Giáo Trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề Công nghệ ô tô Cao đẳng)

VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC

- Vị trí: Môn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau: MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13, MH 14, MH 15, MH 16, MĐ

- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở

M Ụ C TIÊU C Ủ A MÔN H Ọ C

+ Hệ thống được kiến thức cơ bản về mạch điện

+ Trình bày được yêu cầu, nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại máy điện dùng trong phạm vi nghề Công nghệ Ô tô

+ Trình bày được công dụng và phân loại các loại khí cụđiện

+ Vẽ được sơ đồ dấu dây, sơ đồ lắp đặt các mạch điện cơ bản

+ Tuân thủđúng quy định về an toàn khi sử dụng thiết bịđiện

- Vềnăng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Rèn luyện tác phong làm việc cẩn thận

N Ộ I DUNG MÔN H Ọ C

Các khái niệm cơ bản

Trong phạm vi của chương trình môn học Kỹ thuật nhiệt, chúng ta chỉ nghiên cứu các khái niệm cơ bản sau đây.

1.1.1 Nguồn nhiệt: là những vật trao đổi nhiệt với môi chất; nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh

1.1.2 Môi chất: là những chất mà thiết bị dùng để truyền tải và chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác Môi chất có thể là vật chất ở bất cứ pha nào, nhưng thường dùng pha hơi (khí) vì nó có khảnăng co dãn rất lớn Môi chất có thểlà đơn chất hoặc hỗn hợp

1.1.3 Trạng thái: là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi chất hay hệ ở một thời điểm nào đó Các đại lượng vật lý đó được gọi là thông số trạng thái

1.1.4 Thông số trạng thái: là một đại lượng vật lý có một giá trị duy nhất ở một trạng thái

Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái, có nghĩa là sự biến thiên của thông số này chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình, mà không bị ảnh hưởng bởi con đường hay quá trình mà hệ thống đã trải qua để đạt đến trạng thái đó.

1.1.5 Máy nhiệt: là hệ thống thiết bị thực hiện sự chuyển hoá giữa nhiệt và công nói chung

1.1.6 Động cơ nhiệt: là các loại máy nhiệt tiêu thụ một nhiệt lượng nào đó để

Sản sinh cho chúng ta một cơ năng tương ứng

VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v

1.1.7 Máy lạnh: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy được để làm lạnh một vật nào đó.

VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.v là loại máy lạnh

1.1.8 Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả ra nguồn nóng để đốt nóng hoặc sấy, sưởi một vật nào đó

VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa đông làm việc theo chế độbơm nhiệt

1.1.9 Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ do có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường

1.1.10 Nước sôi (nước bão hoà): là nước khi bắt đầu quá trình hóa hơi hoặc kết thúc ngưng tụ; cũng là phần nước cùng tồn tại với hơi.

1.1.11 Hơi bão hòa khô: là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ hoặc khi vừa hóa hơi xong, mà cũng là phần hơi khi hai pha hơi và nước (hoặc là hơi và rắn) cùng tồn tại

1.1.12 Hơi bão hòa ẩm: là hỗn hợp giữa hơi bão hòa khô và nước bão hòa (nước sôi)

1.1.13 Nước chưa sôi: là nước có nhiệt độ nhỏhơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ

1.1.14 Hơi quá nhiệt: là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là hơi có áp suất nhỏhơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ

1.1.15 Công: là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất với môi trường khi có chuyển động vĩ mô Khi thực hiện một quá trình, nếu có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dich chuyển trọng tâm khối môi chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hoá thành cơ năng Lượng chuyển biến đó chính là công của quá trình

Ký hiệu là: l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là J/kg

L nếu tính cho G kg, đơn vị đo là J

Qui ước: Nếu l > 0 ta nói vật sinh công.

Nếu l < 0 ta nói vật nhận công

Công không thể chứa trong một vật bất kỳ nào, mà nó chỉ xuất hiện khi có quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động của vật

Công, về mặt cơ học, được định nghĩa là tích giữa lực tác dụng và độ dời theo hướng của lực Trong lĩnh vực nhiệt kỹ thuật, có nhiều loại công khác nhau, trong đó có công thay đổi.

8 thể tích; công lưu động (công thay đổi vị trí); công kỹ thuật (công thay đổi áp suất) và công ngoài.

Trong nhiệt động kỹ thuật, có ba loại công chính: công thay đổi thể tích (J/kg), công lưu động (thay đổi vị trí), và công kỹ thuật (J/kg) Công thay đổi thể tích (J/kg) là loại công phát sinh khi thể tích của hệ thống thay đổi.

Công trong hệ kín và hệ hở được xác định dựa trên sự thay đổi thể tích của môi chất Khi môi chất giãn nở (v2 > v1), hệ sinh ra công dương Ngược lại, khi môi chất bị nén (v2 < v1), hệ nhận công âm từ môi trường Công thay đổi thể tích là một hàm của quá trình này.

Khi một môi chất 1kg trải qua quá trình thay đổi thể tích dv ở áp suất p, công thực hiện do sự thay đổi thể tích được tính bằng công thức dl = p.dv.

Khi tiến hành quá trình, thể tích thay đổi từ v1 đến v2 thì công thay đổi thể tích được tính là: l = (1-2)

Dựa vào công thức (1-10), ta nhận thấy rằng đại lượng dl và dv có cùng dấu Khi dv > 0, điều này đồng nghĩa với việc dl > 0, tức là trong quá trình thể tích tăng, công thực hiện có giá trị dương Do đó, ta có thể nói rằng môi chất thực hiện công.

Khi dv < 0, điều này đồng nghĩa với việc dl < 0, tức là trong quá trình thể tích giảm, công có giá trị âm, cho thấy môi chất nhận công từ môi trường Công thay đổi thể tích không phải là thông số trạng thái và được thể hiện trên đồ thị p-v Công kỹ thuật (lkt) tính bằng J/kg là công do dòng môi chất chuyển động thực hiện khi áp suất thay đổi, chỉ xuất hiện trong hệ hở Môi chất sinh ra công này thông qua thiết bị như tua-bin hoặc máy nén, do đó được gọi là công kỹ thuật.

Khi áp suất của môi chất giảm, công kỹ thuật sẽ có giá trị dương, trong khi áp suất tăng sẽ dẫn đến công kỹ thuật âm Công kỹ thuật được xác định là một hàm của quá trình, được biểu diễn qua công thức dlkt = -vdp.

Nếu quá trình được tiến hành từ áp suất p1đến áp suất p2thì công kỹ thuật được tính là: lkt = - (1-4)

Các thông s ố cơ bả n

1.2.1 Thể tích riêng v (m3/kg): thể tích riêng v là thể tích của 1kg môi chất

Do đó, nếu gọi V (m 3 ) là thể tích của G (kg) môi chất thì thể tích riêng v được xác định bởi tỷ số:

(1-9) Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng gọi là khối lượng riêng:

1.2.2 Áp suất p (N/m2): là áp lực của các phần tử môi chất tác dụng tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình theo phương pháp tuyến

1.2.3 Nhiệt độ T (K): theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là thông số xác định động năng của các phần tử, hay nói đơn giản nhiệt độ là thông số trạng thái xác định mức độ nóng hay lạnh của vật Nhiệt độ được đo bằng nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin, kí hiệu là T (K) hoặc nhiệt độ Celcius hay nhiệt độ bách phân, kí hiệu là t 0 C

Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celcius: t 0 C = T(K) - 273 (1-11)

1.2.4 Entropy s (J/kg): entropy là một thông số trạng thái được phát hiện nhờ toán học

Trong nghiên cứu chu trình nhiệt động Clausius, dq (J/kg) được xác định là mật độ dòng nhiệt rất nhỏ tham gia vào quá trình ở nhiệt độ tuyệt đối.

T (K) nào đó thì tích phân vòng của tỷ sốdq/T cũng bằng không:

Clausius cho rằng tỷ số dq/T đóng vai trò là một thông số trạng thái Ông gọi đó là entropy và kí hiệu là s (J/kgK) Như vậy:

Nhiệt lượng q, hay vi phân dq, phụ thuộc vào quá trình diễn ra, tuy nhiên, tỷ số dq/T lại là vi phân toàn phần của hàm số.

H ệ nhi ệt độ ng và các thông s ố tr ạ ng thái

1.3.1 Hệ nhiệt động (hệ thống nhiệt): là tập hợp những đối tượng được tách ra để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt, phần còn lại gọi là môi trường

Gồm có 4 loại: hệ kín, hệ hở, hệđoạn nhiệt và hệ cô lập a Hệ kín và hệ hở:

Hệ nhiệt động kín, gọi tắt là hệ kín có 3 tính chất cơ bản sau đây:

- Trọng tâm của hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc không đáng kểđểđộng năng của nó có thể bỏ qua

- Khối lượng của môi chất trong hệ kín không đổi

- Môi chất không đi qua ranh giới giữa hệ và môi trường

Hệ hở là hệ mà ít nhất một trong ba tính chất không được thỏa mãn, trái ngược với hệ kín Trong hệ hở, trọng tâm của hệ di chuyển với một vận tốc nhất định, do đó luôn tồn tại động năng trong trạng thái cân bằng của hệ này.

Tủ lạnh gia đình được xem như một hệ nhiệt động kín, bao gồm máy nén, giàn nóng, van tiết lưu và giàn lạnh Ngược lại, máy nén riêng lẻ là một hệ hở vì môi chất đi vào và ra khỏi nó Tương tự, nhà máy nhiệt điện cũng là một hệ kín khi xem xét các thành phần như lò hơi, bộ quá nhiệt, tua bin, bình ngưng và bơm nước, trong khi tua bin hoặc sự kết hợp giữa tua bin và bình ngưng lại là những hệ hở Hệ đoạn nhiệt không tham gia trao đổi nhiệt lượng với môi trường nhưng có thể trao đổi công, trong khi hệ cô lập không trao đổi cả nhiệt và công Tuy nhiên, trong thực tế, không có hệ đoạn nhiệt hay hệ cô lập tuyệt đối, mà chỉ có các hệ gần đúng.

Vì vậy, khái niệm hệ nhiệt động mang tính tương đối, phụ thuộc vào quan điểm của người khảo sát

1.3.2 Các thông số trạng thái

Ngoài 4 thông số cơ bản (cũng là 4 thông số trạng thái) nêu ở mục 1.1.2, trạng thái của một môi chất còn được xác định bởi các thông số trạng thái sau:

1.3.2.1 N ội năng u (J/kg): nội năng là năng lượng bên trong của hệ Nội năng gồm nội động năng và nội thế năng Nội động năng do chuyển động của các nguyên tử, phân tử sinh ra nên nó là một hàm đơn trị của nhiệt độ còn nội thế năng do lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử quyết định do đó phụ

Nội năng là một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng hoặc áp suất, thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố này Cụ thể, nội năng có thể được biểu diễn dưới dạng u = u1(T,v) = u2(T,p), cho thấy sự tương đương giữa các biến số nhiệt độ, thể tích riêng và áp suất trong hệ thống.

1.3.2.2 Năng lượng đẩ y d (J/kg) : một dòng môi chất (khí hoặc lỏng) chuyển động có thể có các năng lượng sau: động năng, thế năng và năng lượng đẩy giúp dòng môi chất chuyển động Năng lượng đẩy của một 1 kg môi chất bằng: d = pv

Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái quan trọng, tương ứng với các thông số p và v Trong hệ hở, năng lượng đẩy tồn tại, nhưng trong hệ kín, do trọng tâm của hệ không chuyển động, năng lượng đẩy sẽ bằng 0.

1.3.2.3 Entapy i (J/kg): trong tính toán sự chuyển hóa giữa nhiệt và công ta thường gặp tổ hợp (u + pv) hay (u + d) Vì u và pv hoặc u và d đều là các thông số trạng thái nên tổ hợp này cũng là một thông số trạng thái và được gọi là Entanpy i:

Kinh nghiệm cho thấy rằng trong quá trình thuận nghịch, các dạng năng lượng như cơ năng và điện năng có thể biến đổi hoàn toàn, trong khi nhiệt năng chỉ có một phần có thể chuyển hóa thành công Phần nhiệt năng tối đa có thể chuyển hóa thành công trong quá trình thuận nghịch được gọi là execfy e (J/kg).

Phần nhiệt năng không thể chuyển hóa thành công được gọi là anergy a (J/kg), trong khi execgy e và anergy a đều phụ thuộc vào môi trường xung quanh Do đó, nhiệt lượng q có thể được biểu diễn bằng công thức: q = e + a.

Có thể tính execgy e theo biểu thức: e = (i - i0) - T0(s - s0) (1-17)

Trong đó: i, s tương ứng là entanpy và entropy của trạng thái cần xác định execgy;

T0, i0, s0tương ứng là nhiệt độ tuyệt đối, entanpy và entropy của môi trường.

Phương trình nhiệt độ ng

1.4.1 Phương trình 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

13 tổng đại số năng lượng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lượng nhận vào hay nhả ra trong quá trìnhđó

Trong các quá trình nhiệt động, khi không xảy ra phản ứng hóa học và phản ứng hạt nhân, năng lượng toàn phần của vật chất chỉ thay đổi do sự biến đổi của nội năng U, thông qua việc trao đổi nhiệt và công với môi trường.

Khi cung cấp 1kg môi chất một lượng nhiệt dq, nhiệt độ sẽ thay đổi một lượng dT và thể tích riêng thay đổi một lượng dv Sự thay đổi nhiệt độ T cho thấy nội động năng đã thay đổi, trong khi sự thay đổi thể tích v cho thấy nội thế năng cũng đã thay đổi và môi chất thực hiện công để thay đổi thể tích Do đó, khi nhận nhiệt dq, nội năng thay đổi một lượng du và công thực hiện là dl Theo định luật nhiệt động I, nhiệt lượng cấp vào hệ được chia thành hai phần: một phần để thay đổi nội năng và phần còn lại để sinh công.

Định luật nhiệt động 1 khẳng định rằng nhiệt năng và các dạng năng lượng khác có thể chuyển đổi lẫn nhau, và khi một lượng nhiệt năng nhất định bị tiêu hao, sẽ có một lượng năng lượng khác tương ứng được tạo ra, trong khi tổng năng lượng của hệ thống vẫn không thay đổi Điều này cho phép chúng ta thiết lập phương trình cân bằng năng lượng cho các quá trình nhiệt động Định luật này có thể được diễn đạt dưới nhiều dạng khác nhau.

Trường hợp tổng quát: dq = du + dl (1-18) Đối với 1 kg môi chất: q = u + l (1-18a) Đối với G kg môi chất: Q = U + L (1-18b)

Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv

Lấy đạo hàm ta được: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp; thay vào (1-

18) và dl = pdv (1-1) ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I như sau: dq = di - pdv - vdp + pdv  dq = di - vdp (1-19)

Trong nhiệt động lực học, đối với khí lý tưởng, ta có thể biểu diễn các biến đổi nhiệt như sau: dq = di + dlkt (1-20) Với du = CvdT và di = CpdT, khi thay thế vào các biểu thức, ta thu được các dạng khác của định luật nhiệt động I: dq = CvdT + pdv (1-21) và dq = CpdT - vdp (1-22).

14 đối với hệ hở: dlkt = dln + d( ) + gdh (1-23)

1.4.2 Phương trình nhiệt động II: Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân bằng năng lượng trong các quá trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hoá thành công hoặc công chuyển hoá thành nhiệt Tuy nhiên nó không cho ta biết trong điều kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành công và liệu toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công không Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá trình sẽ xẩy ra, chiều hướng xẩy ra và mức độ chuyển hoá năng lượng của quá trình Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và thiết bị nhiệt

Theo định luật nhiệt động lực học II, mọi quá trình tự phát trong tự nhiên diễn ra theo một hướng nhất định, chẳng hạn như nhiệt năng chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp Để quá trình diễn ra ngược lại, cần phải tiêu tốn năng lượng, ví dụ như để tăng áp suất, cần sử dụng công nén hoặc cung cấp nhiệt Tương tự, để lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn và thải ra môi trường có nhiệt độ cao hơn, như trong máy lạnh, cũng cần tiêu tốn một lượng điện năng nhất định để vận hành động cơ và máy nén Định luật nhiệt động lực học II có hai cách phát biểu khác nhau.

Theo phát biểu của Thomson-Planck, không thể chế tạo động cơ nhiệt nào có khả năng chuyển đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công mà không tiêu tốn một phần nhiệt lượng để truyền cho các vật khác.

Trong đó: q1- lượng nhiệt nguồn nóng q2- lượng nhiệt nguồn lạnh l - công sinh ra

Theo phát biểu của Các-nôt-clausius, nhiệt lượng chỉ có thể truyền từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp Để thực hiện quá trình truyền nhiệt ngược lại, cần phải tiêu tốn thêm năng lượng.

Nh ậ n d ạ ng và phân bi ệ t các thông s ố và tr ạ ng thái

1.5.1 Nhận dạng thông số trạng thái

- Thông số trạng thái có vi phân toàn phần

Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái, cho thấy rằng sự biến thiên của nó chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của quá trình, mà không bị ảnh hưởng bởi đường đi của quá trình.

Nhiệt lượng và công trong một quá trình chỉ phụ thuộc vào đường đi của quá trình, do đó chúng không phải là thông số trạng thái mà là hàm của quá trình.

Trong nhiệt động, ba thông số trạng thái cơ bản thường được đo trực tiếp là nhiệt độ T, áp suất p và thể tích riêng v (hoặc khối lượng riêng ρ) Bên cạnh đó, còn có các thông số trạng thái khác như nội năng U, entanpi E và entropi S, tuy không thể đo trực tiếp nhưng có thể được tính toán dựa trên các thông số trạng thái cơ bản.

Trạng thái của một hệ thống là tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý của môi trường tại một thời điểm cụ thể Những đại lượng vật lý này được gọi là thông số trạng thái, chúng giúp mô tả điều kiện và đặc điểm của hệ thống một cách chính xác.

Trạng thái cân bằng của hệ đơn chất được xác định bởi hai thông số trạng thái độc lập Trên đồ thị trạng thái, trạng thái này được biểu diễn bằng một điểm cụ thể.

Khi hệ thống có thông số trạng thái đồng nhất và không thay đổi theo thời gian, nó được coi là ở trạng thái cân bằng Ngược lại, nếu thông số này không đồng nhất, hệ thống ở trạng thái không cân bằng Chỉ trạng thái cân bằng có thể được biểu diễn trên đồ thị bằng một điểm cụ thể, trong khi trạng thái không cân bằng thì không thể, vì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau Trong giáo trình này, chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu các trạng thái cân bằng.

Khi hệ cân bằng ở một trạng thái cụ thể, các thông số trạng thái sẽ có giá trị xác định Tuy nhiên, khi môi chất hoặc hệ thực hiện trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường, trạng thái của hệ sẽ thay đổi và ít nhất một thông số trạng thái sẽ bị biến đổi.

Chương 2 Môi chất và sự truyền nhiệt

- Trình bày được khái niệm khí lýtưởng và khí thực

- Giải thích được sự khác nhau giữa khí lýtưởng và khí thực

- Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực nhiệt kỹ thuật

Khái ni ệm khí lý tưở ng và khí th ự c

2.1.1 Khái niệm khí lý tưởng: Khí lý tưởng là khí mà kích thước của các phân tử tạo thành khí đó vô cùng bé (có thể bỏ qua) và lực tương tác giữa các phân tử không đáng kể (coi như bằng 0) Trong thực tế không có khí lý tưởng

Trong kỹ thuật, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường có thể coi các chất như Hyđrô, Ôxy, Nitơ, không khí, v.v là khí lý tưởng.

Tóm lại, khí lý tưởng là khí không có thể tích bản thân phân tử, không có lực tương tác giữa các phân tử và không có biến pha

Hỗn hợp khí lý tưởng là sự kết hợp của hai hoặc nhiều chất khí lý tưởng mà không xảy ra phản ứng hóa học giữa chúng Chẳng hạn, không khí được coi là một hỗn hợp khí lý tưởng với các thành phần như nitơ (N2), oxy (O2), và dioxyt carbon (CO2) Do tỷ lệ các chất khí trong hỗn hợp có thể rất khác nhau, việc xây dựng bảng hoặc đồ thị cho chúng trở nên không thực tế Vì vậy, nghiên cứu các phương pháp xác định thông số nhiệt động và tính toán cho hỗn hợp khí lý tưởng là rất cần thiết.

Khí lý tưởng được định nghĩa là loại khí mà các hạt của nó tuân theo các quy luật của lý thuyết vật lý cổ điển và vật lý lượng tử Có ba loại khí lý tưởng, trong đó khí lý tưởng cổ điển tuân thủ thống kê Maxwell-Boltzmann.

Khí lý tưởng cổ điển được chia thành hai loại: loại thứ nhất là khí thuần túy cổ điển với entropy có thể cộng thêm một hằng số vô định, trong khi loại thứ hai là giới hạn ở nhiệt độ cao của khí lý tưởng lượng tử, với hằng số cộng thêm vào entropy được xác định Khí lý tưởng lượng tử tuân thủ thống kê Bose, được đặt theo tên nhà vật lý Ấn Độ Satyendra Nath Bose.

Các hạt boson có spin nguyên, chúng có thể nằm cùng mộttrạng thái lượng tử và không tuân theo nguyên lý Wolfgang Pauly

17 c Khí lý tưởng lượng tử : tuân thủ thống kê Fe rmi

Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, quy định rằng không có hai fermion nào có cùng trạng thái lượng tử.

Khái quát hóa, fermison là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.

Spin là một đại lượng vật lý mang tính chất mô men động lượng, là khái niệm thuần túy lượng tử không có tương ứng trong cơ học cổ điển Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được tính bằng công thức L = r × p, trong khi mô men spin trong cơ học lượng tử tồn tại ở trạng thái có khối lượng bằng 0, phản ánh bản chất nội tại của hạt.

Các hạt cơ bảnnhư electron, quark đều có spin bằng (gọi tắt là 1/2), ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại

Khái niệm spin được Ralph Kronig đồng thời và độc lập với ông, là George Unlenbeck, Samuel Goudsmit đưa ra lần đầu vào năm 1925

Khái niệm khí thực: khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tử khác không và tồn tại lực tương tác giữa các phân tử

Khí tự nhiên bao gồm các loại khí thực, được hình thành từ các phân tử có kích thước và khối lượng cụ thể Mỗi phân tử trong chất khí có khả năng tương tác với nhau, tạo nên các đặc tính riêng biệt của khí.

Khái ni ệ m, phân lo ạ i s ự truy ề n nhi ệ t

2.2.1 Khái niệm sự truyền nhiệt

Truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật hoặc các phân tử của vật có nhiệt độ khác nhau

2.2.2 Phân loại sự truyền nhiệt có ba hình thức truyền nhiệt riêng rẽ là: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ; được phân biệt theo phương thức truyền động năng giữa các phân tử thuộc hai vật a Dẫn nhiệt:

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng khi các vật hoặc các phần tử của vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau

Dẫn nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của một vật hoặc giữa hai vật tiếp xúc Hiện tượng này chủ yếu diễn ra trong hệ thống các vật rắn có tiếp xúc trực tiếp với nhau.

18 b Trao đổi nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt) :

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt diễn ra khi chất lỏng hoặc khí di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.

Tỏa nhiệt là hiện tượng trao đổi động năng giữa các phân tử trên bề mặt vật rắn và các phần tử chuyển động của chất lỏng tiếp xúc với nó Hiện tượng này diễn ra tại vùng tiếp xúc giữa chất lỏng hoặc khí với bề mặt vật rắn, kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt.

Tùy theo nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt được phân ra

Tỏa nhiệt tự nhiên là hiện tượng truyền nhiệt vào chất lỏng đang chuyển động tự nhiên, diễn ra dưới tác động của trọng lực khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt.

- Tỏa nhiệt cưỡng bức là hiện tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động cưỡng bức do tác dụng của bơm, quạt hoặc máy nén.

Cường độ tỏa nhiệt, tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt  [w/m 2 K], và được tính theo công thức Newton: q = (tw - tf)= ∆t (2-1)

Trong đó ∆t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng. c Trao đổi nhiệt bằng bức xạ:

Trao đổi nhiệt bức xạ là một hình thức trao đổi nhiệt cơ bản, không yêu cầu sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật thể tham gia Khác với đối lưu và dẫn nhiệt, bức xạ cho phép nhiệt lượng được truyền đi thông qua sóng điện từ.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình mà các phân tử của vật thể 1 phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ, sau đó truyền đi trong không gian và được hấp thụ bởi các phân tử của vật thể 2.

Trao đổi nhiệt bức xạ khác với các phương thức trao đổi nhiệt khác, vì nó có thể xảy ra giữa hai vật ở khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp hay môi trường chất lỏng, khí Phương thức này liên quan đến sự chuyển hóa giữa năng lượng nhiệt và năng lượng điện từ, và thường thấy trong các tương tác giữa các thiên thể trong vũ trụ, như giữa mặt trời và các hành tinh Hình 2.1 minh họa các phương thức trao đổi nhiệt.

Hình 2.1 Các phương thức trao đổi nhiệt a Dẫn nhiệt; b Tỏa nhiệt; c Trao đổi nhiệt bức xạ

Quá trình trao đổi nhiệt thực tế thường diễn ra qua hai hoặc ba phương thức khác nhau, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Chẳng hạn, bề mặt của vật rắn có thể thực hiện trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc thông qua cả phương thức đối lưu và bức xạ.

Tất cả các vật thể ở mọi nhiệt độ đều phát ra năng lượng dưới dạng lượng tử, truyền đi trong không gian qua sóng điện từ với bước sóng từ 0 đến vô cùng Sóng điện từ được phân loại theo độ dài bước sóng, bao gồm các loại như tia vũ trụ, tia gama, tia X, tia tử ngoại, tia ánh sáng, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến Chỉ có tia ánh sáng và hồng ngoại có năng lượng đủ lớn để vật hấp thụ và chuyển hóa thành nội năng đáng kể, được gọi là tia nhiệt, với bước sóng nằm trong khoảng (0,4 đến 400) x 10^-6 m.

Môi trường lý tưởng cho việc trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật là chân không hoặc khí loãng với khả năng hấp thụ bức xạ thấp Khác với dẫn nhiệt và đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ có những đặc điểm riêng biệt.

Sự chuyển hóa năng lượng luôn diễn ra giữa nội năng và năng lượng điện từ, với quá trình bức xạ và hấp thụ Điều này không yêu cầu sự tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp qua môi trường chất trung gian, mà chỉ cần một môi trường truyền sóng điện từ, lý tưởng nhất là chân không.

- Có thể thực hiện trên khoảng cách lớn, cỡ khoảng cách giữa các thiên thể trong khoảng không vũ trụ.

Khái ni ệ m, phân lo ạ i s ự chuy ể n pha c ủa các đơn chấ t

2.3.1 Khái niệm sự chuyển pha: đó là sự chuyển trạng thái của một chất nào đó từ nhiệt độ t1, áp suất p1 sang nhiệt độ t2, áp suất p2 thì bắt đầu chuyển từ

20 pha rắn sang pha hơi hay ngược lại; hoặc từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại; hoặc từ pha pha lỏng sang pha hơi và ngược lại

2.3.2 Phân loại sự chuyển pha:

Môi chất công tác (MCCT) là chất trung gian trong quá trình biến đổi năng lượng của thiết bị nhiệt, tồn tại ở các pha như lỏng, rắn và hơi Thiết bị nhiệt thường sử dụng MCCT ở pha khí do khả năng thay đổi thể tích lớn, cho phép thực hiện công hiệu quả Quá trình hóa hơi là chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, cần cung cấp nhiệt cho MCCT, trong khi ngưng tụ là quá trình ngược lại, nơi MCCT nhả nhiệt Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất khí quyển là 2258 kJ/kg Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang lỏng, cần nhiệt để thực hiện, trong khi đông đặc là quá trình ngược lại, với nhiệt nóng chảy của nước là 333 kJ/kg Thăng hoa là chuyển trực tiếp từ pha rắn sang hơi, cần nhiệt, còn ngưng kết là quá trình ngược lại, với nhiệt thăng hoa của nước ở áp suất 0,006 bar là 2818 kJ/kg.

Nhận dạng và phân biệt sự chuyển pha, sự truyền nhiệt của môi chất 20

2.4.1.1 Quá trình hóa hơi đẳ ng áp

Hơi của các chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật, chẳng hạn như hơi nước được sử dụng để vận hành turbine hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện và trong quá trình sấy nóng Ngoài ra, hơi amoniac và freon cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị lạnh.

- Hóa hơi là quá trình chuyển pha từ lỏng sang hơi Hóa hơi có thể được thực hiện bằng cách bay hơi hoặc sôi

Bay hơi là quá trình hóa hơi diễn ra trên bề mặt của chất lỏng, và cường độ bay hơi này phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng, cũng như áp suất và nhiệt độ môi trường.

Sôi là quá trình hóa hơi diễn ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng, chỉ xảy ra ở nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa (ts) Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và áp suất, với nước có nhiệt độ sôi là 100°C ở áp suất khí quyển.

Trong kỹ thuật, quá trình hóa hơi thường được tiến hành ở áp suất không đổi, đặc điểm quá trình hóa hơi của các chất lỏng là giống nhau

Quá trình hóa hơi đẳng áp của nước và những đặc điểm của quá trình được trình bày dưới đây cũng sẽđược áp dụng cho các chất lỏng khác

Khi có 1 kg nước trong xy lanh với một pít tông có khối lượng không đổi, áp suất tác động lên nước sẽ duy trì ổn định trong quá trình hóa hơi Nếu nhiệt độ ban đầu của nước là t0 và chúng ta cung cấp nhiệt, quá trình hóa hơi đẳng áp sẽ diễn ra, trong đó nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào lượng nhiệt được cấp, được biểu diễn bằng t = f(q) Đoạn OA minh họa quá trình đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu t0 đến nhiệt độ sôi ts Nước ở nhiệt độ t < ts được gọi là nước chưa sôi.

Khi nước chưa sôi, nhiệt độ của nó sẽ tăng theo lượng nhiệt cung cấp Đoạn AC thể hiện quá trình sôi, trong đó nhiệt độ nước không thay đổi (ts = const) và nhiệt được sử dụng để biến đổi pha mà không làm tăng nhiệt độ chất lỏng Tại điểm A, các thông số trạng thái của nước được ký hiệu là i', s', u', v', v.v Hơi ở điểm C được gọi là hơi bão hòa khô, với các thông số trạng thái ký hiệu là i'', s'', u'', v'', v.v Hơi trong khoảng giữa A và C được gọi là hơi bão hòa ẩm, với các thông số trạng thái ký hiệu là ix, sx, ux, vx, v.v Sau khi toàn bộ nước đã hóa hơi, nếu tiếp tục cấp nhiệt, nhiệt độ của hơi sẽ tăng (đoạn CD), và hơi có nhiệt độ t > ts được gọi là hơi quá nhiệt Hơi bão hòa ẩm là hỗn hợp giữa nước sôi và hơi bão hòa khô, với hàm lượng hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm được đánh giá bằng độ khô (x) hoặc độ ẩm (y).

= (2-2) y = 1 - x (2-3) trong đó: x- độ khô; y- độ ẩm; mx- lượng hơi bão hòa ẩm; mh- lượng hơi bão hòa khô; mn- lượng nước sôi

Hình 2.2 Quá trình hóa hơi đẳng áp

Khi thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp ở các áp suất khác nhau (p1, p2, p3, v.v.), đồ thị trạng thái p - v sẽ hiển thị các đường, điểm và vùng đặc trưng thể hiện trạng thái của nước.

Đường trạng thái của nước chưa sôi là đường nối các điểm O, O1, O2, O3, v.v., với hình dạng gần như thẳng đứng Điều này cho thấy thể tích của nước chỉ thay đổi rất ít khi áp suất tăng hoặc giảm.

- Đường giới hạn dưới: đường nối các điểm A, A1, A2, A3, v.v biểu diễn trạng thái nước sôi độ khô x = 0

- Đường giới hạn trên: đường nối các điểm C, C1, C2, C3, v.v biểu diễn trạng thái hơi bão hòa khô có độ khô x = 1

- Điểm tới hạn K: điểm gặp nhau của đường giới hạn dưới và giới hạn trên

Trạng thái tới hạn tại K là điểm mà không còn sự khác biệt giữa chất lỏng sôi và hơi bão hòa khô Các thông số trạng thái tới hạn bao gồm áp suất pK = 221 bar, nhiệt độ tK = 374 °C và thể tích riêng vK = 0,00326 m³/kg của nước.

- Vùng chất lỏng chưa sôi (x = 0): vùng bên trái đường giới hạn dưới

- Vùng hơi bão hòa ẩm (0 < x < 1): vùng giữa đường giới hạn dưới và trên

- Vùng hơi quá nhiệt (x = 1): vùng bên phải đường giới hạn trên

2.4.1.2 B ảng và đồ th ị c ủa hơi

Hơi của các chất lỏng cần được coi là khí thực, vì việc áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho hơi có thể dẫn đến sai số lớn Để tính toán kỹ thuật cho hơi, người ta thường sử dụng các bảng số hoặc đồ thị đã được thiết lập riêng cho từng loại hơi.

Trạng thái của môi trường chất công tác (MCCT) được xác định thông qua hai thông số độc lập Đối với nước sôi (x = 0) và hơi bão hòa khô (x = 1), chỉ cần biết áp suất (p) hoặc nhiệt độ (t) để xác định trạng thái, vì độ khô đã được biết Trong trường hợp nước chưa sôi và hơi quá nhiệt, áp suất (p) và nhiệt độ (t) thường được chọn làm hai thông số độc lập để xây dựng bảng trạng thái Đối với hơi bão hòa ẩm, trạng thái không được lập bảng mà được xác định dựa trên độ khô cùng với các thông số trạng thái của nước sôi và hơi bão hòa khô, như công thức: vx = v' + x (v'' - v'), ix = i' + x (i'' - i'), sx = s' + x (s'' - s'), ux = u' + x (u'' - u').

Nội năng không có trong các bảng và đồ thị Nội năng được xác định theo enthalpy bằng công thức sau: u = i - pv (2-8) b Đồ thịhơi nước

Bên cạnh việc dùng bảng, người ta có thể sử dụng các đồ thị trạng thái để tính toán cho hơi

- Đồ thị T - s của hơi nước

Trên đồ thị T-s, các đường đẳng áp p = const trong vùng nước chưa sôi gần như trùng với đường giới hạn dưới, trong khi ở vùng hơi bão hòa ẩm, chúng là các đoạn thẳng nằm ngang và trùng với đường đẳng nhiệt Đối với vùng hơi quá nhiệt, các đường này có hình dạng cong đi lên, cho thấy sự tăng áp suất đi kèm với sự tăng nhiệt độ Ngoài ra, các đường có độ khô không đổi xuất phát từ điểm tới hạn K và tỏa xuống phía dưới.

Hình 2.3 Đồ thị T - s của hơi nước

Đồ thị i - s của hơi nước, được Mollyer xây dựng lần đầu tiên vào năm 1904 dựa trên các số liệu thực nghiệm, rất hữu ích cho việc tính toán hơi nước Trong quá trình đẳng áp, công thức dq = di - v.dp cho thấy rằng nhiệt lượng (q) trong quá trình này bằng hiệu của enthalpy (i2 - i1).

Hình 2.4 Đồ thị i - s của hơi nước

Trên đồ thị i - s, đường đẳng áp (p = const) trong vùng hơi bão hòa ẩm trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng và là các đường thẳng, trong khi ở vùng hơi quá nhiệt, chúng trở thành các đường cong đi lên có bề lồi quay về phía dưới Đường đẳng nhiệt (T = const) trong vùng hơi bão hòa ẩm cũng trùng với đường đẳng áp, nhưng ở vùng hơi quá nhiệt, chúng là các đường cong đi lên Khi di chuyển xa khỏi đường x = 1, đường đẳng nhiệt gần như song song với trục hoành Đường đẳng tích (v = const) là các đường cong đi lên dốc hơn đường đẳng áp và thường được thể hiện bằng đường nét đứt hoặc màu đỏ trong thực tế kỹ thuật.

Trong các quá trình nhiệt động, 25 thuật thường chỉ diễn ra trong vùng hơi quá nhiệt và một phần của vùng hơi bão hòa ẩm với độ khô cao Do đó, để đơn giản hóa, người ta thường chỉ vẽ một phần của những vùng này.

2.4.2 Nhận dạng và phân biệt sự truyền nhiệt

2.4.2.1 Dẫn nhiệt a Định luật fourier và hệ số dẫn nhiệt

Dựa vào thuyết động học phân tử, Fourier đã chứng minh định luật cơ bản của dẫn nhiệt như sau:

Vec tơ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vectơ gradient nhiệt độ

Biểu thức của định luật có dạng vectơ là:

(2-9) dạng vô hướng là: q = - gradt = -  (2-10)

Theo định luật này, nhiệt lượng Q được dẫn qua diện tích F của mặt đẳng nhiệt trong 1 giây được tính theo công thức:

Khi gradt không đổi trên bề mặt F, công thức có dạng:

Q = - (2-12) Định luật Fourier là định luật cơ bản để tính lượng nhiệt trao đổi bằng phương thức dẫn nhiệt b Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số của định luật Fourier:  = , W/mK gọi là hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt  thể hiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, và giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất, kết cấu, độ ẩm và nhiệt độ Hệ số này được xác định qua thực nghiệm cho từng loại vật liệu và có thể tra cứu trong bảng thông số vật lý theo mối quan hệ với nhiệt độ.

26 c Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Với a = , m 2 /s, được gọi là hệ số khuếch tán nhiệt, đặc trưng cho mức độ khuếch tán nhiệt trong vật.

2.4.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu a Công thức tính nhiệt cơ bản

Thực nghiệm cho hay lượng nhiệt Q trao đổi bằng đối lưu giữa mặt F có nhiệt độ twvới chất lỏng có nhiệt độ tf luôn tỷlệ với F và:

Do đó, nhiệt lượng Q được đề nghị tính theo 1 công thức quy ước, được gọi là công thức Newton, có dạng sau:

Q = F∆t [W] hay q = ∆t [W/m 2 ] (2-15) b Hệ số tỏa nhiệt 

Hệ số  của công thức Newton nói trên, được gọi là hệ số tỏa nhiệt:

Hệ số  đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt, bằng lượng nhiệt truyền từ 1m 2 bề mặt đến chất lỏng có nhiệt độ khác nhiệt độ bề mặt 1 độ

Cơ sở lý thuy ết để kh ả o sát m ộ t quá trình nhi ệt độ ng

Khảo sát quá trình nhiệt động là nghiên cứu các đặc tính và mối quan hệ giữa các thông số cơ bản trong quá trình thay đổi trạng thái Điều này bao gồm tính toán độ biến thiên của các thông số như áp suất (p), thể tích (v), nhiệt độ (T), entropi (s), công (W) và nhiệt (Q) trao đổi trong quá trình Để thực hiện khảo sát, chúng ta sử dụng các đồ thị p-v và T-s, đồng thời dựa vào các qui luật cơ bản của khí lý tưởng.

- Phương trình định luật nhiệt động I

Từ đặc điểm quá trình, ta xác lập được phương trình của quá trình

Phương trình trạng thái xác định mối quan hệ giữa các thông số trạng thái trong quá trình, trong khi phương trình định luật nhiệt động I cho phép tính toán công và nhiệt lượng trao đổi giữa khí lý tưởng và môi trường, cùng với độ biến thiên.

Trong quá trình lưu động của môi chất, ngoài việc khảo sát các thông số trạng thái như áp suất và nhiệt độ, một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là tốc độ, ký hiệu là  Khi nghiên cứu dòng lưu động, chúng ta thường đưa ra những giả thiết cần thiết để phân tích chính xác hơn.

- Dòng lưu động là ổn định: nghĩa là các thông số của môi chất không thay đổi theo thời gian.

- Dòng lưu động một chiều: vận tốc dòng không thay đổi trong tiết diện ngang

- Quá trình lưu động là đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt do ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường

- Quá trình lưu động là liên tục: các thông số của dòng thay đổi một cách liên tục, không bị ngắt quãng và tuân theo phương trình liên tục:

+ G là lưu lượng khối lượng [kg/s];

+  là vận tốc của dòng [m/s];

+ f là diện tích tiết diện ngang của dòng tại nơi khảo sát [m 2 ];

+  là khối lượng riêng của mổi chất [kg/m 3 ];

N Ộ I DUNG KH Ả O SÁT

- Định nghĩa quá trình và lập phương trình biểu diễn quá trình f(p,v) = 0

Dựa vào phương trình trạng thái pv = RT, ta có thể xác định mối quan hệ giữa các thông số trạng thái cơ bản ở trạng thái đầu và cuối của quá trình Phân tích các thông số này giúp hiểu rõ hơn về sự biến đổi trong hệ thống.

Trong quá trình tính toán các đại lượng nhiệt động học, chúng ta cần xác định sự thay đổi nội năng ∆u, entanpi ∆i và entropi ∆s Đối với khí lý tưởng, nội năng và entanpi có thể được tính toán bằng các công thức cụ thể trong mọi trường hợp.

- Tính công thay đổi thể tích l, nhiệt lượng q trao đổi trong quá trình và hệ số biến hoá năng lượng:  - Biểudiễn quá trình trên đồ thị p-v, T-s và nhận xét.

Các quá trình có một thông số bất biến

3.3.1 Quá trình đẳng nhiệt a Định nghĩa quá trình

Quá trình đẳng nhiệt là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ không đổi

T = const, dt = 0 (3-4) b 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: pv = RT = const (3-5)

31 hay: p1v1 = p2v2 (3-6) nghĩa là trong quá trình đẳng nhiệt, thể tích thay đổi tỷlệ nghịch với áp suất, suy ra:

(3-7) c Công thay đổi thể tích của quá trình

Vì quá trình đẳng nhiệt có T = const, nên công thay đổi thể tích: l = (3-8) l = (3-9) hay: l = (3-10) d Công kỹ thuật của quá trình lkt = (3-11)

Trong quá trình đẳng nhiệt công thay đổi thể tích bằng công kỹ thuật. e Nhiệt lượng trao đổi với môi trường

Theo định luật nhiệt động lực học I, lượng nhiệt tham gia vào quá trình được xác định bằng công thức dq = du + dl = di + dlkt Trong quá trình đẳng nhiệt, khi dT = 0, thì du sẽ bằng 0.

Trong quá trình phân tích, ta có thể viết dq = dl = dlkt hoặc q = l = lkt, với điều kiện di = 0 Từ đó, ta có thể xác định q = T(s2 - s1) thông qua công thức dq = Tds Độ biến thiên entropi của quá trình được xác định bằng biểu thức ds, và theo phương trình trạng thái, ta có thể thay thế vào biểu thức này để tính toán.

Lấy tích phân (3-16) ta có:

s = = = Rln = Rln (3-17) h Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình

 = = 0 (3-18) k Biểu diễn trên đồ thị

Quá trình đẳng nhiệt được thể hiện qua đường cong hyperbolic 1-2 trên đồ thị p-v và đường thẳng ngang 1-2 trên đồ thị T-s Trên đồ thị p-v, diện tích 12p2p1 biểu thị công kỹ thuật, trong khi diện tích 12v2v1 thể hiện công thay đổi thể tích Đối với đồ thị T-s, diện tích 12s2s1 đại diện cho nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đẳng nhiệt.

Hình 3.1 Đồ thị p -v và T - s của quá trình đẳng nhiệt

3.3.2 Quá trình đẳng áp a Định nghĩa quá trình

Quá trình đẳng áp là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi p = const, dp = 0 (3-19) b Quan hệ giữa các thông số

Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, ta có: ; mà R

= const và p = const, do đó suy ra:

= const (3-20) nghĩa là trong quá trình đẳng áp, thể tích thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, suy ra: hay (3-21) c Công thay đổi thể tích của quá trình

Vì quá trình đẳng áp có p = const, nên công thay đổi thể tích: l = = p(v2 - v1) = R(T2 - T1) (3-22) d Công kỹ thuật của quá trình lkt = vì dp = 0 (3-23)

Trong quá trình đẳng áp công kỹ thuật bằng 0 e Nhiệt lượng trao đổi với môi trường

Lượng nhiệt tham gia vào quá trình được xác định theo định luật nhiệt động I với công thức q = i + lkt Vì lkt = 0, ta có q = i = Cp(T2 - T1) Độ biến thiên entropi của quá trình được xác định bằng biểu thức dq = di - vdp, và khi dp = 0, ta có dq = di Từ đó, ta có thể tính toán độ biến thiên entropi ds bằng cách lấy tích phân.

s = = = Cpln Cpln (3-25) h Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình

 = = (3-26) k Biểu diễn trên đồ thị

Quá trình đẳng áp được biểu thị bằng đoạn thẳng nằm ngang 1-2 trên đồ thị p-v (hình 3.2a) và đường cong lôgarit 1-2 trên đồ thị T-s (hình 3.2b) Diện

Trên đồ thị p-v, diện tích 12v2v1 thể hiện công thay đổi thể tích, trong khi diện tích 12s2s1 trên đồ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đẳng áp Để so sánh độ dốc của đường đẳng tích và đường đẳng áp trên đồ thị p-v, ta sử dụng quan hệ dsv = và dsp =, từ đó có thể suy ra rằng Cp lớn hơn Cv.

Từ đó ta thấy: trên đồ thị T - s, đường cong đẳng tích dốc hơn đường cong đẳng áp a b

Hình 3.2 Đồ thị p -v và T - s của quá trình đẳng áp

3.3.3 Quá trình đẳng tích a Định nghĩa quá trình

Quá trình đẳng tích là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện thể tíchkhông đổi v = const, dv = 0 (3-27) b Quan hệ giữa các thông số

Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, ta có: ; mà

R = const và v = const, do đó suy ra:

35 nghĩa là trong quá trình đẳng tích, thể tích thay đổi tỷlệ thuận với nhiệt độ, suy ra: hay (3-29) c Công thay đổi thể tích của quá trình

Vì quá trình đẳng tích có v = const, nghĩa là dv = 0 nên công thay đổi thể tích: l = = 0 (3-30) d Nhiệt lượng trao đổi với môi trường

Lượng nhiệt tham gia vào quá trình được xác định theo định luật nhiệt động I với công thức q = l + Δu Khi l = 0, ta có q = Δu = Cv(T2 - T1) Độ biến thiên entropi của quá trình được tính bằng biểu thức Δs = s2 - s1, hoặc Δs = Cv ln(T2/T1) Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình cũng được xem xét trong bối cảnh này.

Như vậy trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia vào quá trình chỉ để làm thay đổi nội năng của chất khí. k Biểu diễn trên đồ thị.

Trạng thái nhiệt động của môi chất được xác định bằng hai thông số độc lập Do đó, chúng ta có thể chọn hai thông số này để xây dựng đồ thị trạng thái của môi chất.

Quá trình đẳng tích được thể hiện qua đoạn thẳng đứng 1-2 trên đồ thị p-v và đường cong lôgarit trên đồ thị T-s Diện tích 12p2p1 trên đồ thị p-v biểu thị công kỹ thuật, trong khi diện tích 12s2s1 trên đồ thị T-s đại diện cho nhiệt lượng trao đổi trong quá trình này.

Hình 3.3 Đồ thị p -v và T - s của quá trình đẳng tích

3.3.4 Quá trình đoạn nhiệt a Định nghĩa quá trình

Quá trình đoạn nhiệt là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện không trao đổinhiệt với môi trường q = const, dq = 0 (3-35) b Phương trình của quá trình

Từ các dạng phương trình định luật nhiệt động I ta có: dq = CpdT - vdp = 0 dq = CvdT + pdv = 0 suy ra: CpdT = vdp (3-36)

Bằng cách lấy tích phân từ phương trình (3-39), ta có được mối quan hệ lnp + k.lnv = hằng số, hay pv^k = hằng số (3-40) Đây chính là phương trình mô tả quá trình đoạn nhiệt với số mũ đoạn nhiệt k.

Từ phương trình trạng thái ta có: p = , thay vào (3-41) ta được:

Từ (3-41) và (3-42) ta suy ra:

(3-43) d Công thay đổi thể tích của quá trình

Công thay đổi thể tích có thể được tính theo định luật nhiệt động I với công thức q = Δu + l = 0, từ đó suy ra l = Δu = Cv(T1 - T2) Ngoài ra, công thay đổi thể tích cũng có thể được tính theo định nghĩa dl = pdv.

Từ (3-40) ta có: p1 = pv k , suy ra: p = , thay giá trị của p vào biểu thức (3-45) ta được công thay đổi thể tích: l = p1 (3-46)

Từ công thức (3-38) ta có: k = - = (3-47)

Trong quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa công thay đổi thể tích và công kỹ thuật được biểu diễn bằng công thức lkt = k.l Độ biến thiên entropi trong quá trình này là ds = 0, tức là entropi không thay đổi, với s1 = s2 Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

 = =  (3-50) k Biểu diễn trên đồ thị

Quá trình đoạn nhiệt được thể hiện qua đường cong hyperbol 1-2 trên đồ thị p-v (hình 3.4a) và đường thẳng đứng 1-2 trên đồ thị T-s (hình 3.4b) Trên đồ thị p-v, diện tích 12p2p1 biểu trưng cho công kỹ thuật, trong khi diện tích 12v2v1 thể hiện công thay đổi thể tích Đường biểu diễn quá trình đoạn nhiệt có độ dốc lớn hơn đường đẳng nhiệt do lkt = k.l, với k > 1.

Hình 3.4 Đồ thị p -v và T - s của quá trình đoạn nhiệt

3.3.5 Quá trình đa biến a Định nghĩ a quá trình: quá trình đa biến là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện nhiệt dung riêng của quá trìnhkhông đổi

Trong quá trình đa biến, tất cả các thông số trạng thái có thể thay đổi, và hệ thống có khả năng trao đổi nhiệt và công với môi trường Để xây dựng phương trình cho quá trình này, chúng ta áp dụng các công thức từ định luật nhiệt động I Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đa biến được tính theo nhiệt dung riêng, với công thức dq = CndT Cụ thể, ta có hai dạng: dq = CpdT - vdp = CndT (a) và dq = CvdT + pdv = CndT (b).

(C n - C p )dT = - vdp (c) (Cn - Cv)dT = pdp (d)

Chia vế theo vế phương trình (c) cho (d) ta được:

N là một hằng số do Cn, Cp và Cv đều là các hằng số Từ các phương trình (3-52) và (3-53), ta có thể viết lại n = (3-54) hay npdv + vdp = 0 Bằng cách chia cả hai vế của phương trình cho pv, chúng ta có thể tiếp tục phân tích.

Lấy tích phân ta được: n.lnv + lnp = 0

Tiếp tục biến đổi ta được phương trình của quá trình đa biến: pv n = const (3-55) trong đó n là số mũ đa biến.

Các quá trình nhiệt động của khí thực

3.4.1 Hơi nước là một khí thực

Hơi nước mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các chất liệu khác, bao gồm sự sẵn có rộng rãi trong thiên nhiên, chi phí thấp, tính an toàn với môi trường và không gây ăn mòn thiết bị Chính vì vậy, hơi nước được ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.

Hơi nước thường tồn tại ở trạng thái gần bão hòa, vì vậy cần xem xét thể tích của các phân tử và lực hút giữa chúng.

Vì vậy không thể dùng phương trình trạng thái lý tưởng cho hơi nước được

Phương trình trạng thái cho hơi nước được dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình Vukalovich-novikov:

( = 0 (3-63) Ở đây: a, b, m là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.

Từ công thức này người ta đã xây dựng bảng và đồ thị hơi nước.

3.4.2 Quá trình hóa hơi và ngưng tụ của nước

Nước có thể chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ quá trình hoá hơi Quá trình hoá hơi có thểlà bay hơi hoặc sôi

42 a 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

Quá trình bay hơi diễn ra khi các phân tử nước trên bề mặt có động năng vượt qua sức căng bề mặt, cho phép chúng thoát ra ngoài Điều này có nghĩa là bay hơi có thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào.

Cường độ bay hơi của chất lỏng phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của nó; khi nhiệt độ tăng cao, tốc độ bay hơi cũng tăng theo Quá trình sôi là hiện tượng hoá hơi diễn ra không chỉ trên bề mặt mà còn bên trong khối lượng chất lỏng.

Quá trình sôi xảy ra khi nhiệt được cung cấp cho chất lỏng, làm tăng nhiệt độ và cường độ bay hơi Khi đạt đến một nhiệt độ xác định, hiện tượng bay hơi diễn ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng, dẫn đến sự xuất hiện của bọt hơi cả trên bề mặt và bên trong chất lỏng Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa.

Quá trình sôi của chất lỏng có những đặc điểm quan trọng, trong đó nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất lỏng Ở một áp suất không đổi, nhiệt độ sôi của chất lỏng sẽ giữ nguyên Tuy nhiên, khi áp suất tăng lên, nhiệt độ sôi cũng sẽ tăng theo, và ngược lại, nếu áp suất giảm, nhiệt độ sôi sẽ giảm.

Quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại với sôi, trong đó hơi nước nhả nhiệt và chuyển hóa thành chất lỏng Trong suốt quá trình này, nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi.

3.4.3 Các quá trình nhiệt động thực tế

3.4.3.1 Quá trình lưu động a Khái niệm: quá trình lưu động là sự chuyển động của môi chất Khi khảo sát dòng lưu động, ngoài các thông số trạng thái như áp suất, nhiệt độ v.v ta còn phải xét một thông số nữa là tốc độ, kí hiệu là  b Các điều kiện khảo sát Đểđơn giản, khi khảo sát ta giả thiết:

- Dòng lưu động là ổn định: nghĩa là các thông số của môi chất không thay đổi theo thời gian

- Dòng lưu động một chiều: vận tốc dòng không thay đổi trong tiết diện ngang

- Quá trình lưu động là đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt do ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường

- Quá trình lưu động là liên tục: các thông số của dòng thay đổi một cách liên tục, không bị ngắt quãng và tuân theo phương trình liên tục:

G - lưu lượng khối lượng [kg/s];

 - vận tốc của dòng [m/s]; f - diện tích tiết diện ngang của dòng tại nơi khảo sát [m 2 ];

 - khối lượng riêng của mổi chất [kg/m 3 ]; c Các qui luật chung của quá trình lưu động

Tốc độ âm thanh là tốc độ lan truyền của sóng chấn động trong môi trường, được xác định theo công thức a = (3-65), trong đó a là tốc độ âm thanh tính bằng mét trên giây (m/s), k là số mũ đoạn nhiệt, p là áp suất của môi chất tính bằng Newton trên mét vuông (N/m²), và v là thể tích riêng tính bằng mét khối trên kilogram (m³/kg).

R - Hằng số chất khí [J/kg 0 K];

T - nhiệt độ tuyệt đối của môi chất [ 0 K];

Từ (3-65) ta thấy tốc độ âm thanh phụ thuộc vào bản chất và các thông số trạng thái của môi chất

Tỷ số giữa tốc độ của dòng với tốc độ âm thanh được gọi là số Mach, ký hiệu là M

+  < a nghĩa là M < 1, ta nói dòng lưu động dưới âm thanh,

+  = a nghĩalà M = 1, ta nói dòng lưu động bằng âm thanh,

+  > a nghĩa là M > 1, ta nói dòng lưu động trên âm thanh (vượt âm thanh)

Dòng lưu động trong ống là một hệ hở, do đó ta theo định luật nhiệt động ta có thể viết: dq = di - vdp (3-67) dq = di + d (3-68)

- Quan hệ giữa tốc độ và hình dáng ống

Vì dòng đoạn nhiệt có dq = 0, nên từ (3-67) và (3-68) ta suy ra: d = -vdp

Các đại lượng , v, p luôn dương, do đó  ngược dấu với p, nghĩa là:

Khi tốc độ dòng chảy tăng (d > 0), áp suất sẽ giảm (dp < 0), điều này cho thấy đây là ống tăng tốc Ống tăng tốc được sử dụng để nâng cao động năng của dòng môi chất trong các hệ thống như tuốc bin hơi và tuốc bin khí.

Khi tốc độ dòng chảy giảm (d < 0), áp suất trong ống tăng áp sẽ tăng (dp > 0) Ống tăng áp được sử dụng để nâng cao áp suất của khí trong các thiết bị như máy nén ly tâm và động cơ phản lực.

3.4.3 2 Quá trình tiết lưu a Khái niệm

Quá trình tiết lưu là quá trình giảm áp suất mà không sinh công, khi môi chất chuyển động qua chỗ tiết diện bị giảm đột ngột

Khi dòng môi chất di chuyển qua van và các khu vực có tiết diện thu hẹp đột ngột, trở lực tăng cao, dẫn đến áp suất phía sau tiết diện giảm so với trước tiết diện Sự giảm áp suất này không tạo ra công, mà chủ yếu nhằm khắc phục trở lực ma sát do dòng xoáy phát sinh sau tiết diện thu hẹp.

Hình 3.6 Quá trình tiết lưu

Quá trình tiết lưu diễn ra nhanh chóng, dẫn đến lượng nhiệt trao đổi với môi trường rất nhỏ, do đó có thể coi đây là một quá trình đoạn nhiệt Tuy nhiên, quá trình này không thuận nghịch, dẫn đến sự gia tăng Entropi Độ giảm áp suất trong quá trình tiết lưu phụ thuộc vào tính chất và các thông số của môi chất, tốc độ dòng chảy và cấu trúc của vật cản.

Khi tiết diện 11 cách xa tiết diện 2-2, qua quá trình tiết lưu các thông số của môi chất sẽ thay đổi như sau:

- Tốc độ dòng không đổi:

3.4.3.3 Quá trình nén khí a Các loại máy nén

Máy nén khí là thiết bị chuyên dụng để nén khí hoặc hơi đến áp suất cao theo yêu cầu Thiết bị này tiêu tốn năng lượng để nâng cao áp suất của môi chất, phục vụ cho nhiều ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.

Theo nguyên lý làm việc, có thể chia máy nén thành hai nhóm:

Nhóm máy nén đầu tiên bao gồm máy nén pít tông, máy nén bánh răng và máy nén cánh gạt Đối với máy nén pít tông, khí được hút vào xy lanh, nén đến áp suất cần thiết và sau đó được đẩy vào bình chứa, với quá trình nén diễn ra hiệu quả.

Quá trình h ỗ n h ợ p c ủa khí và hơi (không khí ẩ m)

3.5.1 Khái niệm, tính chất và phân loại a K hái niệm: không khí ẩm (khí quyển) là một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước b Tính chất:

Không khí khô là hỗn hợp các khí có thành phần thể tích: Nitơ khoảng 78%; Oxy: 20,93%; Carbonnic và các khí trơ khác chiếm khoảng 1%

Hơi nước trong không khí ẩm có áp suất rất nhỏ, khoảng 15 đến 20mmHg, nên ở nhiệt độ bình thường, nó được xem là hơi quá nhiệt và coi như khí lý tưởng Do đó, không khí ẩm có thể được xem là một hỗn hợp khí lý tưởng, cho phép áp dụng các công thức tính toán của hỗn hợp khí lý tưởng để phân tích.

Nhiệt độ không khí ẩm:

T = Tkk = Th (3-75) Áp suất không khí ẩm: p = pkk = ph (3-76)

G = Gkk + Gh (3-78) c Phân loại không khí ẩ m

Tuỳ theo lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm, ta chia chúng ra thành 3 loại:

Không khí ẩm bão hòa là loại không khí mà lượng hơi nước đạt giá trị tối đa, ký hiệu là G = Gmax Trong trường hợp này, hơi nước được coi là hơi bão hòa khô, và được biểu diễn bằng điểm A trên đồ thị T-s trong hình 3.8.

Không khí ẩm chưa bão hòa là loại không khí mà lượng hơi nước chưa đạt đến mức tối đa, tức là G < Gmax, cho phép không khí này có khả năng hấp thụ thêm hơi nước để trở thành không khí ẩm bão hòa Hơi nước trong trường hợp này được coi là hơi quá nhiệt, được thể hiện bằng điểm B trên đồ thị T-s trong hình 3.8.

Không khí ẩm quá bão hòa là trạng thái không khí chứa lượng hơi nước tối đa Gmax cùng với một lượng nước ngưng tụ Trong tình trạng này, hơi nước được coi là hơi bão hòa ẩm.

Hình 3.8 Đồ thị T - s của hơi nước

Khi thêm hơi nước vào không khí ẩm bão hòa, một phần hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước, dẫn đến việc không khí trở thành quá bão hòa Ví dụ, sương mù là biểu hiện của không khí ẩm quá bão hòa, trong đó chứa các giọt nước ngưng tụ.

Từ đồ thị hình 3.8 ta thấy, có thể biến không khí ẩm chưa bão hòa thành không khí ẩm bão hòa bằng hai cách:

Để đạt được không khí ẩm bão hòa, cần giữ nhiệt độ không khí ẩm ở mức không đổi và tăng phân áp suất của hơi nước từ ph đến phmax, trong đó phmax là áp suất bão hòa tối đa Quá trình này cho phép tăng cường lượng nước trong không khí ẩm chưa bão hòa, biến nó thành không khí ẩm bão hòa.

Giữ nguyên áp suất hơi ph = const, quá trình BA2 diễn ra khi nhiệt độ không khí ẩm giảm từ nhiệt độ ban đầu xuống nhiệt độ đọng sương ts Nhiệt độ đọng sương ts là mức nhiệt mà tại đó hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành nước.

3.5.2 Các đại lượng đặc trưng. a Độ ẩm tuyệt đối: độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước chứa trong 1m 3 không khí ẩm Đây cũng chính là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm.

Độ ẩm tương đối (RH) là tỷ lệ giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí chưa bão hòa (ρh) và độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hòa (ρhmax) tại cùng một nhiệt độ.

Từ phương trình trạng thái của không khí ẩm chưa bão hòa: phV = GhRhT và bão hòa: phmax V = GhmaxRhT, suy ra:

Độ ẩm không khí được đo bằng tỷ lệ phần trăm ẩm, với 0% tương ứng với không khí khô và 100% với không khí ẩm bão hòa Độ ẩm lý tưởng cho sức khỏe động vật nằm trong khoảng 40 đến 75%, trong khi đó, để bảo quản thực phẩm lạnh, độ ẩm cần đạt 90% Độ chứa hơi d, được tính bằng lượng hơi nước trong 1kg không khí khô hoặc trong (1+d) kg không khí ẩm, là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá độ ẩm không khí.

Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng viết cho hơi nước và không khí khô ta có:

Gh = và Gk thay thế các giá trị G vào (3-82) ta được: d = = ; [kg hơi nước/kg không khí khô]

(3-83) d Entanpi của không khí ẩm: entanpi của không khí ẩm bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của hơi nước chứa trong đó Trong kỹ thuật thường

51 tính entanpi của 1kg không khí khô và d kg hơi nước chứa trong (1+d)kg không khí ẩm, kí hiệu là i: i = ik + d.ih; [kJ/kgK] (3-84)

Trong quá trình tính toán, entanpi của 1kg không khí khô được xác định là ik = Cpkt, với Cpk = 1kJ/kgK, do đó ik = t Đối với hơi nước, entanpi ih được tính toán dựa trên trường hợp không khí ẩm chưa bão hòa, trong đó hơi nước sẽ là hơi quá nhiệt với công thức ih = 2500 + Cpht = 2500 + 1,9t.

Cuối cùng ta có: I = t + d(2500 + 1,9t); (kJ/kgK)

3.5.3 Các quá trình của không khí ẩm a Quá trình sấy

Quá trình sấy nhằm giảm độ ẩm của vật liệu, sử dụng không khí ẩm chưa bão hòa hoặc sản phẩm cháy từ nhiên liệu làm môi chất sấy Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung khảo sát quá trình sấy với không khí làm môi chất chính.

Quá trình sấy bao gồm hai giai đoạn chính: đầu tiên là giai đoạn cung cấp nhiệt cho không khí, tiếp theo là giai đoạn không khí nóng tác động lên vật sấy, giúp hút ẩm hiệu quả từ chúng.

Quá trình sấy được mô tả trong hình 3.9, trong đó không khí từ trạng thái 1 được gia nhiệt từ nhiệt độ t1 lên t2 Entanpi tăng từ i1 đến i2, trong khi độ ẩm tương đối giảm từ 1 xuống 2, nhưng độ chứa hơi d1 vẫn không thay đổi, giữ nguyên giá trị const.

Không khí sau khi được sấy nóng sẽ đi vào buồng sấy, tiếp xúc với vật sấy để làm bay hơi nước trong vật sấy Trong quá trình này, entanpi không đổi (i2 = i3), độ ẩm tương đối của không khí tăng từ 2 đến 3, đồng thời độ chứa hơi tăng từ d1 đến d3, dẫn đến sự giảm độ chứa hơi trong vật sấy.

- Không khí nhận một lượng hơi nước từ vật sấy bốc ra Gn:

- Lượng không khí khô cần thiết làm bay hơi 1kg nước:

- Lượng không khí ẩm ở trạng thái ban đầu cần để làm bay hơi 1kg nước trong vậy sấy:

- Lượng nhiệt cần để đốt nóng 1kg không khí khô chứa trong (1+d)kg không khí ẩm là: q = i2– i1 ; [kJ/kgK] (3-88)

- Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1kg nước trong vật sấy:

Q = gkq = (i2– i1)/(d3– d2); [kJ/kgh] (3-89) b Quá trình điều hòa không khí

Khái ni ệ m và yêu c ầ u

a Khái niệm: chu trình nhiệt động là các quá trình khép kín

Quá trình nhiệt động là sự biến đổi trạng thái của hệ nhiệt động, trong đó ít nhất một thông số trạng thái phải thay đổi Để xảy ra sự thay đổi này, cần có sự trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường xung quanh.

Quá trình nhiệt động cơ bản là một quá trình trong đó ít nhất một thông số trạng thái hoặc thông số nhiệt động của môi chất công tác giữ nguyên.

Quá trình cân bằng là quá trình mà môi chất công tác thay đổi qua các thông số trạng thái cân bằng Nó được thể hiện bằng một đường cong trên hệ trục tọa độ trạng thái, trong đó các trục biểu thị các thông số trạng thái độc lập.

Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng, có khả năng quay trở lại trạng thái ban đầu mà không có sự thay đổi nào từ hệ nhiệt động và môi trường xung quanh Ngược lại, quá trình không thuận nghịch xảy ra khi các điều kiện này không được đáp ứng Tất cả các quá trình tự nhiên thực tế đều là không thuận nghịch Trong lĩnh vực kỹ thuật, việc thực hiện một quá trình càng gần với tính chất thuận nghịch thì càng mang lại lợi ích về công và nhiệt.

Chu trình nhiệt động được thể hiện trên các hệ trục tọa độ trạng thái, với các trục khác nhau tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu Các thông số trạng thái trên hệ trục tọa độ này đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và phân tích chu trình nhiệt động.

Diễn chu trình nhiệt động trên hệ trục p - V được gọi là đồ thị công, trong khi đường biểu diễn trên hệ trục T - s được gọi là đồ thị nhiệt Để nghiên cứu các quá trình của chu trình nhiệt động, chúng ta sẽ đưa ra một số giả thiết cơ bản.

- Môi chất là khí lý tưởng và đồng nhất

- Các quá trình xẩy ra đều là thuận nghịch

- Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải sản phẩm cháy là quá trình nhả nhịêt

- Công trong quá trình nạp môi chất và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn nhau và biến hệ ở đây thành hệ kín.

Phân loại chu trình nhiệt động

Dựa vào các khái niệm các quá trình nêu trên chu trình nhiệt động được phân loại thành:

- Chu trình nhiệt động thuận nghịch: là chu trình mà trong đó tất cả các quá trình đều thuận nghịch

- Chu trình thuân chiều: là chu trình biến đổi nhiệt thành công

- Chu trình ngược chiều: là chu trình biến đổi công thành nhiệt

Sau đây sẽ nghiên cứu một số chu trình nhiệt động cơ bản trong thực tế

4.2.1 Chu trình động cơ đốt trong a Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liệu được bơm với áp suất cao và phun vào xy lanh dưới dạng sương mù Tại đây, không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao, khiến nhiên liệu tự bốc cháy ngay khi gặp không khí Quá trình cháy diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu cháy đẳng tích và giai đoạn sau cháy đẳng áp Chu trình cháy lý tưởng của động cơ đốt trong trong cấp nhiệt hỗn hợp được mô tả chi tiết trong hình 4.1.

1 -2 là quá trình nén đoan nhiệt

2 -2’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, môi chất nhận nhiệt lượng q1’.

2’-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lượng q1”.

3 -4 là quá trình giãn nởđoạn nhiệt.

4 -1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lượng q2

+ Các đại lượng đặc trưng cho chu trình:

- Thông số trạng thái đầu: p1, T1

+ Hiệu suất của chu trình: ct = (4-4)

Trong quá trình cháy nhiên liệu, nhiệt lượng chu trình nhận được được ký hiệu là q1, bao gồm hai thành phần: q1’ là nhiệt lượng từ quá trình cháy đẳng tích (2-2’) và q1” là nhiệt lượng từ quá trình cháy đẳng áp (2’-3) Do đó, tổng nhiệt lượng chu trình q1 được tính bằng q1 = q1’ + q1” Bên cạnh đó, q2 là nhiệt lượng cung cấp cho nguồn lạnh trong quá trình nhả nhiệt đẳng tích (4-1).

Từ đó ta có hiệu suất của chu trình là:

Trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích từ trạng thái 2 đến trạng thái 2’, nhiệt lượng q1” được tính bằng Cv(T2 - T2’) Tiếp theo, trong quá trình cấp nhiệt đẳng áp từ trạng thái 2’ đến trạng thái 3, nhiệt lượng q1” được xác định là Cp(T3 - T2’) Cuối cùng, trong quá trình nhả nhiệt đẳng tích từ trạng thái 4 đến trạng thái 1, nhiệt lượng q2 được tính bằng Cv(T4 - T1).

Thay các giá trị của q1’, q1” và q2 vào (4-5) ta được:

Dựa vào đặc điểm của các chu trình, chúng ta có thể tính toán hiệu suất của chu trình theo nhiệt độ đầu T1 và các đại lượng đặc trưng khác cho chu trình.

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp được thể hiện trên đồ thị p-V và T-s, trong đó chu trình cấp nhiệt đẳng tích là một phần quan trọng Trong chu trình này, nhiên liệu (xăng) và không khí được trộn lẫn ở bên ngoài xy lanh trước khi được nạp vào Sau đó, hỗn hợp nhiên liệu và không khí sẽ được nén ở nhiệt độ và áp suất cao, được biểu diễn bằng đoạn 1.

2) nhưng vẫn thấp hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nó nên nó không tự bốc cháy được Quá trình cháy xẩy ra nhờ bugi bật tia lửa điện, quá trình cháy (được biểu diễn bằng đoạn 2-3) xẩy ra rất nhanh làm cho áp suất trong xy lanh tăng vọt lên trong khi xy lanh chưa kịp dịch chuyển, thể tích hỗn hợp khí trong xy lanh không đổi, vì vậy quá trình này có thểcoi là quá trình cháy đẳng tích Sau đó sản phẩm cháy giãn nở, đẩy piston dịch chuyển và sinh công Quá trình giãn nở này được coi là đoạn nhiệt, (được biểu diễn bằng đoạn 3-4) Cuối cùng là quá trình thải sản phẩm cháy ra ngoài (được biểu diễn bằng đoạn 4-1), đây cùng là quá trình đẳng tích Các quá trình lặp lại như cũ, thực hiện chu trình mới

Chu trình cấp nhiệt đẳng tích, như thể hiện trong hình 4.2, là chu trình hoạt động của động cơ ô tô chạy xăng, hay còn gọi là động cơ cháy cưỡng bức nhờ vào bugi đánh lửa Đồ thị mô tả sự thay đổi trạng thái của môi chất được trình bày trong hình 4.2.

Từ công thức tính hiệu suất của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (4-7), ta thấy:

Khi chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có mật độ  = 1, tức là v2’ = v2 = v3, quá trình cấp nhiệt chỉ diễn ra trong giai đoạn cháy đẳng tích từ 2 đến 3 Điều này dẫn đến việc chu trình cấp nhiệt hỗn hợp chuyển thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích.

Khi đó thay  = 1 vào công thức (4-7) ta được hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích:

Như vậy hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén  c Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Khi chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có  = 1, tức là p2’ = p2 = p3, quá trình cấp nhiệt chỉ còn giai đoạn cháy đẳng áp 2-3, biến chu trình này thành chu trình cấp nhiệt đẳng áp Trong chu trình này, không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao, và vào cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào xy lanh dưới dạng sương mù Sự pha trộn giữa nhiên liệu và không khí tạo ra hỗn hợp cháy, dẫn đến hiện tượng tự bốc cháy.

Khi đó thay  = 1 vào công thức (4-7) ta được hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp:

Như vậy hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén  và tỷ số giãn nở sớm 

Quá trình thay đổi trạng thái của môi chất trong chu trình được biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s hình 4.3

Hiện nay người ta không chế tạo động cơ theo nguyên lý này nữa

Hình 4.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp v

- Hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào k

Động cơ cấp nhiệt đẳng áp và hỗn hợp có khả năng hoạt động với tỷ số nén cao, nhưng điều này yêu cầu tăng chiều dài xy lanh, dẫn đến khó khăn trong quá trình chế tạo Hơn nữa, sự gia tăng chiều dài cũng làm tăng tổn thất ma sát, từ đó giảm hiệu suất của động cơ.

- Trong động cơ cấp nhiệt đẳng tích quá trình cháy là cưỡng bức (nhờ bugi), nếu

Khi tỷ số nén vượt quá giới hạn cho phép, hỗn hợp cháy có thể tự bốc cháy trước khi bugi đánh lửa, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của động cơ Tỷ số nén cao cũng làm tăng tốc độ cháy đột ngột, dẫn đến hiện tượng kích nổ, có thể làm hư hỏng các bộ phận của động cơ Do đó, việc lựa chọn tỷ số nén phù hợp với từng loại nhiên liệu là rất quan trọng Để đánh giá hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong, cần so sánh hiệu suất giữa các chu trình hoạt động khác nhau dưới những điều kiện tương ứng.

- Khi có cùng tỉ số nén  và nhiệt lượng q 1 cấp vào cho chu trình:

Trên đồ thị T-s, ba chu trình 123v4v1 (đẳng tích), 122’341 (hỗn hợp) và 123p4p1 (đẳng áp) có cùng tỷ số nén  và nhiệt lượng q1, đồng thời các diện tích a23vd, a22’3c và a23pb cũng bằng nhau Theo (4-4), các chu trình với cùng q1 cho thấy chu trình nào có q2 nhỏ hơn sẽ có hiệu suất nhiệt cao hơn Cụ thể, chu trình đẳng tích có q2 nhỏ nhất với diện tích a14vb, trong khi chu trình đẳng áp có q2 lớn nhất với diện tích a14pd Chu trình hỗn hợp có q2 nằm ở giá trị trung gian với diện tích a14c.

Vậy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là lớn nhất và hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là nhỏ nhất:

Hình 4.4 So sánh các chu trình khi có cùng  và q 1

- Khi có cùng áp suất và nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất:

Hình 4.5 trình bày sự so sánh giữa các chu trình với cùng Tmax và pmax Trong đó, hiệu suất nhiệt của các chu trình được so sánh khi chúng đều nhả một lượng nhiệt q2 giống nhau và hoạt động dưới cùng một mức ứng suất nhiệt.

Với cùng điều kiện đó, các chu trình được biểu diễn trên đồ thị T-s hình 4.5

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp được ký hiệu là 12p34, trong khi chu trình cấp nhiệt hỗn hợp được ký hiệu là 122’341 và chu trình cấp nhiệt đẳng tích là 12v34 Trên đồ thị, cả ba chu trình này đều có cùng giá trị p1.

Trong quá trình nhiệt, T1 và p3, T3 cùng nhả ra một lượng nhiệt q2 với diện tích 14ab Nhiệt lượng q1 cung cấp cho chu trình cấp nhiệt đẳng áp đạt giá trị lớn nhất với diện tích a2p3b, trong khi nhiệt lượng q1 cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích có giá trị nhỏ nhất với diện tích a2v3b.

Vậy theo (4-4) ta thấy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất và hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là nhỏ nhất:

Giới hạn trên của p3, T3 phụ thuộc vào sức bền các chi tiết của động cơ.

Sơ đồ c ấ u t ạ o và nguyên lý ho ạt độ ng c ủa động cơ nhiệ t

4.3.1 Sơ đồ cấu tạo của động cơ nhiệt a Sơ đồ cấu tạo của động cơ 4 kỳ

Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo động cơ 4 kỳ b Sơ đồ cấu tạo của động cơ 2 kỳ

Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo động cơ 2 kỳ

4.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt

Do thời gian có hạn, chúng ta sẽ chỉ tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt 4 kỳ với một xy lanh trong một chu trình làm việc.

Để nghiên cứu nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt từ góc độ nhiệt động kỹ thuật, chúng ta cần xem xét môi chất trong động cơ, bao gồm nhiên liệu và không khí Nhiên liệu kết hợp với ôxy trong không khí để thực hiện quá trình cháy, sau đó sản phẩm cháy sẽ tham gia vào các quá trình nhiệt động, cuối cùng thải ra môi trường Để thiết lập chu trình động cơ nhiệt, chúng ta giả thiết một số điều kiện nhất định.

Coi nhiên liệu, không khí và hỗn hợp nhiên liệu với không khí tạo thành sản phẩm cháy đồng nhất, tương đồng với khí lý tưởng hai nguyên tử có hệ số k = 1,4.

- Coi chu trình là thuận nghịch, trong đó các quá trình giãn nở và nén là những quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

- Thay quá trình cháy bằng quá trình cung cấp nhiệt và quá trình thải sản phẩm cháy vào môi trường là quá trình nhả nhiệt

Quá trình nạp nhiên liệu và không khí (hoặc ôxy) kết hợp với việc thải sản phẩm cháy tạo nên sự cân bằng về mặt công, giúp biến hệ hở thành hệ kín.

Khi pít tông di chuyển từ điểm chết trên xuống, van nạp mở và van xả đóng, cho phép hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào xi lanh Khi pít tông quay lại từ điểm chết dưới lên, cả hai van đều đóng, dẫn đến quá trình nén hỗn hợp Tại điểm chết trên, hỗn hợp bắt đầu cháy, diễn ra trong hai giai đoạn: đẳng tích và đẳng áp Sản phẩm cháy sau đó giãn nở đến điểm chết dưới, nơi van xả mở và áp suất giảm đột ngột Quá trình giảm áp diễn ra theo đường đẳng tích, sau đó pít tông di chuyển lên, van xả mở để thải sản phẩm cháy ra ngoài Cuối cùng, van xả đóng, van nạp mở, và chu trình lại bắt đầu khi pít tông hạ xuống để hút nhiên liệu và không khí vào xi lanh.

Quá trình cháy có thể diễn ra nhanh chóng khi pít tông chưa kịp dịch chuyển, dẫn đến toàn bộ quá trình cháy xảy ra trong điều kiện đẳng tích trong khoảng thời gian 2-3 giây Ngược lại, nếu quá trình cháy diễn ra chậm, pít tông sẽ có đủ thời gian để dịch chuyển, và toàn bộ quá trình cháy sẽ xảy ra trong điều kiện đẳng áp trong cùng khoảng thời gian 2-3 giây.

Hình 4.21 minh họa nguyên lý làm việc và các chu trình của động cơ đốt trong, bao gồm: a Chu trình cấp nhiệt đẳng tích; b Chu trình cấp nhiệt đẳng áp; và c Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.

Quá trình hút nhiên liệu và không khí từ điểm a đến b và quá trình thải sản phẩm cháy từ 1 đến c và a tự triệt tiêu về mặt công, cho thấy động cơ đốt trong hoạt động như một máy nhiệt Nó thực hiện các chu trình thuận từ trạng thái 1 qua các trạng thái 2, 3’, 3”, 4 và khép kín trở lại ở trạng thái 1.

Quá trình 1-2 diễn ra là quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch, được gọi là mất công Tiếp theo, quá trình 2-3’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích q1v, hay còn gọi là cháy đẳng tích Cuối cùng, quá trình 3’-3” là quá trình cấp nhiệt đẳng áp q1p, tương ứng với cháy đẳng áp.

+ Quá trình 3”-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch (đây là quá trình sinh công)

+ Quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt lượng vào môi trường q2 (thải sản phẩm cháy).