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

430 g N₂ chiếm thể tích V bao nhiêu ở 750 kPa và 90 °C? Coi đó là khí lý tưởng.

m = 430 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Phương trình khí lý tưởngKhó

Tìm khối lượng riêng ρ của N₂ ở 500 kPa và 110 °C, coi đó là khí lý tưởng.

M = 28,01 g/molP = 500 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Cân bằng năng lượngTrung bình

ethanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Cṁ_c = 3 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 10% nhiệt do dòng nóng tỏa ra ra môi trường xung quanh. Tìm lưu lượng nước ṁ_c cần thiết.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Ct: 20 → 65 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)tổn thất = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnhTrung bình

Một động cơ nhiệt nhận nhiệt từ nguồn ở 450 °C và thải nhiệt ra môi trường ở 10 °C. Hiệu suất nhiệt thực tế của nó là 43%. Tìm hiệu suất theo định luật hai η_II, là tỉ số giữa hiệu suất thực tế và hiệu suất Carnot.

T_H = 450 °CT_L = 10 °Cη = 43%

η_II = %

6.Động cơ nhiệt và máy lạnhKhó

Một tủ lạnh giữ không gian lạnh ở -20 °C trong căn bếp ở 30 °C, lấy nhiệt từ không gian lạnh với tốc độ 4 kW. Tìm công suất đầu vào tối thiểu Ẇ_min.

T_H = 30 °CT_L = -20 °CQ̇_L = 4 kW

Ẇ_min = kW

7.Chu trình công suất khíTrung bình

Một chu trình Diesel lý tưởng có tỉ số nén r = 17 và tỉ số cắt nhiên liệu r_c = v₃/v₂ = 1,5. Khi bắt đầu nén không khí ở 320 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 = 17r_c = 1,5T₁ = 320 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 15. Không khí vào máy nén ở 310 K và vào tuabin ở 1300 K. Máy nén có hiệu suất đẳng entropi 85% và tuabin 85%. 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 = 15T₁ = 310 KT₃ = 1300 Kη_c = 85%η_t = 85%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Dung dịch

1.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: V = 61,8 L

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

Số mol

n = 430/28,01 = 15,35 mol

T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Thể tích

V = nRT/P = 15,35·8,314·363,1/750 = 61,8 L

Đáp số

V = 61,8 L

2.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: ρ = 4,396 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 = 110 + 273,15 = 383,1 K

Khối lượng riêng

ρ = 500·28,01/(8,314·383,1) = 4,396 kg/m³

Đáp số

ρ = 4,396 kg/m³

3.Cân bằng năng lượng

Đáp số: t_out = 41,67 °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 = 1·2,44·(150 − 90) = 146,4 kW

Nhiệt nước thu vào

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 146,4/(3·4,18) = 41,67 °C

Đáp số

t_out = 41,67 °C

4.Cân bằng năng lượng

Đáp số: ṁ_c = 1,751 kg/s

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

Nhiệt tỏa ra

Q_h = 3·2,44·(170 − 120) = 366 kW

Nhiệt đến được nước

Q_c = (1 − 0,1)·366 = 329,4 kW

Lưu lượng nước

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 329,4/(4,18·45) = 1,751 kg/s

Đáp số

ṁ_c = 1,751 kg/s

5.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: η_II = 70,67 %

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

T_H = 450 + 273,15 = 723,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Hiệu suất Carnot

η_Carnot = 1 − 283,1/723,1 = 60,84 %

Hiệu suất theo định luật hai

η_II = η/η_Carnot = 43/60,84 = 70,67 %

Đáp số

η_II = 70,67 %

6.Động cơ nhiệt và máy lạnh

Đáp số: Ẇ_min = 0,79 kW

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 = 30 + 273,15 = 303,1 K

T_L = -20 + 273,15 = 253,1 K

COP tốt nhất có thể

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 253,1/(303,1 − 253,1) = 5,063

Công suất tối thiểu

Máy thuận nghịch cần công ít nhất, và nó có COP cao nhất.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 4/5,063 = 0,79 kW

Đáp số

Ẇ_min = 0,79 kW

7.Chu trình công suất khí

Đáp số: T₃ = 1491 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 = 320·17^0,4 = 993,9 K

Cấp nhiệt đẳng áp

T₃ = r_c·T₂ = 1,5·993,9 = 1491 K

Đáp số

T₃ = 1491 K

8.Chu trình công suất khí

Đáp số: w_net = 170,2 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 = 310·15^0,2857 = 672 K

T_4s = 1300/15^0,2857 = 599,7 K

Công của máy nén và tuabin

w_c = 1,005·(672 − 310)/0,85 = 428 kJ/kg

w_t = 0,85·1,005·(1300 − 599,7) = 598,3 kJ/kg

Công ròng

w_net = 598,3 − 428 = 170,2 kJ/kg

Đáp số

w_net = 170,2 kJ/kg

Tỉ số công ngược: w_c/w_t = 71,55%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1