KỸ THUẬT NHIỆT
Nhiệt động kỹ thuật
Mục đích của nghiên cứu này là khám phá các quy luật biến đổi năng lượng, đặc biệt là năng lượng nhiệt, trong các quá trình lý hóa khác nhau Nghiên cứu tập trung vào việc chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng và ứng dụng trong kỹ thuật, dựa trên hai định luật thực nghiệm quan trọng: định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II.
Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và ngược lại giữa hai nguồn có nhiệt độ khác nhau
Giả sử có hai nguồn có nhiệt độ T1 và T2 (T1>T2)
Máy nhiệt được phân loại thành hai loại chính: máy nhiệt thuận chiều và máy nhiệt ngược chiều Máy nhiệt thuận chiều, như máy hơi nước và động cơ đốt trong, nhận nhiệt từ nguồn nóng và chuyển đổi một phần thành công, trong khi thải phần còn lại ra nguồn lạnh Ngược lại, máy nhiệt ngược chiều, bao gồm máy lạnh và bơm nhiệt, tiêu tốn năng lượng để thu nhiệt từ nguồn lạnh và thải ra nguồn nóng.
2 Môi chất và hệ nhiệt động a Môi chất
Môi chất là chất trung gian để thực hiện quá trình biến đổi nhiệt thành công và ngược lại trong các máy nhiệt
Trong các máy nhiệt, môi chất thường được sử dụng ở dạng lỏng, hơi hoặc khí do khả năng co giãn lớn, giúp sinh công hiệu quả Chẳng hạn, trong máy lạnh, môi chất là khí ga, trong động cơ đốt trong là hỗn hợp xăng và không khí, còn trong động cơ đốt ngoài, môi chất là hơi nước Hệ nhiệt động là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu và ứng dụng các máy nhiệt này.
Hệ nhiệt động là tập hợp một hoặc nhiều đối tượng được tách biệt để nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng Những đối tượng bên ngoài hệ được gọi là môi trường, và ranh giới giữa hệ nhiệt động và môi trường được xác định bởi các bề mặt hình học.
Dựa vào sự trao đổi các dạng năng lượng trên với môi trường người ta chia hệ nhiệt động thành các loại sau:
- Hệ kín là hệ không trao đổi khối lượng với môi trường.Ví dụ: khối khí chứa trong bình kín được đốt nóng hay làm lạnh là hệ kín
Hệ hở là một loại hệ có khả năng trao đổi khối lượng với môi trường xung quanh Chẳng hạn, máy nén khí được xem là hệ hở vì lượng khí bên trong xy lanh có sự biến đổi, khi khí đi vào và ra khỏi xy lanh.
- Hệ cô lập là hệ không trao đổi khối lượng, nhiệt và công với môi trường Ví dụ: khối khí nằm trong bình kín có vỏ cách nhiệt
Hệ đoạn nhiệt là một hệ thống không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh (q= 0), nhưng vẫn có khả năng trao đổi các dạng năng lượng khác Ví dụ điển hình là quá trình nén và giãn nở khối khí trong một bình kín có vỏ cách nhiệt.
Trong thực tế chỉ tồn tại hệ kín và hệ hở
3 Các thông số trạng thái môi chất a Định nghĩa
Thông số trạng thái là các đại lượng vật lý có giá trị xác định tại một trạng thái cụ thể, không bị ảnh hưởng bởi quá trình biến đổi.
Thông số trạng thái bao gồm thông số trạng thái cơ bản và hàm trạng thái Các thông số trạng thái cơ bản là những thông số có thể đo được trực tiếp thông qua các dụng cụ đo chuyên dụng.
Hàm trạng thái là các thông số không thể đo trực tiếp, mà được xác định gián tiếp thông qua các thông số trạng thái cơ bản Những thông số trạng thái cơ bản này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và phân tích hệ thống.
Nhiệt độ là chỉ số thể hiện trạng thái nhiệt của vật, phản ánh mức độ chuyển động của các phân tử Khi tốc độ chuyển động của các phân tử tăng, nhiệt độ của vật cũng sẽ cao hơn Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các thang đo khác nhau.
Thang độ nhiệt độ bách phân, hay còn gọi là nhiệt độ Celsius (ký hiệu t(°C)), sử dụng để đo nhiệt độ trong các điều kiện tiêu chuẩn Ở áp suất 0 mmHg, nhiệt độ nước đá đang tan là 0°C, trong khi nhiệt độ nước sôi đạt 100°C.
Nhiệt độ Kelvin, hay còn gọi là nhiệt độ tuyệt đối, được ký hiệu là T(K) Tại áp suất 0 mmHg, nhiệt độ của nước đá đang tan là 273,15 K, trong khi nhiệt độ T = 0 K tương ứng với trạng thái các phân tử ngừng chuyển động Mối quan hệ giữa thang nhiệt độ Kelvin và Celsius được thể hiện qua công thức: T = 273,15 + t, trong đó 1 độ C tương đương với 1 K.
= 1/100 khoảng cách giữa hai mốc và 0K= -273,15, như vậy nhiệt độ trong thang
Kelvin đều dương Ngoài hai thang nhiệt độ trên, người ta còn dùng thang nhiệt độ
Farenheit đơn vị đo là t ( 0 F) và thang nhiệt độ Rankine đơn vị đo là T( 0 R) Quan hệ giữa các thang là: t( 0 C) = T[K] -273,15 = 5/9(t 0 F -32) =5/9 T 0 R-273 (1-1)
* Áp suất tuyệt đối Áp suất tuyệt đối là lực tác dụng của môi chất thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc p =
F - Lực tác dụng các phân tử môi chất (N);
S - Diện tích bề mặt tiếp xúc (m 2 ) Đơn vị chuẩn đo áp suất là N/m 2 còn gọi là Pascal
1 N/m 2 = 1Pa, 1KPa = 10 3 Pa , 1Mpa 6 Pa
Hình 1-2: Các thang đo nhiệt độ
Ngoài đơn vị chuẩn, trong kỹ thuật nhiệt còn dùng các đơn vị khác như : bar, atmôtphe, KG/cm 2 , mmHg, mH20, psi
1 at = 0,981 bar = 1KG/cm 2 s5,5 mmHg m H2O
Áp suất tuyệt đối của môi chất trong bình được xác định so với áp suất khí trời, với công thức p = p0 + pdư khi áp suất lớn hơn áp suất khí trời, và p = p0 - pck khi áp suất nhỏ hơn Đơn vị chuyển đổi giữa psi và bar là 1 psi = 0,06895 bar.
Hình 1-3: Mối quan hệ giữa các loại áp suất
Hình 1-4: Các loại đồng hồ đo áp suất a, Áp kế (Manomet) b, Chân không kế (vacumet) c, Áp chân không kế (Manovacumet)
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng môi chất
V- thể tích của môi chất (m 3 )
G - khối lượng của môi chất (kg) Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng (mật độ)
Nội năng ký hiệu là u(J/kg) là nội năng của 1 kg môi chất
U (J) là nội năng của G kg môi chất và U = u.G
Nội năng của môi chất là tổng năng lượng bên trong, bao gồm nội nhiệt năng, với hai thành phần chính: nội động năng và nội thế năng Nội động năng (uđ) phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ, trong khi nội thế năng (ut) phụ thuộc vào khoảng cách và thể tích riêng của các phân tử Cụ thể, u = uđ + ut, trong đó uđ = f(T) và ut = f(v).
Với khí thực u = uđ + ut = f (T) + f (v) = f (T,v)
Với khí lý tưởng u = uđ =f (T) vì không có lực tác dụng tương hỗ
Trong kỹ thuật nhiệt, việc tính toán lượng biến thiên nội năng \(\Delta u\) trong quá trình là quan trọng hơn so với việc xác định giá trị tuyệt đối của nội năng ở một trạng thái cụ thể Do đó, chúng ta thường chọn một trạng thái tùy ý, thường là trạng thái ở điểm ba thể, làm gốc và coi nội năng ở trạng thái gốc bằng không, sau đó tính nội năng ở các trạng thái khác dựa trên gốc này.
Entanpi ký hiệu là i (J/kg) là entanpi của 1 kg môi chất
I (J) là en tanpi của G kg môi chất và I = iG
Quá trình hóa hơi của chất lỏng
Hơi của các khí thực đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật, chẳng hạn như hơi nước được sản xuất từ lò hơi ở áp suất không đổi, được sử dụng để sản xuất điện trong nhà máy điện và để đốt nóng các vật liệu trong nhiều nhà máy công nghiệp Ngoài ra, hơi của các môi chất lạnh như NH3 và freon được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy lạnh.
Quá trình hoá hơi của các khí thực có nhiều điểm tương đồng, do đó, việc nghiên cứu hoá hơi của nước sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về đặc điểm của quá trình hoá hơi ở tất cả các khí thực khác Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích quá trình hoá hơi của nước.
Cấp nhiệt liên tục cho 1kg nước đá từ nhiệt độ -10°C đến 120°C dưới áp suất khí quyển 1 bar không đổi Quá trình hóa hơi của nước đá được thể hiện qua mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng nhiệt cung cấp, như mô tả trong hình 1-11.
Hình 1-11: Quá trình chuyển pha của nước đá
Các quá trình xảy ra:
- Quá trình hâm nóng nước đá (AB) từ t1 đến nhiệt độ nóng chảy của nước đá tdb
- Quá trình nóng chảy (BC) của nước đá tdb = 0 0 C không đổi
- Quá trình hâm nóng nước (CD) từ tdb đến nhiệt độ sôi của nước ts = 100 0 C
- Quá trình sôi (DE) ở nhiệt độ ts không đổi Áp suất khí quyển
- Quá trình quá nhiệt (DF) đến nhiệt độ t2 = 120 0 C
- Sự biến đổi trạng thái của chất lỏng trong quá trình hoá hơi (quá trình CDEF)
- Lỏng chưa sôi là trạng thái lỏng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi (khoảng CD)
- Lỏng sôi (hay lỏng bão hoà) là trạng thái lỏng đạt dến nhiệt độ sôi nhưng chưa hoá hơi (điểm D)
- Hơi bão hoà ẩm là hỗn hợp của hơi bão hòa khô và lỏng sôi (khoảng DE)
- Hơi bão hoà khô là hơi tạo thành khi toàn bộ lỏng đã hoá hơi nhưng nhiêt độ vẫn là nhiệt độ sôi (điểm E)
- Hơi quá nhiệt là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi (khoảng DE)
Độ khô là khái niệm dùng để đặc trưng cho trạng thái hơi ẩm, được tính bằng khối lượng hơi khô có trong 1kg hơi ẩm Công thức tính độ khô x là x = Gk / (Gk + Gl), trong đó Gk là khối lượng hơi khô và Gl là khối lượng lỏng Điều này có nghĩa là trong 1kg hơi bão hòa ẩm, có x kg hơi và (1-x) kg lỏng sôi.
Như vậy: Đối với lỏng sôi có x = 0 Đối với hơi bão hoà khô x = 1 Đối với hơi bão hoà ẩm 0 < x