Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2: Năng lượng - Phần A: Bảo toàn năng lượng (Định luật nhiệt động học 1)

 Năng l ượ ng
 Bảo toàn n ăng l ượ ng ( Đị nh 
 lu ật nhi ệt độ ng h ọc 1)
 1
 Một s ố l ưu ý
 • Nội dung gi ảng d ạy trong các cu ốn sau:
 [1] Thermodynamics: An Engineering Approach: Các chươ ng 1, 
 2, 3, 4, 5 và 6
 [2] Basic Engineering Thermodynamics: Ch ươ ng 9 – Heat 
 Transfer
 [3] Sách Nhi ệt độ ng l ực h ọc: các ch ươ ng t ừ 1-5
 • Bài t ập: Giao theo cá nhân trong các ch ươ ng 1-6 
 cu ốn [1]
 • Học li ệu (Course Materials) cung c ấp trên website: 
 scholar.vimaru.edu.vn/diemphd và facebook group: 
 Engineering Thermodynamics Group 4
 2
1
 Objectives
 -Năng l ượ ng c ủa h ệ, các d ạng n ăng l ượ ng; 
 - Hai d ạng truy ền n ăng l ượ ng là nhi ệt và công; 
 - Các d ạng công khác nhau;
 -Sự b ảo toàn n ăng l ượ ng – Đị nh lu ật nhi ệt độ ng 
 học th ứ nh ất;
 - Hi ệu su ất truy ền n ăng l ượ ng;
 -Năng l ượ ng và ô nhi ễm môi tr ườ ng.
 3
 Sự b ảo toàn kh ối l ượ ng
 • Nguyên lý chung: V ật ch ất (Kh ối l ượ ng) đượ c 
 bảo toàn, không sinh ra và m ất đi, ch ỉ có th ể 
 bi ến đổ i t ừ d ạng này sang d ạng khác
 • Đố i v ới h ệ nhi ệt độ ng: Kh ối l ượ ng vào – Kh ối 
 lượ ng ra = S ự thay đổ i kh ối l ượ ng.
  
 
   −   =
 
  
 4
2
 Sự b ảo toàn kh ối l ượ ng
 • Hệ kín: 
  = ;  = 0
 Ví d ụ: L ốp xe, độ ng c ơ đố t trong sau khi coi các 
 quá trình n ạp và th ải là tri ệt tiêu nhau.
 • Hệ h ở: th ườ ng g ặp v ới các gi ả thi ết là dòng 
 ch ảy đề u và ổn đị nh:
 • Ví d ụ: v ật ch ất (l ỏng, khí) ch ảy qua ống; h ơi n ướ c ch ảy 
 qua độ ng c ơ tuabin h ơi.
 5
 Năng l ượ ng: Nhi ệt, Công, sự truy ền 
 năng l ượ ng
 Energy: Heat, Work, Energy Transfer
 6
3
 Sự b ảo toàn n ăng l ượ ng
  Ví d ụ 1: Tủ l ạnh làm vi ệc 
 trong phòng kín, cách nhi ệt, 
 cánh t ủ m ở.
  Nhi ệt độ phòng ntn?
  Các d ạng n ăng l ượ ng tham 
 gia vào quá trình?
  Ví d ụ 2: Qu ạt ch ạy trong 
 phòng kín, cách nhi ệt.
  Nhi ệt độ phòng ntn?
  Các d ạng n ăng l ượ ng tham 
 gia vào quá trình?
  Cơ s ở để k ết lu ận v ề s ự 
 thay đổ i nhi ệt độ ?
 7
 Các d ạng n ăng l ượ ng (Forms 
 of Energy)
 Năng l ượ ng (Energy)
 Trong h ệ ổn đị nh (không t ồn t ại ảnh h ưở ng c ủa điện, từ, ), năng l ượ ng toàn 
 ph ần ( E) của h ệ bao g ồm: Độ ng n ăng (kinetic-KE ), th ế n ăng (potential-PE ) và 
 nội n ăng (internal-U):
 - Độ ng n ăng: -
 - Th ế n ăng: -
 Năng l ượ ng toàn ph ần:
 Ho ặc vi ết cho m ột đơ n v ị kh ối l ượ ng:
4
 Năng l ượ ng vi mô, v ĩ mô
  Năng l ượ ng v ĩ mô c ủa h ệ là n ăng l ượ ng 
 toàn ph ần so v ới xung quanh, bao g ồm 
 độ ng n ăng và th ế n ăng. 
  Năng lượ ng vi mô c ủa h ệ liên quan đế n 
 cấu trúc phân t ử c ủa h ệ th ống và độ c l ập 
 với bên ngoài. Đó là n ội n ăng. 
  Năng l ượ ng c ủa chuy ển độ ng phân t ử: Nhi ệt 
 hi ện (Sensible energy);
  Năng l ượ ng bi ến đổ i pha: Nhi ệt ẩn (Latent 
 energy);
  Năng l ượ ng liên k ết nguyên t ử: Hóa n ăng 
 (Chemical energy), N ăng l ượ ng nguyên t ử 
 (Atomic energy).
 9
 Sự d ụng n ăng l ượ ng
 . Static energy: đượ c tích tr ữ trong h ệ th ống;
 . Dynamic energy: đượ c h ệ th ống trao đổ i (qua biên 
 hệ). Ch ỉ có 2 dạng n ăng l ượ ng trao đổ i:
 . Nhi ệt (Heat);
 . Công (Work).
 . Ví d ụ: Tuabin th ủy điện:
 . Năng lượ ng v ĩ mô c ủa dòng 
 ch ảy làm quay tuabin (sinh 
 công). 
 . Năng l ượ ng vi mô chuy ển 
 độ ng h ỗn lo ạn các ph ần t ử 
 H2O không có tác d ụng.
 10
5
 Năng l ượ ng trong h ệ kín, h ở
  Hệ kín (close system):  Hệ h ở (control volume): 
  Thườ ng không có  Có dòng ch ảy (mass 
 chuy ển độ ng flow rate);
 (stationary);  Energy Flow rate
  KE = 0;  Ví d ụ: Dòng ch ảy trong 
  PE = 0; độ ng c ơ tuabin h ơi
  ∆E = ∆U
  Ví dụ: đun nóng v ật ch ất 
 trong m ột bình kín.
 Sự thay đổ i n ăng l ượ ng trong h ệ kín, hệ h ở 
 đượ c nghiên c ứu ở các ch ươ ng sau. 11
 Năng l ượ ng truy ền qua biên h ệ kín
  Dạng nhi ệt (Heat): N ếu System
 năng l ượ ng truy ền qua QW
 biên h ệ liên quan đế n s ự 
 chênh nhi ệt độ . 
  Nếu không thì là work .
 Heat: là m ột d ạng n ăng 
 lượ ng (thermal energy) 
 truy ền gi ữa các v ật (qua 
 biên h ệ) khi có s ự chênh 
 về nhi ệt độ .
 12
6
 Truy ền n ăng l ượ ng d ạng nhi ệt
  Năng l ượ ng có th ể truy ền 
 qua biên h ệ kín d ạng 
 Nhi ệt ho ặc Công.
  Nhi ệt truy ền qua biên h ệ 
 khi có độ chênh nhi ệt độ .
  Nhi ệt ch ỉ đượ c nh ận d ạng 
 khi truy ền qua biên h ệ
 13
 Truy ền n ăng l ượ ng d ạng nhi ệt
  Nhi ệt l ượ ng trao đổ i t ừ state 1 đế n state 2:
  Nhi ệt l ượ ng truy ền/ đơ n v ị th ời gian (công 
 su ất truy ền nhi ệt):
 
  = (/, )
 
  Tổng nhi ệt l ượ ng trao đổ i:
  Nếu công su ất truy ền nhi ệt không đổ i theo 
 th ời gian:
 14
7
 Hệ th ống đoạn nhi ệt (Adiabatic)
  Hệ th ống di ễn ra quá trình 
 không có trao đổ i n ăng l ượ ng 
 dạng Nhi ệt v ới bên ngoài:
  Khi h ệ đượ c b ọc cách nhi ệt;
  Khi h ệ không có chênh l ệch nhi ệt 
 độ v ới xung quanh.
  Phân bi ệt (adiabatic process)
 và Isothermal process (ĐẲ NG 
 NHI ỆT) 
  Quá trình đoạn nhi ệt có th ể có 
 sự thay đổ i nhi ệt độ .
 15
 Truy ền n ăng l ượ ng d ạng công
  Công trao đổ i t ừ state 1 đế n state 2:
  Công truy ền/ đơ n v ị th ời gian (công su ất):
  
  = (  
  
 Work là n ăng l ượ ng trao đổ i liên quan 
 đế n tác độ ng l ực và d ịch chuy ển 
 (chuy ển độ ng) c ủa h ệ.
 
8
 Ký hi ệu, đơ n v ị Nhi ệt/Công
  Q or 1Q2  W or 1W2
  Lượ ng nhi ệt trao đổ i trong  Công th ực hi ện đố i v ới m ột 
 quá trình t ừ tr ạng thái 1 hệ th ống để thay đổ i t ừ 
 đế n tr ạng thái 2. tr ạng thái 1 đế n tr ạng thái 
  Units: kJ or BTU 2.
  q  Units: kJ or BTU
  Nhi ệt l ượ ng/ đơ n v ị kh ối  w
 lượ ng.  Công/ đơ n v ị kh ối l ượ ng.
  Units: kJ/kg or BTU/lb m  Units: kJ/kg or BTU/lb m
 • •
  Q  W
  Rate of heat transfer: Công  Công su ất (Power): 
 su ất truy ền nhi ệt Công/ đơ n v ị th ời gian.
  kJ/sec = kW  kJ/sec = kW
 17
 Quy ướ c d ấu Nhi ệt và Công
  Heat truy ền đế n h ệ th ống (h ệ  Work th ực hi ện do nh ận tác 
 th ống nh ận) mang d ấu d ươ ng độ ng t ừ bên ngoài (t ạo ra 
 (+). chuy ển độ ng c ủa h ệ) là công 
 âm (-).
  Heat truy ền t ừ h ệ th ống ra môi  Work sinh ra b ởi h ệ th ống (tác 
 tr ườ ng mang d ầu âm (-). độ ng ng ượ c l ại v ới môi 
 tr ườ ng) là công d ươ ng (+).
 18
9
 Đặ c điểm Heat and Work
  Nhi ệt và công đề u truy ền qua biên h ệ.
  Các h ệ th ống nhi ệt đề u có n ăng l ượ ng, nh ưng 
 không ph ải Nhi ệt hay Công. Khi trao đổ i nhi ệt 
 ho ặc công v ới môi tr ườ ng qua biên h ệ, n ăng 
 lượ ng c ủa h ệ thay đổ i.
  Trao đổ i nhi ệt ho ặc công di ễn ra theo quá trình 
 – không ph ải ở tr ạng thái c ố đị nh.
  Nhi ệt và công là hàm c ủa quá trình: ph ụ thu ộc 
 vào đườ ng đi quá trình và 2 tr ạng thái đầ u, 
 cu ối. 
 19
 Hàm tr ạng thái-Hàm quá trình?
 State (point) function-Path function?
  Path functions ký hi ệu b ằng 
 đạ o hàm riêng δδδ, ví d ụ δδδQ, δδδW.
 2
 δW = W12 ()not ∆W
 1
  Point functions ký hi ệu b ằng đạ o 
 hàm toàn ph ần ∆, ví d ụ: ∆V
 2
 dV = V2-V 1 = ΔV
 1
 Các thông s ố tr ạng thái (P, v, T) là hàm c ủa tr ạng thái 
 (point functions), 
 
 Nhi ệt và công là hàm c ủa quá trình (path functions).
10
 Các lo ại công - Types of work
  Công c ơ h ọc - Mechanical Work
  Dich chuy ển biên h ệ (Moving boundary work) 
  Công trên tr ục (Shaft work)
  Công lò xo (Spring work)
  Công điện - Electric Work
  (We=V I ∆t)
 . V =voltage
 . I=current
 . ∆t =time
 21
 Nhi ệt hay Công
  Nung nóng m ột lò đượ c cách 
 nhi ệt b ằng may so điện. 
  Nếu coi hê th ống bao g ồm 
 lò nung và may so điện thì 
 hệ th ống nh ận Nhi ệt hay 
 Công?
  Nếu coi h ệ th ổng không 
 bao g ồm may so điện thì 
 hệ th ống nh ận Nhi ệt hay 
 Công?
 22
11
 Công c ơ h ọc
  Lực tác d ụng làm h ệ  Hai điều ki ện xu ất 
 chuy ển độ ng hi ện công c ơ học:
  1. Có l ực tác d ụng lên 
 biên hệ.
  2. Biên h ệ d ịch 
 chuy ển. 
 Trong nhi ều h ệ nhi ệt độ ng, công c ơ 
 học là d ạng công duy nh ất và là m ục 
 đích c ủa h ệ 
 23
 Công trên tr ục (shaft work)
  Lực F tác độ ng qua cánh tay 
 đòn r t ạo thành mô men T:
  Quãng đườ ng d ịch chuy ển s 
 khi tr ục quay đượ c n vòng:
  Sinh ra công trên tr ục:
  Công su ất trên tr ục:
 Với  là t ốc độ quay c ủa tr ục. 24
12
 Công lò xo (spring work)
  Lực F tác độ ng làm lò xo d ịch 
 chuy ển x:
  Với lò xo tuy ến tính:
  Công lò xo:
 25
 Đị nh lu ật N ĐH th ứ nh ất
 First law of thermodynamics
  Năng l ượ ng không t ự nhiên  Là nguyên lý b ảo toàn n ăng 
 sinh ra hay t ự nhiên m ất đi, mà lượ ng trong ph ạm vi nhi ệt
 ch ỉ chuy ển t ừ d ạng này sang 
 dạng khác
 VD2
 VD1 Th ế n ăng chuy ển thành 
 Nhi ệt n ăng t ăng lên c ủa h ệ độ ng n ăng
 bằng nhi ệt n ăng nh ận đượ c
 26
13
 First law of thermodynamics
 VD3 VD4 VD5
 Nhi ệt n ăng th ực nh ận b ằng Năng l ượ ng t ăng lên b ằng Năng l ượ ng t ăng lên b ằng 
 nhi ệt n ăng nh ận vào tr ừ công ( điện) tiêu th ụ công ( điện/ cơ h ọc) tiêu th ụ
 nhi ệt n ăng t ỏa ra
 27
 Bi ểu th ức ĐL1
 28
14
 ĐL 1 với h ệ t ĩnh t ại (stationary)
  Th ườ ng g ặp các h ệ 
 tĩnh t ại:
  Không có chuy ển 
 độ ng;
  Không thay đổ i độ 
 cao.
  Ví d ụ: Nhà máy nhi ệt 
 điện, c ăn phòng ( điều 
 hòa)
 29
 Các d ạng truy ền n ăng l ượ ng
  Dạng nhi ệt (heat transfer);
  Dạng công (work transfer);
  Khi thay đổ i l ượ ng v ật ch ất 
 (mass flow).
 30
15
 Ví d ụ 1
  Két đượ c làm mát v ới máy khu ấy. N ội n ăng 
 ban đầ u: 800kJ; L ượ ng nhi ệt t ỏa ra: 500kJ; 
 Điện n ăng máy khu ấy tiêu th ụ: 100kJ.
  Hỏi: N ăng l ượ ng còn l ại c ủa h ệ?
 31
 Ví d ụ 2
  Qu ạt tiêu th ụ công su ất 200W 
 đặ t trong phòng có nhi ệt độ 
 25 0C, di ện tích bao quanh 
 A=30m2; Nhi ệt truy ền ra 
 ngoài theo công th ức 
  Xác đị nh nhi ệt độ phòng sau 
 ổn đị nh?
  Công su ất 200W truy ền cho 
 không khí trong phòng nh ư th ế 
 nào?
 32
16
 Hi ệu su ất truy ền n ăng l ượ ng
  Hi ệu su ất:
  Hi ệu su ất truy ền n ăng l ượ ng: 
   ℎ 
  =
   
  Ví d ụ:
  Đun n ướ c trong bình n ướ c nóng ( điện):  = 90%
  Đun n ướ c trong bình n ướ c nóng (gas):  = 55%
  Hi ệu su ất qu ạt điện:  = ?
 33
 Hi ệu su ất truy ền n ăng l ượ ng
  Hi ệu su ất toàn b ộ: M ột h ệ th ống có th ể di ễn ra nhi ều quá trình 
 bi ến đổ i n ăng l ượ ng. Ví d ụ: Nhà máy nhi ệt điện:
  Quá trình cháy nhiên li ệu trong lò h ơi: Hi ệu su ất cháy;
  Quá trình bi ến đổ i n ăng l ượ ng nhi ệt thành c ơ n ăng quay 
 tuabin h ơi: Hi ệu su ất nhi ệt;
  Quá trình bi ến c ơ n ăng thành điện n ăng trên máy phát điện: 
 Hi ệu su ất máy phát.
  Hi ệu su ất độ ng c ơ đố t trong,  =?
  Hi ệu su ất nhà máy nhi ệt điện,   =?
 34
17
 Năng l ượ ng và Môi tr ườ ng
 Energy & Environment
  Ph ần l ớn n ăng l ượ ng t ừ nhiên 
 li ệu hóa th ạch (Fossile fuels):
  Coal, 
  LPG, LNG, 
  Gasoline, 
  Diesel Oil, Heavy Fuel Oil):
  Các l ĩnh v ực ch ủ y ếu:
  Sản xu ất điện;
  Giao thông: Ô tô; máy bay; 
 tàu h ỏa; tàu th ủy.
 35
 Energy & Environment
  Khí th ải t ừ đố t nhiên  Tác h ại:
 li ệu hóa th ạch:  Hi ệu ứng nhà kính 
  CO, CO2, (greenhouse effect);
  SOx,  Mưa axit (acid rain);
  NOx,  Suy gi ảm t ầng Ozone 
 (Ozone depletion);
  HC (VOCs)
  Khói b ụi (Smoke, 
 Particulate Matters-
 PM)
 36
18
 Energy & Environment
  Hi ện t ượ ng khói b ụi đô 
 th ị (Smog and Ozone): 
  Là khói, b ụi k ết h ợp v ới 
 các Ozone ở t ầng th ấp, 
 HC, Nox, th ườ ng xu ất 
 hi ện trong nh ững ngày 
 nhi ệt độ cao, l ặng gió;
  Tác h ại: Gây cay m ắt, 
 khó th ở, b ệnh hô h ấp; 
 ảnh h ưở ng mùa màng
 37
 Energy & Environment
  Mưa axit (Acid rain): Các 
 khí SOx, NOx trong 
 không khí k ết h ợp v ới h ơi 
 ẩm, n ướ c m ưa t ạo thành 
 nướ c m ưa có hàm l ượ ng 
 axit cao 
  Tác h ại: Mùa màng gi ảm 
 năng su ất, r ừng, cây 
 ch ậm phát tri ển, th ủy sinh 
 bị ch ết, phá h ủy các công 
 trình (t ượ ng đồ ng/ đá)
 38
19
 Energy & Environment
  Hi ệu ứng nhà kính:
  Từ khi xu ất hi ện cách 
 mạng công nghi ệp (TK19), 
 nhi ệt độ trái đấ t tang lên 
 bao nhiêu?
  Khí nhà kính là nh ững khí 
 nào?
  CO2 hi ện chi ếm bao nhiêu 
 % trong không khí? Tr ướ c 
 CMCN là bao nhiêu?
  What should you do to 
 save our planet?
 39
 Bài t ập v ề nhà
  Làm bài t ập ch ươ ng 3 (danh sách bài t ập 
 Ch ươ ng 3, 4 đã post lên facebook);
  Đọ c:
  Ti ếng Vi ệt: Ch ươ ng IV – Sự b ảo toàn n ăng 
 lượ ng;
  English: Chapter 4 – Enery analysis of closed 
 systems
 40
20