Tài liệu Nhiệt động lực học kỹ thuật

1 Môc lôc TÔ DUY PHƯƠNG NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt Nhµ xuÊt b¶n ®¹i häc quèc gia hµ néi Môc lôc 3 Môc lôc Trang Lời nói đầu ..............................................................................................11 Ký hiệu, chữ viết tắt .................................................................................13 Lịch sử phát triển ....................................................................................25 Chương I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Hệ......................................................................................................29 1.1.1. Định nghĩa................................................................................29 1.1.2. Trạng thái của hệ .....................................................................31 1.1.3. Quá trình chuẩn cân bằng ........................................................33 1.1.4. Quá trình thuận nghịch ............................................................34 1.2. Áp suất ............................................................................................35 1.2.1. Áp suất chất khí .......................................................................35 1.2.2. Áp suất chất lỏng .....................................................................36 1.3. Thể tích ............................................................................................36 1.4. Khối lượng ......................................................................................37 1.4.1. Định nghĩa ...............................................................................37 1.4.2. Tính chất .................................................................................37 1.4.3. Khối lượng tương đối tính .......................................................38 1.4.4. Khối lượng riêng .....................................................................39 1.4.5. Khối lượng riêng trung bình, tỷ khối ......................................40 1.5. Nhiệt độ ...........................................................................................41 1.5.1. Các định nghĩa ........................................................................41 1.5.2. Các thang đo nhiệt độ...............................................................43 1.5.3. Sự thay đổi nhiệt độ của khí thực.............................................45 1.6. Trọng lượng riêng ..........................................................................46 4 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt 1.6.1. Các định nghĩa ........................................................................46 1.6.2. Tính toán, xác lập ....................................................................47 1.7. Lượng chất ......................................................................................51 1.7.1. Định nghĩa ...............................................................................51 1.7.2. Tính toán, xác lập.....................................................................51 1.8. Thể tích phân tử .............................................................................52 1.8.1. Định nghĩa và ký hiệu ..............................................................52 1.8.2. Tính toán, xác lập.....................................................................52 1.8.3. Các tính chất ............................................................................52 1.9. Trọng lượng phân tử ......................................................................53 1.9.1. Định nghĩa và ký hiệu .............................................................53 1.9.2. Tính toán, xác lập ....................................................................53 1.10. Nồng độ phân tử............................................................................53 1.10.1. Định nghĩa .............................................................................54 1.10.2. Tính toán, xác lập ..................................................................54 1.10.3. Phần lượng .............................................................................55 1.11. Phần mol .......................................................................................55 1.12. Hoạt độ (hóa học) .........................................................................55 1.12.1. Các định nghĩa hoạt độ ..........................................................55 1.12.2. Tính toán, xác lập...................................................................56 1.12.3. Quan hệ giữa thế hóa và hoạt độ............................................56 1.12.4. Hệ số hoạt độ..........................................................................56 1.12.5. Dung dịch lý tưởng ................................................................57 1.12.6. Hoạt độ hóa học ......................................................................... Chương II. KHÍ LÝ TƯỞNG 2.1. Khái niệm cơ bản ...........................................................................59 2.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng ...........................................61 2.3. Các tính chất của khí lý tưởng.......................................................62 2.3.1. Năng lượng cơ học ..................................................................62 2.3.2. Phương trình Van der Waals ...................................................63 2.3.3. Phương trình trạng thái khí lý tưởng .......................................63 MôC LôC 5 2.4. Các định luật khí lý tưởng .............................................................64 2.4.1. Định luật Boyle-Mariott ..........................................................64 2.4.2. Định luật Gay-Lussac ..............................................................65 2.4.3. Định luật Charles ....................................................................66 2.4.4. Định luật Dalton ......................................................................67 2.4.5. Các định luật về hằng số khí ...................................................68 2.5. Ứng dụng phương trình khí lí tưởng ............................................70 Chương III. ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.1. Nhiệt, công và nội năng ..................................................................71 3.1.1. Nhiệt năng ...............................................................................71 3.1.2. Công ........................................................................................72 3.1.3. Nội năng ..................................................................................74 3.1.4. Năng lượng chuyển động nhiệt và nội năng của khí lý tưởng .79 3.1.5. Quan hệ giữa nhiệt lượng và công cơ học ...............................85 3.2. Phát biểu định luật I ......................................................................88 3.2.1. Thí nghiệm của James Prescott Joule .....................................88 3.2.2. Khảo sát nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học ..............90 3.3.3. Biểu thức tích phân của nguyên lý thứ nhất ............................91 Chương IV. NHIỆT DUNG VÀ DẪN NHIỆT 4.1. Nhiệt dung .......................................................................................93 4.1.1. Định nghĩa nhiệt dung .............................................................93 4.1.2. Nhiệt dung riêng ......................................................................93 4.2. Dẫn nhiệt – Entanpy ....................................................................101 4.2.1. Dẫn nhiệt ...............................................................................101 4.2.2. Entanpy .................................................................................102 4.2.3. Nhiệt phản ứng và định luật Hess .........................................103 4.2.4. Nhiệt và nhiệt dung đẳng áp ..................................................106 6 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt Chương V. Định luật thứ hai và ba nhiệt động lực học 5.1. Khái niệm và lịch sử phát triển định luật 2 ................................107 5.1.1. Khái niệm cơ bản ..................................................................107 5.1.2. Lịch sử định luật 2 nhiệt động lực học ..................................109 5.1.3. Lịch sử của entropy................................................................110 5.2. Chu trình Carnot ..........................................................................110 5.2.1. Khái niệm chung ....................................................................115 5.2.2. Nguyên lý Carnot ...................................................................119 5.2.3. Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch .....................122 5.2.4. Chu trình Carnot thuận nghịch...............................................133 5.3. Entropy ..........................................................................................134 5.3.1. Tính không bảo toàn của entropy...........................................134 5.3.2. Những biến đổi mang tính thuận nghịch................................134 5.3.3. Những biến đổi mang tính không thuận nghịch.....................135 5.4. Phát biểu định luật 2 nhiệt động lực học ....................................135 5.4.1. Các định đề đầu tiên...............................................................136 5.4.2. Các phát biểu về định luật 2......................................................... 5.5. Phương trình định luật thứ 2 nhiệt động lực học mô tả biến thiên entropy .........................................................................136 5.5.1. Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi thuận nghịch ........................................136 5.5.2. Phương trình định luật 2 nhiệt động lực học của quá trình biến đổi liên tục khép kín .......................................................139 5.6. Quan hệ giữa etropy và các thông số nhiệt động theo đạo hàm các hàm số nhiệt động ...................................................................142 5.7. Entropy theo vật lý thống kê........................................................144 5.8. Định luật 3 nhiệt động lực học .....................................................151 5.8.1. Các định đề.............................................................................151 5.8.2. Phát biểu định luật 3 nhiệt động lực học................................152 5.8.3. Nhiệt độ không tuyệt đối........................................................153 5.9. Định luật không nhiệt động lực học ............................................153 5.9.1. Nhiệt động học cân bằng........................................................153 5.9.2. Các phát biểu về định luật không nhiệt động lực học ............154 MôC LôC 7 Chương VI. DẪN NHIỆT 6.1. Khái niệm về dẫn nhiệt.................................................................155 6.2. Định luật Fourier ..........................................................................157 6.2.1. Phát biểu định luật Fourier.....................................................157 6.2.2. Biểu diễn toán học định luật Fourier......................................157 6.2.3. Trường nhiệt độ......................................................................158 6.2.4. Công suất nguồn nhiệt............................................................161 6.2.5. Hệ số dẫn nhiệt.......................................................................161 6.3. Phương trình truyền nhiệt ...........................................................163 6.3.1. Khái niệm chung ....................................................................163 6.3.2. Bài toán vật lý và phương trình..............................................164 6.3.3. Giải phương trình nhiệt bằng chuỗi Fourier ..........................165 Chương VII. QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG 7.1. Động năng ......................................................................................169 7.2. Công suất .......................................................................................172 7.3. Năng lượng tự do Gibbs ...............................................................173 7.3.1. Ký hiệu ...................................................................................173 7.3.2. Tính toán, xác lập...................................................................173 7.3.3. Các tính chất...........................................................................173 Chương VIII. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 8.1. Quá trình đẳng nhiệt.....................................................................175 8.1.1. Biểu diễn quá trình.................................................................175 8.1.2. Các tính chất...........................................................................177 8.2. Quá trình đẳng áp .........................................................................178 8.2.1. Biểu diễn quá trình.................................................................178 8.2.2. Các tính chất...........................................................................179 8.3. Quá trình đẳng tích.......................................................................181 8.3.1. Biểu diễn quá trình.................................................................181 8.3.2. Các tính chất...........................................................................182 8.4. Quá trình đoạn nhiệt.....................................................................183 8 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt 8.4.1. Biểu diễn quá trình.................................................................183 8.4.2. Các tính chất...........................................................................186 8.5. Quá trình đẳng entropy................................................................186 8.5.1. Biểu diễn quá trình.................................................................186 8.5.2. Các tính chất – xác lập quan hệ..............................................187 8.6. Quá trình đẳng Entanpy...............................................................189 8.6.1. Biểu diễn quá trình.................................................................189 8.6.2. Các tính chất...........................................................................190 8.7. Quá trình đa biến ..........................................................................191 8.7.1. Quá trình diễn biến.................................................................191 8.7.2. Các tính chất...........................................................................194 Chương IX. NHIỆT CHUYỂN THỂ VÀ CHUYỂN PHA 9.1 Nhiệt chuyển thể.............................................................................197 9.1.1.Định nghĩa...............................................................................197 9.1.2. Tính toán, xác lập...................................................................198 9.2. Phương trình chuyển pha Clausius-Clapeyron..........................199 9.2.1. Biểu diễn phương trình ..........................................................199 9.2.2. Xác lập phương trình .............................................................199 9.3. Nhiệt hóa lỏng (nóng chảy)...........................................................200 9.3.1. Những định nghĩa ..................................................................200 9.3.2. Tính chất ................................................................................201 9.3.3. Ký hiệu và xác lập..................................................................201 9.4. Nhiệt đông đặc...............................................................................202 9.4.1. Những định nghĩa...................................................................202 9.4.2. Tính chất ................................................................................202 9.4.3. Ký hiệu và xác lập..................................................................202 9.4.4. Nhiệt đông đặc riêng ..............................................................203 9.5. Nhiệt hóa hơi..................................................................................203 9.5.1. Các định nghĩa .......................................................................203 9.5.2. Các tính chất...........................................................................204 9.6. Nhiệt ngưng tụ...............................................................................207 MôC LôC 9 9.6.1. Các định nghĩa .......................................................................207 9.6.2. Các tính chất...........................................................................207 9.7. Nhiệt thăng hoa .............................................................................208 9.7.1. Các định nghĩa .......................................................................208 9.7.2. Các tính chất...........................................................................209 9.7.3. Ứng dụng................................................................................210 9.7.4. Ký hiệu và xác lập nhiệt thăng hoa ........................................210 9.8. Các quá trình chuyển pha ............................................................210 Phụ lục...................................................................................................215 Tài liệu tham khảo ...............................................................................235 LêI NãI §ÇU 11 Lêi nãi ®Çu Khoảng giữa thế kỷ XVIII các học giả đã bắt đầu để ý đến các hiện tượng diễn ra trong máy hơi nước, nhằm tìm ra cơ sở để nâng cao công suất, giảm tiêu hao nguyên và nhiên liệu. Đầu thế kỷ XIX, nhà vật lý trẻ Nicolas Leonard Sadi Carnot đã xây dựng cơ sở về nhiệt động để phát triển máy hơi nước. Giữa thế kỷ XIX, khái niệm năng lượng đã bắt đầu được sử dụng. Năng lượng là khả năng của vật thể thực hiện công. Khi thực hiện công thì năng lượng được chuyển từ một thể loại này sang thể loại khác, nhưng tổng năng lượng là không thay đổi. Đó là tổng quát về định luật bảo toàn năng lượng. Nhiệt động lực học đã giải thích tại sao một số chất hóa học lại cùng nhau gây phản ứng và trường hợp khác lại không thể, bao nhiêu năng lượng mà phản ứng cung, hoặc cần được cung thì bấy nhiêu năng lượng có thể chuyển đổi ra công. Như vậy nhiệt động lực học là khoa học về năng lượng, về các điều kiện trao đổi lẫn nhau của nhiệt năng và cơ năng. Nhiệt động lực học nghiên cứu về tương tác giữa các đại lượng đặc trưng cho trạng thái vĩ mô của hệ và sự biến đổi của các đại lượng này trong các quá trình vật lý có liên quan tới trao đổi nhiệt với xung quanh. Nhiệt động lực học được xây dựng trên cơ sở 3 định luật; định luật thứ nhất về bảo toàn năng lượng, định luật thứ hai về nhiệt có thể truyền từ vật thể nóng hơn sang vật thể lạnh hơn, nhưng không khi nào ngược lại, còn định luật thứ ba có liên quan đến vật chất ở xung quanh nhiệt độ không tuyệt đối. Nhiệt động lực học mặc nhiên công nhận sự tồn tại của một hàm số gọi là entropy, nó xác định cho bất kỳ một hệ cô lập nào ở trạng thái cân bằng nhiệt động, xác định các tương tác nhiệt động nhờ vật lý thống kê; trên cơ sở lý thuyết xác suất của vật lý phân tử. 12 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt Nhiệt động lực học được sử dụng rộng rãi trong vật lý, hóa học, luyện kim, cơ khí, y sinh… Tài liệu này cung cấp những kiến thức về các hiện tượng, trạng thái, nội năng, nhiệt và công của các hệ nhiệt động, về bảo toàn năng lượng, về entropy của hệ, về trạng thái của hệ ở nhiệt độ không tuyệt đối. Các quá trình trao đổi nhiệt, các thể và chuyển thể nhiệt. Tài liệu này dùng cho các sinh viên đại học để học tập, cho các cán bộ nghiên cứu khoa học để tham khảo. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Tác giả Tô Duy Phương 13 Ký hiÖu kÝ hiÖu, ch÷ viÕt t¾t Ký hiệu Định nghĩa Thứ nguyên A Công J Aa Công của quá trình đẳng tích J AS Công của quá trình đẳng entropy J Ack Công của chu trình Carnot không thuận nghịch J Act Công của chu trình Carnot thuận nghịch J Ac Công của chu trình J A Diện tích m2 B Hằng số −1 C Nhiệt dung của hỗn hợp các khí J.K .mol−1 Ct Nhiệt dung của vật thể có khối lượng m J·kg-1·K-1 Cp Nhiệt dung ở áp suất không đổi J·kg-1·K-1 Cv Nhiệt dung ở thể tích không đổi J·kg-1·K-1 Ci Nhiệt dung của khí có thành phần i J.K−1.mol−1 Cm Nồng độ phân tử mol.dm-3 Co Nồng độ eutectic % Cr* và Cl* Các nồng độ cân bằng r-rắn, l-lỏng % D Khối lượng riêng kg. m-3 E Nội năng J Ec Năng lượng cơ học trung bình J Eđ Động năng tổng J Eo Năng lượng 1 mol J.mol-1 Et Tổng thế năng tương tác giữa các phân tử J Em Tổng năng lượng bên trong các phân tử J 14 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt En Năng lượng chuyển động nhiệt J Eđ Động năng trung bình J Et Động năng của một vật chuyển động tịnh tiến J.mol-1 Eq Động năng quay J.mol-1 εfoton Năng lượng của chùm hạt photon J EE Năng lượng theo lý thuyết tương đối của Albert Einstein J F Lực N FF Hằng số Faraday F Véc-tơ lực không biến đổi N G Năng lượng tự do Gibb J.mol-1 Go Năng lượng tự do tiêu chuẩn J.mol-1 Ġ Hằng số trọng trường Newton GradientT Vectơ gradient nhiệt độ GradT Độ lớn của vectơ gradient K.m-1 H Nhiệt thực thể, entalpy J.mol-1 Hl, Hđ Entanpi của trạng thái lỏng và đặc, I Mômen quán tính K3 Hằng số cân bằng phản ứng L Mômen động lượng kg.m2s-1 L Nhiệt chuyển thể chung J Lc Nhiệt chảy lỏng J Lđ Nhiệt đông đặc J Lh Nhiệt hóa hơi J Lt Nhiệt thăng hoa J kg.m2 15 Ký hiÖu Ls Nhiệt sôi, J M Mômen của chuyển động quay kg.m2s-1 Mm Trọng lượng phân tử kg.mol-1 Mo Trọng lượng 1 phân tử kg.mol-1 Md Trọng lượng dung môi kg N Số phân tử mol Nk Số phân tử khí mol Nm Phần mol - NA Hằng số Avogadro. 6,0221415. 1023 mol-1 NV Tỷ khối m3.mol-1 Ntt Số tương tác Q Nhiệt lượng J Qđ Nhiệt lượng động lực học J Qp Nhiệt hóa học J Qn Nhiệt nung nóng J Qhk Hạ nhiệt của chu trình Carnot J không thuận nghịch Qht Hạ nhiệt của chu trình Carnot J thuận nghịch Qc Nhiệt lượng của chu trình Qt Nhiệt lượng của quá trình thuận J nghịch Qk Nhiệt lượng của quá trình không J thuận nghịch Qh Hạ nhiệt của chu trình Qcs Công suất phát nhiệt của điểm W.m-3 M(x,y,z) J J 16 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt Qv Nguồn nhiệt W R Hằng số khí m3·Pa·K-1·mol-1 Rr Hằng số khí cho trường hợp riêng S Entropy J.mol-1K-1 T Nhiệt độ K Tn Nhiệt độ làm nguội K Tp Nhiệt độ Planck K Tn Nhiệt độ nung nóng của chu trình K Th Hạ nhiệt độ của chu trình K Tt Trường nhiệt T(x,y,z,t). To Nhiệt độ eutectic K U Nội năng J Uđ Động năng tổng của các phân tử J Uhđ Hiệu điện thế nhiệt trong vật lý mV bán dẫn U2-U1 Nội nhiệt chuyển thể J V Thể tích dm3 Vr Thể tích riêng phần m3 Vm Thể tích mol m3.kmol-1 Vd Thể tích dung môi mol.dm-3 Vđ Thể tích qua miệng rót m3 Vhk Khối lượng hợp kim lỏng m3 Xm Phần mol o /X/ Nguyên tố X trong hợp kim, hợp kim 17 Ký hiÖu (X) Nguyên tố X trong xỉ {XO} Thể khí của XO XS Nguyên tố X ở trạng thái rắn /%X/ Hàm lượng nguyên tố X trong hợp /%/ kim, hợp kim ∆A’ Công ngoại vật J ∆Gmax Năng lượng đông đặc, kết tinh cal(g.ngtử)-1 ∆Gt.l Năng lượng chuyển hoá tinh thể lập phương, cal(g.ngtử)-1 ∆H Biến thiên entalpy J.mol-1 ∆L Ẩn nhiệt riêng J.kg-1 ∆Q’ Nhiệt lượng trao đổi giữa hệ với J ngoại vật ∆S Biến thiên entropy ∆Sm Biến thiên entropy môi trường J.mol-1K-1 ngoài ∆T Biến thiên nhiệt độ ∆Ttg Bước thời gian ∆U Nội năng của hệ J ∆Vk Thay đổi thể tích của chất khí m3 ∆Vf Biến thiên thể tích khi thay đổi pha ∆φ Góc quay 0o a Gia tốc trọng trường m.s-² att Cạnh của tinh thể lập phương, ap Hệ số dãn nở đẳng áp K-1 ad Hệ số dãn nở tổng quát K-1 J.mol-1K-1 K 18 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt ai Hoạt độ - aim Hoạt độ theo phần mol và áp suất - a' Hằng số Van der Waals - a/X/ Hoạt độ của nguyên tố X trong phản ứng hoá học b' Hằng số Van der Waals - c Nhiệt dung riêng J·kg-1·K-1 cm Nhiệt dung riêng phân tử J·kg-1·K-1 cas Tốc độ ánh sáng. e Điện tích nguyên tử trong công thức hằng số Faraday eXY Hệ số tương tác của của nguyên tố X với nguyên tố Y fXY Hệ số hoạt độ của nguyên tố X với nguyên tố Y fio Hệ số hoạt độ của thành phần i tinh sạch f Hoạt tính - fL Lực N ff Tổng số pha của hệ, - fr Tỷ phần pha rắn % fr(tn) Phần trăm pha rắn của tế bào % fi Hệ số hoạt độ của thành phần i g Gia tốc rơi tự do ≈ 9,8 m.s-2 gradT Vận tốc thay đổi nhiệt độ cực đại K.m-1 h Chiều cao m 19 Ký hiÖu ħ Hằng số Planck 6.626068896 × 10-34 J.s kB Hằng số Boltzman 1,38(24).10-23 J.K-1 k Hệ số trong công thức năng lượng J.,mol-1 cơ học kd Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, W·m−1·K−1 kF Hệ số của định luật Fourier W.m-1.oK-1 ktn Hệ số truyền nhiệt, mật độ và dung tích nhiệt k Không thuận nghịch kp Hệ số phân chia lct Nhiệt được chuyển thành công. J lc Nhiệt chảy lỏng riêng J·kg-1 ls Nhiệt sôi riêng J.kg-1 lđ Nhiệt đông đặc riêng J·kg-1 lh Nhiệt hóa hơi riêng J·kg-1 lt Nhiệt thăng hoa riêng J·kg-1 log K3 logarit của hằng số cân bằng phản ứng m Trọng lượng mc.o Hằng số cân bằng cácbon và ôxy trong hệ mt Khối lượng toàn phần kg mo Khối lượng ban đầu (nghỉ) kg mm Trọng lượng của phần tử chất kg.mol-1 mA Trọng lượng của thành phần A kg.mol-1 mB Trọng lượng thành phần B kg - g, kg 20 NhiÖt ®éng lùc häc kü thuËt n Số mol mol nA Lượng chất của thành phần A, mol nh Lượng thành phần trong hỗn hợp - nk số các hạt trong khối khí - n Hướng pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt T=const, p Áp suất Nm-2 pt Áp suất tổng theo định luật Dalton Nm-2 pn Áp suất ngoài, Nm-2 pl Áp suất chất lỏng Nm-2 pX Xung lượng tương đối tính Nm-2 pđ Động lượng J.mol-1 p Công suất của chuyển động quay W qm Điện tích nguyên tử - q Vectơ dòng nhiệt phân tố W·m−2 r0 Đường đi - ri Tỷ phần thể tích của khí có thành phần i s Véc-tơ quãng đường thẳng m s Diện tích m2 sđ Bề mặt phẳng rót qua miệng rót m2 st Số lượng thành phần độc lập. - t Thuận nghịch - ut Động năng trung bình 1 phần tử J u Vectơ tốc độ, v Vận tốc chuyển động m.s-