Biểu thức kt nhiệt động học là gì năm 2024

Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng. Chất môi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất môi giới phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất môi giới làm xuất hiện sự thay đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường, hoặc ngược lại, chính công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường làm cho trạng thái của chất môi giới bị thay đổi.

Ví dụ 1. Nguồn nóng Nguồn lạnh Chất môi giới Động cơ đốt trong Buồng đốt Môi trường ngoài trời Sản phẩm cháy

Máy lạnh Môi trườngngoài trời Không gian cần làmlạnh Môi chất lạnh(NH 3 , freon, ...)

Động cơ hơi nước Buồng đốt Môi trường ngoài trời Nước – hơi nước Hệ nhiệt động gồm có 4 loại:

Tùy theo hướng chuyển động của nhiệt lượng, người ta chia máy nhiệt thành hai loại:

• Động cơ nhiệt (loại thuận chiều: nhận nhiệt, sinh công): chất môi giới sẽ nhận nhiệt Q 1 từ nguồn nóng giãn nở sinh công W và nhả nhiệt Q 2 cho nguồn lạnh (hình 1). Cân bằng năng lượng: Q 1 = |Q 2 | + W Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt: 1

2 1

1 2 1

 QW Q Q Q  1  QQ

Chú ý qui ước dấu:

Heä nhieät ñoäng

Heä kín: Khoâng trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng

Heä hôû: Coù trao ñoåi chaát vôùi moâi tröôøng

Heä ñoaïn nhieät: Khoâng trao ñoåi nhieät giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng

Heä coâ laäp: chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng khoâng coù baát kyø söï trao ñoåi naêng löôïng naøo

o Nhận nhiệt Q > 0 o Sinh công: W > 0

• Máy lạnh (refrigerator), bơm nhiệt (heat pump) (loại ngược chiều: nhận công): chất môi giới nhận công W từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q 2 đến nguồn nóng Q 1. (hình 1) Cân bằng năng lượng: |Q 1 | = Q 2 + |W| Để đánh giá hiệu quả của máy lạnh, bơm nhiệt người ta dùng: -Hệ số làm lạnh (Coefficient Of Performance - COP): COPR 1 2

2 2 Q Q

Q W

Q   

-Hệ số làm nóng: COPHP 1 2

1 1 Q Q

Q W

Q   

1. Động cơ nhiệt b) Máy lạnh, bơm nhiệt Hình 1. Nguyên lý của máy nhiệt

1. Thông số trạng thái Thông số trạng thái là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới. Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối lượng riêng), nội năng, enthalpy và entropy. Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ bản (vì đo được). Nội năng, enthalpy và entropy gọi là thông số dẫn suất. 1.2. Nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật, dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế. Nhiệt độ ký hiệu là t trong khi nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu là T. Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius (oC) và Kelvin (K), theo hệ IP có thang nhiệt độ Fahrenheit (oF) và Rankine (R). Trong đó Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối.

NGUOÀN NOÙNG

NGUOÀN LAÏNH

ÑOÄNG CÔ NHIEÄT

Q 1

Q 2

W

NGUOÀN NOÙNG

NGUOÀN LAÏNH

MAÙY LAÏNH, BÔM NHIEÄT

Q 1

Q 2

W

Hình 1. Các loại nhiệt độ Quan hệ giữa các thang đo: t(oC) = T(K) - 273 T(R) = 1,8T(K) t(oF) = T(R) – 459,67 t(oC) = 95 (toF 32 ) t ( o C)T(K ) t ( o F)T(R) Chuyển đổi các đơn vị khác có thể xem phụ lục P. 1.2. Áp suất Áp suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt theo phương pháp tuyến với bề mặt đó. Áp suất ký hiệu là p. Có 4 loại áp suất:

• Áp suất khí quyển patm (đo bởi Barometer)
• Áp suất dư pgage (đo bởi Manometer)
• Áp suất chân không pvac (đo bởi Vacummeter)
• Áp suất tuyệt đối pabs Hình 1 trình bày các loại áp suất.

Hình 1. Các loại áp suất

Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất dư: pgage = pabs - patm. Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta có khái niệm áp suất chân không: pvac = patm - pabs.

Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái. Một số đơn vị áp suất và chuyển đổi: 1Pa = 1N/m 2 1bar = 10 5 Pa 1at = 0,9807bar 1.2. Thể tích riêng và khối lượng riêng Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng. Gọi V là thể tích lưu chất, m là khối lượng lưu chất thì thể tích riêng được tính:

v V  m (1) Khối lượng riêng: 1 m   v  V (1) 1.2. Nội năng Năng lượng của dòng lưu chất bao gồm động năng do tốc độ dòng lưu chất, thế năng do cao độ và tất cả các thành phần còn lại (áp suất, nhiệt độ dòng lưu chất) gọi là nội năng. Nội năng ký hiệu là u (kJ/kg). Năng lượng = động năng + thế năng + nội năng Khí lý tưởng: u =c v T (1) cv (kJ/kg) là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích 1.2. Enthalpy Trong khi biến đổi các biểu thức về nhiệt động, người ta thường gặp cụm (u + pv) nên đặt: h = u + pv (1) h gọi là enthalpy. Tích số pv là năng lượng dòng (flow energy). Khí lý tưởng: h c = p T (1) cp (kJ/kg) là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Từ phương trình (1) và phương trình trạng thái khí lý tưởng pv=RT ta tìm được: cp = cv + R (1) gọi là công thức Mayer. Trong đó R là hằng số chất khí.

Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không xảy ra phản ứng hóa học. Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng. 1.4. Định luật Gibbs- Dalton

Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng các phân áp suất của các thành phần:

 

n i i

p p 1 p- áp suất hỗn hợp pi- phân áp suất (áp suất riêng phần) của thành phần thứ i 1.4. Định luật Amagat

Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp.

 

n i i

V V 1 V- thể tích hỗn hợp Vi- thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i 1.4. Thành phần hỗn hợp 1.4.3. Thành phần khối lượng

p, V, T

x

x

x

V, T

V, T

pA

pB

x

x

x

p, V, T

x

x x

p, T

p, T

V A

V B

x

x x



  i i i i m

m m g m (1)

Ta luôn có:  gi 1 m- khối lượng hỗn hợp mi- khối lượng thành phần thứ i gi- thành phần khối lượng 1.4.3. Thành phần thể tích



  i i i i V

V V r V (1)

Ta luôn có:  ri 1 V- thể tích hỗn hợp Vi- thể tích riêng phần ri- thành phần thể tích 1.4. Phân tử lượng và hằng số chất khí của hỗn hợp

• Phân tử lượng của hỗn hợp:

  

 

n n i i i i i

hh i rM M

M g 1 1

1 (1)

• Hằng số chất khí của hỗn hợp: hh Mhh R  8314 (J/kg)

Ví dụ 1: Không khí được xem là hỗn hợp khí lý tưởng gồm các khí sau với thành phần thể tích tương ứng: N 2 78%, O 2 21%, Ar 0,9%, CO 2 0,1%. Tính phân tử lượng của không khí. Giải: Áp dụng phương trình trên ta tính được:

M rM g mol

n kk i i i 0 , 78. 28 0 , 21. 32 0 , 009. 40 0 , 001. 44 28 , 964 / 1

       

• Chuyển đổi qua lại giữa thành phần khối lượng và thành phần thể tích: i MiiM hh r  g (1)
• Phân áp suất tính theo thành phần thể tích: p i  ri p (1)

1.4. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị (khối lượng, thể tích, kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó (hình 1). Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là: