. Chu trình thuận chiều của khí thực - Chu trình thiết bị động lực hơi nƣớc 4.2.1. Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nƣớc 4.2.2. Chu trình Rankine 4.3. Chu trình ngƣợc chiều của khí lý tƣởng - Chu trình Giảng 2 tiết làm lạnh dùng máy nén khí 4.4. Chu trình ngƣợc chiều của khí thực - Chu trình làm lạnh dùng máy nén hơi 4.4.1. Môi chất lạnh 4.4.2. Yêu cầu kỹ thuật của môi chất lạnh 4.4.3. Đồ thị lgp-i của môi chất lạnh 4.4.4. Chu trình làm lạnh khô 10 11 Thảo luận 2 Phần 2: CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT Chƣơng V: Dẫn nhiệt 5.1. Một số khái niệm cơ bản 5.1.1. Dẫn nhiệt 5.1.2. Trƣờng nhiệt độ 5.1.3. Mặt đẳng nhiệt 5.1.4. Gradien nhiệt độ 5.1.5. Định luật Furier về dẫn nhiệt 5.2. Một số bài toán dẫn nhiệt ổn định khi không có nguồn nhiệt bên trong 5.2.1. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng 5.2.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ 5.2.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu 5.2.4. Dẫn nhiệt ổn định khi =f(t) 12 1, …5, 6 1, 2, 3 Giảng 2 tiết Chƣơng VI: Trao đổi nhiệt đối lƣu 6.1. Một số khái niệm cơ bản 6.1.1. Quá trình đối lƣu 6.1.2. Toả nhiệt đối lƣu 6.1.3. Các nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình toả nhiệt đối lƣu 6.1.4. Công thức Newton – Rickmann Thảo luận 4 tiết Giảng 2 tiết 1, 2, 3 6.2. Các phƣơng pháp xác định hệ số toả nhiệt  6.2.1. Phƣơng pháp lý thuyết 6.2.1.1. Phƣơng trình vi phân 6.2.1.2. Điều kiện đơn trị 6.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm 6.2.2.1. Cơ sở nghiên cứu 6.2.2.2. Định lý đồng dạng 6.2.2.3. Các tiêu chuẩn đồng dạng 6.2.2.4. Phƣơng trình tiêu chuẩn và các bƣớc giải một bài toán toả nhiệt đối lƣu 13 Chƣơng VII: Trao đổi nhiệt bức xạ 7.1. Một số khái niệm cơ bản 7.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ 7.1.2. Sự phân bố năng lƣợng trong vật 7.1.3. Dòng bức xạ toàn phần 7.1.4. Dòng bức xạ đơn sắc 7.1.5. Năng suất bức xạ 7.1.6. Cƣờng độ bức xạ 1, 2, 3 Giảng 2 tiết 7.1.7. Năng suất bức xạ hiệu quả 7.2. Các định luật bức xạ cơ bản 7.2.1. Định luật Plank 7.2.2. Định luật WIEN 7.2.3. Định luật Stephan-Bonzmann 7.2.4. Định luật Kiecshopp 7.3. Một số bài toán trao đổi nhiệt bức xạ cơ bản 7.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng đặt song song 7.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau. 14 Chƣơng VIII: Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt 1, …5, 6 Giảng 2 tiết 1, …5, 6 Thảo luận 4 tiết 8.1. Truyền nhiệt 8.1.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng 8.1.2. Truyền nhiệt qua vách trụ 8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh 8.2. Thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.1. Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.3.1. Phƣơng trình cân bằng nhiệt 8.2.3.2. Phƣơng trình truyền nhiệt. 15 Thảo luận 3 PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Chƣơng I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ * Mục tiêu, nhiệm vụ + Mục tiêu: Giúp sinh viên hiểu rõ trạng thái của môi chất, các thông số trạng thái của chất môi chất, phương trình trạng. + Nhiệm vụ của sinh viên: Chuẩn bị bài trước khi lên lớp, tham gia đầy đủ thời gian trên lớp. + Đánh giá: Sinh viên nắm được khái niệm về trạng thái, các thông số trạng thái của môi chất, phương trình trạng thái của khí lý tưởng, hỗn hợp khí lý tưởng và khí thực. * Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ Nội dung 1.1. Các khái niệm cơ bản 1.1.1. Thiết bị nhiệt 1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt 1.1.3. Hệ thống nhiệt 1.1.4. Chất môi giới 1.1.5. Nguồn nhiệt 1.2. Thông số trạng thái của môi chất 1.2.1. Khái niệm thông số trạng thái của môi chất 1.2.2. Các thông số trạng thái 1.2.2.1. Nhiệt độ 1.2.2.2. Áp suất 1.2.2.3. Thể tích riêng 1.2.2.4. Nội năng 1.2.2.5. Entanpi 1.2.2.6. Entropi 1.3. Phƣơng trình trạng thái của chất khí 1.3.1. Khái niệm phƣơng trình trạng thái của chất khí 1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng 1.3.2.1. Khái niệm khí lý tƣởng 1.3.2.2. Các dạng phƣơng trình của khí lý tƣởng 1.3.3. Hỗn hợp khí lý tƣởng 1.3.3.1. Khái niệm hỗn hợp khí lý tƣởng 1.3.3.2. Thành phần hỗn hợp 1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực 1.3.4.1. Khái niệm khí thực 1.3.4.2. Một số phƣơng trình thực nghiệm Hình thức học Giảng A. LÝ THUYẾT 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1. Khái niệm thiết bị nhiệt Thiết bị nhiệt là những thiết bị dùng để tiến hành quá trình truyền tải, trao đổi và chuyển hoá nhiệt năng. 1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt Theo nguyên lý làm việc ngƣời ta phân thành các nhóm sau: 1.1.2.1. Động cơ nhiệt Động cơ nhiệt là một loại thiết bị nhiệt, chức năng của nó là biến nhiệt năng thành năng lƣợng khác: cơ năng, điện năng ... Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt là nhận nhiệt năng từ nguồn nhiệt chuyển hoá một phần thành cơ năng, phần còn lại tổn thất ra môi trƣờng bên ngoài. Ngày nay ngƣời ta cũng đã chế tạo thành công một số động cơ nhiệt đặc biệt đó là những động cơ biến trực tiếp nhiệt năng thành điện năng, cụ thể nhƣ: động cơ từ thuỷ động, pin nhiệt điện, pin nhiệt điện tử, chu trình pin nhiên liệu... 1.1.2.2. Máy lạnh, bơm nhiệt Máy lạnh và bơm nhiệt là các thiết bị nhiệt có chức năng phạm vi ứng dụng khác nhau nhƣng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau; nhờ năng lƣợng hỗ trợ từ bên ngoài nhiệt đƣợc đƣa từ nơi có nhiệt độ thấp (nguồn lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao (nguồn nóng); trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp trong môi trƣờng nhiệt độ cao hơn (đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì nhiệt độ cao trong môi trƣờng nhiệt độ thấp hơn (đối với bơm nhiệt). Sơ đồ mô tả chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt (Hình1-1). 1.1.2.3. Nhóm các thiết bị khác Đó là các thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị làm việc theo chu trình không khép kín nhƣ thiết bị nén khí, thiết bị sấy, điều hoà không khí... Phòng ấm (Td: 30 0C) Q1 = L + Q2 L Q2 Môi trƣờng ( Td: 5 0C) Q1 = L + Q2 L Q2 Kho lạnh (Td: - 30 0C) Hình 1-1. Nguyên lý và chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt 1.1.3. Khái niệm về môi chất (chất môi giới) 1.1.3.1. Định nghĩa Để truyền tải, trao đổi, chuyển hoá nhiệt năng ngoài hệ thống thiết bị nhất thiết phải có một chất trung gian mang nhiệt gọi là chất môi giới hay môi chất. Về nguyên tắc mọi chất đều có thể dùng làm chất môi giới nhƣng để có hiệu quả cao nhất ngƣời ta yêu cầu chất môi giới phải có những đặc tính kỹ thuật nhất định. 1.1.3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với chất môi giới - Có khả năng sinh công lớn: thể tích thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi. - Có khả năng truyền tải nhiệt năng lớn: có nhiệt dung riêng lớn. - Rẻ tiền, dễ kiếm, không ăn mòn thiết bị, không độc hại cho ngƣời và môi trƣờng. - An toàn, không cháy nổ. Trong thực tế, không thể có chất nào đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên. Vì vậy, tuỳ theo từng lĩnh vực áp dụng cụ thể, ngƣời ta chọn ra các chất môi giới trên cơ sở phát huy ƣu điểm và hạn chế thấp nhất nhƣợc điểm. Ví dụ trong các động cơ nhiệt chất môi giới là không khí, hơi nƣớc; các thiết bị lạnh là Freôn, NH3 ... 1.1.4. Nguồn nhiệt Nguồn nhiệt là các đối tƣợng trao đổi nhiệt trực tiếp với chất môi giới. Nguồn có nhiệt độ thấp gọi là nguồn lạnh; nguồn có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng. Giả thiết các nguồn nhiệt là vô cùng lớn để khi tiến hành trao đổi nhiệt với chất môi giới nhiệt độ của nó không thay đổi. 1.1.5. Hệ thống nhiệt động a. Định nghĩa Hệ thống nhiệt động là tập hợp các đối tƣợng đƣợc tách ra để nghiên cứu về tính chất nhiệt động của chúng, phần còn lại gọi là môi trƣờng. Giữa hệ thống nhiệt và môi trƣờng có một giới hạn; giới hạn đó có thể là bề mặt thật (nhƣ hệ thống xylanh piston) mà cũng có thể là bề mặt tƣởng tƣợng. b. Phân loại - Hệ thống kín: Hệ thống mà trọng tâm của hệ không chuyển động, nếu có chuyển động cũng chuyển động ở dạng vi mô có thể bỏ qua. Ví dụ nhƣ khí chứa trong một bình kín. - Hệ thống hở: ngƣợc lại với hệ thống kín, ví dụ nhƣ hơi vào và ra khỏi tuabin trong nhà máy nhiệt điện. - Hệ thống đoạn nhiệt: Hệ thống mà môi chất không trao đổi nhiệt với môi trƣờng. - Hệ thống cô lập: Hệ thống mà môi chất không trao đổi cả nhiệt và công với môi trƣờng. 1.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT 1.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái Ở một trạng thái nhất định môi chất có những thông số vật lý có trị số hoàn toàn xác định. Các thông số này là hàm đơn trị của trạng thái; độ biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào tính chất quá trình. Các thông số đó đƣợc gọi là các thông số trạng thái của môi chất. Hoặc ta có thể định nghĩa thông số trạng thái của môi chất nhƣ sau: Thông số trạng thái của chất khí nói chung là các thông số vật lý đặc trƣng cho trạng thái của chất khí; nó là hàm đơn trị của trạng thái; độ biến biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào tính chất quá trình. Chúng ta chỉ xét các trạng thái cân bằng: đó là những trạng thái trong đó các thông số trạng thái phân bố đồng đều trong toàn bộ hệ thống và cân bằng với môi trƣờng. Khi một trạng thái cân bằng bị phá vỡ thì các thông số trạng thái sẽ thay đổi để đạt đến một trạng thái cân bằng mới. Các thông số trạng thái có thể đo đếm trực tiếp đƣợc gọi là thông số trạng thái cơ bản còn các thông số trạng thái khác phải tính toán thông qua các thông số trạng thái cơ bản gọi là hàm trạng thái. 1.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất a. Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lƣợng biểu thị mức độ nóng lạnh của vật chất; theo thuyết động học phân tử nhiệt độ biểu thị mức độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử vật chất. Để đo nhiệt độ trƣớc tiên ta phải xây dựng thang đo nhiệt độ. Thông thƣờng ta hay dùng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối. - Thang đo nhiệt độ bách phân Ký hiệu nhiệt độ bách phân là t, đơn vị đo là 0C (Cellcious- Tên nhà bác học sáng lập thang đo). Chọn chất để xây dựng thang đo: Nhà bác học Cellcious đã chọn nƣớc nguyên chất ở áp suất tiêu chuẩn (p = 760 mm Hg). Ở trạng thái băng tan của nƣớc nguyên chất, ấn định là 00C Ở trạng thái nƣớc sôi, ấn định là 1000C. Trong khoảng (0100) ta chia làm 100 phần bằng nhau mỗi phần là 10C Sau khi đã có thang đo ngƣời ta mới chế tạo các loại nhiệt kế để đo nhiệt độ. Nhận xét Trị số t0C không phản ánh mức độ chuyển động của các phân tử mà nó phụ thuộc vào chất dùng để xây dựng thang đo. - Thang đo nhiệt độ tuyệt đối (thang đo nhiệt độ nhiệt động, thang đo nhiệt độ Kelvin) Theo thang đo này ngƣời ta ký hiệu nhiệt độ là T, đơn vị đo 0K ( K - viết tắt của Kelvin - tên nhà bác học sáng lập thang đo). Cơ sở để xây dựng thang đo: dựa vào mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ chuyển động trung bình của nguyên tử, phân tử vật chất. mω 2 (1-1) T 3k  - tốc độ chuyển động của phân tử trong vật chất ω  ωi N i (1-2) N i- vận tốc trung bình của Ni phân tử trong tổng N phân tử m - khối lƣợng của một phân tử k - hằng số Bonzman; k = 1,3805.10-23 (J/độ) Nhƣ vậy, ta thấy trị số T0K hoàn toàn phản ánh chuyển động của nguyên tử, phân tử nên trong các công thức tính toán động học của chất khí ngƣời ta dùng trị số T0K chứ không dùng trị số t0C. Từ công thức trên ta thấy T = 00K khi  = 00C - điều này không thể xảy ra. Vì vậy, 00K đƣợc gọi là không độ lý tƣởng. Quan hệ giữa thang đo bách phân và Kelvin: để xây dựng mối quan hệ giữa hai thang đo ngƣời ta chọn một trạng thái làm mốc đó là trạng thái băng tan. Ở trạng thái này t = 00C và T = 2730K . Vì 10C và 10K có độ lớn nhƣ nhau cho nên ta có thể biểu diễn hai trục nhiệt độ nhƣ sau: -273oC 0oC toC toC 0oK 273oK ToK ToK Nhƣ vậy, ta có quan hệ: ToK = toC + 273 - Thang đo nhiệt độ Rankine (0R) và thang đo nhiệt độ Faranhiet (0F ). Thang đo độ 0R do nhà bác học Rankine tìm ra còn thang đo 0F do nhà bác học Faranhiet. Tất cả các thang đo đều lấy hai trạng thái làm mốc; trạng thái nƣớc đá đang tan và trạng thái nƣớc sôi ở áp suất tiêu chuẩn. 1 Độ lớn của 10C bằng độ lớn của 10K bằng khoảng cách giữa hai điểm mốc. 100 1 khoảng cách giữa hai điểm mốc. 180 5 5 Độ lớn 10F bằng độ lớn 10R bằng độ lớn của 10C và bằng độ lớn 10K 9 9 1 1 5 :  ) ( 100 180 9 Nhƣ vậy, ở trạng thái nƣớc đá đang tan t = 00C, T = 2730K, T = 320F = 4620R Công thức quan hệ giữa các thang đo. 5 5 t o C  T o K  273  t o F  32  T 0 R  273 (1-3) 9 9 Bảng 1-1. Những điểm mốc nhiệt độ Độ lớn của 10R bằng độ lớn của 10F bằng  Điểm mốc  Nhiệt độ (oC) -182,97 0,01 100,00 Điểm mốc Nhiệt độ (oC) 444,6 960,8 1063 Điểm sôi của oxy Điểm sôi của lƣu huỳnh Điểm ba pha của nƣớc Điểm đông đặc của bạc Điểm sôi của nƣớc Điểm đông đặc của vàng b. Áp suất chất khí - Khái niệm Áp suất của chất khí (còn gọi là áp suất tuyệt đối) là lực tác dụng của chất khí theo phƣơng vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc. Biểu thức xác định: F p (1-4) A F - Lực tác dụng của chất khí, đơn vị đo là N (Newton) A - Diện tích bề mặt tiếp xúc, đơn vị đo là (m2). N N Vậy đơn vị cơ bản của áp suất là 2 ; vì trị số của 1 2 rất nhỏ cho nên trong thực tế m m N ngƣời ta dùng các hệ đo là bội số của 2 . m - Hệ thống đơn vị đo áp suất N + Hệ thống Pascal: ký hiệu là 1Pa  1 2 , 1KilôPascal 1Kpa = 103Pa, Mêgapaxcal m 3 6 1MPa = 10 KPa = 10 Pa; N + Hệ thống Barơ ký hiệu là bar: 1Bar  105 [ 2 ]=0,1MPa : ; m + Hệ thống Atmosphere (at): Theo đơn vị này ngƣời ta lấy áp suất trung bình của khí quyển làm đơn vị đo; 1atmosphere ký hiệu là 1at; 1 at = 1 kG/cm2 = 0,981 bar; + Các hệ thống đơn vị khác Minimét cột thuỷ ngân, ký hiệu là mmHg. Minimét cột nƣớc, ký hiệu là mmH2O. Công thức liên hệ giữa các đơn vị đo: 1 1 1 N (1-5) 1 2   1Pa  10 5 Bar  .10 5 at  mmHg  mmH 2 O 0,981 133,32 9,81 m  - Đo áp suất Đo áp suất ngƣời ta dùng một dụng cụ gọi là áp kế, nguyên lý và cấu tạo của áp kế rất đa dạng nhƣng ở đây ta phân loại theo công dụng. Để chuyên môn hoá dụng cụ đo nhằm tăng độ chính xác ngƣời ta chế tạo các loại áp kế sau: Barômét - là loại áp kế chuyên dùng để đo áp suất khí trời, số chỉ của Barômét ký hiệu là pkt . pkt pkt Hình 1-2. Mô tả một loại Baromét đơn giản nhất Manômét - là loại áp kế chuyên dùng để đo phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí trời. Số chỉ của nó ngƣời ta gọi là áp suất thừa hoặc áp suất dƣ, ký hiệu là pt. Chân không kế - là loại áp kế đo phần nhỏ hơn áp suất khí trời của áp suất chất khí (đo phần không có gì), ký hiệu pck. Xác định áp suất chất khí (áp suất tuyệt đối) - Trƣờng hợp áp suất chất khí lớn hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp kế là Baromét và Manomét, khi đó áp suất chất khí: p = pkt + pt (1-6) - Trƣờng hợp áp suất chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp kế là Baromét và Chân không kế, khi đó áp suất chất khí: p = pkt - pck (1-7) pck pkt pt p p pkt Hình 1-3 Chú ý Khi đo áp suất theo chiều cao cột thuỷ ngân ở t0C nào đó thì chiều cao cột thuỷ ngân ứng với 00C sẽ là: h0 = ht.( 1 - 0,000172.t ) (1-8) h0- chiều cao cột thuỷ ngân ở 00C ht- chiều cao cột thuỷ ngân ở t0C. c. Thể tích riêng Thể tích riêng của chất khí là thể tích của một đơn vị chất khí, ở đây ta xét cho V một kg. Ký hiệu thể tích riêng là v thì ta có: v  [ m3/kg]. (1-9) G Đại lƣợng nghịch đảo của v ta ký hiệu là , chính là khối lƣợng riêng, với chất khí ta 1 G còn gọi là mật độ phân tử:    [kg/m3]. (1-10) v V d. Nội năng của chất khí Nội năng của môi chất là tổng nội động năng và nội thế năng của các phân tử. Nội thế năng do lực tác dụng tƣơng hỗ giữa các phân tử tạo ra nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử hay thể tích riêng, nội động năng do chuyển động của các nguyên tử, phân tử gây ra nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Vậy nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích: u = f(t,v) (1-11) Đối với khí lí tƣởng, có thể bỏ qua lực tƣơng tác giữa các phân tử, nên nội thế năng bằng 0. Do đó nội năng chỉ bao gồm nội động năng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên nội năng của khí lí tƣởng là hàm đơn trị của nhiệt độ: u = f(T) Đối với khí lí tƣởng trong mọi quá trình biến đổi, nội năng luôn đƣợc xác định bằng biểu thức: du = CvdT và u = u2 - u1 = Cv(T2-T1) (1-12) Trong đó: Cv - nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng tích. Đơn vị của nội năng cũng giống nhƣ đơn vị của các dạng năng lƣợng khác, thƣờng dùng kJ, Kw.h, Kcal, kg.m...Một số nƣớc còn dùng đơn vị Btu, Chu... Quan hệ giữa các đơn vị: 1kJ  1 Kcal  0,948Btu  0,527Chu 4,1868 (1-13) Chú ý: Trên đây nội năng của môi chất đƣợc tính cho 1 (kg) môi chất kí hiệu là u (J/kg). Khi tính cho G (kg) môi chất ta sẽ có U = G.u (J ). e. Năng lƣợng đẩy Năng lƣợng đẩy hay thế năng áp suất kí hiệu là D (J) hoặc d (J/kg ). Ta đã biết rằng với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng của nó bên ngoài còn một năng lƣợng nữa để giúp khối khí dịch chuyển đó chính là năng lƣợng đẩy: D = pV hay d = pv (1-14) Các biểu thức trên ở dạng vi phân sẽ là: d(D) = d(pV) hay d(d) = d(pv) Năng lƣợng đẩy cũng là thông số trạng thái và cần chú ý rằng năng lƣợng đẩy chỉ có trong hệ hở, khi dòng khí chuyển động năng lƣợng đẩy thay đổi và tạo ra công lƣu động để đẩy dòng khí chuyển động. f. Entanpi - nhiệt hàm Trong khi tính toán và phân tích về nhiệt, ta thƣờng gặp biểu thức: (u + pv) để đơn giản ngƣời ta thay bằng i hoặc h và gọi là entanpi; i = u + pv, (J/kg) - khi tính ứng với 1 (kg) môi chất I = U +pV, ( J) - khi ứng với G (kg) môi chất Entanpi là thông số trạng thái, khi đó ta lấy vi phân chính là vi phân toàn phần: di = du + d(pv) (1-15) Entanpi của khí thực cũng giống nhƣ nội năng là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông số trạng thái cơ bản p,v,T. Riêng đối với khí lí tƣởng thế năng áp suất có thể bỏ qua nên entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ i = f(T ) và biến đổi entanpi trong mọi quá trình đều đƣợc xác định bằng biểu thức: di = CpdT ; i = i2- i1 = Cp (T2-T1 ) (1-16) Trong đó: Cp - nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp. Trong nhiệt động kỹ thuật cũng giống nhƣ nội năng ta chỉ cần tính độ biến thiên của entanpi i nên có thể chọn tuỳ ý điểm gốc mà tại đó entanpi có giá trị bằng 0, ví dụ thƣờng chọn i = 0 ở 0oK hoặc ở điểm ba thể nhƣ đối với nội năng. g. Entropi Xem một hệ gồm các phân tử một chất khí đang ở nhiệt độ thấp, nếu ta đốt nóng hệ tức là cung cấp một nhiệt lƣợng q vào, các phân tử khí sẽ gia tăng chuyển động, có sự xáo trộn hay mất trật tự nhiều trong hệ so với trƣớc khi cung cấp nhiệt lƣợng q. Nhiệt lƣợng q càng nhiều thì sự xáo trộn càng lớn, tức sự biến thiên xáo trộn tỉ lệ thuận với nhiệt lƣợng q đƣợc cung cấp vào hệ. Nếu cùng một lƣợng nhiệt q nhƣng nếu cung cấp vào hệ trên đang ở nhiệt độ cao, thì sự biến thiên xáo trộn sẽ ít hơn so với lúc hệ đang ở nhiệt độ thấp. Nhƣ vậy sự biến thiên xáo trộn tỉ lệ nghịch với nhiệt độ T. Ngƣời ta dùng một hàm số trạng thái để đo mức độ xáo trộn hay độ tự do của một hệ. Ðó là hàm số entropi S mà trong một biến đổi nhỏ đƣợc cho bởi: đq ds  ; [kJ/kg.oK]. (1-17) T Trong đó: đq - Nhiệt lƣợng của quá trình; (J/kg) T - Nhiệt độ của chất khí trong quá trình (0K) Chú ý: Ở trên ta mới nêu công thức để xác định độ biến thiên nội năng, entanpi và entropi. Để xác định nội năng, entanpi và entropi tại một trạng thái nào đó ngƣời ta quy ƣớc ở 00C: u = u0 = 0, i = i0 = 0, s = s0 = 0. Ví dụ: Xác định Entanpi của chất khí ở t0C (it) biết rằng nhiệt dung riêng đẳng áp của chất khí là Cp ? Ta có it = (i)0  t = it - i0 = Cp(t-0) = Cp.t [kJ/kg]. 1.3. PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KH Í 1.3.1. Khái niệm Ta biết rằng một trạng thái của môi chất đƣợc xác định bởi các thông số trạng thái. Vậy phƣơng trình trạng thái là biểu thức toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái ở một trạng thái xác định. Dƣới đây chúng ta xét phƣơng trình trạng thái chỉ đối với trạng thái cân bằng. Định luật Gibbs Định luật Gibbs cho biết có bao nhiêu thông số trạng thái để xác định đƣợc một trạng thái của chất khí. Với hệ thống không có phản ứng hoá học số thông số độc lập để xác định một trạng thái đƣợc xác định nhƣ sau: = e+2- (1-18) Trong đó:  - Số pha cùng tồn tại trong hệ; e - Số thành phần trong hệ (môi chất đơn e = 1). Ví dụ: Một môi chất đơn e = 1, hệ thống một pha  =1 thì  = 2. Vậy nếu có 2 thông số độc lập thì ta có thể xác định đƣợc một trạng thái của môi chất đơn; Chẳng hạn hai thông số p, v xác định một trạng thái. Thông số thứ 3 là T đƣợc xác định T = f(p, v). Vậy dạng tổng quát của phƣơng trình trạng thái là: F(p, v, T) = 0. 1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng (phƣơng trình Clareyperon). Phƣơng trình đƣa ra trên cơ sở lý luận và thực nghiệm (dựa trên các định luật Bôi -Mariôt, Gay-Luyxăc và định luật Avôgađrô). Đối với 1 kg chất khí ta có: pv = RT (1-19) Trong đó: p - áp suất của chất khí, [N/m2] v - thể tích riêng, [m3/kg] T - nhiệt độ tuyệt đối, [0K] R - hệ số tỷ lệ, nó là hằng số với mọi trạng thái và chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất khí nghĩa là với mỗi chất khí R chỉ có một trị số. R đƣợc gọi là hằng số chất khí, đơn vị của R là [J/kg.oK]; Đối khối khí với G kg: Gpv = GRT; pV = GRT (1-20) Đối với 1 kilomol chất khí: Khái niệm kilômol chất khí: một kilômol chất khí nào đó là lƣợng khí có khối lƣợng bằng  kg - trong đó  là trị số phân tử lƣợng của chất khí đó. Từ công thức pv = RT ta có: pv = RT Ta ký hiệu R = R; Mặt khác v là thể tích của một kilômol chất khí ta ký hiệu là V. Vậy phƣơng trình trạng thái của một kilômol chất khí là: p.V = RT (1-21) Trong đó: V - Thể tích của 1 kilômol chất khí. Theo định luật Avôgadrô: ở điều kiện nhƣ nhau thể tích 1 kilômol của tất cả các chất khí có trị số nhƣ nhau; ở điều kiện tiêu chuẩn m 3tc ]. Kmol Nếu áp điều kiện tiêu chuẩn vào phƣơng trình trạng thái cho 1 kilômol ta có: 760 760 p0 = 760 mmHg = [bar] = .105 [N/m2] 750 750 3 0 Vo = 22,4 [m ]; T0 = 273 [ K]. (chỉ số “o”ký hiệu thông số ở điều kiện tiêu chuẩn). Từ công thức: p0V0=RT0 760 .10 5.22,4 750 R   8314 [J/Kmol.oK]. (1-22) 273 Vậy với mọi trạng thái và mọi chất khí R  luôn bằng hằng số. Vì vậy R  đƣợc gọi là hằng số phổ biến: R = 8314 [J/Kmol.oK]. Mặt khác ta biết: .R = R . Vậy ta có thể xác định đƣợc hằng số chất khí: 8314 R [J/kg.oK] (1-23)  Ví dụ: (p =760 mmHg, t = 00C) thể tích đó bằng 22,4 [