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

70 g N₂ chiếm thể tích V bao nhiêu ở 750 kPa và 70 °C? Coi đó là khí lý tưởng.

m = 70 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Phương trình khí lý tưởngKhó

Tìm khối lượng riêng ρ của N₂ ở 650 kPa và 120 °C, coi đó là khí lý tưởng.

M = 28,01 g/molP = 650 kPaT = 120 °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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 130 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Cân bằng năng lượngKhó

ethanol nóng làm nóng nước trong một thiết bị trao đổi nhiệt bị thất thoát 15% nhiệt do dòng nóng tỏa ra ra môi trường xung quanh. Tìm lưu lượng nước ṁ_c cần thiết.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 80 °Ct: 15 → 50 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)tổn thất = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnhTrung bình

Một động cơ nhiệt làm việc giữa nguồn nóng ở 500 °C và nguồn lạnh ở 15 °C. Nó nhận 4600 kJ nhiệt. Tìm công lớn nhất W_max mà nó có thể sinh ra.

T_H = 500 °CT_L = 15 °CQ_H = 4600 kJ

W_max = kJ

6.Động cơ nhiệt và máy lạnhKhó

Một động cơ nhiệt nhận 900 kJ nhiệt từ một nguồn ở 400 °C, sinh công 243 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 = 400 °CT_L = 40 °CQ_H = 900 kJW = 243 kJ

S_gen = kJ/K

7.Chu trình công suất khíTrung bình

Một chu trình Diesel lý tưởng có tỉ số nén r = 22 và tỉ số cắt nhiên liệu r_c = v₃/v₂ = 2. Khi bắt đầu nén không khí ở 310 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 độ T₃ ở cuối quá trình cấp nhiệt, theo K.

r = 22r_c = 2T₁ = 310 Kk = 1,4

T₃ = K

8.Chu trình công suất khíKhó

Một nhà máy tuabin khí chạy theo chu trình Brayton với tỉ số áp suất máy nén 12. Không khí vào máy nén ở 295 K và vào tuabin ở 1300 K. Máy nén có hiệu suất đẳng entropi 80% và tuabin 88%. 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 công ròng sinh ra w_net trên mỗi kilogam không khí, theo kJ/kg.

r_p = 12T₁ = 295 KT₃ = 1300 Kη_c = 80%η_t = 88%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Dung dịch

1.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: V = 9,506 L

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

Số mol

n = 70/28,01 = 2,499 mol

T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Thể tích

V = nRT/P = 2,499·8,314·343,1/750 = 9,506 L

Đáp số

V = 9,506 L

2.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: ρ = 5,57 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Khối lượng riêng

ρ = 650·28,01/(8,314·393,1) = 5,57 kg/m³

Đáp số

ρ = 5,57 kg/m³

3.Cân bằng năng lượng

Đáp số: t_out = 33,77 °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 = 0,5·2,1·(160 − 130) = 31,5 kW

Nhiệt nước thu vào

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 31,5/(2·4,18) = 33,77 °C

Đáp số

t_out = 33,77 °C

4.Cân bằng năng lượng

Đáp số: ṁ_c = 1,134 kg/s

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

Nhiệt tỏa ra

Q_h = 2·2,44·(120 − 80) = 195,2 kW

Nhiệt đến được nước

Q_c = (1 − 0,15)·195,2 = 165,9 kW

Lưu lượng nước

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 165,9/(4,18·35) = 1,134 kg/s

Đáp số

ṁ_c = 1,134 kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: W_max = 2886 kJ

Giới hạn của định luật hai: không chu trình nào làm việc giữa các nguồn nhiệt có nhiệt độ tuyệt đối T_H và T_L có thể vượt qua chu trình thuận nghịch (Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) và COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Năng lượng luôn được bảo toàn: Q_H = W + Q_L.

Nhiệt độ tuyệt đối

T_H = 500 + 273,15 = 773,1 K

T_L = 15 + 273,15 = 288,1 K

Hiệu suất Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288,1/773,1 = 62,73 %

Công cực đại

W_max = η_max·Q_H = 0,6273·4600 = 2886 kJ

Đáp số

W_max = 2886 kJ

6.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: S_gen = 0,761 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 = 900 − 243 = 657 kJ

Nhiệt độ tuyệt đối

T_H = 400 + 273,15 = 673,1 K

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

Độ thay đổi entropy của các nguồn nhiệt

ΔS_H = −900/673,1 = −1,337 kJ/K

ΔS_L = 657/313,1 = 2,098 kJ/K

S_gen = 2,098 − 1,337 = 0,761 kJ/K

Đáp số

S_gen = 0,761 kJ/K

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

7.Chu trình công suất khí

Đáp số: T₃ = 2135 K

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)).

Cuối kỳ nén

T₂ = 310·22^0,4 = 1067 K

Cấp nhiệt đẳng áp

T₃ = r_c·T₂ = 2·1067 = 2135 K

Đáp số

T₃ = 2135 K

8.Chu trình công suất khí

Đáp số: w_net = 201,3 kJ/kg

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.

Các nhiệt độ đẳng entropi

T_2s = 295·12^0,2857 = 600 K

T_4s = 1300/12^0,2857 = 639,2 K

Công của máy nén và tuabin

w_c = 1,005·(600 − 295)/0,8 = 383,2 kJ/kg

w_t = 0,88·1,005·(1300 − 639,2) = 584,5 kJ/kg

Công ròng

w_net = 584,5 − 383,2 = 201,3 kJ/kg

Đáp số

w_net = 201,3 kJ/kg

Tỉ số công ngược: w_c/w_t = 65,56%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1