30
1 Chương 1 Những khái niệm cơ bản Mục đích Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến; Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống, trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình; Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất); Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ; Khái niệm về áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp suất môi trường, đo áp suất; Sự truyền năng lượng, tương tác Công-Nhiệt Giới thiệu kỹ thuật giải quyết các vấn đề hệ thống nhiệt động lực học

Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

1

Chương 1

Những khái niệm cơ bản

Mục đích

■ Làm quen với các thuật ngữ cơ bản là nền tảng của nhiệt động lực họctrong hệ thống đơn vị SI (hệ mét) và hệ Anh được sử dụng phổ biến;

■ Định nghĩa các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học như Hệ thống, trạng thái, cân bằng, quá trình, chu trình;

■ Khái niệm về môi chất, tính chất (thông số của môi chất);

■ Khái niệm về nhiệt độ, thang nhiệt độ;

■ Khái niệm về áp suất: Áp suất dư, áp suất tuyệt đối, độ chân không, áp suất môi trường, đo áp suất;

■ Sự truyền năng lượng, tương tác Công-Nhiệt

■ Giới thiệu kỹ thuật giải quyết các vấn đề hệ thống nhiệt động lực học

Page 2: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

2

1. Đối tượng, phạm vi/quan điểm nghiên cứu của nhiệt động học

Nhiệt động KT nghiên cứu gì?

■ Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác (Energy cannot be created or destroyed, it transforms)

Page 3: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

3

Nhiệt động KT nghiên cứu gì?

■ Năng lượng có các thuộc tính là số lượng và chất lượng (Nhiệt truyền theo chiều hướng giảm nhiệt độ - Định luật nhiệt động 2 (2nd law))

Quan điểm vĩ mô/vi mô (Macroscopic and Microscopic Views of Thermodynamics)■ Vật chất được tạo thành từ các phân tử. Tính chất của vật

chất phụ thuộc vào bản chất ứng của các phân tử.

■ Áp suất khí trong một bình kín là tổng hợp lực va đạp phân tử lên thành bình:

■ Theo quan điểm vi mô, cần xác định lực va đập phân tử lên một diện tích vô cùng bé thành bình để xác định áp suất.

■ Thay vào đó, có thể gắn vào một áp kế (xác định lực tác dụng trung bình lên một diện tích thành bình) để xác định áp suất. Đây là quan điểm vĩ mô.

■ Nhiệt độ biểu thị sự nóng lạnh của vật chất và tỷ lệ với tốc độ chuyển động phân tử:

■ Quan điểm vi mô, có thể tính được nhiệt độ (thuyết động học phân tử);

■ Thay vào đó chỉ cần nhiệt kế để đo nhiệt độ.

Áp kế

Nhiệt động học chỉ nghiên cứu theo quan điểm vĩ mô

Page 4: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

4

2. Hệ thống (nhiệt), Hệ kín, Hệ hở, Hệ cô lập

Hệ thống nhiệt (Thermodynamic systems)

■ Trong kỹ thuật, một bước quan trọng khi nghiên cứu là xác định rõ đối tượng nghiên cứu.

■ Trong cơ học, nếu chuyển động của vật được nghiên cứu, thì cần xác định vật ở trạng thái tự do, sau đó xác định các lực tác động. Cuối cùng là áp dụng Định luật 2 Newton.

■ Trong NĐHKT, thuật ngữ Hệ thống (system) dùng để chỉ đối tượng được nghiên cứu (ví dụ, coffee trong cốc).

■ Một khi hệ thống được định nghĩa, các tương quan với các hệ thống khác được xác định. Khi đó, các định luật vật lý hoặc các quy luật phù hợp có thể được áp dụng để nghiên cứu.

Page 5: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

5

■ Hệ thống nhiệt là bất kỳ thứ gì chúng ta muốn nghiên cứu. Nó có thể đơngiản chỉ là một cốc coffee hay phức tạp như là một tổ hợp hóa chất lọcdầu. Chúng ta có thể quan tâm nghiên cứu vật chất bên trong một bình kín,hay chất khí lưu chuyển trong một đường ống dẫn khí.

■ Mọi thứ bên ngoài hệ thông được gọi là Môi trường (surroundings).

■ Hệ thống được phân biệt với môi trường bởi Ranh giới (boundary). Ranhgiới có thể cố định hoặc di động.

■ Việc xác định chính xác ranh giới có ý nghĩa

quan trọng khi nghiên cứu.

Có hai dạng hệ thống nhiệt tiêu biểu:- Hệ thống kín (closed systems): Không trao đổi chất với môi trường- và Hệ thống hở (control volumes): Có trao đổi chất với môi trường.Các dạng biến thể khác:

Hệ thống đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường);Hệ thống cô lập (không trao đổi bất cứ điều gì).

Hệ thống kín (closed system/control mass)

■ Là HT có lượng vật chất trong hệ thống không đổi. ■ Được sử dụng khi có số lượng nhất định vật chất được

nghiên cứu;

■ Không có sự trao đổi vật chất qua ranh giới;

■ Hệ thống gồm khí chứa trong cylinder và piston phía trên (giả thiết kín tuyệt đối).

■ Ranh giới hệ thống là bề mặt trong của cylinder và piston (đường nét đứt).

■ Khi đun nóng, khí bên trong tăng nhiệt, giãn nở, đẩy piston đi lên, một phần ranh giới phía dưới piston dịch chuyển đi lên: ■ Không có lượng vật chất nào ra khỏi hệ thống.

■ Có năng lượng (nhiệt) truyền qua ranh giới với môi trường.

Page 6: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

6

Hệ thống hở (control volume)

■ Là một phần được lựa chọn nghiên cứu trong không gian.

■ Thường bao gồm các thiết bị liên quan đến dòng chảy như ống phun (nozzle), bơm/quạt/máy nén (pump/fan/compressor), động cơ tuabin (turbine).

■ Khi nghiên cứu dòng chảy, người ta chọn ra một phần trong thiết bị.

■ Cả vật chất (mass) và năng lượng (energy) có thể trao đổi qua ranh giới được chọn.

■ Không có quy luật cố định nào khi chọn ranh giới cho hệ thống hở. Việc chọn đúng sẽ đem lại kết quả nghiên cửu chính xác và dễ dàng hơn.

■ Ranh giới của hệ thống hở được gọi là mặt ranh giới (boundary surface)

■ Mặt ranh giới có thể là thực hoặc tưởng tượng.

■ Hệ thống hở có thể cố định về kích thước, hình dáng, cũng có thể có ranh giới thay đổi.

Open Systems (continued)

■ Hệ thống kín mà không có trao đổi năng lượng qua ranh giới thì gọi là gì?

Page 7: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

7

Open systems

Open systems

Page 8: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

8

Phạm vi ứng dụng

■ Hệ thống kín: Trong các chu trình động cơ đốt trong khi coi quá trình nạp và thải của động cơ là triệt tiêu nhau (khí nạp và nhiên liệu cháy sinh công, thải khí cháy ra ngoài môi trường).

■ Hệ thống hở: Quá trình lưu động của các dòng môi chất trong các đường ống, thiết bị. Tiêu biểu như các ống phun (nozzles) các tầng cánh của động cơ turbines.

■ Hệ thống cô lập: Hiếm khi ứng dụng.

3. Chất môi giới, Tính chất, Sự cân bằng, Trạng thái, Quá trình

Page 9: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

9

Chất môi giới (Working medium)■ Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung

gian để chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (chủ yếu Nhiệt-Công).

■ Môi chất thường là vật chất ở thể lỏng, thể khí, hay có biến đổi pha giữa lỏng và hơi.

■ Ví dụ:

■ Khí cháy (không khí + nhiên liệu) trong các động cơ đốt trong, turbine khí;

■ Nước+hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện;

■ Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí.

Chất môi giới

Page 10: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

10

Tính chất (thông số) của hệ thống (Properties)

■ Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử của nó, cần kiến thức về các tính chất của nó và mối quan hệ giữa chúng

■ Tính chất của một hệ thống là các đặc tính vĩ mô của nó.

■ Một số tính chất phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể tích (volume-V) và khối lượng (mass-m).

■ Các thông số mô tả trạng thái của một hệ thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state).

■ Không phải tất cả các thông số là độc lập. Mật độ hay khối lượng riêng (density-) là thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ. Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo nhau.

Mật độ là một thuộc tính

■ Mật độ/Khối lượng riêng là khối lượng/đơn vị thể tích;■ = mass/volume (kg/m3)

■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): là tỷ số giữa mật độ của một chất với mật độ của một chất tiêu chuẩn ở điều kiện nhất định (thường lấy là nước ở 4 oC)

■ Thể tích riêng (specific volume) là thể tích của một đơn vị khối lượng.■ = Volume/mass, (m3/kg)■ = 1/

P

Gases

T

Liquids

Water

Page 11: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

11

Tính chất mở rộng (extensive properties)

■ Tính chất của hệ là các thông số không phụ thuộc vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng.

■ Tính chất mở rộng là các thông số đặc trựng cho quy mô của hệ thống, ví dụ: khối lượng (G), thể tích (V), năng lượng toàn phần (E).

Trạng thái (state)

■ Một trạng thái của hệ thống được định nghĩa là một điều kiện có thể được mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định (T, P, , ...). Nói cách khác: Trạng thái được mô tả bằng các thông số trạng thái.

■ Ở hình trên, nếu không có tác động gì, tất cả các thuộc tính của hệ thống được xác định và đồng nhất trong toàn bộ hệ thống. Khi đó, hệ thống được mô tả bằng một loạt thông số: gọi là trạng thái 1.

■ Nếu thay đổi chỉ một thông số, hệ thống chuyển sang trạng thái 2 (hình dưới).

■ Câu hỏi:

■ Điều gì làm hệ thống chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2?

■ Ngoài thể tích thay đổi, còn thông số nào thay đổi, thay đổi tăng hay giảm?

Page 12: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

12

Phương trình trạng thái (state equation)

■ Trạng thái của một hệ thống ở thời điểm nào đó được mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định (T, P, , ...). Nói cách khác: Trạng thái được mô tả bằng các thông số trạng thái.

■ Quan hệ giữa các thông số trạng thái được gọi là Phương trình trạng thái:

■ Một trong những nhiệm vụ là tìm ra mối liên hệ giữa các thông số trạng thái của hệ

f (P, v, T, , …)

Cân bằng (equilibrium)

■ Nhiệt động KT chỉ nghiên cứu hệ thống ở trạng thái cân bằng (equilibrium states).

■ Trạng thái cân bằng là trạng thái các thông số đồng nhất trong toàn hệ thống.

■ Một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động khi duy trì cân bằng về nhiệt (thermal), về cơ (mechanical), về pha (phase) và về hóa học (chemical).

Page 13: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

13

Cân bằng về nhiệt (Thermal Equilibrium)

■ Là không có sự khác nhau về nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống.

20 C 30 C

30 C

35 C 40 C

No thermal equilibrium

32 C

32 C 32 C

32 C

32 C

Thermal equilibrium

Cân bằng về cơ học (Mechanical Equilibrium)

■ Là không có sự khác nhau về áp suất trong toàn bộ hệ thống.

Page 14: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

14

Cân bằng về pha (Phase Equilibrium)

■ Cân bằng pha nghĩa là lượng vật chất ở các pha đạt trạng thái ổn định và không thay đổi.

Water

Vapor, P

After some time

Water

Vapor, P = Pv

After long time

Water

Vacuum t= 0, P = 0

At t = 0

Cân bằng hóa học (Chemical Equilibrium) ■ Nghĩa là không có thay đổi về thành phần hóa học của vật chất.

Định đề trạng thái (State Postulate)

■ Cần bao nhiêu thông số để xác định một trạng thái phụ thuộc vào mức độ phức tạp của hệ thống.

■ Theo Định đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định một trạng thái.

■ Hai thông số được coi là độc lập khi một thông số có thay đổi mà thông số còn lại giữ không đổi. Ví dụ: nhiệt độ và thể tích riêng.

■ Nhiệt độ và áp suất có thể không phải là thông số độc lập khi môi chất có biến đổi pha. Ví dụ khi nước đang sôi.

■ Định luật pha:

■ Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần 2 thông số;

■ Môi chất có biến đổi pha: cần 1 thông số.

Page 15: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

15

Quá trình và chu trình (Processes and Cycles)

■ Sự thay đổi của hệ từ một trạng thái cân bằng sang trạng thái cân bằng khác gọi là quá trình.

■ Quá trình thường được biểu diễn trên đồ thị

■ Tập hợp những trạng thái mà hệ đi qua là đường đi của quá trình. Nhiệt động KT thường chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối.

■ Một quá trình có trạng thái đầu và cuối giống nhau gọi là chu trình.

■ Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal process) T = constant .

■ Quá trình đẳng áp (Isobaric process) P = constant .

■ Qua trình đẳng tích (Isochoric process/constant volume).

Page 16: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

16

Quá trình thuận nghịch (Quasi-Equilibrium process)

■ Là quá trình tạo bởi tập hợp các trạng thái cân bằng.

■ Quá trình thuận nghịch có tính chất hai chiều (nếu diễn ra theo chiều ngược lại sẽ trùng).

■ Công sinh ra hoặc tiêu tốn là lớn nhất. Là mục tiêu để hướng tời và là tiêu chuẩn để so sánh.

(a) Slow compression (quasi-equilibrium)

20 pa 20 pa

20 pa

20 pa 20 pa

State 1

State 2 Process path

P

V

Intermediate states

20 - Ví dụ: Nén thật chậm không khí trong cyliner, áp lực khí nén sẽ tự giãn nở và đẩy piston ngược lại.- Quá trình thuận nghịch chỉ diễn ra với điều kiện lý tưởng (không có ma sát, truyền nhiệt). Thực tế không tồn tại.

Quá trình không thuận nghịch (Non-Quasi-Equilibrium process)

■ Quá trình nén diễn ra nhanh, không đạt được yếu tố cân bằng cho các trạng thái trung gian.

■ Các trạng thái trung gian là không thể xác định. Không vẽ được đường đi của quá trình. Mô tả bằng nét đứt. Intermediate states can not be determined and the process path can not be defined. Instead we represent it as dashed line.

Page 17: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

17

Một số câu hỏi

■ Nhiệt động học kỹ thuật nghiên cứu sự biến đổi giữa 2 đại lượng cơ bản là gì?

■ Có mấy loại hệ thống nhiệt, lấy ví dụ?

■ Sự khác nhau giữa HT kín và HT hở?

■ Người ta sử dụng chất môi giới để làm gì, kể tên một số chất môi giới?

■ Thế nào là trạng thái, quá trình, cân bằng, thuận nghịch, chu trình?

4. Đơn vị, Thứ nguyên, Hệ SI

Page 18: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

18

Đơn vị và thứ nguyên

■ Thứ nguyên: Là đại lượng bất kỳ nào đó có thể đo được:

■ Ví dụ: Chiều dài, khối lượng, thời gian, …

■ Đơn vị: Là hệ thống số đo cho mỗi thứ nguyên, ví dụ:

■ Thứ nguyên Chiều dài có các đơm vị là mm, cm, m, km, …;

■ Thứ nguyên Khối lượng có đơn vị là g, kg, tấn, …;

■ Thứ nguyên Thời gian có đơn vị là giây (s), phút (min), giờ (h), …

■ Hệ đơn vị quốc tế (SI): Là hệ thống các thứ nguyên/đơn vị được sử dụng rộng rãi nhất.

7 thứ nguyên cơ bản trong hệ SI

Symbol Name Quantity

A ampere electric current

K kelvin temperature

s second time

m metre length

kg kilogram mass

cd candela luminous intensity

mol mole amount of substance

The SI base units

- Đơn vị cơ bản (base unit): Là đơn vị chuẩn.- Đơn vị dẫn xuất: Là đơn vị có thể suy ra từ các đơn vị gốc.- Ví dụ: Thể tích là dẫn xuất từ đơn vị gốc là chiều dài (V = L3)

Hãy truy cập internet và tìm kiếm với từ khóa “unit converter” và làm quen với công cụ chuyển đổi đơn vị

Page 19: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

19

Dimensions and Units

SI British System Conversion

Length Meter (m) Foot (ft) 1 ft = 0.3048 m

Time Second (s) Second (s)

Mass

Kg

Slug Pound mass (lbm) 1 slug = 32.2 lbm

1 slug =14.59 kg 1 lbm = 0.4536 kg

Force

Newton (N) 1 N = (1Kg).(1 m/s2)

Pound force (lbf) 1 lbf = (1 slug)(1. ft/s2)

1 lbf = 4.448 N

Definition of

Unit force

Newton (N): is the force required to give a mass of 1 kg an acceleration of 1 m/s2.

Pound force (lbf) is the force required to give a mass of 1 slug an acceleration of 1 ft/s2.

C = (5/9)*(F –32)

R = (9/5)*K

Tempe-rature

Degree Celsius.(C) Absolute Temp.: Kelvin (K).

K = C + 273.15

Degree Fahrenheit (F)

Absolute Temp.: Rankine (R)

R = F + 459.67

C = (5/9)*(F –32)

R = (9/5)*K

5. Nhiệt độ

Page 20: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

20

Nhiệt độ và Định luật nhiệt động thứ Không (Temperature and the Zeroth Law)

■ Nhiệt độ: là đại lượng biểu thì sự nóng, lạnh của vật chất.

■ The zeroth law of thermodynamics states that: If two bodies are in thermal equilibrium with the third body, they are also in thermal equilibrium with each other.

■ Quan điểm vi mô: Nhiệt độ là đại lượng tỷ lệ với động năng của chuyển động phân tử và có thể tính được.

■ Quan điểm vĩ mô: Nhiệt độ đo bằng các thiết bị đo

Nhiệt độ và đơn vị đo (Temperature scales)

■ Nhiệt độ Kelvin, hay nhiệt độ tuyệt đối, T(K) – lưu ý không có ký hiệu “0”.

■ Nhiệt độ Celcius, hay nhiệt độ bách phân, T(0C).

■ Nhiệt độ Fahrenheit, T(0F).

■ Nhiệt độ Rankine, T(0R)

FTRT

CTKT

CTFT

KTRT

FTRT

CTKT

o

o

oo

o

o

328.1

8.1

67.459

15.273

■ T(K) = 0: độ không tuyệt đối, vật chất không chuyển động.

■ Thang đo T(K) = T(0C).

Page 21: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

21

■ Nhiệt kế

■ Cảm biến nhiệt độ

■ Đo từ xa bằng cảm biến hồng ngoại (súng bắn nhiệt)

Đo nhiệt độ

6. Áp suất

Page 22: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

22

Áp suất (Pressure) Áp suất là lực của môi chất tác dụng lên một diện tích bề mặt.

Đơn vị hệ quốc tế (SI) là Pascal: Pa=N/m2. Thường dùng kPa (x1000) và Mpa (x106). Đơn vị hệ Anh (British): psf = lbf/ft2, psi = lbf/in2 (psf = pound per square foot, psi = pound per squar inch),144 in2 = 1 ft2. Các nước châu Âu hay dùng đơn vị bar.

psibarskPaPaatm

kPaMPaPabar

barmmHgOmmHm

NPa

696.1401325.1325.101325,1011

1001.0101

1032,133

1

81,9

111

5

522

)/( 2mNA

FP

Note: mm(m)H2O gọi là mm(mét) cột nước, mmHg - mm cột

thủy ngân

Pressure (Continued)

Áp suất tuyệt đối (Absolute pressure), là áp suất tính so với độ chân không tuyệt đối (absolute vacuum hay absolute zero pressure.)Áp suất dư (Gage pressure), là phần áp suất lớn hơn áp suất môi trường (atmospheric pressure)Áp suất chân không (Vacuum), là phần áp suất nhỏ hơn áp suất môi trường

atmabsatmvac

atmatmabsgage

PPPP

PPPP

below pressurefor

above pressurefor

Page 23: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

23

Pressure (continued)

Sự thay đổi áp suất theo độ sâu

Với chất lỏng có trọng lượng riêng không đổi:

P + Z = constant Or P1+ Z1 = P2 + Z2

Z là tọa độ theo độ cao (positive upward). là tỷ trọng riêng của chất lỏng, (N/m3)

Với chất khí, trong phạm vi chênh lệch về chiều cao không lớn (vài chục mét) coi như áp suất không đổi do trọng lượng riêng chất khí rất nhỏ.

g

Pressure (continued)

Pressure at a Point

• Áp suất trong chất lỏng đồng nhất có giá trị như nhau theo mọi hướng khi cùng độ sâu.

Page 24: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

24

Pressure (continued)

Áp suất ở cùng mặt nằm ngang

Áp suất tại các điểm trên cùng mặt nằm ngang thì bằng nhau. (Pascal’s principle.)

. 1

2

1

2

2

2

1

121

A

A

F

F

A

F

A

FPP

Do P1 = P2, tỷ số A2/A1 sẽ quyết định giá trị lực nâng. Nếu sử dụng kích thủy lực (hydraulic jack) có tỷ số A2/A1 = 10, một người có thể nâng chiếc xe nặng 1000kg chỉ với một lực tác động 100kg (= 908 N).

Đo áp suất - The Manometer

Thiết bị đo áp suất dư dựa trên nguyên lý P + Z = constant gọi là manometer, thường dùng để đo áp suất dư hoặc độ chân không giá trị nhỏ đến trung bình.

w

f

w

f

w

f

sg

g

S

Tỷ trọng (Specific gravity) – so với nước

h+ atmP= 2P

Page 25: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

25

Đo áp suất – Áp kế/chân không kế (pressure/vacuum gauge)

■ Áp kế kiểu ống Bourdon Tube (đo áp suất dư)

■ Áp kế hỗn hợp (đo áp suất dư và độ chân không)

Đo áp suất – Áp kế/chân không kế (pressure/vacuum gauge)

■ Áp kế điện tử

■ Cảm biến áp suất (pressure sensor)

Page 26: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

26

FIGURE 1–61Schematic for Example 1–8.

1-17

Barometer và áp suất môi trường (Atmospheric Pressure)

• Áp suất môi trường được đo bằng barometer

0

( )

B B C C

C vapor

B atm C B

Hg

P Z P Z

P P

P P Z Z

gh

Page 27: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

27

Barometer và áp suất môi trường

• Áp suất môi trường tiêu chuẩn là chiều cao 760mm cột Hg ở nhiệt độ 0oC. Đơn vị mmHg còn được gọi là torr (Evangelista Torricelli, 1608 1647).

• Áp suất môi trường tại một nơi nào đó thực chất là lực của không khí tác dụng lên đơn vị diện tích bề mặt. Patm thay đổi theo độ cao và điều kiện thời tiết.• Lưu ý: Khái niệm Patm đôi khi dễ lẫn lộn

Chiều dài hay diện tích mặt cắt của ống đo không ảnh hưởng đến chiều cao cột thủy ngân trong barometer.

kPaPkPaP

kPaPkPaP

Patorr

kPatorrmmHgP

mm

Denvermm

atm

5.26;05.54

4.83;88.89

3.1331

325.101760

000,105000

:16101000

7. Năng lượng, Nhiệt, Công

Page 28: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

28

Các dạng năng lượng (Forms of Energy)

■ Trong hệ ổn định (không tồn tại ảnh hưởng của điện, từ, …), năng lượng toàn phần (E) của hệ bao gồm: Động năng (kinetic-KE), thế năng (potential-PE) và nội năng (internal-U)

■ Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng:

■ Năng lượng vĩ mô của hệ là năng lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm động năng và thế năng.

■ Năng lượng vi mô của hệ liên quan đến cấu trúc phân tử của hệ thống và độc lập với bên ngoài. Đó là nội năng.

■ Sự thay đổi của năng lượng toàn phần E của một hệ tĩnh tại (closed system) chính bằng sự thay đổi nội năng U. Ví dụ: khi đun nóng vật chất trong một bình kín.

(kJ), 2

(kJ), 2

mgzmv

mume

PEKEUE

)/(2

2

kgkJgzv

upekeue

Forms of Energy (continued)

Nội năng của hệ (internal energy) có thể tồn tại dưới các dạng:

1. Động năng phân tử: kinetic energies of the molecules is called the sensible energy.

2. Sự tồn tại các pha của vật chất (lỏng/hơi): phase of a system is called the latent energy.

3. Năng lượng của các phân tử: atomic bonds in a molecule is called chemical energy.

4. Thế năng của hệ: Static energy (stored in a system)

5. Động năng của hệ: Dynamic energy: energy interactions at the system boundary (i.e. heat and work)

Page 29: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

29

Trao đổi năng lượng dạng nhiệt

■ Năng lượng có thể trao đổi với xung quanh dạng Nhiệt hoặc Công;

■ Hệ có thể nhận hoặc nhả nhiệt.

Trao đổi năng lượng dạng công

Page 30: Chương 1 Những khái niệm cơ bản · Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các

30

Sự thay đổi năng lượng của hệ

Summary

■ Ghi nhớ:

■ Khái niệm hệ thống nhiệt, tính chất của hệ thống, đơn vị đo, hệ SI;

■ Các khái niệm nhiệt độ, phương pháp đo, đơn vị đo;

■ Áp suất: Các loại áp suất, đơn vị đo, các thiết bị đo áp suất dư, độ chân không, áp suất môi trường;

■ Năng lượng của hệ: Nhiệt năng, Công năng, Nội năng, ví dụ về sự biến đổi năng lượng của hệ dạng nhiệt, công, nội năng.

■ Bài tập về nhà:

■ Làm các bài tập chương 1 như danh mục bài tập đã giao;

■ Đọc chương 2 giáo trình.

■ Lưu ý: Yêu cầu SV đăng nhập nhóm facebook/diemphd

Hãy tìm kiếm trên Internet với từ khóa unit converter, truy cập và làm quen với công cụ chuyển đổi các đơn vị đã học