Nhiệt động lực học 1: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phương trình khí lý tưởng

Phương trình khí lý tưởng: pV = nRT
Hằng số khí: R = 8,314 J/(mol·K)
Phương trình khí kết hợp: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Số mol: n = m/M
Nhiệt độ: T[K] = T[°C] + 273,15

Cân bằng năng lượng

Nhiệt cảm: Q = ṁ·c_p·ΔT
Ẩn nhiệt: Q = ṁ·h_fg
Trộn: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Nước: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Động cơ nhiệt và máy lạnh

Hiệu suất: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Hiệu suất Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP của tủ lạnh: COP_R = Q_C/W
COP của bơm nhiệt: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Cân bằng năng lượng: Q_H = W + Q_C

Chu trình công suất khí

Đẳng entropi, tỉ số thể tích: T₂/T₁ = r^k−1
Đẳng entropi, tỉ số áp suất: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Hiệu suất Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Hiệu suất Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Hiệu suất Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Nhiệt cấp vào: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Công ròng của Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Hiệu suất đẳng entropi: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Không khí lạnh: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Bài tập

1.Phương trình khí lý tưởngTrung bình

Một bình 20 L chứa 130 g N₂ ở 50 °C. Coi đó là khí lý tưởng và tìm áp suất P.

m = 130 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Phương trình khí lý tưởngKhó

Tìm khối lượng riêng ρ của Ar ở 900 kPa và 0 °C, coi đó là khí lý tưởng.

M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Cân bằng năng lượngTrung bình

dầu nhẹ nóng làm nguội nước trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng, không có tổn thất nhiệt. Tìm nhiệt độ nước ra t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 100 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Cân bằng năng lượngKhó

dầu nhẹ nóng làm nóng nước trong một thiết bị trao đổi nhiệt bị thất thoát 5% nhiệt do dòng nóng tỏa ra ra môi trường xung quanh. Tìm lưu lượng nước ṁ_c cần thiết.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 110 °Ct: 25 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)tổn thất = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnhTrung bình

Một động cơ nhiệt thuận nghịch (Carnot) nhận 5000 kJ nhiệt từ một nguồn ở 350 °C và thải 2232 kJ mỗi chu trình. Tìm nhiệt độ T_L của nguồn lạnh theo °C.

T_H = 350 °CQ_H = 5000 kJQ_L = 2232 kJ

T_L = °C

6.Động cơ nhiệt và máy lạnhKhó

Một động cơ nhiệt nhận 4300 kJ nhiệt từ một nguồn ở 600 °C, sinh công 1634 kJ và thải phần còn lại cho một nguồn ở 40 °C, mỗi chu trình. Tìm tổng entropy sinh ra S_gen mỗi chu trình.

T_H = 600 °CT_L = 40 °CQ_H = 4300 kJW = 1634 kJ

S_gen = kJ/K

7.Chu trình công suất khíTrung bình

Một chu trình Diesel lý tưởng có tỉ số nén r = 20 và tỉ số cắt nhiên liệu r_c = v₃/v₂ = 2,5. Khi bắt đầu nén không khí ở 305 K. Dùng các giả thiết không khí lạnh tiêu chuẩn: không khí là khí lý tưởng có nhiệt dung riêng không đổi, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) và c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Tìm nhiệt cấp vào q_in trên mỗi kilogam không khí, theo kJ/kg.

r = 20r_c = 2,5T₁ = 305 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Chu trình công suất khíKhó

Một chu trình Brayton lý tưởng hoạt động với tỉ số áp suất máy nén 18. Dùng các giả thiết không khí lạnh tiêu chuẩn: không khí là khí lý tưởng có nhiệt dung riêng không đổi, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) và c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Tìm hiệu suất nhiệt η của nó theo phần trăm.

r_p = 18k = 1,4

η = %

3Dung dịch

1.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: P = 623,5 kPa

Phương trình khí lý tưởng: PV = nRT, với n = m/M.

Số mol

n = m/M = 130/28,01 = 4,641 mol

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Áp suất

P = nRT/V = 4,641·8,314·323,1/0,02 = 623,5 kPa

Đáp số

P = 623,5 kPa

2.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: ρ = 15,83 kg/m³

Khối lượng riêng của khí lý tưởng: ρ = PM/(RT).

Biến đổi phương trình khí

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Khối lượng riêng

ρ = 900·39,95/(8,314·273,1) = 15,83 kg/m³

Đáp số

ρ = 15,83 kg/m³

3.Cân bằng năng lượng

Đáp số: t_out = 23,37 °C

Cân bằng năng lượng của thiết bị trao đổi nhiệt: khi không có tổn thất, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Nhiệt do dòng nóng tỏa ra

Q = 1·2,1·(150 − 100) = 105 kW

Nhiệt nước thu vào

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 105/(3·4,18) = 23,37 °C

Đáp số

t_out = 23,37 °C

4.Cân bằng năng lượng

Đáp số: ṁ_c = 0,3182 kg/s

Cân bằng năng lượng có tổn thất: nhiệt tỏa ra = nhiệt hấp thụ + nhiệt tổn thất.

Nhiệt tỏa ra

Q_h = 0,5·2,1·(170 − 110) = 63 kW

Nhiệt đến được nước

Q_c = (1 − 0,05)·63 = 59,85 kW

Lưu lượng nước

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 59,85/(4,18·45) = 0,3182 kg/s

Đáp số

ṁ_c = 0,3182 kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: T_L = 5,024 °C

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Nhiệt độ tuyệt đối của nguồn

T_H = 350 + 273,15 = 623,1 K

Tỉ số nhiệt thuận nghịch

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 623,1·2232/5000 = 278,2 K = 5,024 °C

Đáp số

T_L = 5,024 °C

6.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: S_gen = 3,589 kJ/K

Sinh entropy: trên một chu trình đầy đủ, môi chất công tác không có độ thay đổi entropy thực. Nguồn nóng mất Q_H/T_H và nguồn lạnh nhận Q_L/T_L. Tổng của chúng là entropy sinh ra, bằng không với chu trình thuận nghịch và dương với mọi chu trình thực.

Nhiệt thải ra

Q_L = Q_H − W = 4300 − 1634 = 2666 kJ

Nhiệt độ tuyệt đối

T_H = 600 + 273,15 = 873,1 K

T_L = 40 + 273,15 = 313,1 K

Độ thay đổi entropy của các nguồn nhiệt

ΔS_H = −4300/873,1 = −4,925 kJ/K

ΔS_L = 2666/313,1 = 8,513 kJ/K

S_gen = 8,513 − 4,925 = 3,589 kJ/K

Đáp số

S_gen = 3,589 kJ/K

S_gen > 0, nên động cơ khả thi nhưng không thuận nghịch.

7.Chu trình công suất khí

Đáp số: q_in = 1524 kJ/kg

Chu trình Diesel (động cơ tự cháy do nén): 1→2 nén đẳng entropi, 2→3 cấp nhiệt đẳng áp, 3→4 giãn nở đẳng entropi, 4→1 thải nhiệt đẳng tích. Với tỉ số nén r = v₁/v₂ và tỉ số cắt nhiên liệu r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) và η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Các nhiệt độ

T₂ = 305·20^0,4 = 1011 K

T₃ = 2,5·1011 = 2527 K

Nhiệt cấp vào đẳng áp

q_in = 1,005·(2527 − 1011) = 1524 kJ/kg

Đáp số

q_in = 1524 kJ/kg

8.Chu trình công suất khí

Đáp số: η = 56,21 %

Chu trình Brayton (tuabin khí): 1→2 nén đẳng entropi, 2→3 cấp nhiệt đẳng áp, 3→4 giãn nở đẳng entropi trong tuabin, 4→1 thải nhiệt đẳng áp. Với tỉ số áp suất r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k và η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Công ròng w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Với hiệu suất đẳng entropi, máy nén cần w_s/η_c và tuabin cho η_t·w_s.

Hiệu suất nhiệt

η = 1 − 1/18^0,2857 = 1 − 1/2,284 = 56,21%

Đáp số

η = 56,21%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1