Đề cương Nhiệt – Kỹ thuật nhiệt

Câu 1: Khái niệm và phân loại thiết bị nhiệt. Lấy ví dụ cụ thể

Khái niệm thiết bị nhiệt

Thiết bị nhiệt là những thiết bị dùng để tiến hành quá trình truyền tải, trao đổi và chuyển hóa nhiệt năng.

Phân loại thiết bị nhiệt

Phân loại	Khái niệm	Ví dụ
Động cơ nhiệt	Là một loại thiết bị nhiệt, biến nhiệt năng thành năng lượng khác: Cơ năng, điện năng…	Động cơ từ thủy động, pin nhiệt điện, pin nhiệt điện tử, chu trình pin nhiên liệu…
Máy lạnh, bơm nhiệt	Là các thiết bị nhiệt. Nhờ năng lƣợng hỗ trợ từ bên ngoài, nhiệt được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp (nguồn lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao (nguồn nóng); trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp trong môi trường nhiệt độ cao hơn (đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì nhiệt độ cao trong môi trường nhiệt độ thấp hơn (đối với bơm nhiệt).	Thiết bị lạnh và bơm nhiệt: Tủ lạnh, điều hòa không khí…
Nhóm thiết bị khác	là các thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị làm việc theo chu trình không khép kín.	Thiết bị nén khí, thiết bị sấy, điều hoà không khí…

Câu 2: Khái niệm và phân loại hệ thống nhiệt động. Lấy ví dụ cụ thể

Khái niệm hệ thống nhiệt động

Hệ thống nhiệt động là tập hợp các đối tượng được tách ra để nghiên cứu về tính chất nhiệt động của chúng, phần còn lại gọi là môi trường.

Giữa hệ thống nhiệt và môi trường có một giới hạn; giới hạn đó có thể là bề mặt thật (như hệ thống xylanh piston) mà cũng có thể là bề mặt tưởng tượng.

Phân loại hệ thống nhiệt động

Phân loại	Khái niệm	Ví dụ
Hệ thống kín	Hệ thống mà trọng tâm của hệ không chuyển động, nếu có chuyển động cũng chuyển động ở dạng vi mô có thể bỏ qua.	Khí chứa trong một bình kín.
Hệ thống hở	Ngược lại với hệ thống kín.	Hơi vào và ra khỏi tuabin trong nhà máy nhiệt điện.
Hệ thống đoạn nhiệt	Hệ thống mà môi chất không trao đổi nhiệt với môi trường.
Hệ thống cô lập	Hệ thống mà môi chất không trao đổi cả nhiệt và công với môi trường.

Câu 3: Khái niệm và phân loại nhiệt dung riêng. Cần nêu rõ bản chất của các đại lượng

Khái niệm nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng (kí hiệu: C) là nhiệt lượng cần đốt trong một đơn vị chất khí để nó tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó.

Phân loại nhiệt dung riêng

Theo đơn vị môi chất	Với qt áp suất không đổi p=const	Với qt thể tích không đổi v=const
NDR khối lượng: đơn vị chất khí là 1kg, C (J/kg.K).	NDR khối lượng đẳng áp: Cp (J/kg.K)	NDR khối lượng đẳng tích: Cv (J/kg.K)
NDR thể tích : đơn vị chất khí 1m3 tiêu chuẩn, C ́(J/m3.K).	NDR thể tích đẳng áp : C ́p (J/m3.K)	NDR thể tích đẳng tích : C ́v (J/m3.K)
NDR kilomol: đơn vị đo chất khí là 1 kilomol, Cμ (J/kmol.K).	NDR kilomol đẳng áp: Cμp (J/Kmol.K)	NDR kilomol đẳng tích: Cμv (J/Kmol.K)

Chú ý: Không có quá trình NDR đẳng nhiệt!

Kiến thức thêm:

Mối quan hệ giữa các loại NDR

• Cv: NDR khối lượng quá trình đẳng tích.
• Cμv: NDR kilomol quá trình đẳng tích.
• μ: Phân tử khối của môi chất đó.

Xác định nhiệt lượng theo sự biến thiên entropi

Còn P-V là đồ thị Công.

Câu 4: Khái niệm hỗn hợp khí lý tưởng, các thành phần của hỗn hợp, biểu thức quan hệ giữa chúng. Lấy ví dụ cụ thể.

Khái niệm hỗn hợp khí lý tưởng

Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chất khí lý tưởng khi không xảy ra phản ứng hóa học giữa các chất khí thành phần.

Ví dụ: không khí có thể được xem như là hỗn hợp khí lý tưởng với các chất khí thành thành gồm nitơ (N2), oxy (O2), dioxit carbon (CO2), v.v.

Mở rộng:

Khí lý tưởng là chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử.
Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí như oxy (O2), hydro (H2), nitơ (N2), không khí, v.v. ở điều kiện áp suất và nhiệt độ không quá lớn, có thể xem chúng như là khí lý tưởng.

Phân loại nhiệt dung riêng

Câu 5: Ý nghĩa và nội dung của định luật nhiệt động 1. Lấy ví dụ cụ thể

Ý nghĩa của định luật nhiệt động 1

Là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt. Nó đưa ra mối quan hệ giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác (Nhiệt chuyển hóa thành công)

(Ý nghĩa: để tính nhiệt và công cho các quá trình)

Nội dung của định luật nhiệt động 1

Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi, mà nó chuyển từ dạng này sang dạng khác. Năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi.

Phát biểu cách khác: Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được: ΔU = A + Q

Ví dụ cụ thể

Ví dụ trong quá trình đẳng áp thì=> Wkt =0 nên q=Δi =i1-i2 chẳng hạn. Vậy khi đó để tính nhiệt và công cho quá trình này thì ta chỉ cần tính i1 và i2.

Kiến thức mở rộng

Hiểu về công lưu động, công kỹ thuật (công có ích) và công thay đổi thể tích (công tổng thể).

• Công lưu động (Wlđ): là công do bản thân môi chất sinh ra để mang nó đi. Trong hệ kín thì nó bằng 0.
• Công kỹ thuật (Wkt) là công sử dụng hữu ích. (Phụ thuộc vào áp suất)
  • Áp suất giảm -> Công > 0 và ngược lại.
• Công thay đổi thể tích (Wtt): là công của chất khí khi nó thay đổi. (sinh ra khi thể tích môi chất thay đổi)
  • Công > 0 khi V tăng và ngược lại.

Câu 6: Ý nghĩa và cách phát biểu của định luật nhiệt động 2. Lấy ví dụ cụ thể

Ý nghĩa của định luật nhiệt động 2

Là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt. Nó đưa ra mối quan hệ giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác.

Cách phát biểu của định luật nhiệt động 2

• Nhiệt chỉ truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, muốn tiến hành ngược lại phải tiêu hao một năng lượng nhất định.
• Không thể biến nhiệt thành công một cánh hoàn toàn mà bao giờ cũng có một phần năng lượng tổn thất cho môi trường.

Câu 7: Khái niệm và phân loại chu trình nhiệt động

Khái niệm

Chu trình nhiệt động là tập hợp các quá trình nhiệt động được thực hiện 1 cách khép kín.

Để môi chất sinh công liên tục, ta phải cho giãn nở liên tục nhưng điều đó là không thể thực hiện được do tính chất của môi chất và hạn chế của thiết bị.

Vì vậy môi chất sau khi giãn nở đến một trạng thái nào đó, nó được quay trở lại trạng thái ban đầu, tiếp tục giãn nở, sinh công lần 2. Ta nói môi chất đã thực hiện 1 chu trình hay 1 quá trình khép kín.

Phân loại (2 chu trình: Thuận và Ngược chiều)

Chu trình Thuận chiều

• Khái niệm: là chu trình thuận chiều KĐH.

Công giãn nở > công nén hay công sinh ra > công nhận vào -> Chu trình nhận nhiệt sinh công nên công sinh ra mang dấu +

• Tính toán: q1 = W0 + |q2|

• Hiệu suất nhiệt:

q1 > 0: tổng lượng nhiệt cấp cho môi chất.

q2 < 0: tổng lượng nhiệt thải ra.

W0 > 0: tổng công sinh ra của chu trình.

Ý nghĩa:

Dùng trong các động cơ nhiệt: Chu trình động cơ đốt trong, chu trình Rankine để biến nhiệt thành công.

Chu trình Ngược chiều

• Khái niệm: là chu trình ngược chiều KĐH.

– Công giãn nở < công nén hay công sinh ra < công nhận vào -> Chu trình nhận công

• Kết quả : |q1| = q2 + |W0|

Nhận nhiệt q2 từ nơi có nhiệt độ thấp, tốn công |W0| đưa đến nơi có nhiệt độ cao |q1|

Hệ số làm lạnh ε và Hệ số làm nóng: φ

q2 > 0: tổng lượng nhiệt nhận vào có nhiệt độ thấp

q1 < 0: tổng lượng nhiệt thải ra có nhiệt độ cao

W0 < 0: tổng công nhận vào của chu trình.

Ý nghĩa:

Duy trì nhiệt độ thấp trong môi trường có nhiệt độ cao. Ứng dụng trong các chu trình máy lạnh, máy sưởi, máy làm đá… Chu trình lạnh dùng máy nén khí, Chu trình lạnh dùng máy nén hơi…

Câu 8: Khái niệm động cơ đốt trong và nêu các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong. Ý nghĩa của từng thông số đặc trưng.

Khái niệm

Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt gồm các bộ phận chính:

1. xylanh,
2. pittong,
3. van nạp,
4. van thải,
5. thanh truyền,
6. trục khuỷu.

Quá trình cháy nhiên liệu xảy ra bên trong xy lanh.

Phân loại:
-Theo nhiên liệu sử dụng: xăng và diesel.
-Theo cách cháy nhiên liệu: cháy cưỡng bức (buzi), động cơ tự cháy.
-Theo hành trình làm việc của piston: 2 kỳ, 4 kỳ
-Theo tính chất quá trình cháy: động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp, cấp nhiệt hỗn hợp.

Ý nghĩa của các thông số

Khi muốn tăng hiệu suất thì chúng ta phải thay đổi các thông số k, λ, ε, ρ bằng các tỉ số hình bên trên thì nó cồng kềnh và có khi không thể khảo sát được. Thay vào đó là các thông số k, λ, ε, ρ, nên khi muốn thay đổi hiệu suất thì chúng ta khảo sát các thông số đó để nâng cao hiệu suất.

Kiến thức mở rộng:

Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích:

Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp:

Câu 9: Khái niệm và phân loại trường nhiệt độ

Khái niệm

Tập hợp những giá trị nhiệt độ trong không gian tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ: t= f (x, y,z, )

Phân loại

Câu 10: Xây dựng biểu thức xác định trường nhiệt độ dẫn qua vách phẳng 1 lớp

• Giả thiết: Cho vách phẳng 1 lớp chiều dày delta (δ), có hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt độ bên trong vách là tw1 và bên ngoài vách là tw2, giả sử tw1 > tw2.

Ta kẻ 1 phương pháp tuyến (x) với phương của vách phẳng thì ta thấy Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.

• Áp dụng định luật Fourier,
• Tích phân 2 vế -> Tìm C bằng cách là thế cận vào (x=0 và x=δ)
• Cuối cùng rút ra công thức trường nhiệt độ t và mật độ dòng nhiệt q.

Kiến thức mở rộng:

Câu 11: Xây dựng biểu thức xác định trường nhiệt độ dẫn qua vách trụ 1 lớp

Câu 12: Trình bày các bước nghiên cứu chu trình Rankine cơ bản

(Chu trình thiết bị động lực hơi nước)

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

Nguyên lý làm việc

Đây là chu trình thuật chiều, nhận nhiệt sinh công.

• Môi chất nhận nhiệt ở lò hơi 1.
• Sau đó được quá nhiệt ở bộ quá nhiệt 2.
• Tiếp theo nó được dãn nở sinh công ở Tuabin 3, khi nó dãn nở thì sẽ làm quay tuabin và làm quay máy phát điện mắc vào lưới điện quốc gia.
• Sau đó nó được ngưng tụ trong bình ngưng 4.
• Nước ngưng tụ sẽ được bơm số 5 bơm vào lò hơi 1 để tiếp tục sinh công.

Sơ đồ nguyên lý của chu trình Rankine

• Vẽ sơ đồ:
  • Vẽ đường nét đứt giới hạn dưới (x=0) và giới hạn trên (x=1).
  • Vẽ các quá trình.

• 1-2: Giãn nở đoạn nhiệt sinh công trong Tuabin.
• 2-3: Ngưng hơi đẳng áp đẳng nhiệt
• 3-3′: Nén đoạn nhiệt: Bơm nước vào bình ngưng.
• 3′-1: Đẳng áp và đẳng nhiệt. Ra nhiệt cho hơi nước trong lò hơi

Trạng thái:

• 1: Hơi quá nhiệt
• 2: Hơi bão hòa ẩm
• 3: Nước sôi
• 3′: Nước chưa sôi.

Tính công, nhiệt và hiệu suất của chu trình

Quá trình 1-2 và 3-3′ là quá trình đoạn nhiệt => q=0. Lượng nhiệt nhận vào q = q_3′-1 – quá trình đẳng áp = Δi (theo ĐL 1) nên q= i1 -i3

Hiệu suất chủa chu trình = Công sinh ra / Nhiệt nhận vào

Kiến thức mở rộng:

Hiệu suất của chu trình Rankine sẽ tăng:

Câu 13: Trình bày các bước nghiên cứu chu trình lạnh khô

Nguyên lý làm việc

• 1-2: Hơi gas sẽ được nén trong máy nén đến nhiệt độ cao và á suất cao.
• 2-3: Sau đó nó được ngưng tụ ở dàn nóng (dàn ngưng tụ)
• 3-4: Tiếp theo nó sẽ đi qua van tiết lưu (đẳng Entanpi) làm cho nhiệt độ và áp suất giảm.
• 4-1: Sau đó nó qua Dàn bay hơi (Nhận nhiệt ở dàn lạnh)

Tính toán

Đồ thị p-i hoặc p-h để tra các thông số trạng thái.

Từ đó => Hệ số lạnh của chu trình….

Vì sao q2 = i1-i4 ?

Trả lời: Nhìn vào đồ thị T-s, q2 là nhiệt lượng thải ra = q_4-1 (Quá trình nhận nhiệt đẳng áp). QT đẳng áp => Wkt = 0.

• Theo ĐL Nhiệt động 1: q = Δi + Wkt = Δi = i₁ – i₄

Kiến thức thêm:

Năng suất lạnh riêng của chu trình là năng suất lạnh, là khả năng nhận nhiệt của 1kg môi chất (q₂).

Năng suất lạnh là khả năng nhận nhiệt của G kg môi chất: q₀ = G.q₂