Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 6: Định luật nhiệt động học 2

Thang nhiệt độ › Hiệu suất chu trình Các nô 4/17/2018 2 Mục tiêu của chương › Giới thiệu ĐL 2: Chiều diến ra các quá trình. › Tìm hiểu các quá trình thỏa mãn cả 2 định luật (bảo toàn năng lượng và chiều diễn ra). › Làm quen với các khái niệm về nguồn nhiệt, quá trình thuận nghịch/không thuận nghịch, các dạng máy nhiệt: Động cơ nhiệt, máy lạnh, bơm nhiệt. › Mô tả các cách phát biểu ĐL2. › Thảo luận về khái niệm động cơ vĩnh cửu. › Ứng dụng ĐL2 để nghiên cứu các quá trình, chu trình. › Ứng dụng ĐL2 để phân tích về thang nhiệt độ động học. › Nghiên cứu chu trình Các nô. › Áp dụng chu trình Các nô cho động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt. › Xác định hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số làm nóng của các chu trình động cơ nhiệt, máy lạnh và bơm nhiệt. 6.1: Giới thiệu định luật 2 › Hiện tượng: – Cốc coffee tự nguội đi. – Cấp điện cho may so sinh ra nhiệt. – Vật nặng làm cánh khuấy quay làm nóng chất lỏng trong két. › Nhận xét 1: – Cốc coffee trong phòng không tự nóng lên. – Cấp nhiệt cho may xo điện không phát ra điện. – Cấp nhiệt cho két-cánh khuấy không làm cho trục quay để nâng vật nặng lên. › Nhận xét 2: – Các hiện tượng trên đều tuân theo ĐL 1 – Bảo toàn năng lượng. – Các quá trình ngược lại không xảy ra. 4/17/2018 3 Giới thiệu định luật nhiệt động 2 › Kết luận: – ĐL 1: › Chỉ ra sự bảo toàn năng lượng. › Không chỉ ra được các điều kiện thực hiện các quá trình. › Chỉ đánh giá năng lượng về số lượng (quantity). – ĐL 2: › Chỉ ra chiều hướng diễn ra quá trình. › Đánh giá năng lượng không chỉ về số lượng mà còn về chất lượng (quality) – (nhiều nhưng có dùng được không?). › Đánh giá khả năng, giới hạn sử dụng năng lượng trong các thiết bị như động cơ nhiệt, máy lạnh, hay bơm nhiệt. – Một quá trình diễn ra cần tuân theo cả 2 định luật. 6.2: Nguồn nhiệt (Thermal Energy Reservoirs) › Nguồn nhiệt: – là môi trường nào đó đủ lớn xung quanh các hệ thống nhiệt mà khi trao hay nhận một lượng nhiệt nhất định với hệ thống thì không làm thay đổi nhiệt độ. – Thường tận dụng môi trường tự nhiên xung quanh làm Nguồn nhiệt. – Ví dụ: › Nước: Sông, hồ, biển. › Không khí xung quanh. › 2 loại nguồn nhiệt: – Nguồn nóng (heat source): có nhiệt độ cao và truyền nhiệt cho hệ. – Nguồn lạnh (heat sink): có nhiệt độ thấp và nhận nhiệt từ hệ. › Nhiệt và vấn đề môi trường: – Nhiệt thải có thể làm tăng nhiệt độ môi trường, gây ra ô nhiếm (heat pollution). – Nhiệm vụ: Cần phải kiểm soát tốt nhiệt thải để giảm tác động đến môi trường 4/17/2018 4 › Quan sát 1: – Vật nặng rơi theo trọng lực làm quay cánh khuấy, sinh nhiệt, tăng nhiệt độ chất lỏng trong két. – Cấp nhiệt vào cánh khuấy không làm quay cánh (không nâng được vật nặng. › Quan sát 2: – Quay máy khuấy (bằng công ngoài) làm tăng nhiệt độ chất lỏng. – Cấp nhiệt vào chất lỏng không làm quay máy khuấy. › Nhận xét: – Quá trình chỉ diễn ra theo 1 chiều. – Cả 2 quá trình công biến thành nhiệt; Nhiệt không biến thành công. Hãy tìm một ví dụ nhiệt có thể biến thành công? 6.3: Động cơ nhiệt (Heat Engines) Động cơ nhiệt (Heat Engines) › Kết luận: – Công có thể biến trực tiếp và hoàn toàn thành nhiệt (không cần điều kiện gì). – Nhiệt chỉ có thể biến thành công khi sử dụng thiết bị đặc biệt, gọi là HEAT ENGINES. › Heat engines: Là thiết bị biến nhiệt thành công. – Nhận nhiệt từ các nguồn có nhiệt độ cao (Heat source). – Biến một phần nhiệt nhận được thành công. – Thải phần nhiệt còn lại cho nguồn có nhiệt độ thấp (Heat sink). – Hoạt động theo chu kỳ. › Heat engines cần sử dụng môi chất để thực hiện việc biến hóa năng lượng (working fluid). Hãy nhận dạng các thành phần sau với hệ thống Heat Engine là động cơ xe máy của bạn: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(net, out), Q(out). 4/17/2018 5 Nhận dạng Heat Engines – Nhà máy nhiệt điện › Cấu tạo: – Nồi hơi (boiler) để sinh hơi. – Tuabin (Turbine) để lai máy phát điện. – Bình ngưng (condenser) để ngưng tụ hơi nước sau turbine. – Bơm (pump) để bơm nước trở lại boiler. Hãy nhận dạng các thành phần sau với hệ thống: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(in), W(out), Q(out). Hãy viết phương trình cân bằng năng lượng (ĐL1)? Hệ thống kín hay hệ thống hở? ∆  0 →              , Công có ích của Heat Engines › Công trong Heat Engines: – Công nhận, W(in); – Công sinh ra, W(out); – Công có ích, W(net, out): › Vì sao   ,   ? Hãy nhận dạng các thành phần sau với động cơ diesel: - Heat source, Heat sink, Working fluid. - Q(in), W(in), W(out), Q(out). 4/17/2018 6 Hiệu suất nhiệt của Heat Engines › Công có ích:   ,    › Nhận xét: – Q(out) luôn > 0 (động cơ nhiệt không thể không thải nhiệt cho heat sink). – Công có ích W(net, out) luôn nhỏ hơn nhiệt cấp cho động cơ. – Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt luôn < 1. Hiệu suất nhiệt của Heat Engines › Quy ước: – QH là nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TH); – QL là nhiệt lượng thiết bị nhận từ nguồn có nhiệt độ cao TL). Bạn có biết hiệu suất nhiệt của các loại động cơ nhiệt: - Động cơ xăng? - Động cơ Diesel? - Nhà máy nhiệt điện (chu trình hỗn hợp gas-steam)? 25% 40% 60% 4/17/2018 7 Có thể tận dụng được QL? › Quan sát: – Cấp nhiệt (QH = 100kJ cho piston- cylinder ở điều kiện lý tưởng (bỏ qua ma sát, khối lượng piston, truyền nhiệt). – Hệ sinh công nâng vật nặng (Wnet,out= 15kJ). – Hỏi: Có thể truyền 85kJ còn lại ngược cho nguồn nóng để tiếp tục chu trình? – Trả lời: Y/N, Why? Có thể tận dụng được QL? › Kết luận: – Không thể biến 100% nhiệt thành công. – Không thể sinh công mà không thải một phần nhiệt cho nguồn lạnh. Ví dụ: Tính hiệu suất nhiệt của 2 động cơ nhiệt theo thông số trên 2 sơ đồ 4/17/2018 8 The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu của Kelvin–Planck › Không thể có thiết bị hoạt động theo chu kỳ mà chỉ nhận nhiệt từ một nguồn nhiệt và sinh công. › Cách khác: – Không có động cơ nhiệt có hiệu suất nhiệt 100%. – Để động cơ nhiệt (nhà máy nhiệt điện) hoạt động, hệ thống phải trao đổi nhiệt với cả nguồn nóng (furnace) và nguồn lạnh (environment). 6.4: Máy lạnh và Bơm nhiệt (Refrigerator & Heat Pump) › Nhiệt truyền tự nhiên từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp. › Quá trình ngược lại cần thiết bị Refrigerator. › Refrigerator là thiết bị hoạt động theo chu trình. › Môi chất lạnh (Refrigerant) thực hiện chu trình nén-ngưng tụ-tiết lưu-bay hơi. › Các thiết bị gồm: Máy nén, Bầu ngưng, Van tiết lưu, Dàn bay hơi. › Nguyên lý: – Máy nén (tiêu thụ công Wnet, in hút hơi môi chất và nén đến áp suất cao (superheated vapor). – Hơi môi chất trao nhiệt QH cho nguồn có nhiệt độ (nước, không khí), cao ngưng tụ thành lỏng ở Bầu ngưng. – Môi chất qua van tiết lưu, hạ nhiệt độ, áp suất. – Môi chất sôi, nhận nhiệt QL từ nguồn có nhiệt độ thấp (không khí trong vùng cần làm lạnh). 4/17/2018 9 Refrigerator VERSUS Heat Pump › Máy lạnh và Bơm nhiệt có chung nguyên lý: – Nếu QL là có ích → Máy lạnh – Nếu QH là co ích → Bơm nhiệt Liên hệ thực tiễn: - Hãy tìm một ví dụ về máy lạnh? - Hãy tìm một ví dụ về bơm nhiệt? Hệ số làm lạnh – Làm nóng (Coefficient of Performance) › Bơm nhiệt: – Required Input = Wnet,in – Desired Ouput = QH › Máy lạnh: – Required Input = Wnet,in – Desired Ouput = QL      ! Nhận xét: Khác với Hiệu suất nhiệt, Hệ số làm lạnh, làm nóng có thể > 1 4/17/2018 10 Air-conditioning: Cooling and Heating Modes The Second Law of Thermodynamics: Phát biểu của Clausius › Không thể chế tạo thiết bị hoạt động theo chu kỳ truyền nhiệt từ một nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao mà không tiêu tốn công. › Cách hiểu khác: – Muốn truyền nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao thì cần tiêu tốn công. 4/17/2018 11 So sánh 2 cách phát biểu › 2 cách phát biểu là tương đương: – Kelvin-Planck: cho động cơ nhiệt. – Clausius: cho máy lạnh/bơm nhiệt. › Nếu có thiết bị nào đó mà ngược với phát biểu của Kelvin-Planck thì cũng trái với nguyên lý của Clausius. 6.5: Động cơ vĩnh cửu (Perpetual-Motion Machines) › We’ve already known: Một quá trình bất kỳ nếu xảy ra đều tuân theo ĐL1 và ĐL2: – ĐL1: ? – ĐL2: ? › Perpetual-Motion Machine loại 1: – Nếu có thiết bị nào có thể hoạt động ngược với nguyên lý của ĐL1. › Perpetual-Motion Machine loại 1: – Nếu có thiết bị nào có thể hoạt động ngược với nguyên lý của ĐL2. 4/17/2018 12 Perpetual-Motion Machines Loại 1 › Nhà máy nhiệt điện hơi nước: – Điện sản xuất ra được sử dụng một phần để sinh hơi trong nồi hơi và lai bơm cấp nước. – Hệ thống sinh công ở máy phát W(net,out) và thải nhiệt Q(out) ở bình ngưng. – Hệ thống không nhận nhiệt và công từ nguồn ngoài. › Hệ thống không tuân theo ĐL1. Perpetual-Motion Machines Loại 1 › Nhà máy nhiệt điện: – Bỏ qua bình ngưng để không thải nhiệt ra môi trường: Q(out) = 0. – Hơi nước sau turbine được bơm trực tiếp vào nồi hơi. – Hệ thống nhận nhiệt Q(in) ở nồi hơi. – Hệ thống sinh công W(net,out) ở turbine. 4/17/2018 13 6.6: Thuận nghịch và không thuận nghịch (Reversible and Irreversible) › Quá trình thuận nghịch: Là quá trình mà sau khi tiến hành, hệ thống có thể trở về trạng thái ban đầu mà không làm thay đổi gì. › Ví dụ: – Quả lắc nếu không có ma sát. – Quá trình nén khí trong piston- cylinder nếu bỏ qua rò lọt và ma sát. › Quá trình không thuận nghịch: là quá trình không trở lại trạng thái ban đầu. › Thực tế không có quá trình thuận nghịch do ma sát, rò lọt. 6.7: Chu trình Carnot (Carnot Cycle) › Already known: Động cơ nhiệt: – Là thiết bị làm việc theo chu kỳ. – Sinh công trong một phần chu kỳ. – Tiêu thụ công ở phần còn lại. – Công có ích: W(net,out) = W(out) – W(in). › Tăng công có ích bằng cách thực hiện các quá trình thuận nghịch (không có rò lọt, ma sát). – Chu trình thuận nghich được tạo bởi các quá trình thuận nghịch. – Hiệu suất biến đổi năng lượng tốt nhất với các chu trình thuận nghịch. – Là đích để nghiên cứu phát triển các thiết bị. – Carnot Cycle là một chu trình tiêu biểu. 4/17/2018 14 Chu trình Carnot: Heat Engines › Thiết bị: – Piston-Cylinder. – Loại thiết bị: Heat Engine. – Loại hệ thống: Closed. – Môi chất: Khí lý tưởng. › Nguyên lý: 4 quá trình: – Giãn nở đẳng nhiệt (Isothermal Expansion): Piston từ Điểm Chết Trên (ĐCT) được cấp nhiệt QH, môi chất giãn nở sinh công, TH = const. – Giãn nở đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Dừng cấp nhiệt, môi chất tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt (Q=0), sinh công, nhiệt độ giảm TH → TL. – Nén đẳng nhiệt (Isothermal Compression): Piston đến Điểm Chết Dưới (ĐCD) bắt đầu nén đẳng nhiệt, tiêu thụ công, TL = const. – Nén đoạn nhiệt (Adiabatic Compression): Tiếp tục nén, tiêu thụ công, nhiệt độ tăng TL → TH , piston đến ĐCT. – Quá trình tiếp tục lặp lại. Chu trình Carnot: P-V diagram › Công chu trình trình (boundary work): – 1-2 nhận nhiệt, giãn nở sinh công. – 2-3 tiếp tục sinh công. – 3-4 nén, tiêu thụ công. – 4-1 nén, tiêu thụ công. – Wnet,out = diện tích bao bởi chu trình. Đồ thị P-V gọi là đồ thị gì? Tại sao? 4/17/2018 15 Chu trình Carnot: Refrigerator/Heat Pump › Carnot cycle tạo bởi các quá trình thuận nghịch. › Có thể đảo ngược các quá trình thuận nghịch thành chu trình Carnot ngược chiều. Nhận xét: - Chu trình động cơ nhiệt (Heat engine) được biểu diễn trên các đồ thị có chiều diễn ra cùng chiều kim đồng hồ. - Chu trình máy lạnh/bơm nhiệt, ngược lại, có chiều diễn biến ngược chiều kim đồng hồ. 6.8: Nguyên lý Carnot › 1. Hiệu suất của các máy nhiệt không thuận nghịch luôn nhỏ hơn hiệu suất của các máy nhiệt thuận nghịch làm việc với cùng các (2) nguồn nhiệt. › 2. Hiệu suất của các máy nhiệt thuận nghịch hoạt động với các nguồn nhiệt (2) như nhau thì bằng nhau. Chứng minh các nguyên lý Carnot: Đọc thêm trong sách 4/17/2018 16 6.9: Thang nhiệt độ động học › Nguyên lý Carnot: Hiệu suất nhiệt chỉ phụ thuộc nhiệt độ 2 nguồn nhiệt: › Hiệu suất động cơ nhiệt: " #  $%&', &() " #  1 ( ' +, +-  $%&' , &() Thang nhiệt độ động học › Hiệu suất động cơ nhiệt thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của 2 nguồn nhiệt: " #  $%&', &() Tỷ số giữa nhiệt độ 2 nguồn lạnh phụ thuộc vào tỷ số lượng nhiệt truyền giữa 2 nguồn nhiệt của 1 máy nhiệt thuận nghịch và không phụ thuộc tính chất môi chất, thiết bị sử dụng. Năm 1954, Hội nghị về đo lường thống nhất lấy điểm 3 thể của nước là 273,16K: - Temperature Kelvin gọi là thang nhiệt độ động học. - Nhiệt độ Kelvin gọi là Nhiệt độ tuyệt đối (absolute temperature). 4/17/2018 17 6.10: Động cơ nhiệt Carnot › Động cơ nhiệt Carnot có hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ khác có cùng 2 nguồn nhiệt. › Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt bất kỳ: › Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch: › Động cơ Carnot có hiệu suất cao nhất: Hiệu suất Carnot (Carnot efficiency). " #  1 ( ' " #  1 &( &' Hiệu suất bao nhiêu? › 2 nguồn nhiệt: – TH = 1000K; – TL = 300K. › Hiệu suất: – Động cơ nhiệt thuận nghịch: ηth = 0,7. – Động cơ nhiệt không thuận nghịch: ηth < 0,7. – Không thể có động cơ nhiệt có ηth > 0,7. 4/17/2018 18 Hiệu suất bao nhiêu? › Ví dụ: – Given: Động cơ Carnot với 2 nguồn nhiệt: › TH = 6520C; › TL = 300C. – Findings: › Hiệu suất nhiệt. › Lượng nhiệt động cơ thải cho nguồn lạnh. › Công có ích. “Chất lượng” năng lượng Energy quality › Khảo sát động cơ Carnot: – Giữ nguyên nguồn lạnh (TL = 303K). – Tăng dần nhiệt độ nguồn nóng TH. – Hiệu suất nhiệt tăng dần. Kết luận: Ở nhiệt độ càng cao, năng lượng càng “chất lượng”. Nghĩa là càng nhiều năng lượng được biến đổi thành công. 4/17/2018 19 Chất lượng VERSUS Số lượng › Nhận xét: – Không chỉ số lượng, mà chất lượng năng lượng rất quan trọng. – Có những năng lượng sử dụng được, có loại không hoặc khó sử dụng. Ví dụ: - Năng lượng mặt trời rất lớn trên trái đất (số lượng), nhưng rất khó sử dụng vì nhiệt độ thấp (chất lượng kém). - Năng lượng từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch có chất lượng tốt (nhiệt độ cao 2000K). › Nhận xét: – Công (work) quý hơn nhiệt (heat) vì công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt, nhiệt chỉ biến một phần thành công. – Khi biến nhiệt thành công (trong các động cơ nhiệt), một phần nhiệt thải cho nguồn lạnh. Phần nhiệt này bị mất phẩm chất và không sử dụng được. 6.11: Máy lạnh/Bơm nhiệt Carnot › Là thiết bị làm việc theo chu trình Carnot thuận nghịch ngược chiều. – Hệ số làm lạnh Máy lạnh Carnot: – Hệ số làm nóng Bơm nhiệt Carnot: Máy lạnh thuận nghịch Carnot có COP lớn nhất. Máy không thuận nghịch có COP nhỏ hơn. Không thể có máy có COP lớn hơn COP của máy lạnh thuận nghịch. 4/17/2018 20 Ví dụ › Givens: – Máy lạnh Carnot R143a; – m = 0,8kg; – TL= -80C, TH = 200C; – Công tiêu thụ Win = 15kJ; – R134a là hơi bão hòa ở cuối quá trình thải nhiệt (điểm 4). › Findings: – Độ khô của R134a ở cuối quá trình bay hơi (nhận nhiệt tự nguồn lạnh). – Áp suất cuối quá trình thải nhiệt. Cách làm: Xem trang 305-306 Summary › ĐL2: Chiều hướng diễn ra quá trình. › Một quá trình diễn ra phải thỏa mãn cả 2 ĐL. › Các thiết bị trao nhiệt với 2 môi trường là Heat Source (high temp.) và Heat Sink (low temp.). › Công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt. Nhiệt biến thành công cần có Heat Engine. › Hiệu suất của Heat Engines: › Muốn truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao cần thiết bị Refrigerator/Heat Pump: – Hệ số làm lạnh: – Hệ số làm nóng: › Phát biểu ĐL2: – Của Kelvin-Planck với Heat Engine. – Của Clausius với Refgigerator. › Tính thuận nghịch và không thuận nghịch. › Chu trình Carnot thuận nghịch: – Carnot Heat Engine: – Carnot heat pump/refrigerator: 4/17/2018 21