Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 4: Bảo toàn năng lượng cho hệ kín - Định luật nhiệt động 1 cho hệ kín

a khí lý tưởng (hệ kín);  Nội năng, enthalpy, nhiệt dung riêng của chất lỏng, chất rắn. 3/26/2018 2 Closed systems  Không có trao đổi môi chất với môi trường; Ví dụ: Piston-Cylinder trong các đ/cơ đốt trong: - Giả thiết quá trình nạp khí sạch/thải khí cháy triệt tiêu nhau về khối lượng: mass(in) = air + fuel = mass(out) = exhaust gas. - Quá trình cháy được thay bằng quá trình cấp nhiệt (Qin ); - Quá trình thải được thay bằng quá trình thải nhiệt (Qout ). 4.1. Công thay đổi thể tích  Piston-Cylinder:  Áp suất P;  Diện tích A;  Piston dịch chuyển ds.  Công tạo ra:
 = 
 = . .
 = .
 Nhận xét:  Dấu phụ thuộc vào dV, dV dương (giãn nở) thì công dương; dV âm (nén) thì công âm;  Phổ biến ở các thiết bị piston-cylinder (internal combustion engines, displacement compressors, ) 3/26/2018 3 Công giãn nở - đồ thị công  Quá trình giãn nở (expansion) 1-2;  Công giãn nở:
 = 
→  =  
 Nhận xét:  Công thay đổi thể tích chính là diện tích phía dưới đường quá trình trên đồ thị P-V.  Đồ thì P-V được gọi là đồ thị công. Work –function of path  Quá trình giãn nở từ state 1 – state 2, theo các đường A, B, C.  Nhận xét:  Diện tích phía dưới đường quá trình phụ thuộc đường đi:   >   >    Công là hàm của quá trình.  Công chỉ phát sinh khi hệ thống diễn ra quá trình bằng cách trao đổi với môi trường qua biên hệ.  Khi V tăng, quá trình giãn nở (expansion), Công dương (sinh công);  Khi V giám, quá trình nén (compression), Công âm (tiêu thụ công). 3/26/2018 4 Work of cycle  Hệ kín thực hiện chu trình:  =   =    = ! !  ! !  Nhận xét:  Các hệ luôn hoạt động theo chu trình.  Công có ích theo chu trình Vận dụng: Động cơ đốt trong, - W sinh ra ở đâu (chi tiết nào)? - W chu trình có được sử dụng có ích cả không. Nếu không mất mát cho những gì? Công quá trình: Constant-Volume  Đẳng tích, V = const: ! = " 
= 0   Nhận xét:  Quá trình đẳng tích không sinh công.  Nhiệt cấp vào hay nhả ra chỉ làm thay đổi nội năng. 3/26/2018 5 Công quá trình: Constant-Pressure  Áp suất không đổi: P2 = P1 = P0  Nhận xét: Nhiệt lượng cấp vào làm hệ giãn nở, sinh công qua biên hệ. Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal)  Nhiệt độ không đổi: T2 = T1 = T0  Với khí lý tưởng: (C = const) 3/26/2018 6 Công QT đa biến (Polytropic)  Là quá trình có chỉ số nén đa biến (n) có thể thay đổi.   = $ = %&'(.  Công quá trình:  Với KLT: Quá trình đa biến  Nhận xét:  Khi n = 1:  = $ → Quá trình đẳng nhiệt.  Khi n = 0:  ) = %&'( →  = %&'( (Đẳng áp).  Khi n = k:  * = %&'(, quá trình đoạn nhiệt.  Khi n = ∞: quá trình đẳng tích. 3/26/2018 7 4.2. Cân bằng năng lượng hệ kín  Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:  3 dạng truyền năng lượng:  Dạng nhiệt (Heat);  Dạng công (Work);  Khi có trao đổi chất (Mass flow).  Với hệ kín: Không có trao đổi mass. Hệ kín thực hiện chu trình  Hệ kín:  Hệ kín thực hiện Cycle:  first state ≡ final state;  +đầ. = +.ố0 → ∆+  0.  Cân bằng năng lượng hệ kín: 20  2. 3 40 .5 = 0 → 2,0  ,.  Nhận xét: Trong hệ kín làm việc theo chu trình, công sinh ra bằng lượng nhiệt thực nhận. 3/26/2018 8 Hệ kín – Nhà máy nhiệt điện  Hãy viết PT cân bằng năng lượng? Hệ kín – Điều hòa không khí  Hãy viết PT cân bằng năng lượng? 3/26/2018 9 Cân bằng năng lượng hệ kín (ĐL 1) 18 4.3. Specific Heat (heat capacity)  Định nghĩa: Là năng lượng (nhiệt) cần cung cấp để làm tăng một đơn vị (khối lượng/thể tích/mol) vật chất lên một độ.  Đơn vị:  kJ/(kg 0C) or kJ/(kg K)  cal/(g 0C) or cal/(g K)  Btu/(lbm 0F) or Btu/(lbm R)  Công thức chung: TmCE ∆=∆ 3/26/2018 10 19 NDR đẳng tích, đẳng áp: Cv, Cp Cv năng lượng cần cấp để nhiệt độ của một đơn vị vật chất tăng lên 1 độ khi thể tích của hệ không đổi. (Constant volume). Cp năng lượng cần cấp để nhiệt độ của một đơn vị vật chất tăng lên 1 độ khi áp suất của hệ không đổi. (Constant pressure) Cp > Cv 20 Ý nghĩa toán học của Cv E=U+KE +PE dΕ = dU ∆Ε = ∆U dE= mCvdT du = CvdT v v T uC       ∂ ∂ = Hệ thống đẳng tích. Cấp nhiệt để T1 đến T2. 3/26/2018 11 21 p p T hC       ∂ ∂ = h (enthalpy) bao gồm nội năng (u) và công thay đổi thể tích-system boundary khi P = constant). Biểu diễn toán học của Cp h u Pv= + 22 Cp luôn lớn hơn Cv. Cần nhiều năng lượng hơn để nung nóng vật chất khi P = const do phải tốn thêm năng lượng làm dịch chuyển biên hệ (giãn nở). Như vậy năng lượng (nhiệt) được cấp (trừ hệ đẳng tích) được dùng để: Tăng nội năng (u); Thực hiện công thay đổi thể tích. Quan sát 3/26/2018 12 23 Nhận xét  Cv và Cp được biểu diễn qua các thông số u, h, T – là các thông số trạng thái. Vì vậy Cv và Cp cũng là các thông số trạng thái.  Vì Cv và Cp là các thông số trạng thái nên chúng độc lập với quá trình. v v T uC       ∂ ∂ = p p T hC       ∂ ∂ = 24  TABLE A-2: Bảng nhiệt dung riêng của KLT:  Table A-2a: NDR ở 300K;  Table A-2b: NDR ở các nhiệt độ khác nhau;  Table A-2c: NDR phụ thuộc vào nhiệt độ: Cp = a + bT + cT2 + dT3 Xác định NDR 3/26/2018 13 25  +++==∆ 2 1 322 1 )( dTdTcTbTadTCh p ( ) ( ) ( ) 432 4 1 4 2 3 1 3 2 2 1 2 2 TTdTTcTTbaTh −+−+−+=∆ Quá phức tạp!! Chỉ sử dụng khi cần độ chính xác cao!! Tính nhiệt: Method 1 Sử dụng công thức: 26 Tính nhiệt: Method 2  Tra bảng u, h theo nhiệt độ (các tích phân này đã được tính sẵn và lập bảng):  Table A-17 cho không khí;  Các bảng A-18 đến A-23 cho các KLT khác. 0 0 T o vT u u C dT = − =  dTChh T T po  ==− 00 3/26/2018 14 27 Tính nhiệt: Method 3  Sử dụng NDR trung bình:  NDR của các chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và là các hàm liên tục;  Có thể tuyến tính hóa các hàm này trong các khoảng nhiệt độ nhất định (không quá lớn – có thể đến vài trăm độ) 28 Method 3  NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ:  Tav = (T1+T2)/2  u2-u1=Cv,av(T2-T1)  h2-h1=Cp,av(T2-T1) 3/26/2018 15 29 Cv và Cp đối với KLT $  $! = 7$ $! = 8 R là gì? k là gì? 4.4. Nội năng, enthalpy của KLT  Với KLT, Nội năng và Enthalpy là hàm của nhiệt độ 9 = 9 : ;
9 = $!
:ℎ = ℎ : ;
ℎ = $
: Tính theo NDR thực: (tra bảng Table A-2c) Tính theo NDR trung bình: 3/26/2018 16 31  Với chất rắn, lỏng, thể tích riêng hầu như không thay đổi trong một quá trình cụ thể.  Không phân biệt Cv và Cp của các chất không chịu nén (rắn, lỏng). NDR của chúng được ký hiệu là C. Cp = Cv = C 4.5. Nội năng, Enthalpy của liquids, solids 32 du C dT CdTV= = ∆ ∆u C T C T T= = −( )2 1 Internal energy of Solids and Liquids 3/26/2018 17 33 h u Pv= + dh du Pdv vdP= + + ∆ ∆ ∆ ∆ ∆h u v P C T v P= + = + dv = 0 với các chất không chịu nén (lỏng, rắn) 0 Rất nhỏ với solids Enthalpy of Solids TCuh avg∆≅∆=∆ 34 Enthalpy of Liquids ∆ ∆ ∆ ∆ ∆h u v P C T v P= + = + Có 2 trường hợp: Constant pressure process, Constant temperature process, TCuh avg∆≅∆=∆ 0=∆P 0=∆T Pvh ∆≅∆ 3/26/2018 18 Summary  Hệ kín; Công thay đổi thể tích trong hệ kín và ứng dụng trong kỹ thuật;  Hệ kín thực hiện chu trình; Công chu trình;  Bảo toàn năng lượng của hệ kín (Phương trình ĐL nhiệt động 1 cho hệ kín);  Nhiệt dung riêng, Nội năng, Enthalpy của KLT, chất lỏng, chất rắn. Homework  Làm bài tập đợt 2 (các chương 3, 4);  Tuần sau giải đáp;  Tuần tiếp theo nộp. 3/26/2018 19 Thank you for attention!