Trong các thiết bị năng lượng, chất môi giới thường biến đổi theo các chu trình (còn gọi là quá trình kín), trong đó trạng thái “đầu” và “cuối” trùng nhau (“đầu” và “cuối” ở đây chỉ mang tính quy ước cho tiện xem xét). Thông thường, chu trình gồm một số quá trình nối tiếp nhau, trạng thái đầu của quá trình này cũng là trạng thái cuối của quá trình trước đó. Tùy theo cách tiến hành mà ta có hai loại chu trình: thuận chiều và ngược chiều. Mỗi loại có những tính chất riêng và hiệu quả được đặc trưng bằng các thông số riêng. Khi biểu diễn trên đồ thị `p-v` (hay trên nhiều đồ thị trạng thái khác) thì chu trình thuận chiều tiến hành cùng chiều kim đồng hồ (Hình 8) pv ab 121'2' Hình 8 Chu trình thuận chiều Ta đi xác định công do chu trình này sinh ra. Trên chu trình, ta chọn 1 là điểm cực biên trái và 2 là điểm cực biên phải. Vậy chu trình được chia thành hai quá trình: phía trên là 1a2 và phía dưới là 2b1. Công do chu trình bằng tổng của công do hai quá trình sinh ra.
Tổng hợp lại, ta có : `oint\ dw=w_(1a2)+w_(2b1)="dt"(1a2b1)>0 ` Vì : `oint\ dq=oint\ dw` nên : `oint\ dq>0` Vậy đặc điểm của chu trình thuận chiều là nhận nhiệt và sinh công Khi biểu diễn trên đồ thị `p-v` (hay trên nhiều đồ thị trạng thái khác) thì chu trình ngược chiều tiến hành ngược chiều kim đồng hồ (Hình 9) pv ba 121'2' Hình 9 Chu trình ngược chiều Ta cũng thực hiện tương tự như trường hợp chu trình thuận chiều bằng cách chia chu trình làm hai quá trình 1a2 và 2b1 như trên Hình 9. Công của hai quá trình này và của cả chu trình được tính là `w_(1a2)=int_1^2pdv="dt"(1a22'1')>0` `w_(2b1)=int_2^1pdv="dt"(2b11'2') < 0` `oint\ dw=w_(1a2)+w_(2b1)="dt"(1a2b1) < 0 ` Vậy : `oint\ dq<0` Vậy đặc điểm của chu trình ngược chiều là nhận công. Chu trình thuận chiều là chu trình của những thiết bị nhận nhiệt để sinh công (thí dụ như các động cơ nhiệt). Trong một chu trình như vậy người ta chia lượng nhiệt trao đổi làm hai loại:
Vậy lượng công mà ta nhận được trong một chu trình được xác định bởi: `q=q_1+q_2`(56) Để đánh giá hiệu quả của một chu trình, một loại động cơ hoặc để so sánh chúng với nhau, người ta sử dụng "hiệu suất nhiệt `eta_t`" và định nghĩa như sau: `eta_t=(q_1+q_2)/q_1=1+q_2/q_1`(57) Một số lớn các thiết bị lạnh hoạt động theo chu trình ngược chiều. Khi đó chúng ta phải cung cấp lượng công `w`, nhờ đó ta lấy được lượng nhiệt `q_1` khỏi nơi cần làm lạnh. Người ta dùng hệ số làm lạnh `epsilon` để đánh giá hiệu quả của một chu trình làm lạnh, một thiết bị lạnh cũng như để so sánh chúng với nhau. Hệ số này được định nghĩa như sau: `epsilon=|q_1/w|=|q_1/(q_1+q_2)| `(58) Một thiết bị nhiệt sử dụng không khí làm môi chất hoạt động theo chu trình như Hình 10. Chu trình này gồm 3 quá trình: quá trình đẳng tích 12, quá trình đoạn nhiệt 23 và quá trình đẳng áp 31. Cho biết `p_1 = 1\ "bar"` ; `t_1 = 30 °C` ; `T_2 / T_1 = 3`. pv 123 Hình 10 Chu trình thiết bị nhiệt 1. Xác định các thông số trạng thái `p, v, T` của chu trình này tại các điểm 1,2,3. (đơn vị của `p, v, T` lần lượt là bar, m3/kg, K) Lời giảiĐiểm 1 Từ các dữ liệu ban đầu, ta có : `p_1 = 1\ "bar"` `T_1 = 30 + 273 = 303\ "K"` Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho điểm 1, ta được: `v_1=(RT_1)/p_1=(287xx303)/100.000=0,8696\ "m"^3"/kg"` Điểm 2 Vì quá trình 12 đẳng tích nên : `v_2 = v_1 = 0,8696\ "m"^3"/kg"` Ngoài ra : `T_2/T_1=3\ =>T_2=3T_1=3xx303=909\ "K"` Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho hai điểm 1 và 2, ta có: `p_2 v_2 = RT_2` `p_1 v_1 = RT_1` Chia hai phương trình này cho nhau và để ý rằng `v_2 = v_1`, ta được: `p_2/p_1=T_2/T_1=3\ =>p_2=3p_1=3\ "bar"` Điểm 3 Vì quá trình 31 đẳng áp nên : `p_3 = p_1 = 1 "bar"` Vì quá trình 23 đoạn nhiệt nên áp dụng công thức (44) với `n = k = 1,4` ta có: `v_2/v_3=(p_2/p_3)(-1/k)=3(-1/(1,4))=0,456` Vậy `v_3 = v_2 / (0,456) = (0,8696) / (0,456) = 1,907\ "m"^3"/kg"` Và : `T_3=(p_3v_3)/R=(100.000xx1,907)/287=664,5\ "K"` 2. Nếu mỗi giờ thiết bị này sử dụng 6000 kg không khí thì công suất của thiết bị này là bao nhiêu kW ? Lời giảiTrước hết ta đi xác định `w`, công sinh ra tương ứng với 1 kg không khí (môi chất). Để làm được điều này, ta cần xác định các nhiệt dung riêng đẳng áp `C_p` và đẳng tích `C_V` của không khí. Ta xem không khí là hỗn hợp của hai khí hai nguyên tử (O2 và N2) nên cũng là khí hai nguyên tử. Ngoài ra phân tử lượng của không khí là 29. Vì thế: |
