Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí; Định luật nhiệt động thứ I, Các phương pháp tính nhiệt và công; Định luật nhiệt động thứ II. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: NHIỆT KỸ THUẬT NGHỀ : VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Trang 2
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình NHIỆT KỸ THUẬT được biên soạn theo chương trình khung các nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí và Vận hành nhà máy nhiệt điện của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội. Giáo trình dựa trên sự tham khảo nhiều tài liệu, sách, giáo trình của cùng môn học cũng như các môn liên quan khác dành cho các hệ đào tạo đại học, cao đẳng, đào tạo nghề và trung học chuyên nghiệp trong nước. Các kiến thức trong toàn bộ giáo trình có mối liên hệ lôgic chặt chẽ. Tuy vậy, giáo trình cũng chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham khảo thêm các giáo trình có liên quan đối với ngành học để việc sử dụng giáo trình có hiệu quả hơn. Giáo trình “Nhiệt kỹ thuật” là tài liệu bắt buộc đối với học viên nghề, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, và Vận hành nhà máy nhiệt điện hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề. Nội dung của giáo trình gồm 3 chương: Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I. Các phương pháp tính nhiệt và công Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II Giáo trình được biên soạn trên cơ sở người học đã nắm vững các kiến thức về phần nhiệt trong môn vật lý ở phổ thông, nên không đi sâu vào phần lý luận mà chú ý nhiều đến phần ứng dụng trong kỹ thuật, phục vụ cho việc học các môn chuyên môn. Tài liệu này chỉ lưu hành trong nội bộ nhà Trường. Trong quá trình biên soạn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được người sử dụng và các đồng nghiệp đóng góp nhằm làm cho giáo trình ngày một hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn./. Bà rịa - Vũng Tàu, tháng 3 năm 2022 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Ths. Phạm Thị Nụ 2. Ths. Nguyễn Thị Thùy 3. Trần Thu Hằng 4. Th.S Nguyễn Văn Hòa 5. Ks. Phạm Công Quang Trang 3
MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ .......................................................................12 1.1. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI ........................................................................................... 13 1.1.1. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật ...................................................... 13 1.1.2. Hệ nhiệt động ................................................................................................................ 14 1.1.3. Tính chất của thông số trạng thái .................................................................................. 17 1.2. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ......................................................................................... 19 1.2.1. Khái niệm...................................................................................................................... 19 1.2.2. Các loại quá trình nhiệt động ........................................................................................ 20 1.3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ .............................. 21 CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT VÀ CÔNG ......................................................................................................25 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT LƯỢNG VÀ CÔNG.......................................... 26 2.1.1. Nhiệt lượng ................................................................................................................... 26 2.1.2. Nhiệt dung riêng ........................................................................................................... 29 2.1.3. Các phương pháp tính công .......................................................................................... 30 2.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I .............................................................................. 32 2.2.1. Phát biểu định luật I ...................................................................................................... 32 2.2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I ............................................................. 33 2.2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng ........................................................ 35 2.2.4. Các quá trình có một thông số bất biến ........................................................................ 36 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ............................................................................................................ 46 CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II ................................................48 3.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CÁC LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.. 49 3.1.1. Định luật nhiệt động thứ II ........................................................................................... 49 3.1.2. Chu trình thuận chiều.................................................................................................... 50 3.1.3. Chu trình ngược chiều .................................................................................................. 51 3.2. CHU TRÌNH CARNO THUẬN NGHỊCH .................................................................... 52 3.2.1. Chu trình Carno thuận nghịch thuận chiều ................................................................... 52 3.2.2. Chu trình Carno thuận nghịch ngược chiều .................................................................. 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................56 Trang 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1. Quá trình thay đổi trạng thái của hệ nhiệt động ............................................33 Hình 2.2. Trạng thái tiến hành quá trình nhiệt động .....................................................34 Hình 2.3. Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị công a) và đồ thị nhiệt b) ...........36 Hình 2.4 Đồ thị công và đồ thị nhiệt của quá trình đẳng tích .......................................37 Hình 2.5. Đồ thị công và đồ thị nhiệt của quá trình đẳng áp.........................................39 Hình 2.6. Đồ thị công và đồ thị nhiệt của quá trình đẳng nhiệt ....................................40 Hình 2.7 Đồ thị công và đồ thị nhiệt của quá trình đoạn nhiệt .....................................42 Hình 3.1. Biểu diễn chu trình thuận chiều trên đồ thị công và nhiệt.............................50 Hình 3.2. Biểu diễn chu trình ngược chiều trên đồ thị công và nhiệt ...........................51 Hình 3.3. Biểu diễn chu trình Carnot thuận chiều trên đồ thị công và nhiệt .................52 Trang 5
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng ...............................29 Trang 6
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC 1. Tên môn học: NHIỆT KỸ THUẬT 2. Mã môn học: PETR63004 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: 3.1. Vị trí: Là môn học thuộc phần các môn học cơ sở của chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp. Môn học này được dạy trước các môn học, mô đun chuyên môn nghề. 3.2. Tính chất: Môn học này trang bị những kiến thức cơ bản về thông số trạng thái khí, các phương pháp tính nhiệt và công trong quá trình nhiệt động học có liên quan đến nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp. 3.3. Ý nghĩa và vai trò của môn học 4. Mục tiêu của môn học: 4.1. Về kiến thức: A1. Trình bày được các thông số trạng thái và phương trình trạng thái. A2. Trình bày được khái niệm Nhiệt, Công và các phương pháp tính toán. A3. Trình bày được quá trình nhiệt động, nội dung và ý nghĩa của các định luật nhiệt động. 4.2. Về kỹ năng: B1. Phân tích được các Chu trình nhiệt động, chu trình Carno thuận nghịch. B2. Giải được các bài toán nhiệt động cơ bản. 4.3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: C1. Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ và khả năng làm việc theo nhóm. C2. Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trong quá trình làm việc. 5. Nội dung của môn học: 5.1 Chương trình khung Mã Thời gian đào tạo (giờ) Tên môn học, mô đun MH/MĐ/HP Trong đó Trang 7
Thực Thi/ Số hành/ Kiểm Tổng Lý tín thí nghiệm/ tra số thuyết chỉ bài tập/ thảo luận LT TH I Các môn học chung/ đại cương 23 465 183 257 17 8 COMP64002 Giáo dục chính trị 4 75 41 29 5 0 COMP62004 Pháp luật 2 30 18 10 2 0 COMP62008 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 0 4 COMP64010 Giáo dục quốc phòng và An ninh 4 75 36 35 2 2 COMP63006 Tin học 3 75 15 58 0 2 FORL66001 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 0 SAEN512001 An toàn vệ sinh lao động 2 30 26 2 2 0 Các môn học, mô đun chuyên II 70 1825 530 1180 36 79 môn ngành, nghề II.1 Môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở 9 165 93 63 6 3 MECM52003 Vẽ kỹ thuật - 1 2 45 15 28 0 2 ELEI53011 Điện kỹ thuật 2 3 45 36 6 3 0 AUTM52111 Cơ sở điều khiển quá trình 2 45 14 29 1 1 PETR52002 Nhiệt kỹ thuật 2 30 28 0 2 0 Môn học, mô đun chuyên môn II.2 61 1660 437 1117 30 76 ngành, nghề Cơ sở quá trình và thiết bị trong PETR63004 3 45 42 0 3 0 công nghệ hóa học PETR53005 Sản phẩm dầu mỏ 3 45 42 0 3 0 PETR56107 Vận hành máy thuỷ khí I 6 150 28 106 2 14 PETR64108 Vận hành máy thuỷ khí II 4 100 28 66 2 4 Vận hành hệ thống đường ống và PETR56109 6 150 28 106 3 13 bể chứa PETR62110 Vận hành thiết bị tách dầu khí 2 45 14 29 1 1 PETR53111 Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt 3 75 21 50 2 2 PETR62114 Kỹ thuật phòng thí nghiệm 2 45 13 30 1 1 Vận hành phân xưởng chưng cất PETR56115 6 145 42 94 3 6 dầu thô Vận hành phân xưởng chế biến PETR56116 6 145 42 94 3 6 dầu I Vận hành phân xưởng chế biến PETR64117 4 100 28 66 2 4 dầu II Vận hành các phân xưởng chế PETR56118 6 150 36 108 2 4 biến khí PETR54219 Thực tập sản xuất 4 195 45 138 3 9 PETR66220 Khóa luận tốt nghiệp 6 270 28 230 0 12 Tổng Cộng: 93 2290 713 1437 53 87 5.2 Chương trình chi tiết môn học Trang 8
Thời gian (giờ) Số Tên chương, mục Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra Chương 1. Một số khái niệm cơ bản và 11 10 1 1 phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí Chương 2. Định luật nhiệt động thứ 11 11 0 2 nhất. Các phương pháp tính nhiệt và công 3 Chương 3. Định luật nhiệt động thứ 2 8 7 1 Cộng 30 28 28 2 6. Điều kiện thực hiện môn học: 6.1. Phòng học Lý thuyết/ Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 6.2. Trang thiết bị dạy học: Projector, máy vi tính, bảng, phấn 6.3. Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, mô hình học tập,… 6.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án khắc phục và phòng ngừa rủi ro tại doanh nghiệp. 7. Nội dung và phương pháp đánh giá: 7.1. Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp. + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập 7.2. Phương pháp: Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau: Trang 9
7.2.1. Cách đánh giá - Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội. Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Dầu khí như sau: Điểm đánh giá Trọng số + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40% + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học 60% 7.2.2. Phương pháp đánh giá Phương pháp Phương pháp Hình thức Chuẩn đầu ra Số Thời điểm đánh giá tổ chức kiểm tra đánh giá cột kiểm tra Thường xuyên Viết/ Tự luận/ A2, B2, 1 Sau 21 giờ. Thuyết trình Trắc nghiệm/ C1, C2 Báo cáo Định kỳ Viết/ Tự luận/ A1, B2, C1, C2 1 Sau 10 giờ Thuyết trình Trắc nghiệm/ A3, B1, B2, C1, C2 1 Sau 30 giờ Báo cáo Kết thúc môn Viết Trắc nghiệm A1, A2, A3 1 Sau 30 giờ học B1, B2, C1, C2 7.2.3. Cách tính điểm - Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân. - Điểm môn học là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần của môn học nhân với trọng số tương ứng. Điểm môn học theo thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân, sau đó được quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy định của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ. 8. Hướng dẫn thực hiện môn học 8.1. Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Cao đẳng Dầu khí Trang 10
8.2. Phương pháp giảng dạy, học tập môn học 8.2.1. Đối với người dạy * Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận…. * Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra. * Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra. * Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong nhóm tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm. 8.2.2. Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau: - Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...) - Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau. - Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 8-10 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm. - Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ. - Tham dự thi kết thúc môn học. - Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học. 9. Tài liệu tham khảo: [1] PGS.TS Phạm Lê Dần – GS. TSKH Đặng Quốc Phú, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật. 2015 [2] PGS.TS Bùi Hải, PGS.TS Trần Thế Sơn, Nhiệt kỹ thuật, NXB Khoa học và kỹ thuật. [3] PGS.TS. Phạm Hữu Tân Hiệu đính: PGS.TS. Trần Hồng Hà, Nhiệt kỹ thuật, NXB Hàng Hải. Trang 11
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ ❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1 Chương 1 là chương giới thiệu bức tranh tổng quan về một số nội dung cơ bản thông số trạng thái và phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí để người học có được kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo. ❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG NÀY LÀ: Sau khi học xong chương này, người học có khả năng: ➢ Về kiến thức: - Trình bày được những khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái khí. ➢ Về kỹ năng: - Áp dụng được trình trạng thái khí vào giải các bài tập trong nhiệt kỹ thuật. ➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ và khả năng làm việc theo nhóm. ❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1 - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm). - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định. ❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1 - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Không - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan. - Các điều kiện khác: Không có ❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1 - Nội dung: Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 12
✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức ✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng. ✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. - Phương pháp: ✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: không có. ✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra (hình thức tự luận/trắc nghiệm) ❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 1 1.1. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 1.1.1. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật Nhiệt động lực học là 1 bộ phận của vật lý học, nghiên cứu những quy luật về biến đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng và các biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả của các sự biến đổi đó. Cơ sở của nhiệt động lực học là 2 định luật thực nghiệm: - Định luật nhiệt động thứ nhất: Đây là định luật về bảo toàn và biến hóa năng lượng (công, nhiệt lượng, các dạng năng lượng khác như động năng, thế năng) trong phạm vi nhiệt động. - Định luật nhiệt động thứ 2: Chỉ ra chiều hướng diễn biến của các quá trình, thiết lập giới hạn tối đa của biến hóa năng lượng từ nhiệt sang công trong các động cơ nhiệt, nêu lên điều kiện để thực hiện những quá trình ngược với chiều tự phát. Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi nhiệt động lực học còn gọi là hệ thống nhiệt động. Bên trong hệ thống này nhất định phải có chất công tác mà ta gọi là chất môi giới. Khi hệ thống hoạt động, trạng thái của chất môi giới phải có sự thay đổi. Nhờ đó làm xuất hiện sự trao đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường. Hay nói cách khác chính sự trao đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường làm cho trạng thái của chất môi giới bị thay đổi. Tùy theo hướng chuyển động của nhiệt lượng mà người ta chia các máy nhiệt ra thành 2 loại: Loại thuận chiều (năng lượng được truyền theo chiều thuận từ nơi có nhiệt Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 13
độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp), loại ngược chiều (năng lượng được truyền theo chiều ngược lại từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao) Các máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều được gọi chung là động cơ nhiệt, đây là chiều truyền nhiệt tự nhiên nên ta nhận được công có ích. Các máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều gọi là bơm nhiệt hay máy làm lạnh, đây là chiều truyền nhiệt không tự nhiên nên ta phải tốn công. 1.1.2. Hệ nhiệt động a. Hệ thống nhiệt động Là khoảng không gian trong đó có chứa 1 lượng nhất định chất môi giới đang được khảo sát bằng các biện pháp nhiệt động. Còn tất cả những gì không nằm trong hệ thống và không thuộc phạm vi khảo sát gọi chung là môi trường. Giữa chất môi giới và môi trường luôn luôn tồn tại bề mặt ngăn cách. Bề mặt này có thể là bề mặt thật hoặc tưởng tượng, có thể đứng yên hoặc chuyển động và có thể thay đổi tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu cụ thể nào đó. Bất kỳ hệ thống nhiệt động nào cũng phải có: Chất môi giới, nguồn nóng, nguồn lạnh. ➢ Hệ thống nhiệt động kín: Lượng chất môi giới bên trong hệ thống được duy trì không đổi, chất môi giới không thể đi xuyên qua bề mặt ngăn cách giữa hệ thống và môi trường. Ví dụ: máy lạnh ➢ Hệ thống nhiệt động hở: Chất môi giới có thể đi vào, đi ra khỏi hệ thống, có nghĩa là chất môi giới có thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới. Ví dụ: Động cơ đốt trong, động cơ phản lực, tua bin khí. ➢ Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt: Chất môi giới và môi trường không có sự trao đổi nhiệt, có nghĩa là trong quá trình hoạt động thì chất môi giới hoàn toàn không nhả nhiệt ra môi trường cũng như không nhận nhiệt từ môi trường. ➢ Hệ thống nhiệt động cô lập: Chất môi giới và môi trường hoàn toàn không bất kỳ sự trao đổi nhiệt lượng nào có nghĩa là hệ thống không có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường. b. Nguồn nhiệt Bao gồm: nguồn nóng và nguồn lạnh (xét cùng 1 hệ thống, nguồn nào có nhiệt độ cao hơn là nguồn nóng, và nguồn nào có nhiệt độ thấp hơn là nguồn lạnh) Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 14
Do ý nghĩa tương đối này nên với cùng 1 nguồn, có thể đối với hệ thống này nó là nguồn nóng còn đối với hệ thống khác nó là nguồn lạnh. Ví dụ: Đối với động cơ đốt trong, môi trường không khí xung quanh là nguồn lạnh; còn trong tủ lạnh thì môi trường không khí xung quanh là nguồn nóng. c. Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy làm lạnh ➢ Động cơ nhiệt: Là loại máy nhiệt dùng để sinh công. Trong các loại máy này, chất môi giới sẽ vận chuyển nhiệt lượng theo chiều thuận từ nguồn nóng đến nguồn lạnh và giãn nở sinh công. Ví dụ: động cơ đốt trong, động cơ phản lực, thiết bị động lực hơi nước, các loại tuabin. Gọi Q1: nhiệt lượng mà chất môi giới nhận được từ nguồn nóng Q2: nhiệt lượng mà chất môi giới nhả ra cho nguồn lạnh W: công sinh ra Quy ước chung: Q (+): nhận nhiệt Q (-): tỏa nhiệt W (+): sinh công W (-): nhận công Theo định luật bảo toàn năng lượng: Q1 = |Q2| + W Hiệu suất nhiệt (mức độ biến đổi từ nhiệt sang công) W Q1 − Q2 Q = = = 1− 2 Q1 Q1 Q1 Nếu tính theo 1 đơn vị khối lượng của chất môi giới, ta có: Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 15
w q = = 1− 2 q1 q1 Nhận xét: 0 < ƞ
Nếu chất môi giới được xem là khí, ta sẽ giải quyết vấn đề 1 cách đơn giản hơn thông qua các công thức bằng cách đưa ra 1 khái niệm mới là khí lý tưởng. Ta gọi 1 chất môi giới ở thể khí là khí lý tưởng nếu nó thỏa mãn các điều kiện sau − Thể tích bản thân các phân tử bằng 0 − Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 − Các phân tử chỉ là những chất điểm chuyển động Có thể xem oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước có trong không khí ẩm… ở trạng thái thường gặp là khí lý tưởng. Hơi nước trong thiết bị động lực hơi nước, tác nhân lạnh trong các hệ thống lạnh … không được xem là khí lý tưởng. 1.1.3. Tính chất của thông số trạng thái Các thông số dùng để xác định trạng thái của chất môi giới gọi là thông số trạng thái. Để xác định 1 trạng thái nào đó của chất môi giới, người ta phải dùng ít nhất 2 thông số trạng thái độc lập với nhau. Nhiệt độ Nhiệt độ là thông số biểu thị mức nóng lạnh của môi chất, chính nhiệt độ là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt, có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau: 1. Thang nhiệt độ bách phân - Celcius (oC). Thang nhiệt độ này được xây dựng trên cơ sở 2 điểm mốc: điểm nước đá tan và điểm nước sôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn. Nhiệt độ tương ứng của 2 điểm này được chọn là 0oC và 100oC 2. Thang nhiệt độ tuyệt đối Kenvin (oK), được xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt động thứ 2, độ chênh lệch nhiệt độ giữa oC và oK được chọn bằng nhau. Trong hệ thống SI, nhiệt độ Kenvin được chọn là cơ sở trong các phép tính nhiệt động 3. Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine (oR). Về mặt trị số, điểm không của thang nhiệt độ tuyệt đối Kenvin và Rankine được chọn trùng nhau. 4. Thang nhiệt độ Fahrenheit (oF) Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ: 5 5 ToC = TK – 273 = (toF - 32) = ToR – 273 9 9 Chú ý: - Dụng cụ đo nhiệt độ gọi chung là nhiệt kế. Để đo nhiệt độ người ta dựa vào các tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ. Ví dụ: dựa vào sự giãn nở của chất lỏng theo nhiệt độ ta có nhiệt kế chất lỏng (thủy ngân, rượu,…) dựa vào điện trở phụ Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 17
thuộc vào nhiệt độ ta có nhiệt kế điện trở, dựa vào hiệu ứng nhiệt điện ta có nhiệt kế cập nhiệt. Áp suất Áp suất là lực của môi chất tác động thẳng góc lên 1 đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc : P = F/A (N/m2 = 1 Pa) - Quan hệ giữa các đơn vị thường gặp: 1 kPa = 103 Pa; 1 Mpa = 106 Pa 1 1 1Pa = 1N/m2 = mmH2O = mmHg = 10-5bar 9,81 133,32 1 bar = 105 Pa = 750 mmHg = 14500 psi = 1kg/cm2 1 at = 0,98 bar = 10 mH2O = 735,5 mmHg Ta chia ra: - Áp suất tuyệt đối (p): Độ chênh lệch giữa áp suất của 1 môi trường nào đó so với chân không tuyệt đối. - Áp suất khí quyển (po): áp suất của khí trời (ở trên mặt đất). Đo áp suất khí quyển bằng barometer (áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao so với mặt biển) - Áp suất dư (pd): độ chênh lệch giữa áp suất môi trường và áp suất khí quyển (áp suất môi trường > áp suất khí quyển). Đo áp suất dư bằng manometer (áp kế). - Áp suất chân không (độ chân không: pck): độ chênh lệch giữa áp suất môi trường và áp suất khí quyển (áp suất môi trường < áp suất khí quyển). Đo độ chân không bằng vacummeter (chân không kế) Chú ý: - Chỉ có áp suất tuyệt đối mới được coi là thông số trạng thái (do đó trong các bảng tính chất nhiệt động của khí và hơi đều cho theo áp suất tuyệt đối) Thể tích riêng và khối lượng riêng Một vật có khối lượng G kg, thể tích V m3 thì có khối lượng riêng là: G = (kg/m3) V và thể tích riêng là: V 1 = = (m3/kg) G  Nội năng (U) Nội năng của một vật là toàn bộ năng lượng bên trong vật đó, gồm nội nhiệt năng, hóa năng và năng lượng nguyên tử. Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 18
Đơn vị đo là: kJ, kcal, kwh, BTU (British Thermal Unit), CHU (Centigrade Heat Unit) 1kJ = 0,293 kcal = 277,78. 10-6 kWh = 0,948 BTU = 0,527 CHU Ở trạng thái cân bằng ta có: U = G.u Trong đó: - U (kJ): nội năng tương ứng với khối chất môi giới có khối lượng G (kg) - u (kJ/kg): nội năng tính theo 1 kg chất môi giới. Entanpi (I), (i) Khi tính toán và phân tích về nhiệt, thường gặp biểu thức (u + pν), để đơn giản ta kí hiệu bằng i hay I và gọi là entanpi, trong đó u là nội năng, pν là thế năng áp suất hoặc năng lượng đẩy (là năng lượng tạo ra công lưu động để đẩy dòng lưu chất dịch chuyển trong trường hợp hệ hở). Đối với 1 kg môi chất, ta có: i = u + pν Đối với G kg môi chất, ta có: I = G.i = G (u + pν) Vì u, p, ν đều là thông số trạng thái nên I cũng là thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng u và pν chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên i cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Entanpi là loại thông số trạng thái không trực tiếp đo được mà phải tính toán thông qua các thông số trạng thái cơ bản là u, p... Đối với khí lý tưởng, do lực tương tác giữa các phần tử xem như bằng 0 nên entanpi của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nghĩa là I = f(T). Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng: di = cpdT và Δi = cp (T2 – T1) Đơn vị đo: kJ, kcal, kwh. Entropi (S), (s) Entropi là một thông số trạng thái, đặc trưng cho quá trình nhận nhiệt hoặc thải nhiệt : nhận nhiệt thì entropi tăng, thải nhiệt thì entropi giảm. 1.2. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1.2.1. Khái niệm Pha: được dùng để biểu diễn 1 khối chất môi giới có cùng cấu trúc vật lý (rắn. lỏng, hơi hay khí) và thành phần hóa học. Khi cấp nhiệt hoặc thải nhiệt, tất cả các môi chất đều thay đổi trạng thái và chuyển pha ở áp suất và nhiệt độ khác nhau: Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 19
- Nóng chảy: là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và quá trình ngược lại chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là đông đặc. Môi chất nhận nhiệt khi nóng chảy và thải nhiệt khi đông đặc. - Hóa hơi: là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ. Môi chất nhận nhiệt khi hóa hơi và thải nhiệt khi ngưng tụ. Tùy điều kiện khác nhau, quá trình hóa hơi có thể chia ra làm 2 quá trình bay hơi và quá trình sôi. Quá trình bay hơi chỉ xảy ra trên mặt thoáng, còn quá trình sôi xảy ra ở cả khối môi chất. Nhiệt độ ở quá trình hóa hơi hoặc ngưng tụ gọi là nhiệt độ bão hòa (hoặc nhiệt độ sôi). Nhiệt độ bão hòa phụ thuộc vào áp suất. Nước ở áp suất khí quyển có nhiệt độ bão hòa (nhiệt độ sôi) xấp xỉ 100oC. - Thăng hoa: là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi và ngược lại quá trình chuyển từ pha hơi sang pha rắn gọi là quá trình ngưng kết. Môi chất nhận nhiệt khi thăng hoa và thải nhiệt khi ngưng kết. Trong 1 chu trình luôn luôn có quá trình nhận nhiệt từ nguồn này, nhả nhiệt cho nguồn kia và kèm theo quá trình nhận hoặc sinh công. Do đó, trong 1 chu trình nhiệt động ít nhất phải có: 1 nguồn nóng, 1 nguồn lạnh và chất môi giới. 1.2.2. Các loại quá trình nhiệt động Trong nhiệt động lực học, không những chúng ta chỉ xét quá trình nói chung mà ta cần chú ý đến cả chiều diễn biến của quá trình. Vì thế dưới đây ta sẽ xét khái niệm quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch. Quá trình thuận nghịch là quá trình diễn biến theo cả hai chiều, trong đó nếu lúc đầu quá trình diễn ra theo một chiều nào đó (chiều thuận) rồi sau lại diễn ra theo chiều ngược lại để trở về trạng thái ban đầu thì hệ đi qua mọi trạng thái giống như lúc hệ diễn biến theo chiều thuận và khi hệ đã trở về trạng thái ban đầu thì không gây ra một biến đổi gì cho ngoại vi. Mọi quá trình thuận nghịch đều là quá trình chuẩn cân bằng. Ta có thể biểu diễn quá trình thuận nghịch trên đồ thị bằng một đường cong liền nét như đối với quá trình chuẩn cân bằng. Mọi quá trình thực do diễn biến nhanh hoặc vì bao giờ cũng có sự tỏa nhiệt do ma sát nên chúng đều không phải là quá trình thuận nghịch. Trong trường hợp này khi hệ trở lại trạng thái ban đầu thì quá trình đã gây ra một sự biến đổi cho ngoại vi và quá trình bao gồm một dãy các trạng thái không cân bằng. Những quá trình này gọi là quá trình không thuận nghịch. Nếu chúng xảy ra càng chậm và càng ít ma sát thì chúng càng gần Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí Trang 20