Bài giải Kĩ thuật nhiệt - Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động

Nội dung text: Bài giải Kĩ thuật nhiệt - Chương 2: Định luật nhiệt động thứ nhất và các quá trình nhiệt động

1. Chƣơng 2 : ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG 2.1 Định luật nhiệt động thứ nhất 2.2 Một số quá trình nhiệt động cơ bản khí lý tưởng 2.3 Củng cố kiến thức và kết thúc bài 2.2 Hướng dẫn tự lực
2. 2.1 Định luật nhiệt động thứ nhất 2.1.1 Phát biểu của định luật nhiệt động I Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động. Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng thì năng lượng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình luôn luôn bằng tổng đại số năng lượng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lượng nhận vào hay nhả ra trong quá trình đó.
3. 2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I Định luật nhiệt động I có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau như sau: Trong trường hợp tổng quát: Đối với 1 kg môi chất: dq = du + dl (2-1) ∆q = ∆u + l (2-2) Đối với G kg môi chất: ∆Q = ∆U + L Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv,
4. 2.2 Một số quá trình nhiệt động cơ bản khí lý tưởng 2.2.1. Khái niệm Khi hệ cân bằng ở một trạng thái nào đó thì các thông số trạng thái sẽ có giá trị xác định. Khi môi chất hoặc hệ trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường thì sẽ xẩy ra sự thay đổi trạng thái và sẽ có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi, khi đó ta nói hệ thực hiện một quá trình nhiệt động.
5. 2.2.2. Cơ sở lí thuyết để khảo sát một quá trình nhiệt động Khảo sát một quá trình nhiệt động là nghiên cứu những đặc tính của quá trình, quan hệ giữa các thông số cơ bản khi trạng thái thay đổi, tính toán độ biến thiên các thông số u, i, s, công và nhiệt trao đổi trong quá trinh, biểu diễn các quá trình trên đồ thị p-v và T-s. Để khảo sát một quá trình nhiệt động của khí lý tưởng ta dựa trên những qui luật cơ bản sau đây: - Đặc điểm quá trình -Phương trình trạng thái Phương trình định luật nhiệt động I
6. 2.2.3. Một số quá trình a. Quá trình đẳng tích * Định nghĩa: Quá trình đẳng tích là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện thể tích không đổi. v = const, dv = 0. Ví dụ: làm lạnh hoặc đốt nóng khí trong bình kín có thể tích không thay đổi. * Quan hệ giữa các thông số: Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT Ta có: p/T= R/v = const
7. Đồ thị quá trình đẳng tích
8. 2.2.4 Quá trình đẳng áp * Định nghĩa: Quá trình đẳng áp là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi. p = const, dp = 0. * Quan hệ giữa các thông số: Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, ta có: p/R = T/v = const
9. * Công thay đổi thể tich của quá trình: Vì quá trình đẳng áp có p = const, nên công thay đổi thể tích: 2 l = ∫ pdv = p(v2 - v1) = R(T2 - T1) 1 * Công kỹ thuật của quá trình: 2 lkt = ∫ − vdp = 0 vì dp = 0, 1 * Nhiệt lượng trao đổi với môi trường: Theo định luật nhiệt động I ta có: q = ∆i + lkt , mà lkt = 0 nên: q = ∆i = Cp (T2 - T1) * Biến thiên entropi: Độ biến thiên entrôpi của quá trình được xác định bằng biểu thức: dq = di - vdp = di (vì dp = 0), do đó ta có Lấy tích phân ta có:ds=qT=di
10. Đồ thị quá trình đẳng áp
11. 2.3. Quá trình đẳng nhiệt * Định nghĩa: Quá trình đẳng nhiệt là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ không đổi. T = const, dt = 0. * Quan hệ giữa các thông số: Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, mà R = const và T = const, do đó suy ra: hay: pv = RT = const p1v1 = p2v2 nghĩa là trong quá trình đẳng nhiệt, thể tích thay đổi tỉ lệ nghịch với áp suất, suy ra: p1= v2 (3-22) p2 v1
12. Đồ thị quá trình đẳng nhiệt
13. 3.2.4. Quá trình đoạn nhiệt * Định nghĩa: Quá trình đoạn nhiệt là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện không trao đổi nhiệt với môi trường. q = 0 hay dq = 0. * Phương trình của quá trình: Từ các dạng của phương trình định luật nhiệt động I ta có: dq = CpdT - vdp = 0 dq = CvdT + pdv = 0 suy ra: CpdT = vdp CvdT = -pdv
14. Đồ thị quá trình đoạn nhiệt
15. Chương 3 : ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II 3.1 Khái niệm 3.2 Chu trình nhiệt động 3.3 Một vài cách phát biểu của định luật nhiệt động 2 3.4 Củng cố kiến thức và kết thúc bài 3.5 Hướng dẫn tự lực
16. 3.1 Khái niệm
17. 3.2 Chu trình nhiệt động
18. 3.3 Một vài cách phát biểu của định luật nhiệt động 2
19. Chƣơng 4: HƠI NƢỚC 4.1 TỔNG QUÁT 4.2 QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP 4.3 CÁC GIẢN ĐỒ BIỂU THỊ MỐI QUAN HỆ P-V-T 4.4 QUÁ TRÌNH NÓNG CHẢY VÀ THĂNG HOA 4.5 CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ 4.6 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN
20. 4.1 TỔNG QUÁT 4.1.1 Khái niệm cơ bản Hơi nước là khí thực Hơi nước có rất nhiều ưu điểm so với các môi chất khác như có nhiều trong thiên nhiên, rẻ tiền và đặc biệt là không độc hại đối với môi trường và không ăn mòn thiết bị, do đó nó được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơi nước thường được sử dụng trong thực tế ở trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể bỏ qua thể tích bản thân phân tử và lực hút giữa chúng. Vì vậy không thể dùng phương trình trạng thái lí tưởng cho hơi nước được dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình Vukalovich-novikov:
21. 4.1.2 Vai trò của nƣớc và tuần hoàn nƣớc • Nƣớc chiếm 80-90% trọng lƣợng cơ thể thực vật • Trao đổi nƣớc giữa khí quyển, đất liền và đại dƣơng • Vận chuyển năng lƣợng trong khí quyển (hoàn lƣu khí quyển và bão nhiệt đới) • Điều hòa độ mặn của nƣớc biển. • Cung cấp nguồn dinh dƣỡng cho sinh vât biển (quyết định năng suất của hệ sinh thái biển)
22. 4.2 QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP Mô tả quá trình
23. Vậy ở áp suất p không đổi, khi cấp nhiệt cho nước ta sẽ có các trạng thái O, A, C tương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình đó đ−ợc gọi là quá trình hoá hơi đẳng áp. Tương tự như vậy, nếu cấp nhiệt đẳng áp cho nước ở áp suất p1 = const thì ta có các trạng thái tương ứng kí hiệu O1, A1, C1 và ở áp suất p2 = const ta cũng có các điểm tương ứng là O2, A2, C2
24. Khi nối các điểm O, O1 , O2 , O3 ta được một đường gọi là đường nước chưa sôi, đường này gần như thẳng đứng, chứng tỏ thể tích riêng của nước rất ít phụ thuộc vào áp suất. Khi nối các điểm A, A1 ,A2, A3 ta được một đường cong biểu thị trạng thái nước sôi gọi là đường giới hạn dưới. Khi nhiệt độ sôi tăngthì thể tích riêng của nước sôi v’ tăng, do đó đường cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng áp suất. Khi nối các điểm C, C1, C2, C3 ta được một đường cong biểu thị trạng thái hơi bão hoà khô, gọi là đường giới hạn trên. Khi áp suất tăng thì thể tích riêng của hơi bão hoà khô giảm nên đường cong này dịch về phía trái.
25. 4.4 QUÁ TRÌNH NÓNG CHẢY VÀ THĂNG HOA * Quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng chất lỏng, ở nhiệt độ bất kì. - Điều kiện để xảy ra quá trình bay hơi : Muốn xảy ra quá trình bay hơi thì cần phải có mặt thoáng. - Đặc điểm của quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi xảy ra do các phân tử nước trên bề mặt thoáng có động năng lớn hơn sức căng bề mặt và thoát ra ngoài, bởi vậy quá trình bay hơi xảy ra ở bất kì nhiệt độ nào. - Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ bay hơi càng lớn.
26. * Quá trình sôi: Quá trình sôi là quá trình hoá hơi xảy ra cả trong lòng thể tích chất lỏng. - Điều kiện để xảy ra quả trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt độ của nó tăng lên và cường độ bay hơi cũng tăng lên, đến một nhiệt độ xác định nào đó thì hiện tượng bay hơi xảy ra cả trong toàn bộ thể tích chất lỏng, khi đó các bọt hơi xuất hiện cả trên bề mặt nhận nhiệt lẫn trong lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi. Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà. - Đặc điểm của quá trình sôi: Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất lỏng đó. ở áp suất không đổi nào đó thì nhiệt độ sôi của chất lỏng không đổi, khi áp suất chất lỏng càng cao thì nhiệt độ sôi càng lớn và ngược lại.
27. * Quá trình ngƣng tụ Quá trình ngược lại với quá trình sôi là quá trình ngưng tụ, trong đó hơi nhả nhiệt và biến thành chất lỏng. Nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi suốt trong quá trình ngưng tụ .
28. 4.5 CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ * Bảng nước chưa sôi và hơi qua nhiệt: Để xác định trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái độc lập. Trong vùng nước chứa sôi và vùng hơi qua nhiệt, nhiệt độ và áp suất là hai thông số độc lập, do đó bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt được xây dựng theo hai thông số này. Bảng nước chưa sôi và thông qua hơi nhiệt được trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho phép xác định các thông số trạng thái v, i, s của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ứng với một áp suất và nhiệt độ xác định nào đó. Từ đó định được: u = i – pv
29. 4.6 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN 4.6.1. Quá trình đẳng tích v= const Quá trình đẳng tích của hơi nước được biễu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i-s hình 5.4. Trạng thái đầu được biểu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đường p1 = const với đường t1 = const. Các thông số còn lại i1, s1, v1 được xác định bằng cách đọc các đường i, s và v đi qua điểm 1.
30. Trạng thái cuối được biễu diễn bằng điểm 2, được xác định bằng giao điểm của đường v2 = v1 = const và đường p2 = const, từ đó xác định các thông số khác như đối với điểm 1 - Công của quá trình: dl = pdv = 0 vì dv = 0, hay: l = 0 - Biến thiên nội năng: ∆u = (i2- p2v2) – (i1 – p1v1) ∆u = i2 – i1 – v(p2 – p1) - Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình: q = ∆u + 1 = ∆u
31. 5.4.2. Quá trình đẳng áp Quá trình đẳng áp của hơi nước được biểu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i–s hình 5.5. Trạng thái đầu được biễu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đường p1 = const với đường t1 = const. Các thông số còn lại i1, s1, v1 được xác định bằng cách đọc các đường i, s và v đi qua điểm 1.
32. Trạng thái cuối được biểu diễn bằng điểm 2, được xác định bằng giao điểm của đường p2 = p1 = const với đường x2 = const, từ đó xác định các thông số khác như đối với điểm 1. - Công của quá trình: V2 l = ∫pdv =p(v2v1) V1 - Biến thiên nội năng: ∆u = i2 – i1 – p (v2 – v1) - Nhiệt l−ợng trao đổi: q= ∆u + 1 = i2 - 11
33. Chương 5: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH ĐẶC BIỆT CỦA KHÍ VÀ HƠI 5.1 Qúa trình lưu động 5.2 Quá trình tiết lưu 5.3 Quá trình hỗn hợp khí và hơi 5.4 Quá trình làm việc của máy nén 5.5 Chu trình động cơ đốt trong 5.6 Chu trình Tuabin khí
34. 5.1 Qúa trình lưu động
35. 5.2 Quá trình tiết lưu
36. 5.3 Quá trình hỗn hợp khí và hơi • Bản chất của sự bốc hơi nước – Là quá trình chuyển trạng thái của nước từ thể lỏng hoặc thể rắn sang thể hơi – Điều kiện: ea – Đơn vị đo bốc hơi: bề dày của lớp nước bốc hơi (mm);1mm = 10 m3 ha-1 = 1 lít m-2 – Bốc hơi là quá trình tiêu tốn năng lượng: – Nhiệt hóa hơi là lượng nhiệt tiêu tốn cho 1 g hơi nước bốc hơi hoàn toàn. – L = 597 - 0,6t – Trong đó L là nhiệt hoá hơi của nước (cal g-1) và t là nhiệt độ của nước (0C). • Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc hơi • W = A.(E – e)/P • W: tốc độ bốc hơi (mm.ha-1.h-1) • A: hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió • E: áp suất hơi nước bão hoà ở nhiệt độ mặt bốc hơi • e: áp suất thực tế của hơi nước trên bề mặt bốc hơi • P: áp suất khí quyển
37. 5.4 Quá trình làm việc của máy nén
38. 5.5 Chu trình động cơ đốt trong
39. 5.6 Chu trình Tuabin khí
40. Chương 6: KHÔNG KHÍ ẨM 6.1 Khái niệm 6.2 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm 6.3 Quá trình bão hòa đoạn nhiệt và nhiệt độ nhiệt kế ướt 6.4 Các quá trình nhiệt động cơ bản và ứng dụng 6.5 Củng cố kiến thức và kết thúc bài 6.6 Hướng dẫn tự lực
41. 6.1 Khái niệm
42. 6.2 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm
43. – Độ ẩm riêng (g/kg): – Lượng hơi nước tính bằng gam chứa trong 1 kg không khí ẩm. – Độ hụt bão hòa(d): • Độ hụt bão hoà hay độ thiếu hụt ẩm (d) là hiệu số giữa áp suất hơi nước bão hoà và áp suất hơi nước thực tế ở nhiệt độ xác định • d = E(ta) – ea • d cho biết độ ẩm của không khí xa hay gần trạng thái bão hòa – Điểm sương () • Là nhiệt độ mà tại đó hơi nước chứa trong không khí đạt tới trạng thái bão hoà [ea = E()]. • Khi khoảng cách giữa t và  càng lớn, càng xa trạng thái bão hòa.
44. 6.3 Quá trình bão hòa đoạn nhiệt và nhiệt độ nhiệt kế ướt
45. 6.4 Các quá trình nhiệt động cơ bản và ứng dụng a. Quá trình thay đổi trạng thái không khí
46. b.Quá trình hòa trộn hai dòng không khí
47. Chương 8: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 8.1 Khái niệm 8.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình 8.3 Chất lỏng chảy bên trong ống 8.4 Chất lỏng chảy ngang qua chùm ống 8.5 Củng cố kiến thức và kết thúc bài 8.5 Hướng dẫn tự lực
48. 8.1 Khái niệm
49. 8.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình
50. 8.3 Chất lỏng chảy bên trong ống
51. 8.4 Chất lỏng chảy ngang qua chùm ống
52. Chương 10: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ 10.1 Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt 10.2 Các định nghĩa cơ bản của bức xạ nhiệt 10.3 Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt 10.4 Bức xạ chất khí 10.5 Củng cố bài và kết thúc 10.6 Hướng dẫn tự lực
53. 10.1 Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tượng trao đổi nhiệt giữa vật phát bức xạ và vật hấp thụ bức xạ thông qua môi trường truyền sóng điện từ.
54. 10.2 Các định nghĩa cơ bản của bức xạ nhiệt Khi tia sóng điện từ mang năng lượng Q chiếu vào bề mặt vật, vật sẽ hấp thụ một phần năng lượng (QA) để biến thành nội năng, một phần năng lượng (QR) bị phản xạ theo tia phản xạ và phần năng lượng còn lại (QD) sẽ truyền xuyên qua vật ra môi trường khác theo tia khúc xạ.
55. Phương trình cân bằng năng lượng sẽ là: Q = QA+ QR+ QD Ta gọi: QA/Q là A: hệ số hấp thụ QR/Q là R: hệ số phản xạ QD/Q là D: hệ số xuyên qua Nếu: • A = 1: Vật đen tuyệt đối • R = 1: Vật trắng tuyệt đối • D = 1: Vật trong tuyệt đối
56. 10.3 Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt 3.1. Định luật Planck
57. 3.2. Định luật Stefan-Boltzmann
58. 3.3. Định luật Kirrchoff
59. 10.4 Bức xạ chất khí 4.1. Đặc điểm chất xạ và bức xạ chất khí
60. 4.2. Định luật buoger và độ đen chất khí
61. 4.3. Tính bức xạ chất khí