Xem mẫu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN CN CƠ ĐIỆN LẠNH & ĐHKK
----------------)***(----------------
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DÙNG CHUNG
KỸ THUẬT NHIỆT
(Dùng cho SV các ngành kỹ thuật - trình độ Đại học)
Biên soạn: ThS. Phạm Hữu Hưng
H-ng yªn, n¨m 2015
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
LỜI NÓI ĐẦU
“KỸ THUẬT NHIỆT” là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng (chủ
yếu là quy luật biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt năng trong các vật nói
chung hoặc trong thiết bị nhiệt nói riêng.
Nhiệt năng là một dạng năng lƣợng, nó có khả năng cùng các dạng năng lƣợng khác chuyển
hóa lẫn nhau và nó cũng có thể truyền từ chỗ này đến chỗ khác, từ vật này đến vật khác.
Nhiệt năng có thể nhận đƣợc từ các phản ứng hóa học, nhất là phản ứng cháy của các nhiên
liệu hữu cơ nhƣ củi, than, dầu, khí đốt…; có thể từ phản ứng phân hủy hoặc tổng hợp của các hạt
nhân, nguyên tử…có thể từ nguồn năng lƣợng bức xạ của mặt trời, từ nguồn địa nhiệt trong lòng
đất …
Nhiệt năng thƣờng đƣợc chuyển hóa thành cơ năng trong các động cơ nhiệt nhƣ máy hơi
nƣớc, động cơ đốt trong, tua bin hơi, tua bin khí, động cơ phản lực, tên lửa… Các động cơ nhiệt
đƣơc dùng làm động lực trong nhiều máy móc, thiết bị nhƣng cũng đƣợc dùng nhiều để chạy máy
phát, chuyển cơ năng thành điện năng trong các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử, nhà máy điện
mặt trời hoặc nhà máy địa nhiệt…
Nhiệt năng còn đƣợc dùng rất phổ biến với mục đích cấp nhiệt ở phạm vi nhiệt độ khác
nhau, ở nhiệt độ cao trong các ngành luyện kim, ở nhiệt độ vừa và thấp trong công nghệ bảo quản,
chế biến nông lâm, hải sản, trong điều hòa không khí, nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của
nƣớc ta. Ngoài ra thời gian gần đây bơm nhiệt bắt đầu đƣợc sử dụng và nó rất có triển vọng phát
triển ở điều kiện khí hậu nƣớc ta.
Ngoài những mặt có lợi nói trên, không ít trƣờng hợp nhiệt năng có hại, nó có thể ảnh
hƣởng đến quá trình công nghệ, làm giảm tuổi thọ, thậm chí là phá hủy thiết bị, nó còn ảnh hƣởng
đến sức khỏe, đến khả năng làm việc của con ngƣời.
Do vậy muốn giải quyết có hiệu quả những vấn đề trên cần nắm vững môn “Kỹ thuật nhiệt”.
Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần:
Phần “Nhiệt động kỹ thuật” nghiên cứu các quy luật về chuyển hóa năng lƣợng có liên quan
đến nhiệt năng.
Phần “Truyền nhiệt” nghiên cứu các quy luật về truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa
các vật có nhiệt độ khác nhau.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
1
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Nhiệt động kỹ thuật là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng có liên
quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phƣơng pháp biến đổi có
lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Do vậy môn “Nhiệt động kỹ thuật” phục vụ rộng rãi cho
nhiều ngành trong nền khoa học kỹ thuật hiện đại; trƣớc hết nó phục vụ đắc lực cho ngành năng
lƣợng.
Hàng năm bình quân đầu ngƣời trên thế giới tiêu thụ khoảng 2 tấn nhiên liệu quy ƣớc, trong
đó 80% phải trải qua ít nhất một lần dƣới dạng nhiệt năng, khoảng một nửa nhiện năng đƣợc
chuyển hóa thành điện năng để dễ dàng truyền tải và sử dụng do vậy muốn sử dụng năng lƣợng có
hiệu quả không thể không nắng vững môn “Nhiệt động kỹ thuật”.
Cơ sở nhiệt động đã đƣợc xây dựng từ thế kỷ XIX, và lịch sử phát triển môn “Nhiệt động kỹ
thuật” có liên quan mật thiết đến quá trình phát triển của các thiết bị nhiệt.
Nhiệt động kỹ thuật đƣợc xây dựng trên cơ sở ba định luật: định luật nhiệt động thứ không,
định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II. Định luật nhiệt động thứ không xác nhận khi
nhiệt độ của hai vật bằng nhiệt độ của vật thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng nhau. Định luật
nhiệt động I thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng viết cho sự chuyển hóa giữa
nhiệt và công về mặt số lƣợng. Định luật nhiệt động II xác định điều kiện và mức độ chuyển hóa
nhiệt năng thành cơ năng và các dạng năng lƣợng khác.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
2
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Hệ thống nhiệt động
1.1.1. Những khái niệm cơ bản
- ĐN: Hệ thống nhiệt động (Hệ nhiệt động hay hệ) là một hay tập
hợp các vật thể vĩ mô mà trong đó có sự biến đổi về năng lƣợng
hoặc cả năng lƣợng và khối lƣợng. Phần bên ngoài của hệ thì
Hệ thống
nhiệt động
Biên giới
Môi trƣờng
đƣợc gọi là môi trƣờng. Hệ đƣợc giới hạn và ngăn cách với môi
trƣờng bằng một bề mặt gọi là bề mặt phân cách (biên giới).
Hình 1.1
Chú ý: Bề mặt phân cách có thể thay đổi tùy theo mục đích, yêu
cầu xem xét đối tƣợng khảo sát.
- Phân loại
a) Theo sự biến đổi về khối lƣợng: Hệ kín và hệ hở
Hệ kín: có tính chất cơ bản sau:
- Có trọng tâm của hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc
không đáng kể để động năng của nó có thể bỏ qua;
- Không trao đổi khối lƣợng với môi trƣờng.
Hệ hở:
- Là hệ mà một hoặc hai tính chất trên đây không đƣợc thỏa mãn. Trong hệ hở, trọng tâm của hệ
chuyển động với một vận tốc nào đó nên trong cân bằng năng lƣợng của hệ hở luôn có động năng.
b) Theo sự biến đổi về năng lƣợng: Hệ cô lập và cô lập đoạn nhiệt
- Hệ cô lập: không trao đổi năng lƣợng và khối lƣợng với môi trƣờng.
- Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt với môi trƣờng.
1.1.2. Môi chất
- Muốn thực hiện việc chuyển hóa giữa nhiệt năng với các dạng năng lƣợng khác ta phải
dùng chất trung gian gọi là môi chất (chất môi giới/ chất công tác).
- Theo lý thuyết môi chất có thể là vật chất ở thể rắn, thể lỏng, thể khí hoặc hơi nhƣng
thƣờng chọn là thể khí hoặc hơi vì chúng có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ dàng khi trao
đổi năng lƣợng.
Chú ý: Khi khảo sát đặc tính nhiệt động của hệ thống nhiệt động chính là khảo sát tính chất
của môi chất. Vậy môi chất có thể coi là hệ thống nhiệt động.
1.1.3. Trạng thái của hệ nhiệt động
- ĐN: Trạng thái của hệ nhiệt động là sự tồn tại của hệ ở một thời điểm nhất định. Trạng thái
của hệ đƣợc xác định bởi các đại lƣợng vật lý của hệ. Các đại lƣợng vật lý đó gọi là thông số trạng
thái.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
3
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
Trạng thái cân bằng là trạng thái mà các đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hệ đồng nhất tại mọi
điểm nghĩa là giữa các vật thể trong hệ cũng nhƣ giữa hệ và môi trƣờng không có tƣơng tác. Thực
tế không có trạng thái cân bằng tuy nhiên nếu các diễn biến xảy ra trong hệ là rất chậm thì vẫn có
thể coi hệ ở trạng thái cân bằng.
1.1.4. Thông số trạng thái
- ĐN: Thông số trạng thái là những đại lƣợng vật lý xác định sự tồn tại của hệ nhiệt động ở
mỗi thời điểm.
- TSTT có nhiều loại có TSTT đo đƣợc trực tiếp, có TSTT không đo đƣợc trực tiếp, có loại
có ý nghĩa vật lý rõ rệt, có loại không có ý nghĩa rõ rệt, có những TSTT độc lập với nhau nhƣng
cũng có những thông số phụ thuộc lẫn nhau v.v…
- Trong nhiệt kỹ thuật thƣờng sử dụng 3 thông số có thể đo đƣợc trực tiếp và gọi đó là các
thông số cơ bản gồm nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng. Các thông số còn lại gọi là hàm trạng thái
vì chúng không đo đƣợc trực tiếp mà phải thông qua các thông số trạng thái cơ bản.
Để xác định hoàn toàn trạng thái một hệ nhiệt động ở thể khí, cần biết 3 thông số trạng thái
cơ bản là nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng.
a) Nhiệt độ
- Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật.
- Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho mức độ chuyển
động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên hệ.
Nhiệt độ có thể trực tiếp đo đƣợc dựa trên cơ sở định luật nhiệt động thứ không: “Nếu hai vật
(hệ) có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật (hệ) thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng
nhau, tức là t1 = t2”. Để đo nhiệt độ ngƣời ta sử dụng dụng cụ đo và goị là nhiệt kế. Có nhiều loại
nhiệt kế với các thang đo khác nhau nhƣng ta thƣờng gặp một số thang đo nhƣ sau:
Thang nhiệt độ bách phân t , 0C
Thang nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin T, K
T = t + 273,15
(1)
Thang nhiệt độ Farenheit 0F
t 0C
5 0
t F 32
9
(2)
5 0
t R 273,15
9
(3)
Thang nhiệt độ Rankin 0R
t 0C
Trong thang nhiệt độ bách phân 0 oC ứng với nhiệt độ tan của nƣớc đá nguyên chất dƣới áp
suất tiêu chuẩn 760 mmHg và 100 oC ứng với nhiệt độ sôi của nƣớc nguyên chất cũng ở áp suất tiêu
chuẩn. Từ 0oC tới 100oC ngƣời ta chia làm 100 phần bằng nhau và mỗi phần ứng với 1oC.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
4
nguon tai.lieu . vn
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN CN CƠ ĐIỆN LẠNH & ĐHKK
----------------)***(----------------
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DÙNG CHUNG
KỸ THUẬT NHIỆT
(Dùng cho SV các ngành kỹ thuật - trình độ Đại học)
Biên soạn: ThS. Phạm Hữu Hưng
H-ng yªn, n¨m 2015
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
LỜI NÓI ĐẦU
“KỸ THUẬT NHIỆT” là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng (chủ
yếu là quy luật biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt năng trong các vật nói
chung hoặc trong thiết bị nhiệt nói riêng.
Nhiệt năng là một dạng năng lƣợng, nó có khả năng cùng các dạng năng lƣợng khác chuyển
hóa lẫn nhau và nó cũng có thể truyền từ chỗ này đến chỗ khác, từ vật này đến vật khác.
Nhiệt năng có thể nhận đƣợc từ các phản ứng hóa học, nhất là phản ứng cháy của các nhiên
liệu hữu cơ nhƣ củi, than, dầu, khí đốt…; có thể từ phản ứng phân hủy hoặc tổng hợp của các hạt
nhân, nguyên tử…có thể từ nguồn năng lƣợng bức xạ của mặt trời, từ nguồn địa nhiệt trong lòng
đất …
Nhiệt năng thƣờng đƣợc chuyển hóa thành cơ năng trong các động cơ nhiệt nhƣ máy hơi
nƣớc, động cơ đốt trong, tua bin hơi, tua bin khí, động cơ phản lực, tên lửa… Các động cơ nhiệt
đƣơc dùng làm động lực trong nhiều máy móc, thiết bị nhƣng cũng đƣợc dùng nhiều để chạy máy
phát, chuyển cơ năng thành điện năng trong các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử, nhà máy điện
mặt trời hoặc nhà máy địa nhiệt…
Nhiệt năng còn đƣợc dùng rất phổ biến với mục đích cấp nhiệt ở phạm vi nhiệt độ khác
nhau, ở nhiệt độ cao trong các ngành luyện kim, ở nhiệt độ vừa và thấp trong công nghệ bảo quản,
chế biến nông lâm, hải sản, trong điều hòa không khí, nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của
nƣớc ta. Ngoài ra thời gian gần đây bơm nhiệt bắt đầu đƣợc sử dụng và nó rất có triển vọng phát
triển ở điều kiện khí hậu nƣớc ta.
Ngoài những mặt có lợi nói trên, không ít trƣờng hợp nhiệt năng có hại, nó có thể ảnh
hƣởng đến quá trình công nghệ, làm giảm tuổi thọ, thậm chí là phá hủy thiết bị, nó còn ảnh hƣởng
đến sức khỏe, đến khả năng làm việc của con ngƣời.
Do vậy muốn giải quyết có hiệu quả những vấn đề trên cần nắm vững môn “Kỹ thuật nhiệt”.
Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần:
Phần “Nhiệt động kỹ thuật” nghiên cứu các quy luật về chuyển hóa năng lƣợng có liên quan
đến nhiệt năng.
Phần “Truyền nhiệt” nghiên cứu các quy luật về truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa
các vật có nhiệt độ khác nhau.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
1
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Nhiệt động kỹ thuật là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng có liên
quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phƣơng pháp biến đổi có
lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Do vậy môn “Nhiệt động kỹ thuật” phục vụ rộng rãi cho
nhiều ngành trong nền khoa học kỹ thuật hiện đại; trƣớc hết nó phục vụ đắc lực cho ngành năng
lƣợng.
Hàng năm bình quân đầu ngƣời trên thế giới tiêu thụ khoảng 2 tấn nhiên liệu quy ƣớc, trong
đó 80% phải trải qua ít nhất một lần dƣới dạng nhiệt năng, khoảng một nửa nhiện năng đƣợc
chuyển hóa thành điện năng để dễ dàng truyền tải và sử dụng do vậy muốn sử dụng năng lƣợng có
hiệu quả không thể không nắng vững môn “Nhiệt động kỹ thuật”.
Cơ sở nhiệt động đã đƣợc xây dựng từ thế kỷ XIX, và lịch sử phát triển môn “Nhiệt động kỹ
thuật” có liên quan mật thiết đến quá trình phát triển của các thiết bị nhiệt.
Nhiệt động kỹ thuật đƣợc xây dựng trên cơ sở ba định luật: định luật nhiệt động thứ không,
định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II. Định luật nhiệt động thứ không xác nhận khi
nhiệt độ của hai vật bằng nhiệt độ của vật thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng nhau. Định luật
nhiệt động I thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng viết cho sự chuyển hóa giữa
nhiệt và công về mặt số lƣợng. Định luật nhiệt động II xác định điều kiện và mức độ chuyển hóa
nhiệt năng thành cơ năng và các dạng năng lƣợng khác.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
2
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Hệ thống nhiệt động
1.1.1. Những khái niệm cơ bản
- ĐN: Hệ thống nhiệt động (Hệ nhiệt động hay hệ) là một hay tập
hợp các vật thể vĩ mô mà trong đó có sự biến đổi về năng lƣợng
hoặc cả năng lƣợng và khối lƣợng. Phần bên ngoài của hệ thì
Hệ thống
nhiệt động
Biên giới
Môi trƣờng
đƣợc gọi là môi trƣờng. Hệ đƣợc giới hạn và ngăn cách với môi
trƣờng bằng một bề mặt gọi là bề mặt phân cách (biên giới).
Hình 1.1
Chú ý: Bề mặt phân cách có thể thay đổi tùy theo mục đích, yêu
cầu xem xét đối tƣợng khảo sát.
- Phân loại
a) Theo sự biến đổi về khối lƣợng: Hệ kín và hệ hở
Hệ kín: có tính chất cơ bản sau:
- Có trọng tâm của hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc
không đáng kể để động năng của nó có thể bỏ qua;
- Không trao đổi khối lƣợng với môi trƣờng.
Hệ hở:
- Là hệ mà một hoặc hai tính chất trên đây không đƣợc thỏa mãn. Trong hệ hở, trọng tâm của hệ
chuyển động với một vận tốc nào đó nên trong cân bằng năng lƣợng của hệ hở luôn có động năng.
b) Theo sự biến đổi về năng lƣợng: Hệ cô lập và cô lập đoạn nhiệt
- Hệ cô lập: không trao đổi năng lƣợng và khối lƣợng với môi trƣờng.
- Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt với môi trƣờng.
1.1.2. Môi chất
- Muốn thực hiện việc chuyển hóa giữa nhiệt năng với các dạng năng lƣợng khác ta phải
dùng chất trung gian gọi là môi chất (chất môi giới/ chất công tác).
- Theo lý thuyết môi chất có thể là vật chất ở thể rắn, thể lỏng, thể khí hoặc hơi nhƣng
thƣờng chọn là thể khí hoặc hơi vì chúng có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ dàng khi trao
đổi năng lƣợng.
Chú ý: Khi khảo sát đặc tính nhiệt động của hệ thống nhiệt động chính là khảo sát tính chất
của môi chất. Vậy môi chất có thể coi là hệ thống nhiệt động.
1.1.3. Trạng thái của hệ nhiệt động
- ĐN: Trạng thái của hệ nhiệt động là sự tồn tại của hệ ở một thời điểm nhất định. Trạng thái
của hệ đƣợc xác định bởi các đại lƣợng vật lý của hệ. Các đại lƣợng vật lý đó gọi là thông số trạng
thái.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
3
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt
Trạng thái cân bằng là trạng thái mà các đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hệ đồng nhất tại mọi
điểm nghĩa là giữa các vật thể trong hệ cũng nhƣ giữa hệ và môi trƣờng không có tƣơng tác. Thực
tế không có trạng thái cân bằng tuy nhiên nếu các diễn biến xảy ra trong hệ là rất chậm thì vẫn có
thể coi hệ ở trạng thái cân bằng.
1.1.4. Thông số trạng thái
- ĐN: Thông số trạng thái là những đại lƣợng vật lý xác định sự tồn tại của hệ nhiệt động ở
mỗi thời điểm.
- TSTT có nhiều loại có TSTT đo đƣợc trực tiếp, có TSTT không đo đƣợc trực tiếp, có loại
có ý nghĩa vật lý rõ rệt, có loại không có ý nghĩa rõ rệt, có những TSTT độc lập với nhau nhƣng
cũng có những thông số phụ thuộc lẫn nhau v.v…
- Trong nhiệt kỹ thuật thƣờng sử dụng 3 thông số có thể đo đƣợc trực tiếp và gọi đó là các
thông số cơ bản gồm nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng. Các thông số còn lại gọi là hàm trạng thái
vì chúng không đo đƣợc trực tiếp mà phải thông qua các thông số trạng thái cơ bản.
Để xác định hoàn toàn trạng thái một hệ nhiệt động ở thể khí, cần biết 3 thông số trạng thái
cơ bản là nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng.
a) Nhiệt độ
- Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật.
- Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho mức độ chuyển
động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên hệ.
Nhiệt độ có thể trực tiếp đo đƣợc dựa trên cơ sở định luật nhiệt động thứ không: “Nếu hai vật
(hệ) có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật (hệ) thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng
nhau, tức là t1 = t2”. Để đo nhiệt độ ngƣời ta sử dụng dụng cụ đo và goị là nhiệt kế. Có nhiều loại
nhiệt kế với các thang đo khác nhau nhƣng ta thƣờng gặp một số thang đo nhƣ sau:
Thang nhiệt độ bách phân t , 0C
Thang nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin T, K
T = t + 273,15
(1)
Thang nhiệt độ Farenheit 0F
t 0C
5 0
t F 32
9
(2)
5 0
t R 273,15
9
(3)
Thang nhiệt độ Rankin 0R
t 0C
Trong thang nhiệt độ bách phân 0 oC ứng với nhiệt độ tan của nƣớc đá nguyên chất dƣới áp
suất tiêu chuẩn 760 mmHg và 100 oC ứng với nhiệt độ sôi của nƣớc nguyên chất cũng ở áp suất tiêu
chuẩn. Từ 0oC tới 100oC ngƣời ta chia làm 100 phần bằng nhau và mỗi phần ứng với 1oC.
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng
4