Giáo trình Cơ sở thủy khí và máy thủy khí (Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Cao đẳng)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: CƠ SỞ THỦY KHÍ VÀ MÁY THỦY KHÍ
NGÀNH, NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ
ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257/QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng 07 năm 2017
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.



LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình “Cơ sở thuỷ khí và máy thuỷ khí “ được biên soạn dựa trên
chương trình mơn học của mơn “Cơ sở thuỷ khí và máy thuỷ khí” giảng dạy cho
các khối cao đẳng, trung cấp của ngành kỹ thuật đặc biệt cho ngành Kỹ thuật
máy lạnh và điều hịa khơng khí. Nhằm giúp người học có tài liệu học tập và
dùng tài liệu để tham khảo tính tốn tổn thất năng lượng cho mạng nhiệt, tính
tốn công suất bơm quạt máy nén.

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đồng nghiệp và các bạn đã giúp chúng
tơi hồn thiện giáo trình này.
Tài liệu được biên soạn khơng trách khỏi thiếu sót.
Rất mong bạn đọc góp ý kiến để tài liệu được hoàn thiện hơn.
Chân thành cảm ơn.
Đồng Tháp, ngày

tháng

năm 2017

Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Nguyễn Lam
2. Nguyễn Văn An

i


MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................... i
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC ........................................................... 1
1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển ....................................................................... 1
1.2. Ứng dụng .................................................................................................... 2
2. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN ..................................................................... 2
2.1. Một số tính chất đễ nhận biết ..................................................................... 2
2.2. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng ...................................................... 2
2.3. Tính nén và tính giãn nở vì nhiệt ............................................................... 5
2.4. Tính nhớt .................................................................................................... 5
2.5. Chất lỏng thực, chất lỏng lý tưởng ............................................................. 8

CHƯƠNG 2: THỦY TĨNH HỌC ......................................................................... 9
1. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ÁP SUẤT TĨNH ................................................ 9
1.1. Lực tác dụng lên chất lỏng ......................................................................... 9
1.2. Áp suất thủy tĩnh ........................................................................................ 9
1.3. Hai tính chất của áp suất thủy tĩnh ........................................................... 10
1.4. Phương pháp cân bằng của thuỷ tĩnh ....................................................... 11
2. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA THUỶ TĨNH........................................... 11
2.1. Mặt đẳng áp .............................................................................................. 12
2.2. Phương trình cơ bản của thuỷ tĩnh học .................................................... 12
2.3. Áp suất và biều đồ phân bố áp suất .......................................................... 13
3. TÍNH TƯƠNG ĐỐI ........................................................................................ 14
3.1. Bình chứa chất lỏng chuyển động thẳng thay đổi đều (gia tốc a = conts)14
3.2. Bình chứa chất lỏng quay đều với vận tốc góc ω = conts ........................ 15
4. TÍNH ÁP LỰC THỦY TĨNH ......................................................................... 16
4.1. Xác định áp lực tác động lên hình phẳng ................................................. 16
4.2. Xác định áp lực tác động lên hình cong ................................................... 17
5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THUỶ TĨNH HỌC .......................................... 18
5.1. Định luật Acsimet – cơ sở lý luận về vật nổi ........................................... 18
5.2. Định luật Patscal và ứng dụng thực tế...................................................... 21
ii


CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG ......................................................... 23
1. MỘT SỐ CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐỊNH NGHĨA ............................................ 23
1.1. Đường dòng .............................................................................................. 23
1.2. Đường nguyên tố và dòng chảy ............................................................... 24
1.3. Mặt cắt ướt, chu vi ướt, bán kính thủy lực ............................................... 24
1.4. Lưu lượng ................................................................................................. 25
1.5. Vận tốc trung bình mặt cắt ướt................................................................. 25
2. MỘT SỐ ĐỊNH LÝ CƠ BẢN ........................................................................ 26

2.1. Phân loại chuyển động ............................................................................. 26
2.2. Gia tốc lưu chất ........................................................................................ 27
3. CÁC DẠNG CỦA PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC ........................................ 27
3.1. Phương trình liên tục của dịng ngun tố ............................................... 27
3.2. Phương trình liên tục của tồn dịng chảy................................................ 28
CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG ................................................ 30
1. PHƯƠNG TRÌNH BERNULLI CHO CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG ............... 30
1.1. Phương trình chuyển động của chất lỏng lý tưởng (phương trình Ơle thủy
động)................................................................................................................ 30
1.2. Các phương trình Bernulli cho chất lỏng lý tưởng .................................. 31
1.3. Ý nghĩa của phương trình Bernulli .......................................................... 32
2. CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH BERNULLI CHO CHẤT LỎNG THỰC .. 33
2.1. Phương trình Bernulli đối với dịng ngun tố chất lỏng thực ................ 33
2.2. Phương trình Bernulli đối với tồn dịng chất lỏng thực ......................... 33
2.3. Một số ứng dụng của phương trình Bernulli ............................................ 34
3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LƯỢNG VÀ MƠMEN ĐỘNG LƯỢNG ............ 37
3.1. Phương trình động lượng ......................................................................... 37
3.2. Phương trình mơmen động lượng ............................................................ 37
3.3. Ý nghĩa thủy động học ............................................................................. 37
3.4. Ứng dụng phương trình động lượng ........................................................ 38
CHƯƠNG 5: CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG ................ 39
1. TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG TRONG DÒNG CHẢY ................................. 39
1.1. Hai trạng thái chảy của chất lỏng ............................................................. 39
1.2. Quy luật tổn thất năng lượng trong dịng chảy ........................................ 42
2. DỊNG CHẢY TRONG ỐNG TRỊN ............................................................ 42
iii


2.1. Dòng chảy tầng trong ống ........................................................................ 42
2.2. Dòng chảy rối trong ống ........................................................................... 43

3. CHẢY TẦNG TRONG CÁC KHE HẸP........................................................ 43
3.1. Dòng chảy giữa hai tấm phẳng song song................................................ 43
3.2. Dòng chảy dọc trục giữa hai trụ tròn........................................................ 44
4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THUỶ ĐỘNG ......................................... 44
4.1. Dịng chảy giữa hai mặt phẳng song song................................................ 44
4.2. Bơi trơn hình nêm ..................................................................................... 44
4.3. Bơi trơn ổ trục .......................................................................................... 44
CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG .................................. 46
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TỐN ĐƯỜNG ỐNG ............................... 46
1.1. Phân loại ................................................................................................... 46
1.2. Những công thức dùng trong tính tốn thủy lực đường ống .................... 47
2. BỐN BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ĐƯỜNG ỐNG ĐƠN GIẢN ........................ 47
2.1. Tính H1 khi biết H2, Q, l, d, n (độ nhám tương đối)................................. 47
2.2. Tính Q khi biết H1, H2, l, d, n ................................................................... 47
2.3. Tính d khi biết H1, H2, Q, l, n ................................................................... 48
2.4. Tính d, H1 khi biết H2, Q, l, n ................................................................... 48
3. TÍNH TỐN ĐƯỜNG ỐNG PHỨC TẠP ..................................................... 48
3.1. Hệ thống đường ống nối tiếp .................................................................... 48
3.2. Hệ thống đường ống nối song song.......................................................... 49
3.3. Hệ thống đường ống phân phối liên tục ................................................... 50
3.4. Hệ thống đường ống phân nhánh hở ........................................................ 50
3.5. Hệ thống đường ống vịng kín .................................................................. 51
4. BÀI TẬP TÍNH TỐN ĐƯỜNG ỐNG ......................................................... 51
4.1. Phương pháp dùng hệ số đặc trưng lưu lượng K ..................................... 51
4.2. Phương pháp đồ thị để tính tốn đường ống ............................................ 51
4.3. Va đập thủy lực trong đường ống............................................................. 51
CHƯƠNG 7: NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỒ THỊ KHÍ NÉN .............................. 53
1. NHIỆT VÀ CƠNG .......................................................................................... 53
1.1. Cơng ......................................................................................................... 53
1.2. Nhiệt lượng ............................................................................................... 54

1.3. Nhiệt dung riêng ....................................................................................... 54
iv


2. KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ............................................. 54
2.1. Khái niệm ................................................................................................. 54
2.2. Quá trình nhiệt động................................................................................. 55
3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CHẤT CÔNG TÁC ................................ 56
3.1. Nhiệt độ .................................................................................................... 56
3.2. Áp suất chất khí ........................................................................................ 56
3.3. Thể tích riêng ........................................................................................... 56
3.4. Nội năng của chất khí ............................................................................... 57
3.5. Năng lượng đẩy ........................................................................................ 57
3.6. Entanpi - nhiệt hàm .................................................................................. 58
3.7. Entropi ...................................................................................................... 58
4. CAC DỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA CHẤT KHI ............................................ 59
4.1. Định luật nhiệt động thứ nhất................................................................... 59
4.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản .............................................................. 60
5. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ................................................................ 60
5.1. Các chu trình nhiệt động .......................................................................... 60
5.2. Chu trình carnot........................................................................................ 61
5.3. Định luật nhiệt động thứ hai..................................................................... 61
5.4. Các hệ quả của định luật nhiệt động thứ hai ............................................ 62
6. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG VÀ THỰC TẾ MÁY NÉN PITTƠNG ............... 62
6.1. Khái niệm ................................................................................................. 62
6.2. Chu trình lý tưởng và thực tế máy nén pittông ........................................ 63
CHƯƠNG 8: KHÁI NIỆM VỀ BƠM................................................................. 65
1. KHÁI NIỆM .................................................................................................... 65
1.1. Định nghĩa ................................................................................................ 65
1.2. Các thông số làm việc cơ bản .................................................................. 66

2. PHÂN LOẠI ................................................................................................... 69
2.1. Phạm vi sử dụng ....................................................................................... 69
2.2. Phân loại ................................................................................................... 69
CHƯƠNG 9: BƠM LY TÂM - BƠM HƯỚNG TRỤC ..................................... 72
1. BƠM LY TÂM................................................................................................ 72
1.1. Khái niệm và phân loại bơm ly tâm ......................................................... 72
1.2. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bơm ly tâm ..................................... 73
v


1.3. Các thông số cơ bản của bơm ly tâm ....................................................... 74
2. BƠM HƯỚNG TRỤC..................................................................................... 75
2.1. Khái niệm và phân loại bơm hướng trục .................................................. 75
2.2. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc bơm hướng trục ..................................... 75
2.3. Các thông số cơ bản của bơm hướng trục ................................................ 77
3. VÍ DỤ VÀ BÀI TẬP ....................................................................................... 78
3.1. Các ví dụ ................................................................................................... 78
3.2. Bài tập ....................................................................................................... 81
CHƯƠNG 10: BƠM THỂ TÍCH ........................................................................ 83
1. KHÁI NIỆM .................................................................................................... 83
1.1. Khái niệm chung ...................................................................................... 83
1.2. Các thông số làm việc cơ bản của bơm thể tích ....................................... 83
2. BƠM PISTON ................................................................................................. 85
2.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ..................................................................... 85
2.2. Phân loại ................................................................................................... 87
2.3. Cách tính lưu lượng của bơm piston ........................................................ 89
3. BƠM ROTO .................................................................................................... 90
3.1. Khái niệm chung ...................................................................................... 90
3.2. Bơm bánh răng ......................................................................................... 90
3.3. Bơm trục vít .............................................................................................. 91

3.4. Bơm cánh gạt ............................................................................................ 92
3.5. Bơm chân khơng vịng nước .................................................................... 93
4. BƠM PITTON – ROTO .................................................................................. 94
4.1. Khái niệm chung ...................................................................................... 94
4.2. Bơm piston - roto hướng kính .................................................................. 94
4.3. Bơm piston - roto hướng trục ................................................................... 95

vi


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: CƠ SỞ THỦY KHÍ VÀ MÁY THỦY KHÍ.
Mã mơn học: MH 32.
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học:
- Vị trí: Cơ sở thủy khí và máy thủy khí là môn học kỹ thuật cơ sở được
đưa vào giảng dạy ngay từ học kỳ đầu tiên của khố học. Mơn học được giảng
dạy trong năm thứ nhất và kết thúc trước khi chuyển sang phần chun mơn.
- Tính chất: Mơn học này là cơ sở cung cấp cho học sinh những kiến thức
cơ bản để có thể tiếp thu nội dung các kiến thức chuyên môn về các thiết bị phụ
trong các môn học chuyên môn của chuyên ngành Kỹ thuật máy lạnh.
- Ý nghĩa và vai trị của mơn học: Là môn học liên quan đến khối các
môn kỹ thuật cơ sở trong đó có ngành kỹ thuật máy lạnh và điều hịa khơng khí.
Cơ sở thủy khí và máy thủy khí là mơn học cơ sở quan trọng, giúp cho học sinh,
sinh viên tiếp thu các môn học chuyên ngành một cách dễ dàng.
Mục tiêu của môn học:
- Về kiến thức:
+ Hiểu được những kiến thức cơ bản, tổng hợp về máy thủy khí.
+ Hiểu được cấu tạo, ngun lý làm việc của máy thủy khí thơng dụng sử
dụng trong ngành kỹ thuật máy lạnh.
+ Giải thích được những kiến thức cơ bản về quy luật cân bằng và chuyển

động của chất lỏng, chất khi những kiến thức về máy thuỷ khí.
+ Trình bày được những khái niệm về thuỷ tĩnh học, động học chất lỏng,
động lực học chất lỏng, khí dơng lực học, các khái niệm cơ bản về máy thuỷ khí.
- Về kỹ năng:
+ Mơ tả được cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống thủy khí và máy
thủy khí.
+ Tính tốn được các bài toán cơ bản động học, động lực học chất lỏng.
+ Tính tốn được các thơng số của các loại máy thủy khí thơng dụng.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Cẩn thận, kiên trì;
+ Yêu nghề, ham học hỏi.
i



CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
Mã chương: MH 32-01
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban
đầu về mơn học, các tính chất cơ bản của chất lưu, phân tích các lực tác dụng lên
chất lỏng.
Mục tiêu:
Kiến thức:
+ Hiểu được ý nghĩa cơ bản về thủy lực
+ Hiểu được một số tính chất cơ bản của thủy lực
Kỹ năng:
+ Trình bày được các khái niệm chung về thuỷ lực.
+ Trình bày được một số tính chất cơ bản về thuỷ lực.
+ Giải được một số bài toán đơn giản.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và có tư duy khoa học.
Nội dung chính:
1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC
1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển
Từ thời xa xưa, loài người đã biết lợi dụng sức nước phục vụ cho sinh
hoạt đời sống, làm nông nghiệp, thủy lợi, kênh đập, thuyền bè… Nhà bác học
Acsimet (287 – 212, trước công nguyên) đã phát minh ra lực đẩy Ácsimet tác
dụng lên vật nhúng chìm trong lịng chất lỏng.
Nhà danh họa Ý – Lêôna Đơvanhxi (1452 – 1519) đưa ra khái niệm về
lực cản của chất lỏng lên vật chuyển động trong nó. Ơng muốn biết tại sao chim
lại bay được. Nhưng phải hơn 400 năm sau, Jucopxki và Kutta mới giải thích
được đó là lực nâng.
1687 – Nhà bác học thiên tài người Anh I. Newton đã đưa ra giải thuyết
về lực ma sát trong giữa các lớp chất lỏng chuyển động mà mãi hơn một thế kỷ
1


sau nhà bác học Nga – Petrop mới chứng minh giải thuyết đó bằng biểu thức
tốn học, làm cơ sở cho việc nghiên cứu chất lỏng lực (chất lỏng nhớt) sau này.
Hai ông L. Ơle (1707 – 1783) và D. Becnuli (1700 – 1782) là những
người đã đặt cơ sở lý thuyết cho thủy khí động lực, tác nó khỏi cơ học lý thuyết
để thành lập ngành riêng.
Tên tuổi của Navie và Stôc gắn liền với nghiên cứu chất lỏng thực. Hai
ơng đã tìm ra phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng (1821 – 1845).
Nhà bác học đức – L.Prandtl đã sáng lập ra lý thuyết lớp biên (1904), góp
phần giải quyết nhiều bài tốn động lực học.
Ngày nay, thủy khí động lực học đang phát triển mạnh mẽ, thu hút sự tập
trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới và trong nước;
nó can thiệp hầu hết các lĩnh vực đời sống, kinh kế, …nhằm đáp ứng các nhu
cầu của nền khoa học ngày càng hiện đại.

1.2. Ứng dụng
Phạm vi ứng dụng khá rộng rãi, có thể nói đa số các ngành trong các lĩnh
vực khoa học, kỹ thuật công nghệ và đời sống có liên quan đến chất lỏng và chất
khí như giao thơng vận tải, hàng khơng, cơ khí, cơng nghệ hóa chất, xây dựng,
nơng nghiệp, thủy lợi… mà khơng từng ứng dụng ít nhiều những định luật cơ
bản của thủy khí.
2. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN
2.1. Một số tính chất đễ nhận biết
Tính liên tục: vật chất được phân bố liên tục trong khơng gian.
Tính dễ di động: do lực liên kết giữa các phần tử chất lỏng rất yếu, ứng
suất tiếp (nội ma sát) trong chất lỏng chỉ khác 0 khi có chuyển động tương đối
giữa các lớp chất lỏng.
Tính chống kéo và cắt rất kém do lực liên kết và lực ma sát giữa các phần
tử chất lỏng rất yếu.
Tính dính ướt theo thành bình chứa chất lỏng.
2.2. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
Khối lượng riêng ρ[kg/m3]: Khối lượng riêng ρ của một chất là một độ
khối lượng trong một đơn vị thể tích của chất đó.
=

M
W
2


- Khối lượng chất lỏng;

Với: M[kg]

- Thể tích chất lỏng có khối lượng M.

W[m3]

Khối lượng riêng thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. nếu nhiệt độ
tăng thì khối lượng riêng giảm.
Đối với chất lỏng thì sự thay đổi không đáng kể (Bảng 1.1).
Bảng 1.1: Sự thay đổi khối lượng riêng khi nhiệt độ thay đổi
t oC

0

4

10

30

60

80

100

(kg/m3)

999.9

1000

999.7

995.7

983.3

971.8

958.4

Vậy ta có H2O (ở 4oC) = 103 kg/m3.
Đối với chất khí sự thay đổi khối lượng theo nhiệt độ và áp suất được biểu
diễn bằng phương trình trạng thái. Ta có bảng số liệu sau:
Bảng 1.2: Sự thay đổi khối lượng riêng khi nhiệt độ và áp suất thay đổi
t oC

-3

27

100

P(Pa)

105

106

105

106

107

106

(kg/m3)

1.33

13.3

1.127

11.27

112.7

0.916

-

kk (ở 0oC, 760mmHg) =1,29kg/m3
Một số khối lượng riêng các chất thường gặp:
Nước biển: 1030 kg/m3
Thủy ngân: 13546 kg/m3
Grixerin: 1260 kg/m3
Dầu: 800 kg/m3

Trọng lượng riêng [N/m3; KG/m3]: là lực trọng trường tác dụng lên khối
lượng của một đơn vị thể tích chất lưu.

=

G
W

3


Bảng 1.3: Trọng lượng riêng của một số chất lỏng
Trọng lượng riêng

Tên chất lỏng

Nhiệt độ

[N/m3; KG/m3]

Nước cất

9810

4

Nước biển

10000 ÷ 10100

4

7750 ÷ 8040

15

Xăng máy bay

6380

15

Xăng thường

6870 ÷ 7360

15

Dầu nhờn

8730 ÷ 9030

15

Diezel

8730 ÷ 9220

15

132890

20

7750 ÷ 7850

15

Dầu hỏa

Thủy ngân
Cồn nguyên chất

Lưu ý: Khối lượng của chất lỏng là một đại lượng không thay đổi cịn
trọng lượng của chúng thì phụ thuộc vào vị trí của nó.
Quan hệ giữa ρ và :

 =  .g với g = 9,81m/s2.

Bảng 1.4: Quan hệ khối lượng riêng và trọng lượng riêng của một số chất
Nước

Khơng khí

Thủy ngân

ρ[kg/m3]

1000

1,228

13,6 x 103

[N/m3]

9,81 x 103

12,07

133 x 103

Tỷ trọng : là tỷ số giữa trọng lượng (khối lượng) lưu chất và nước ở điều
kiện tiêu chuẩn (ĐKTC).
=


H O
2

4

=

 .g
 H O .g
2

=


H O
2

2.3. Tính nén và tính giãn nở vì nhiệt
Tính nén được: được biểu thị bằng hệ số nén được βp[m2/N]. Hệ số nén ép
là số giảm tích tương đối của chất lỏng khi áp suất tăng lên một đơn vị.
p =

Trong đó:

1 dW
W dp

W[m3]

- Thể tích ban đầu của chất lỏng;

dW[m3]

- Số giảm thể tích khi áp suất tăng lên;

dp[N/m2]

- Lượng áp suất tăng lên.

Ví dụ: hệ số βp của nước ở nhiệt độ 0C đến 20C có trị số trung bình là
p =

1
1
; ở nhiệt độ 100C, áp suất 500 at là  p =

210000000
250000000

Tính giản nở vì nhiệt: Biểu thị bằng hệ số giản nở vì nhiệt βt[1/độ], là số
thể tích tương đối của chất lỏng tăng lên khi nhiệt độ tăng lên 1 độ.
t =

1 dW
W dp

Ví dụ: Trong những điều kiện thơng thường, dầu hỏa có βt = 0,000600 ÷
0,00800; thủy ngân có βt = 0,00018.
Lưu ý, hệ số giản nở vì nhiệt lớn hơn nhiều so với hệ số nén được, song
chúng đều là những trị số rất nhỏ mà trong một số tính tốn thơng thường có thể
bỏ qua.
2.4. Tính nhớt
Trong q trình chuyển động các lớp chất lỏng trượt lên nhau phát sinh ra
lực ma sát trong gây ra tổn thất năng lượng và chất lỏng như thế gọi là chất lỏng
có tính nhớt (chất lỏng Newton).

Hình 1.1: Minh họa tính nhớt
Năm 1687 I. Newton dựa trên thí nghiệm:có hai tấm phẳng I – chuyển
động với vận tốc V có diện tích S và II – đứng yên (Hình 1.2).
5


Hình 1.2: Tính nhớt của chất lỏng
Giữa hai tấm có một lớp chất lỏng h. Ông đã đưa ra giải thuyết về lực ma
sát giữa những lớp chất lỏng lân cận chuyển động là tỉ lệ thuật với tốc độ và diện
tích bề mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào loại chất lỏng và khơng phụ thuộc vào áp

suất.
Sau đó Pêtrốp (1836-1920) đã biểu thị giả thuyết đó trong trường hợp
chuyển động thẳng bằng biểu thức tốn học.
T = S

dv
dy

Trong đó:
T[N] - Lực ma sát trong;
μ

- Hệ số nhớt động lực, đặc trưng tính nhớt của chất lỏng;

S

- Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng;

dv
dy

- gradien vận tốc theo phương y vng góc với dịng chảy

Lực ma sát trong sinh ra ứng suất tiếp τ[N/m2]:
=

T
dv
=
S

dy

Từ đó rút ra cơng thức xác định hệ số nhớt động lực μ[NS/m2]:
=

T
dv
S
dy

Ngoài μ còn dùng hệ số nhớt động υ[m2/S hoặc (stoc: 1st = 10-4m2/s)]
trong các biểu thức có liên quan đến chuyển động:
=



6


Các hệ số μ và υ thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. Nhìn chung μ và υ của
chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng và tăng khi áp suất tăng.
Ví dụ: hệ số nhớt động lực của nước ở nhiệt độ 0C, μ = 0,0179 còn ở
100C, μ = 0,0028; Dầu nhờn ở nhiệt độ 0C có μ = 6,4 còn ở 60C, μ = 0, 22
và hệ số nhớt động dầu nhờn sẽ tăng gấp đôi khi áp suất tăng lên từ 1 ÷ 300 at.
Để đo độ nhớt của chất lỏng , người ta dùng các loại dụng cụ đo khác
nhau. Một loại dụng cụ đo độ nhớt thường dùng ở Việt Nam là Máy đo Engơle
dùng để đo độ nhớt lớn hơn độ nhớt của nước.

Hình 1.3: Máy đo độ nhớt Engơle
Máy gồm có bình hình trụ kim loại 1, có đáy hình cầu hàn vào nó một ống

hình trụ bằng đồng thau 3. Ống hình trụ đặt trong bình chứa nước 2. Trong lỗ
của ống hình trụ 3, đặt một ống bạch kim hình nón 4 để xả chất lỏng ra khỏi
bình lỗ 1.
Lỗ của ống 4 được đóng bằng một thanh đặc biệt có đường kính 3 mm.
Muốn xác định độ nhớt của một chất lỏng ở nhiệt độ nào đó, ta rót 200 cm3 chất
lỏng cần đo vào bình 1 và giữ đúng nhiệt độ cần thiết.
Đo thời gian chảy t1 của 200 cm3 chất lỏng đo qua lỗ đáy.
Sau đó đo gian chảy t2 của 200 cm3 nước cất ở nhiệt độ 20oC (khoảng 50
giây)
Tỷ số t1/t2 gọi là độ nhớt Engơle (kí hiệu 0 E)
0

E=

t1
t2

Ngồi các đơn vị Stơc và độ nhớt Engơle, thường gặp các đơn vị đo độ
nhớt khác nhau, quan hệ giữa chúng với đơn vị Stôc được trình bày trong bảng.
7


Bảng 1.5: Quan hệ giữa các đơn vị Stôc
Tên đơn vị

Ký hiệu

Trị số tính bằng Stơc
0, 0631
0

E

Độ Engơle

0

E

0, 07310 E −

Giây Rebon

''

S

0, 00220 ''S −

1,80
''
S

Giây Redút

''

R

0, 00260 '' R −

1, 72
''
R

Độ Bache

0

B

48,5
0
B

2.5. Chất lỏng thực, chất lỏng lý tưởng
Trong thực tế, chất lỏng có đầy đủ tính chất cơ lý nên gọi là chất lỏng
thực. Nhưng để thuận tiện cho nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm chất lỏng
lý tưởng (hay cịn gọi là chất lỏng khơng nhớt). Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng
có tính di động tuyệt đối; hồn tồn khơng chống được lực cắt và lực kéo; hồn
tồn khơng nén được khơng giãn nở và khơng có tính nhớt.
Chất lỏng ở trạng thái tĩnh trong những điều kiện thay đổi áp suất và nhiệt
độ bình thường, thì thể tích và khối lượng xem như khơng đổi vì khơng có
chuyển động nên khơng có lực ma sát trong (khơng có tính nhớt). Như vậy chất
lỏng thực ở trạng thái tĩnh rất gần với chất lỏng lý tưởng do đó có thể nghiên
cứu các qui luật của chất lỏng thực ở trạng thái tĩnh trên chất lỏng lý tưởng thì
kết quả thu được hồn tồn phù hợp với thực tế. Trong trường hợp chất lỏng
thực ở trạng thái chuyển động vì có tính nhớt nên có lực ma sát trong, có tiêu
hao năng lượng do đó nếu dùng khái niệm chất lỏng lý tưởng để nghiên cứu thì
kết quả khơng đúng với thực tế. Vì vậy phải dùng thực nghiệm, tiến hành các thí
nghiệm chất lỏng thực. So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để

rút ra các hệ số hiệu chỉnh đưa vào các công thức lý thuyết cho phù hợp thực tế.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Lịch sử phát triển của cơ sở thủy khí.
2. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng của một số lưu chất.
3. Tính nén và tính giản nở của lưu chất.
4. Chất lỏng thực và chất lỏng lý tưởng.
8


CHƯƠNG 2: THỦY TĨNH HỌC
Mã chương: MH 32-02
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về áp suất
thủy tĩnh, các tính chất của áp suất thủy tĩnh, mặt đẳng áp, định luật Pascal, nắm
được định luật Asimet của một chất lỏng.
Mục tiêu:
Kiến thức:
+ Hiểu được các nguyên lý thuỷ tĩnh.
+ Hiểu được các tính chất của thuỷ tĩnh.
Kỹ năng:
+ Trình bày được các tính chất cơ bản của áp suất thuỷ tĩnh.
+ Trình bày được phương pháp cân bằng và phương trình cơ bản thuỷ
tĩnh.
+ Tính được áp lực tác động lên thành phẳng.
+ Giải được các bài tốn thơng dụng
Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và có tư duy khoa học.
Nội dung chính:
1. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ÁP SUẤT TĨNH
1.1. Lực tác dụng lên chất lỏng

Ở trạng thái tĩnh, chất lỏng chịu tác dụng của hai loại ngoại lực.
- Lực khối lượng (hay lực thể tích) tác dụng lên chất lỏng tỉ lệ với khối
lượng (như trọng lực, lực quán tính….)
- Lực bề mặt là lực tác dụng lên bề mặt của khối chất lỏng (áp lực khí
quyển tác dụng lên bề mặt tự do của chất lỏng …)
1.2. Áp suất thủy tĩnh
Áp suất thủy tĩnh là những ứng suất gây ra bởi các lực khối và lực bề mặt
tác dụng lên chất lỏng ở trạng thái tĩnh.
9


Ta hãy xét một thể tích chất lỏng giới hạn bởi diện tích  (Hình 2.1).
Tưởng tượng cắt khối chất lỏng bằng mặt phẳng AB, chất lỏng phần I tác dụng
lên phần II qua diện tích mặt cắt ω. Bỏ I mà vẫn giữ II ở trạng thái cân bằng thì
phải thay tác dụng I lên II bằng lực P gọi là áp suất thủy tĩnh tác dụng lên mặt ω.

Hình 2.1: Sơ đồ xác định áp lực thủy tĩnh
Áp suất trung bình:
ptb =

P



Trong đó:
P[N] - là ngoại lực tác dụng, trường hợp tĩnh P là trọng lực và lực quán
tính.
S[m2] - diện tích bề mặt chất lỏng chịu tác động của ngoại lực.
Áp suất tại diểm M: pM = lim
 →0

Đơn vị áp suất:

P


N/m2 = Pa (pascal )

1at = 9,8.104 N/m2 = 104 KG/m2 = 10 mH20 = 1 KG/cm2.
1.3. Hai tính chất của áp suất thủy tĩnh
Tính chất 1: Tại một điểm bất kỳ trong lòng chất lỏng áp suất thủy tĩnh
ln ln tác dụng thẳng góc và hướng vào mặt tiếp xúc.

Hình 2.2: Biểu diễn áp suất thủy tĩnh vng góc và hướng vào mặt tiếp xúc
10


Tính chất 2: Tại một điểm bất kỳ trong lịng chất lỏng áp suất thủy tĩnh
theo mọi phương có giá trị như nhau.
px = p y = pz = pn

(2.1)

Hình 2.3: Biểu diễn áp suất thủy tĩnhtheo mọi phương đều bằng nhau
Có thể chứng minh bằng cách xét khối chất lỏng tứ diện có các cạnh dx,
dy, dz vơ cùng bé. Chưng minh biếu thức px = p y = pz = pn khi dx, dy, dz → 0.
Ta cũng nhận thấy áp suất thủy tĩnh tại một điểm chỉ phụ thuộc vào vị trí
của nó.
p x = f ( x, y , z )

1.4. Phương pháp cân bằng của thuỷ tĩnh

Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa ngoại lực tác dụng vào một
phầm tử chất lỏng với nội lực inh ra nó.
Phương trình Ơle tĩnh dưới dạng Véc tơ:
F−

Trong đó:

1




gradp = 0




F = iX + jX + kX

2. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA THUỶ TĨNH
Để giải quyết mốt số vấn đề thực tế ta viết phương trình Ơle tĩnh dưới
dạng:
 U
U
U 
dp =  
dx +
dy +
dz 
y

z 
 x

Hay

dp =  .dU

11


Tích phân ta được: p =  .U + C
Để xác định hằng số tích phân C cần phải có điều kiện biên, giử sử áp suất
Po của một điểm nào đó trong chất lỏng và có giá trị hàm số lực Uo tương ứng,
thay vào ta có:
C = po − U o

p = po +  (U − U o )

Như vậy, dùng phương trình (2.10) có thể xác định được áp suất thủy tĩnh
tại bất kỳ điểm nào trong chất lỏng, nếu biết được trị số của hàm U và điều kiện
biên uo; po.
2.1. Mặt đẳng áp
Mặt đẳng áp là một mặt trên đó tại mọi điểm, áp suất đều bằng nhau, ta có
phương trình mặt đẳng áp:
Xdx + Ydy + Zdz = 0

Trong đó:

X=

U
;
x

Y=

U
;
y

Z=

U
z

Mặt thống tự do là mặt đẳng áp, áp suất tác dụng trên nó có trị số bằng
áp suất khí quyển.
2.2. Phương trình cơ bản của thuỷ tĩnh học
• Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học
Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học:
p = po +  h

Nghĩa là áp suất tại bất kỳ một điểm nào của chất lỏng ở trạng thái tĩnh
bằng áp suất ở mặt tự do cộng với trọng lượng cột chất lỏng (đáy là một đơn vị
diện tích, chiều cao là độ sâu của điểm đó).
• Ý nghĩa của phương trình cơ bản của thủy tĩnh học
- Ý nghĩa hình học hay thủy lực:
Z

- Độ cao hình học;

p


- Độ cao đo áp;

Z+

p



=H

- Cột áp thủy tĩnh.
12


Từ phương trình cơ bản của thủy tĩnh học ta dễ dàng nhận thấy rắng cột
áp thủy tĩnh tại mọi điểm trong môi trường chất lỏng cân bằng là một hằng số.
- Ý nghĩa năng lượng:
Z

- Vị năng đơn vị;

p


- Áp năng đơn vị;

Z+

p



= H = const

- Thế năng đơn vị.

Vậy thế năng đơn vị của mọi điểm trong một môi trường chất lỏng cân
bằng đều bằng nhau và bằng cột áp thủy tĩnh.
2.3. Áp suất và biều đồ phân bố áp suất
• Phân biệt các loại áp suất
Áp suất thủy tĩnh được tính là áp suất tuyệt đối pt
Lấy áp suất khí quyển pa để so sánh:
Nếu áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển ta có áp suất dư pd
pd = pt + pa

Nếu áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển ta có áp suất chân khơng
pck

pck = pa − pt

• Biểu đồ phân bố áp suất thủy tĩnh
Biểu diễn sự phân bố áp suất theo chiều sâu trong chất lỏng. Từ phương
trình cơ bản của thủy tĩnh học pt = po +  h là dạng phương trình bậc nhất y = ax
+ b, ta có b tương ứng với áp suất trên mặt thống của chất lỏng po , cịn hệ số
góc a tương ứng trọng lượng riêng của chất lỏng và  h thay đổi theo độ sâu
trong chất lỏng.

Từ đó ta có thể dễ dàng vẽ được biểu đồ áp suất thủy tĩnh tuyệt đối và áp
suất dư tác dụng lên mặt phẳng AB chìm trong chất lỏng có độ sâu h. Biểu diễn
ABC và AA’B’B.

13