Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Bài: Năng lượng Bảo toàn năng lượng (Định luật nhiệt động học 1)

hermodynamics Group 4 23 Objectives - Năng lượng của hệ, các dạng năng lượng; - Hai dạng truyền năng lượng là nhiệt và công; - Các dạng công khác nhau; - Sự bảo toàn năng lượng – Định luật nhiệt động học thứ nhất; - Hiệu suất truyền năng lượng; - Năng lượng và ô nhiễm môi trường. Sự bảo toàn khối lượng 4 • Nguyên lý chung: Vật chất (Khối lượng) được bảo toàn, không sinh ra và mất đi, chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác • Đối với hệ nhiệt động: Khối lượng vào – Khối lượng ra = Sự thay đổi khối lượng.
 −
 =  3Sự bảo toàn khối lượng 5 • Hệ kín:  = ;  = 0 Ví dụ: Lốp xe, động cơ đốt trong sau khi coi các quá trình nạp và thải là triệt tiêu nhau. • Hệ hở: thường gặp với các giả thiết là dòng chảy đều và ổn định: • Ví dụ: vật chất (lỏng, khí) chảy qua ống; hơi nước chảy qua động cơ tuabin hơi. 6 Năng lượng: Nhiệt, Công, sự truyền năng lượng Energy: Heat, Work, Energy Transfer 4Sự bảo toàn năng lượng 7  Ví dụ 1: Tủ lạnh làm việc trong phòng kín, cách nhiệt, cánh tủ mở.  Nhiệt độ phòng ntn?  Các dạng năng lượng tham gia vào quá trình?  Ví dụ 2: Quạt chạy trong phòng kín, cách nhiệt.  Nhiệt độ phòng ntn?  Các dạng năng lượng tham gia vào quá trình?  Cơ sở để kết luận về sự thay đổi nhiệt độ? Các dạng năng lượng (Forms of Energy) Năng lượng (Energy) Trong hệ ổn định (không tồn tại ảnh hưởng của điện, từ, ), năng lượng toàn phần (E) của hệ bao gồm: Động năng (kinetic-KE), thế năng (potential-PE) và nội năng (internal-U): -- Động năng: -- Thế năng: Năng lượng toàn phần: Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng: 59 Năng lượng vi mô, vĩ mô  Năng lượng vĩ mô của hệ là năng lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm động năng và thế năng.  Năng lượng vi mô của hệ liên quan đến cấu trúc phân tử của hệ thống và độc lập với bên ngoài. Đó là nội năng.  Năng lượng của chuyển động phân tử: Nhiệt hiện (Sensible energy);  Năng lượng biến đổi pha: Nhiệt ẩn (Latent energy);  Năng lượng liên kết nguyên tử: Hóa năng (Chemical energy), Năng lượng nguyên tử (Atomic energy). Sự dụng năng lượng 10  Static energy: được tích trữ trong hệ thống;  Dynamic energy: được hệ thống trao đổi (qua biên hệ). Chỉ có 2 dạng năng lượng trao đổi:  Nhiệt (Heat);  Công (Work).  Ví dụ: Tuabin thủy điện:  Năng lượng vĩ mô của dòng chảy làm quay tuabin (sinh công).  Năng lượng vi mô chuyển động hỗn loạn các phần tử H2O không có tác dụng. 6Năng lượng trong hệ kín, hở  Hệ kín (close system):  Thường không có chuyển động (stationary);  KE = 0;  PE = 0;  ∆E = ∆U  Ví dụ: đun nóng vật chất trong một bình kín.  Hệ hở (control volume):  Có dòng chảy (mass flow rate);  Energy Flow rate  Ví dụ: Dòng chảy trong động cơ tuabin hơi 11 Sự thay đổi năng lượng trong hệ kín, hệ hở được nghiên cứu ở các chương sau. 12 Năng lượng truyền qua biên hệ kín  Dạng nhiệt (Heat): Nếu năng lượng truyền qua biên hệ liên quan đến sự chênh nhiệt độ.  Nếu không thì là work. Q W System Heat: là một dạng năng lượng (thermal energy) truyền giữa các vật (qua biên hệ) khi có sự chênh về nhiệt độ. 7Truyền năng lượng dạng nhiệt  Năng lượng có thể truyền qua biên hệ kín dạng Nhiệt hoặc Công.  Nhiệt truyền qua biên hệ khi có độ chênh nhiệt độ.  Nhiệt chỉ được nhận dạng khi truyền qua biên hệ 13 Truyền năng lượng dạng nhiệt  Nhiệt lượng trao đổi từ state 1 đến state 2:  Nhiệt lượng truyền/đơn vị thời gian (công suất truyền nhiệt):  =  (/, )  Tổng nhiệt lượng trao đổi:  Nếu công suất truyền nhiệt không đổi theo thời gian: 14 8Hệ thống đoạn nhiệt (Adiabatic)  Hệ thống diễn ra quá trình không có trao đổi năng lượng dạng Nhiệt với bên ngoài:  Khi hệ được bọc cách nhiệt;  Khi hệ không có chênh lệch nhiệt độ với xung quanh.  Phân biệt (adiabatic process) và Isothermal process (ĐẲNG NHIỆT)  Quá trình đoạn nhiệt có thể có sự thay đổi nhiệt độ. 15 Truyền năng lượng dạng công  Công trao đổi từ state 1 đến state 2:  Công truyền/đơn vị thời gian (công suất):  =  (   ,  Work là năng lượng trao đổi liên quan đến tác động lực và dịch chuyển (chuyển động) của hệ. 16 9Ký hiệu, đơn vị Nhiệt/Công  Q or 1Q2  Lượng nhiệt trao đổi trong quá trình từ trạng thái 1 đến trạng thái 2.  Units: kJ or BTU  q  Nhiệt lượng/đơn vị khối lượng.  Units: kJ/kg or BTU/lbm   Rate of heat transfer: Công suất truyền nhiệt  kJ/sec = kW  W or 1W2  Công thực hiện đối với một hệ thống để thay đổi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2.  Units: kJ or BTU  w  Công/đơn vị khối lượng.  Units: kJ/kg or BTU/lbm   Công suất (Power): Công/đơn vị thời gian.  kJ/sec = kW 17 • Q • W Quy ước dấu Nhiệt và Công  Heat truyền đến hệ thống (hệ thống nhận) mang dấu dương (+).  Heat truyền từ hệ thống ra môi trường mang dầu âm (-).  Work thực hiện do nhận tác động từ bên ngoài (tạo ra chuyển động của hệ) là công âm (-).  Work sinh ra bởi hệ thống (tác động ngược lại với môi trường) là công dương (+). 18 10 19 Đặc điểm Heat and Work  Nhiệt và công đều truyền qua biên hệ.  Các hệ thống nhiệt đều có năng lượng, nhưng không phải Nhiệt hay Công. Khi trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường qua biên hệ, năng lượng của hệ thay đổi.  Trao đổi nhiệt hoặc công diễn ra theo quá trình – không phải ở trạng thái cố định.  Nhiệt và công là hàm của quá trình: phụ thuộc vào đường đi quá trình và 2 trạng thái đầu, cuối. 20 Hàm trạng thái-Hàm quá trình? State (point) function-Path function?  Path functions ký hiệu bằng đạo hàm riêng δ, ví dụ δQ, δW. ( ) ∆=21 12 not WWWδ  Point functions ký hiệu bằng đạo hàm toàn phần ∆, ví dụ: ∆V  == 2 1 12 ΔV-VVdV Các thông số trạng thái (P, v, T) là hàm của trạng thái (point functions), Nhiệt và công là hàm của quá trình (path functions). 11 21  Công cơ học - Mechanical Work  Dich chuyển biên hệ (Moving boundary work)  Công trên trục (Shaft work)  Công lò xo (Spring work)  Công điện - Electric Work  (We=V I ∆t)  V =voltage  I=current  ∆t =time Các loại công - Types of work Nhiệt hay Công  Nung nóng một lò được cách nhiệt bằng may so điện.  Nếu coi hê thống bao gồm lò nung và may so điện thì hệ thống nhận Nhiệt hay Công?  Nếu coi hệ thổng không bao gồm may so điện thì hệ thống nhận Nhiệt hay Công? 22 12 Công cơ học  Lực tác dụng làm hệ chuyển động  Hai điều kiện xuất hiện công cơ học:  1. Có lực tác dụng lên biên hệ.  2. Biên hệ dịch chuyển. 23 Trong nhiều hệ nhiệt động, công cơ học là dạng công duy nhất và là mục đích của hệ Công trên trục (shaft work)  Lực F tác động qua cánh tay đòn r tạo thành mô men T:  Quãng đường dịch chuyển s khi trục quay được n vòng:  Sinh ra công trên trục:  Công suất trên trục: Với  là tốc độ quay của trục. 24 13 Công lò xo (spring work)  Lực F tác động làm lò xo dịch chuyển x:  Với lò xo tuyến tính:  Công lò xo: 25 Định luật NĐH thứ nhất First law of thermodynamics  Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay tự nhiên mất đi, mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác  Là nguyên lý bảo toàn năng lượng trong phạm vi nhiệt 26 VD2 Thế năng chuyển thành động năng VD1 Nhiệt năng tăng lên của hệ bằng nhiệt năng nhận được 14 First law of thermodynamics 27 VD4 Năng lượng tăng lên bằng tiêu thụđiện) công ( VD3 Nhiệt năng thực nhận bằng nhiệt năng nhận vào trừ nhiệt năng tỏa ra VD5 Năng lượng tăng lên bằng tiêu thụcơ học) điện/công ( Biểu thức ĐL1 28 15 ĐL 1 với hệ tĩnh tại (stationary)  Thường gặp các hệ tĩnh tại:  Không có chuyển động;  Không thay đổi độ cao.  Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện, căn phòng (điều hòa) 29 Các dạng truyền năng lượng  Dạng nhiệt (heat transfer);  Dạng công (work transfer);  Khi thay đổi lượng vật chất (mass flow). 30 16 Ví dụ 1  Két được làm mát với máy khuấy. Nội năng ban đầu: 800kJ; Lượng nhiệt tỏa ra: 500kJ; Điện năng máy khuấy tiêu thụ: 100kJ.  Hỏi: Năng lượng còn lại của hệ? 31 Ví dụ 2  Quạt tiêu thụ công suất 200W đặt trong phòng có nhiệt độ 250C, diện tích bao quanh A=30m2; Nhiệt truyền ra ngoài theo công thức  Xác định nhiệt độ phòng sau ổn định?  Công suất 200W truyền cho không khí trong phòng như thế nào? 32 17 Hiệu suất truyền năng lượng  Hiệu suất:  Hiệu suất truyền năng lượng:  = ă" #ượ" ℎậ đượ )ổ" ă" #ượ"  Ví dụ:  Đun nước trong bình nước nóng (điện):  = 90%  Đun nước trong bình nước nóng (gas):  = 55%  Hiệu suất quạt điện:  = ? 33 Hiệu suất truyền năng lượng  Hiệu suất toàn bộ: Một hệ thống có thể diễn ra nhiều quá trình biến đổi năng lượng. Ví dụ: Nhà máy nhiệt điện:  Quá trình cháy nhiên liệu trong lò hơi: Hiệu suất cháy;  Quá trình biến đổi năng lượng nhiệt thành cơ năng quay tuabin hơi: Hiệu suất nhiệt;  Quá trình biến cơ năng thành điện năng trên máy phát điện: Hiệu suất máy phát.  Hiệu suất động cơ đốt trong, đ/ =?  Hiệu suất nhà máy nhiệt điện, 01234 543 =? 34 18 Năng lượng và Môi trường Energy & Environment  Phần lớn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (Fossile fuels):  Coal,  LPG, LNG,  Gasoline,  Diesel Oil, Heavy Fuel Oil):  Các lĩnh vực chủ yếu:  Sản xuất điện;  Giao thông: Ô tô; máy bay; tàu hỏa; tàu thủy. 35 Energy & Environment  Khí thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch:  CO, CO2,  SOx,  NOx,  HC (VOCs) 36  Tác hại:  Hiệu ứng nhà kính (greenhouse effect);  Mưa axit (acid rain);  Suy giảm tầng Ozone (Ozone depletion);  Khói bụi (Smoke, Particulate Matters- PM) 19 Energy & Environment  Hiện tượng khói bụi đô thị (Smog and Ozone):  Là khói, bụi kết hợp với các Ozone ở tầng thấp, HC, Nox, thường xuất hiện trong những ngày nhiệt độ cao, lặng gió;  Tác hại: Gây cay mắt, khó thở, bệnh hô hấp; ảnh hưởng mùa màng 37 Energy & Environment  Mưa axit (Acid rain): Các khí SOx, NOx trong không khí kết hợp với hơi ẩm, nước mưa tạo thành nước mưa có hàm lượng axit cao  Tác hại: Mùa màng giảm năng suất, rừng, cây chậm phát triển, thủy sinh bị chết, phá hủy các công trình (tượng đồng/đá) 38 20 Energy & Environment  Hiệu ứng nhà kính:  Từ khi xuất hiện cách mạng công nghiệp (TK19), nhiệt độ trái đất tang lên bao nhiêu?  Khí nhà kính là những khí nào?  CO2 hiện chiếm bao nhiêu % trong không khí? Trước CMCN là bao nhiêu?  What should you do to save our planet? 39 Bài tập về nhà  Làm bài tập chương 3 (danh sách bài tập Chương 3, 4 đã post lên facebook);  Đọc:  Tiếng Việt: Chương IV – Sự bảo toàn năng lượng;  English: Chapter 4 – Enery analysis of closed systems 40