gt_nhiet_dong_luc_hoc_ky_thuat_9881

LÊ KIM DƯỠNG - ĐẶNG THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
KỸ THUẬT


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
*******************

LÊ KIM DƢỠNG
ĐẶNG THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


2


LỜI NĨI ĐẦU
Nhiệt động lực kỹ thuật là một mơn học nghiên cứu sự chuyển hóa
năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng. Nó là một mơn học nền tảng
trong lĩnh vực vật lý cũng như trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong
nhóm ngành kỹ thuật cơ khí. Hầu hết, các hiện tượng khoa học kỹ thuật
đều liên quan ít nhiều đến nhiệt động lực học.

Nhằm xây dựng những chương trình đào tạo theo hướng cơng nghệ
và hướng tới áp dụng học chế tín chỉ một cách triệt để, Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật TP.HCM đã xây dựng chương trình đào tạo 150 tín chỉ
theo hướng tiếp cận CDIO. Để thực hiện tốt cơng việc giảng dạy chương
trình này, một trong những yêu cầu cấp thiết đặt ra đó là phải biên soạn lại
các giáo trình mơn học phù hợp với chương trình. Nắm bắt được điều này,
dựa trên giáo trình nhiệt động lực học kỹ thuật đã viết vào năm 2005, tác
giả đã chỉnh sửa, bổ sung, cập nhật một số nội dung mới và tăng số lượng
bài tập giúp sinh viên có điều kiện tự học tại nhà cũng như bổ sung một số
bảng phụ lục. Giáo trình này được sử dụng chủ yếu cho sinh viên chuyên
ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP.HCM và sinh viên nhóm ngành Cơ khí.
Tác giả

3


4


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................... 3
MỤC LỤC ................................................................................................ 5
Chƣơng I:NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN .......................................... 9
1.1.Nguyên lý làm việc của máy nhiệt ...................................................... 9
1.2.Hệ nhiệt động và các loại..................................................................... 9
1.2.1.Hệ kín và hệ hở ............................................................................ 9
1.2.2.Hệ cơ lập và hệ đoạn nhiệt ......................................................... 10
1.3.Chất môi giới ..................................................................................... 10
1.4.Trạng thái và các thông số trạng thái ................................................. 10

1.4.1.Thông số trạng thái .................................................................... 10
1.4.2.Phương trình trạng thái .............................................................. 15
Chƣơng II:CHẤT MƠI GIỚI............................................................... 17
2.1.Định nghĩa ......................................................................................... 17
2.2.Hỗn hợp khí lý tưởng ......................................................................... 17
2.2.1.Định luật Gip – Dalton ............................................................... 17
2.2.2.Biểu thị thành phần hỗn hợp ...................................................... 18
2.2.3.Xác định các đại lượng vật lý hỗn hợp ...................................... 20
2.2.4.Phân áp suất thành phần ............................................................. 22
2.3.Khí thực ............................................................................................. 23
2.3.1.Khái niệm ................................................................................... 23
2.3.2.Q trình hóa hơi đẳng áp .......................................................... 23
2.3.3.Phương pháp xác định thông số trạng thái của hơi nước ........... 27
2.4.Khơng khí ẩm .................................................................................... 30
2.4.1.Định nghĩa .................................................................................. 30
2.4.2.Phân loại..................................................................................... 31
2.4.3.Các thơng số đặc trưng của khơng khí ẩm ................................. 31
2.4.4.Đồ thị i – d của khơng khí ẩm .................................................... 34
2.4.5.Cách xác định các thông số của không khí ẩm .......................... 35
2.4.6.Các q trình nhiệt động của khơng khí ẩm .............................. 36
5


Chƣơng III:NHIỆT VÀ CƠNG ............................................................ 37
3.1.Q trình nhiệt động .......................................................................... 37
3.1.1.Khái niệm ................................................................................... 37
3.2.Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng ............. 37
3.2.1.Định nghĩa .................................................................................. 37
3.2.2.Phân loại..................................................................................... 38
3.2.3.Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ .............................. 39

3.2.4.Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng...................................... 39
3.2.5.Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng ............................... 41
3.3.Các loại cơng ..................................................................................... 42
3.3.1.Cơng thay đổi thể tích ................................................................ 42
3.3.2.Cơng kỹ thuật ............................................................................. 43
Chƣơng IV:ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT..................... 45
4.1.Nội dung và ý nghĩa ........................................................................... 45
4.2.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất ....................................... 45
4.2.1.Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát ............................ 45
4.2.2.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho hệ kín và hở......... 45
4.2.3.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho quá trình
lưu động ................................................................................................... 46
4.2.4.Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho quá trình
hỗn hợp .................................................................................................... 47
4.3.Ứng dụng định luật nhiệt động thứ nhất để tính biến thiên các
hàm trạng thái và các thơng số quá trình ................................................. 47
4.3.1.Các quá trình nhiệt động cơ bản khí lý tưởng ............................ 47
4.3.2.Các q trình nhiệt động cơ bản khí thực .................................. 60
Chƣơng V:CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ
HƠI .............................................................................................. 69
5.1.Q trình nén khí và hơi .................................................................... 69
5.1.1.Khái niệm ................................................................................... 69
5.1.2.Q trình nén khí trong máy nén piston một cấp ....................... 69
5.1.3.Q trình nén khí trong máy nén piston nhiều cấp .................... 72
5.2.Quá trình lưu động ............................................................................. 77
6


5.2.1.Khái niệm ................................................................................... 77
5.2.2.Các giả thuyết ............................................................................ 77

5.2.3.Các công thức cơ bản ................................................................. 79
5.2.4.Sự phụ thuộc hình dạng ống dẫn vào tốc độ khi lưu động......... 83
5.3.Quá trình tiết lưu ................................................................................ 85
5.3.1.Khái niệm ................................................................................... 85
5.3.2.Hiệu ứng Joule – Thomson ........................................................ 87
Chƣơng VI:ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI......................... 89
6.1.Chu trình nhiệt động .......................................................................... 89
6.1.1.Định nghĩa chu trình .................................................................. 89
6.1.2.Phân loại..................................................................................... 89
6.1.3.Cơng của chu trình ..................................................................... 90
6.1.4.Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số bơm nhiệt....................... 91
6.1.5.Chu trình Carnot ........................................................................ 92
6.2.Định luật nhiệt động thứ hai .............................................................. 94
6.2.1.Nội dung và cách phát biểu ........................................................ 94
6.2.2.Độ biến thiên entropy của hệ nhiệt động ................................... 95
6.3.Exergy ................................................................................................ 97
6.3.1.Khái niệm ................................................................................... 97
6.3.2.Các biểu thức về exergy ............................................................. 98
Chƣơng VII:CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU .................................... 101
7.1.Định nghĩa và phân loại ................................................................... 101
7.1.1.Định nghĩa ................................................................................ 101
7.1.2.Phân loại................................................................................... 101
7.2.Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston .......................................... 101
7.2.1.Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích...................... 102
7.2.2.Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp ........................ 105
7.2.3.Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp ....................... 107
7.2.4.So sánh hiệu suất nhiệt ............................................................. 109
7.3.Chu trình turbine khí ........................................................................ 111
7.3.1.Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp .................... 111
7

7.3.2.Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt ..... 114
7.3.3.Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng tích.................. 116
7.3.4.Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt ..... 119
7.4.Chu trình lý thuyết động cơ phản lực .............................................. 120
7.4.1.Chu trình lý thuyết động cơ phản lực trực lưu ......................... 120
7.4.2.Chu trình lý thuyết động cơ phản lực turbine máy nén............ 121
7.4.3.Chu trình động cơ tên lửa......................................................... 123
7.5.Chu trình thiết bị động lực hơi nước................................................ 126
7.5.1.Chu trình Carnot khí thực ........................................................ 126
7.5.2.Chu trình Rankine .................................................................... 127
7.5.3.Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt chu trình khí thực...... 129
7.5.4.Chu trình q nhiệt trung gian ................................................. 131
7.5.5.Chu trình hồi nhiệt ................................................................... 134
7.5.6.Chu trình ghép .......................................................................... 140
7.5.7.Chu trình cấp nhiệt, cấp điện ................................................... 142
Chƣơng VIII:CHU TRÌNH NGƢỢC CHIỀU .................................. 151
8.1.Định nghĩa và phân loại ................................................................... 151
8.1.1.Định nghĩa ................................................................................ 151
8.1.2.Phân loại................................................................................... 151
8.2.Chu trình máy lạnh dùng khơng khí ................................................ 152
8.3.Chu trình máy lạnh dùng hơi ........................................................... 155
8.3.1.Chu trình máy lạnh có máy nén ............................................... 155
8.3.2.Chu trình máy lạnh ejector ....................................................... 157
8.3.3.Chu trình máy lạnh kiểu hấp thụ .............................................. 160
8.3.4.Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt............................................. 161
PHỤ LỤC ............................................................................................. 165
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 196

8


Chƣơng I
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT
Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng
giữa nhiệt năng và cơ năng ở hai nguồn nóng (T1) và lạnh (T2).
Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ nhiệt và nhóm
máy lạnh, bơm nhiệt.
Động cơ nhiệt: Gồm máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ
phản lực, turbine hơi, turbine khí... các loại này làm việc theo nguyên lý
chất môi giới nhận nhiệt (Q1) từ nguồn nóng (q trình cháy nhiên liệu),
kế đến là giãn nở để biến một phần nhiệt thành cơng (L0), sau đó chất
mơi giới nhả phần nhiệt (Q2) cho nguồn lạnh.
Q1 - Q2 = L0
Máy lạnh và bơm nhiệt: Làm việc theo nguyên lý máy tiêu hao
năng lượng L0, chất môi giới nhận nhiệt (Q2) từ nguồn lạnh để làm lạnh
vật, rồi truyền (Q2) và (L0) cho nguồn nóng. Máy lạnh sử dụng nhiệt (Q2)
để làm lạnh vật còn bơm nhiệt sử dụng (Q1) để sưởi ấm hoặc sấy.
Nhiệt và công là các dạng năng lượng, là các đại lượng vật lý phụ
thuộc vào quá trình.
Qui ước:

Nhiệt nhận

Q>0

Nhiệt nhả

Q<0

Công sinh ra

L> 0

Công tiêu hao

L< 0

1.2.HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC LOẠI
Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách ra để nghiên cứu
những tính chất nhiệt động của nó và có liên quan với nhau vềnhiệt năng
và cơ năng, hệ nhiệt động bao gồm:
1.2.1.Hệ kín và hệ hở
Đối với hệ kín chất mơi giới khơng bao giờ đi xuyên qua bề mặt
ranh giới ngăn cách giữa hệ thống với môi trường, lúc này khối lượng
chất môi giới được xem là không đổi. (môi chất trong máy lạnh…).
9


Ngược lại, hệ thống hở chất mơi giới có thể vào và ra khỏi hệ
thống. (động cơ đốt trong, động cơ phản lực, động cơ turbine…).
1.2.2.Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt
Một hệ thống được gọi là cô lập khi hồn tồn khơng trao đổi năng
lượng nào (nhiệt và cơ năng) giữa chất môi giới và môi trường.
Nếu giữa hệ và mơi trường chỉ khơng có sự trao đổi nhiệt mà thơi
thì gọi là hệ đoạn nhiệt.
1.3.CHẤT MƠI GIỚI
Chất mơi giới là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biến

về mặt năng lượng.
Chất môi giới được sử dụng trong nhiệt động thường ở dạng khí
hoặc hơi. (chất mơi giới được xem là ở dạng khí khi các thơng số thường
gặp ở xa trạng thái bão hòa, loại này nhiệt độ tới hạn thấp, ngược lại chất
môi giới được gọi là dạng hơi.)
Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ở dạng khí được chia làm
hai loại: Khí lý tưởng và khí thực.
Một chất khí nào đó được xem là khí lý tưởng khi hội đủ 2 yếu tố:
-Thể tích bản thân phân tử khí rất nhỏ được xem như bằng không.
-Lực tương tác giữa các phân tử cũng bằng khơng.
Cịn lại gọi là khí thực.
1.4.TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
Trạng thái là tập hợp các đại lượng dùng để xác định tính chất vật
lý của một mơi chất tại một thời điểm nào đó, các thơng số dùng để xác
định trạng thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái, ở mỗi
trạng thái xác định thì thơng số trạng thái cũng có những giá trị xác định.
Một trạng thái được gọi là cân bằng của chất môi giới khi các thông
số trạng thái có cùng mộtgiá trị ở mọi điểm trong tồn bộ khối chất môi
giới, ngược lại gọi là trạng thái chất môi giới không cân bằng.
1.4.1.Thông số trạng thái
Để biểu diễn trạng thái của chất môi giới người ta nhờ đến ba thông
số trạng thái cơ bản: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, ngồi ba thơng số
này cịn dùng đến các thông số khác như: nội năng, enthalpy, entropy,
exergy, …
10


1.4.1.1.Nhiệt độ
Nhiệt độ là thông số trạng thái dùng để biểu thị mức độ nóng, lạnh của
vật, cịn theo thuyết động học phân tử nhiệt độ biểu thị giá trị động năng

trung bình của các phân tử chuyển động tịnh tiến. Theo Boltzmann ta có:

2  m

3
 2

2



  kT


(1-1)

Trong đó:
T: Nhiệt độ tuyệt đối, K
m: Khối lượng phân tử, kg
: Vận tốc trung bình các phân tử, m/s
k: Hằng số Boltzmann.
k = 1,3805.10-23 (J/độ)
Để xác định nhiệt độ người ta thường dùng hai thang đo nhiệt độ:
- Nhiệt độ bách phân. (Nhiệt độ Celcius t,0C)
- Nhiệt độ tuyệt đối. (Nhiệt độ Kelvin T,K)
Mối quan hệ của chúng sẽ là:
T(K) = t(0C) + 273,15

(1-2)

Ngồi ra cịn có các thang đo nhiệt độ khác như: Nhiệt độ
Fahrenheit t (0F), Rankine T (0R).
Mối quan hệ:

 

t oC 

 

  F  32

5
t
9

5
t oC  T
9

o

(1-3)

 R  273,15
o

(1-4)

1.4.1.2.Áp suất

Áp suất chính là lực tác dụng các phân tử theo phương pháp tuyến
lên một đơn vị diện tích thành bình chứa.

p

F
S

(N/m2)

(1-5)

Trong đó:
11


p:Áp suất tuyệt đối (N/m2)
F: Lực tác dụng (N)
S: Diện tích thành bình (m2)
Để đo áp suất người ta dùng nhiều đơn vị đo khác nhau, ở đây ta có
mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất như sau:
1at

= 9,81. 104(N/m2)

= 9,81. 104 Pa = 0,981bar

= 1 kG/cm2

= 14,2 psi

= 10 mH2O

= 735,5 mmHg

Ngồi ra ta có các khái niệm khác về áp suất như:

* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất dư:

p  pd  pkt
* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất chân không:

p  pkt  pck
* Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện
00C trước khi chuyển đổi đơn vị, theo cơng thức:
h00C = h (1- 0,000172.t)
Trong đó: h00C: chiều cao cột thuỷ ngân ở 00C.
h: chiều cao cột thuỷ ngân ở t 0C.
1.4.1.3.Thể tích riêng
12


Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng. Nếu một
lượng khí có khối lượng là G kg, thể tích là V m3 thì thể tích riêng sẽ là:
v=

V
G

(m3/kg)

(1-6)

Khối lượng riêng là đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng.



1
v

(kg/m3)

1.4.1.4.Nội năng(ký hiệu: u, J/kg)
Nội năng của một vật bao gồm: nhiệt năng, hóa năng, năng lượng
nguyên tử. Đối với q trình nhiệt động hóa năng và năng lượng nguyên
tử không thay đổi nên sự thay đổi nội năng của vật chỉ là sự thay đổi
nhiệt năng.
Nội nhiệt năng bao gồm nội động năng và nội thế năng.
Nội động năng sinh ra là do chuyển động tịnh tiến, chuyển động
dao động, chuyển động quay của các phân tử còn nội thế năng sinh ra là
do lực tương tác giữa các phân tử.
Theo thuyết động học phân tử, nội động năng phụ thuộc vào nhiệt
độ, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách các phân tử, là hàm đơn trị
của thể tích.
Do vậy:
u = f (T, v)
Đối với khí lý tưởng thì:
u = f (T)
Mặt khác nội năng là một thơng số trạng thái nó chỉ phụ thuộc vào
trạng thái đầu và trạng thái cuối không phụ thuộc vào q trình tiến hành,

nội năng của khí lý tưởng được xác định:
du = cv dT
Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1 đến trạng thái 2, độ biến
thiên nội năng có được bằng cách tích phân hai vế biểu thức trên:
u = cv(T2 – T1)

(1-7)

Ở đây cvlà nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích được xem là hằng
số (J/kg.độ)
1.4.1.5.Năng lượng đẩy(d: J/kg)
13


Đối với dịng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngồi động năng và
thế năng bên ngồi cịn một năng lượng giúp khối khí dịch chuyển, gọi là
năng lượng đẩy, năng lượng đẩy được xác định bằng biểu thức sau:
d = pv

(1-8)

Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái và chỉ có ở hệ hở, khi
dịng khí chuyển động thì năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu
động để đẩy dịng khí dịch chuyển, năng lượng đẩy cũng chính là cơng
lưu động.
1.4.1.6.Enthalpy(i, h: J/kg)
Enthalpy là một thơng số trạng thái, trong nhiệt động enthalpy
được định nghĩa bằng biểu thức sau:
i = u + pv

(1-9)

Đối với khí thực enthalpy phụ thuộc vào hai trong ba thông số
trạng thái cơ bản, cịn đối với khí lý tưởngvi phân hai vế biểu thức (1-9)
ta được:
di = du + d(R.T)
di = cv.dT + R.dT
hay:

di = (cv + R)dT


di = cp.dT

Độ biến thiên enthalpy đi từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 sẽ là:
i = cp (T2 – T1)

(1-10)

1.4.1.7.Entropy (s:J/kg.độ)
Entropy là một đại lượng vật lý cũng là một thông số trạng thái, mà
sự thay đổi của nó chứng tỏ rằng có sự trao đổi nhiệt.
Phương trình vi phân entropy có dạng:
ds 

dq
T

(1-11)

dq: nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và mơi trường trong q
trình vơ cùng bé.
1.4.1.8.Exergy (e: J/kg)
Exergy là năng lượng tối đa có thể biến hịan tồn thành cơng trong
q trình thuận nghịch. Đối với nhiệt năng:
q=e+a
14

(1-12)


Trong đó:
q: nhiệt năng, (J/kg)
e: exergy, (J/kg)
a: anergy (phần nhiệt năng khơng thể biến thành cơng),
(J/kg)
1.4.2.Phƣơng trình trạng thái
Phương trình trạng thái của chất khí một cách tổng quát được biểu
diễn theo mối quan hệ hàm số như sau:
F (p,v,T) = 0
Nó cho phép ta xác định được một trạng thái bất kỳ khi biết hai
trong ba thông số trạng thái.
1.4.2.1.Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
 Phương trình trạng thái khi viết cho 1 kg khí có dạng
p.v = R.T

(1-13)

Trong đó:
p: Áp suất tuyệt đối, (N/m2)

v: Thể tích riêng, (m3/kg)
R: Hằng số chất khí, (J/kg.độ)
T: Nhiệt độ tuyệt đối, (K)
 Phương trình trạng thái đối với G kg khí
p.v.G = G.R.T


p.V = G.R.T

(1-14)

 Phương trình khi viết cho 1 kmol chất khí
Từ (1-13) phương trình 1 kmol là:


p.v. = .R.T



p.V. = .R.T

Với, V = v. : Thể tích 1 kmol khí, (m3/kmol)
Đặt, R = .R: Hằng số phổ biến chất khí,(J/kmol.độ)


p.V=R.T

(1-15)

15



R =

p  V

(1-16)

T

Theo Avogadro – Ampere, ở điều kiện tiêu chuẩn: p = 760 mmHg,
t = 00C = 273,15 K, thể tích 1 kmol khí lý tưởngV = 22,4 m3.

760 5
.10 .22,4
101332.22,4
750
R 

273,15
273,15



R = 8314 (J/kmol.độ)


R

R





8314



(1-17)

Biểu thức(1-17) dùng để xác định hằng số chất khí cho một mơi
chất nào đó (phụ thuộc vào ).
1.4.2.2.Phương trình trạng thái của khí thực
Trong thực tế, các khí sử dụng đều là khí thực và việc tính tốn khá
phức tạp, để thiết lập phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương
trình của khí lý tưởng rồi thêm vào đó một số hệ số điều chỉnh được rút
ra từ quá trình thực nghiệm.
Theo Van der Waalsphương trình có dạng:

a

 p  2   v  b   R  T
v 


(1-18)

Trong đó:
a/v2 : Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ, khi kể đến
lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử.
b

: Hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử.

a, b : Còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo
các loại chất khí.
********************
CÂU HỎI CHƢƠNG I
1)Trình bày khái niệm của các hệ nhiệt động.
2)Trình bày các thơng số trạng thái.
3)Trình bày các phương trình trạng thái của khí lý tưởng và cách
xác định hằng số chất khí.
16


Chƣơng II
CHẤT MƠI GIỚI
2.1.ĐỊNH NGHĨA
Như đã trình bày ở chương trước chất môi giới là chất trung gian
dùng để thực hiện các chuyển biến về năng lượng, chất môi giới ta gặp
thường ở dạng khí hoặc hơi.
Chất mơi giới được xem là ở dạng khí khi trạng thái của nó ở xa
trạng thái bão hòa, thường nhiệt độ tới hạn tương đối thấp. Ngược lại một
chất xem là ở thể hơi khi nhiệt độ tới hạn của nó tương đối cao so với
thông số thường gặp.
Trong nhiệt động kỹ thuật ta có thể xem O2, N2, H2, hơi nước trong
khơng khí…, là khí lý tưởng. Cịn hơi nước trong thiết bị động lực hơi

nước, các loại Freon (R-12, R-22, R-134a...), amơniắc (NH3) trong máy
lạnh khơng được xem là khí lý tưởng.
Ví dụ:
- Động cơ hơi nước: chất mơi giới là hơi nước.
-Động cơ đốt trong, turbine khí: chất mơi giới là sản phẩm cháy.
-Máy lạnh: chất môi giới là các loại freon hay amơniắc.
2.2.HỖN HỢP KHÍ LÝ TƢỞNG
Trong nhiệt động kỹ thuật có một số trường hợp chất mơi giới bao
gồm nhiều thành phần khí khác nhau (khơng khí gồm: O2, N2 và một số
khí khác…)
Vậy để xác định các thông số của hỗn hợp ta cần phải biết các
thông số của các thành phần.
Là hỗn hợp khí thì bất kỳ thành phần nào trong đó đều có cùng
nhiệt độ và chiếm tồn bộ thể tích của hỗn hợp.
2.2.1.Định luật Gip – Dalton
Định luật được phát biểu như sau:
“Áp suất của hỗn hợp khí lý tưởng bằng tổng các áp suất riêng
phần của các chất khí thành phần.”
17


n



p   pi

(2-1)

i 1

Trong đó:
p: áp suất hỗn hợp.
pi: phân áp suất chất khí thứ i (áp suất riêng phần)
Áp suất riêng phần của chất khí thành phần là áp suất của chất khí
đó khi nó chiếm tồn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của
hỗn hợp.
Nếu gọi V,T là thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp, pi, Gi, Ri là áp suất
riêng phần, khối lượng, hằng số chất khí của thành phần thứ i trong hỗn
hợp, từ phương trình trạng thái ta có:
piV = GiRiT


Gi Ri T
V

Pi 

(2-2)

Đối với nội năng, enthalpy, entropy tương tự ta cũng có:
U 

n

U
i 1

i

n

I   Ii

(2-3)

i 1
n

S   Si
i 1

2.2.2.Biểu thị thành phần hỗn hợp
Thành phần hỗn hợp có thể biểu thị theo khối lượng, thể tích hoặc
số mol.
2.2.2.1.Thành phần khối lượng (gi)
Thành phần khối lượng một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa khối
lượng chất đó với khối lượng hỗn hợp:
gi 

18

Gi
G

(2-4)


Trong đó:
gi: Thành phần khối lượng của chất thứ i trong hỗn hợp,

Gi: khối lượng chất thứ i, (kg)
G: khối lượng hỗn hợp, (kg)
n

G   Gi



i 1

n

n

G

i 1

G

 gi 



i 1

i

1

(2-5)

2.2.2.2.Thành phần thể tích (ri)
Thành phần thể tích của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa thể
tích riêng phần của chất đó với thể tích hỗn hợp:
ri 

Vi
V

(2-6)

Trong đó:
ri: Thành phần thể tích của chất thứ i trong hỗn hợp.
Vi: Thể tích riêng phần của chất thứ i, (m3)
V: Thể tích hỗn hợp, (m3)
Thể tích riêng phần Vicủa chất thứ i trong hỗn hợp, ở điều kiện áp
suất và nhiệt độ của hỗn hợp:


pVi = GiRiT



Vi 

Gi Ri T
p

Từ (2-2):

piV = GiRiT

Từ(a) và (b)



Hay:


(a)
(2-7)
(b)

pVi = piV
ri 

Vi
p
 i
V
p

Vi 

Vp i
p

(c)

19




n

V n
 pi
p i 1

Vi 
i 1

n

p   pi

Theo Gip-Dalton:

i 1



n

V  Vi
i 1

Tương tự từ (c) 

n

n

r  
i

i 1

i 1

pi
1
p

(2-8)

2.2.2.3.Thành phần mol (ri)
Thành phần mol của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa số kmol
của chất đó với số kmol của hỗn hợp.
ri 

Mi
M

(2-9)

Trong đó:
Mi: số kmol chất thứ i,

M: số kmol hỗn hợp,


n

n

i 1

i 1

 ri  

Mi
1
M

(2-10)

Sở dĩ thành phần mol và thành phần thể tích có cùng ký hiệu ri vì
nó có cùng giá trị.
2.2.3.Xác định các đại lƣợng vật lý của hỗn hợp
2.2.3.1.Phân tử lượng của hỗn hợp ()

p  V  M  M  R  T

Ta có:

V  V  M

Mà:


(a)

p V  G  R  T

Và:


20

p  V  M  R  T

p V  G 

R



T

(b)


Từ (a) và (b) 








G
M

M

G

G



n

M
i 1



Hay



G
n
Gi



i

i 1

i

1
n
Gi 1

i 1 G  i

Mà từ (2-4):

gi 





(c)

Gi
G
n

1
gi


i 1

(2-11)

i

2.2.3.2.Hằng số chất khí R của hỗn hợp

R

Ta có:

8314


n

R  8314.

Hay

i 1

gi

i

(2-12)

Hoặc R có thể xác định:
Pi 

Từ (2-2):


n

n

i 1

i 1

 pi  

Gi  Ri  T
V

Gi  Ri  T
G  R T
 p
V
V

n



G
i 1

i

 Ri  G  R

21


n

G

R



i 1

i

 Ri

G

n

n

Mà (2-5):

g
i 1

i



G
i 1

i

G

n



R   g i Ri

(2-13)

i 1

2.2.3.3.Thể tích riêng hỗn hợp
n

Vi


V
i 1
v 
G
G
n

n

Gi

V   

Mà:

i 1



v

i

i 1

i

1 n Gi


G i 1  i
n

n

g

Với:

i 1

i


n



v
i 1

G
i 1

i

G

gi

i

(2-14)

2.2.3.4.Khối lượng riêng của hổn hợp
n

1
   i
v i 1 g i

2.2.4.Phân áp suất thành phần
Phân áp suất thành phần được xác định theo áp suất hỗn hợp.
Ta có:
22

piV = GiRiT
pV = GRT

(a)
(b)


pi Gi Ri

p
GR

Từ (a)và (b) 


pi  p  g i

Ri
R

R = .R = iRi = 8314 J/kmol.độ

Mà:


Ri


R i



pi  p  g i

i


(2-15)

2.3.KHÍ THỰC
2.3.1.Khái niệm
Trong thực tế ta gặp khá nhiều trường hợp chất môi giới không
được xem là khí lý tưởng mà là khí thực, ví dụ như CO2, NH3 và các loại
freon dùng trong máy lạnh, hơi nước dùng trong turbine hơi, động cơ hơi

nước… Lúc này ta không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và
thể tích bản thân các phân tử được. Do vậy khơng cho phép dùng các
cơng thức của khí lý tưởng để tính tốn. Để giải quyết vấn đề này ta tìm
hiểu về tính chất của hơi nước.
2.3.1.1.Q trình hóa hơi
Q trình hóa hơi là q trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi,
ngược lại gọi là quá trình ngưng tụ (xảy ra trong tồn bộ thể tích khối
chất lỏng).
2.3.1.2.Q trình nóng chảy
Q trình nóng chảy là q trình chuyển từ rắn sang lỏng, ngược
lại gọi là quá trình đơng đặc.
2.3.1.3.Q trình thăng hoa
Q trình thăng hoa là q trình chuyển từ rắn sang hơi khơng qua
trạng thái lỏng, ngược lại gọi là q trình ngưng kết.
2.3.2.Q trình hóa hơi đẳng áp(Hơi nước)
Q trình hóa hơi thường xảy ra ở áp suất không đổi.

23


Hình 2.1:Q trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước
Q trình được tiến hành như sau:
Cho vào xilanh 1 kg nước ở 00C trên đó có đặt một piston và có thể
dịch chuyển dễ dàng với áp suất p = const. Vì piston đè lên mặt thống
của nước nên khơng xảy ra sự bay hơi mà chỉ xảy ra sự sơi khi cấp nhiệt.
Khi cấp nhiệt vào xilanh, q trình biến nước thành hơi được tiến
hành như sau:
 Đoạn OA: Q trình đốt nóng nước từ 00C đến nhiệt độ sơi, giai
đoạn này khi nhiệt độ tăng thì thể tích cũng tăng. Các thông số
của nước ở trạng thái ban đầu (điểm O) có ký hiệu: v0, u0, i0, t0.

Tại A nhiệt độ của nước đạt đến nhiệt độ sôi, các thơng số nước
sơi có ký hiệu: v’, u’, i’, t’= ts.
 Đoạn AC: Biểu diễn q trình sơi, trong giai đoạn này mặc dù
tiếp tục cấp nhiệt nhưng nhiệt độ của nước vẫn không đổi. Nhiệt
lượng cung cấp cho nước trong đoạn AC không làm nhiệt độ của
nước tăng lên gọi là nhiệt hóa hơi, ký hiệu: r.
Tại C giọt nước cuối cùng biến thành hơi, sự sôi kết thúc, hơi nước
ở trạng thái này gọi là hơi bão hịa khơ, ký hiệu các thơng số hơi bão hịa
khơ: v’’, u’’,i’’,t’’= ts.
Hơi nước tại điểm B nào đó trong đoạn AC (hỗn hợp giữa nước sôi
và hơi nước bão hịa khơ) gọi là hơi nước bão hịa ẩm. Thơng số trạng
thái của hơi bão hịa ẩm B kí hiệu là: vx, ux, ix, tx = ts.
24