chương 2 (phần 1) trinh_nhiet dong luc hoc...chương 2 (phần 1): ĐỊnh luẬt nhiỆt...

ChươngChương 22 ((phầnphần 1):1):

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

2.1 Ý nghĩa ĐLNĐ 1

2.2 Công – Nhiệt lượng

2.3 ĐLNĐ 1 cho hệ kín2.4 ĐLNĐ 1 cho hệ hở

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.1p.1

Thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượngứng dụng trong phạm vi NHIỆT

2.1 Ý nghĩa ĐLNĐ thứ 1

Năng lượng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi mà chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác

Tổng năng lượng của 1 hệ CÔ LẬP là không đổi

21 EE =


1/2009

p.2p.2

constUNNE dt =++=

Ut = 10 kJ

Ud = 0 kJ

Ut = 7 kJ

Ud = 3 kJ

h

Động năngThế năng Nội năngmghNt = 2

21 ωmN đ = ),( xTfU =

Ví dụ:


1/2009

p.3p.3

Nói thêm về nội năng ULà năng lượng bên trong, gây ra do chuyển động và tương tác giữa các phân tử trong vật thể.

Ví dụ: - đối với vật rắn


1/2009

p.4p.4

constUNNE dt =++=

Nếu hệ không trao đổi năng lượng (CÔNG, NHIỆT) với bên ngoài

Chú ý

0=ΔEhay

Nếu hệ có trao đổi năng lượng (CÔNG, NHIỆT) với bên ngoài

0≠Δ E


1/2009

p.5p.5

Ví dụ: hệ trao đổi NĂNG LƯỢNG với bên ngoài


1/2009

p.6p.6

Định luật nhiệt động thứ 1WQE −=Δ

Lượng biến đổi năng lượng của hệ

Nhiệt lượngmà hệ NHẬN VÀO

Công do hệ SINH RA

Chú ý: - Khi thế năng và động năng hệ không thay đổi: - Q mang dấu dương (+) khi hệ nhận nhiệt

âm (-) khi hệ sinh nhiệt- W mang dấu dương (+) khi hệ sinh công

âm (-) khi hệ nhận công

UE Δ=Δ


1/2009

p.7p.7

Định luật nhiệt động thứ 1 – Ví dụVd 1: tính công suất động cơ gió

3/25.1 mkgkk =ρ

P = ??

WQEEE −=−=Δ 12 Ptm −=− 0210 21ω

( ) ( )kWWtmP 1766176625010*25.1*

460*10

21

21 222

1 ≈=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== πω


1/2009

p.8p.8

Vd 2: làm nguội bình chứa bằng máy khuấy

WQUUU −=−=Δ 12

( ) ( ) ( )kJWQUU 40010050080012 =−−−+=−+=


1/2009

p.9p.9

Vd 3: nhiệt tỏa ra từ tủ lạnh

Qin=360 kJ/min

Qout = ??

kWW 2=•

( ) ( ) 012 =−−−=−=Δ WQQUUU outin

min/48060*23600 kJWQQWQQ inoutoutin =+=+=⇒=+−••••••


1/2009

p.10p.10

2.2 Công – Nhiệt lượng2.2.1 Công:

* Nếu lực thay đổi ( ) ( )JdxxFW ∫=2

1

* Nếu lực không đổi ( )JxFW =


1/2009

p.11p.11

Công = Công kỹ thuật + Công lưu động

CÔNG KỸ THUẬT

Công giãn nở (nén) trong hệ thống kín

Công liên quan đến trục quay

Công liên quan đến hiệu ứng điện

Công lưu độngtrong hệ thống hở


1/2009

p.12p.12

Công giãn nở (hoặc nén) trong hệ thống kín

Công sinh ra khi chất môi giới thay đổi thể tích từ trạng thái 1 2 là: ∫=

2

1

12

V

V

pdVW

pdVW =δ


1/2009

p.13p.13

Ví dụ về tính công giãn nở (nén)Trường hợp đẳng áp p = const

∫=2

1

12

V

V

pdVW

( )1212 VVpW −=


1/2009

p.14p.14

Ví dụ về tính công giãn nở (nén)Trường hợp đẳng nhiệt T=const

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

== ∫ ∫

1

21112

1

2

12

ln

ln

2

1

2

1

VV

VPW

VVGRT

VdVGRTpdVW

V

V

V

V

VGRTp = (Khí lý tưởng)


1/2009

p.15p.15

Ví dụ về tính công liên quan đến trục quay

Công suất trục quay

P = ??

( )

( )kWP

WP

7.83

83733200*60

4000*2

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= π

TnP π2=


1/2009

p.16p.16

Công lưu động (dòng chảy) trong hệ thống hở

( )111)1(11

1

1111

)1( *

vpGW

VpAV

FxFW

lđ

lđ

−=

−=−=−=

- Tại đầu vào: hệ NHẬN một công lưu động: - Tại đầu ra: hệ SINH một công lưu động:

( )222)2(22

2

2222

)2( *

vpGW

VpAV

FxFW

lđ

lđ

=

===

Hệ khảo sátx1

v1p1G1

A1

F1

( ) ( )111222 vpGvpGWlđ −=


1/2009

p.17p.17

2.2.2 NHIỆT LƯỢNG

A/ Tính Nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

B/ Tính Nhiệt lượng theo sự thay đổi Entrôpi


1/2009

p.18p.18

A. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

Q = Gc (t2-t1)

trong đó: * Q (kJ): nhiệt lượng cung cấp cho quá trình * G (kg): khối lượng chất môi giới * c (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của quá trình* t1, t2 (oC): nhiệt độ đầu và cuối của quá trình


1/2009

p.19p.19

Tóm tắt về nhiệt dung riêng (NDR)Định nghĩa: NDR của 1 chất được định nghĩa là năng lượng cần cung cấp để 1kg chất tăng thêm 1 độ C.

Đơn vị: (kJ/kg.độ), (kcal/kg.độ)

Phân loại:

- cp: NDR đẳng áp

- cv: NDR đẳng tích

GQ

t1 t2

Q

G

p


1/2009

p.20p.20

Tính toán NDR

- Quá trình đẳng tích (v = const) QUΔ

dTGcQdU v==

vv T

uc ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=

- Quá trình đẳng áp (p = const) Q UΔ

VpWKT Δ=

pdVdTGcdUWQdU pKT −=⇒−=

dTGcpVUd p=+ )(p

p Tic ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=

* Chú ý: ta luôn có cp> cv

A1. Tính NDR cho chất khí


1/2009

p.21p.21

Riêng đối với khí lý tưởng:

RTpv = RTui +=

Vì u của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ( )Tuu =( )Tii =

Suy ra:

RdTdu

dTdi

+= Rcc vp +=

v

p

cc

k = được gọi là số mũ đoạn nhiệt của khí lý tưởng


1/2009

p.22p.22

- Đối với chất lỏng và rắn: v = const cp = cv = c

Nội năng: chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

( ) ( )12 TTcudTTcdu TB −=Δ⇒=Entanpi:

vdpduvdppdvdupvuddi +=++=+= )(( )kgkJpvTci TB /Δ+Δ=Δ

- Chất rắn: pvΔ không đáng kể: Tcui TB Δ=Δ=Δ

- Chất lỏng: + Quá trình đẳng áp: Tcui TB Δ=Δ=Δ

+ Quá trình đẳng nhiệt (BƠM): pvi Δ=Δ


1/2009

p.23p.23

A2. Tính NDR cho chất lỏng và chất rắn

B. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entrôpi

Lượng biến đổi entropi ds của 1 kg khối lượng chất môi giới trong 1 quá trình thuận nghịch đuợc tính theo công thức:

Tqds δ= ∫=

2

1

dsTq

s

1

2T

a b

Q bằng diện tích a12b


1/2009

p.24p.24

2.3 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ KÍN

Q

WKT

EΔ

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng:

KTKT WQEWEQE −=Δ⇒+=+ 21các hệ nhiệt động kín, thường không có sự thay đổi về động năng và thế năng:

UE Δ=Δ

Trong

KTWQU −=Δ


1/2009

p.25p.25

Ví dụ 2.6 sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”

Q

Wkhuấy

1 2

VΔ

G = 5 kg (hơi nước)Q = 80 kJWkhuấy = -18.5 kJu1 = 2709.9 kJ/kgu2 = 2659.6 kJ/kg

Wpiston = ??

( ) kJWpiston 3509.27096.2659*55.1880 =−−+=

)5.18(80 −−=−=Δ pistonWWQU (Cùng đơn vị kJ)

Công dương Piston sinh công: hơi nước giãn nở


1/2009

p.26p.26

2.4 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ HỞ

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng:

( ) ( ) KTeeeeeeeiiiiiii WvpGgzuGEQvpGgzuGE ++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++=++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++

22

2

2

2

1ωω

Đối với hệ hở hoạt động ở chế độ ổn định: E1 = E2 ; Gi = Ge suy ra:

( ) ( ) ( ) KTieieie WQzzgiiG −=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

−+−

2

22 ωω

Bảo toàn khối lượng

∑∑ =e

ei

i GGE1=E2=const

Q

WKTGi

Ge


1/2009

p.27p.27

Ứng dụng Định luật Nhiệt động thứ 11. Tuabin sinh công


1/2009

p.28p.28

Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho Tuabin

Pturbine

•

m•

G

QPgziGgziG turbine ++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

••

2

22

21

21

1 22ωω

- Tuabin cách nhiệt với xung quanh (Q = 0)

- Sự thay đổi động năng và thế năng của lưu chất trong tuabin là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi

( )21 iiGPturbine −≈•

(W, kW,MW)


1/2009

p.29p.29

2. Máy nén (khí), bơm (nước) tăng áp suất

MỘT SỐ LOẠI MÁY NÉN


1/2009

p.30p.30

Bơm nước


1/2009

p.31p.31

Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho máy nén khí

Máy nén

NénP•

•

G

- Máy nén cách nhiệt với xung quanh (Q = 0)

- Sự thay đổi động năng và thế năng của chất khí hoạt động trong máy nén là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++

•••

2

22

21

21

1 22gziGQgziGP Nén

ωω

( )12 iiGP Nén −≈••

(W, kW,MW)

(Công cung cấp làm tăng entanpi tăng áp suất và nhiệt độdòng khí ra khỏi máy nén)


1/2009

p.32p.32

Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho bơm nước

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++

•••

2

22

21

21

1 22gziGQgziGP Bom

ωω

- Bơm cách nhiệt với xung quanh (Q = 0)

- Sự thay đổi động năng của chất lỏng hoạt động trong bơm là không đáng kể so với sự thay đổi entanpi

( ) ( )[ ]1212 zzgiiGP Bom −+−=••

( )1212 ppvii −=−Với bơm:

[ ]zgpvGP Bom Δ+Δ=••


1/2009

p.33p.33

1

3

2

4

3. Bình trao đổi Nhiệt

- Xét hệ nhiệt động là toàn hệ thống:

3412 iGiGiGiG BABA••••

+=+

( ) ( )3124 iiGiiG BA −=−••


1/2009

p.34p.34

4. Ống tăng tốc / Ống tăng áp

Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 choống tăng tốc:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

••

22

22

2

21

1ωω

iGiG

2

22

21

12ωω −

=− ii


1/2009

p.35p.35

1ω 12 ωω > 1ω 12 ωω

5. Ống giãn nở giảm áp, giảm nhiệt độ(VD: ứng dụng trong máy lạnh)


1/2009

p.36p.36

Áp dụng Định luật Nhiệt động 1 cho ống giãn nở

consti =

222111 vpuvpu +=+

- Khi môi chất ở trạng thái bão hòa đi qua van giãn nở có sựtăng tốc dòng chảy tại van áp suất dòng chảy giảm 1 phần môi chất từ trạng thái LỎNG chuyển sang HƠI thể tích riêng v2 tăng KẾT QUẢ: p2v2 tăng lên trong khi u2 giảm.


1/2009

p.37p.37

Mô phỏng van giãn nở : giảm áp, giảm nhiệt độ


1/2009

p.38p.38

6. Bộ phận hòa trộn

•

1G

•

2G

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

••

21 GG- Áp dụng Định luật Nhiệt động 1

cho bộ phận hòa trộn:

3212211 iGGiGiG ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=+

••••

( ) ( )232311 iiGiiG −=−••

- Riêng đối với chất lỏng:

dpvdTcdi +=

( ) ( )232311 TTGTTG −≈−••


1/2009

p.39p.39

Ví dụ 2.11: công suất bơm nước hệ thống

Bơm nước1

2

mm601 =φ

mm402 =φ10 m

kPap 701 =

kPap 1012 =

kgmv /001.0 3=

sm /21=ω( ) ( ) BomWzzgiiG −=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

−+− 12

21

22

12 2ωω

Đối với chất lỏng: vdpTcvdpui +Δ=+Δ=Δ

Quá trình bơm nước xem như đẳng nhiệt vdpi =Δ

( ) ( )WghppvGWBom 6.775222

21

21 −=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−+−=

ωω


1/2009

p.40p.40

Ví dụ 2.12: turbine nối với bình chứa kín

Turbine Bình chứa

Hơi nướcp1 = 15 bar

T1 = 320 oC

i1 = 3081.9 kJ/kg

p2 = 15 bar

T2 = 400 oC

u2 =2951.3 kJ/kgv2 = 0.203 m3/kg

HỆ KHẢO SÁT

Bảo toàn năng lượng cho hệ khảo sát:

21 uGWiG Turbine += ( )21 uiGWTurbine −=


1/2009

p.41p.41

V=0.6 m3

Chương 2 (phần 1): ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 2.1 Ý nghĩa ĐLNĐ thứ 1Nói thêm về nội năng U Chú ý Định luật nhiệt động thứ 1Định luật nhiệt động thứ 1 – Ví dụ

2.2 Công – Nhiệt lượngCông = Công kỹ thuật + Công lưu độngCông giãn nở (hoặc nén) trong hệ thống kínVí dụ về tính công giãn nở (nén)�Trường hợp đẳng áp p = constVí dụ về tính công giãn nở (nén)�Trường hợp đẳng nhiệt T=const

Công lưu động (dòng chảy) trong hệ thống hởVí dụ về tính công liên quan đến trục quay2.2.2 NHIỆT LƯỢNGA. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêngTóm tắt về nhiệt dung riêng (NDR)Tính toán NDR

B. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entrôpi

2.3 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ KÍNVí dụ 2.6 sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”

2.4 Định luật Nhiệt động thứ 1 cho hệ HỞỨng dụng Định luật Nhiệt động thứ 1Ví dụ 2.11: công suất bơm nước hệ thốngVí dụ 2.12: turbine nối với bình chứa kín

chương 2 (phần 1) trinh_nhiet dong luc hoc...chương 2 (phần 1): ĐỊnh luẬt nhiỆt...

Documents