Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt (Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỰ ĐỘNG HĨA

GIÁO TRÌNH

Mơn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT
NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ
ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ
TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP

Ban hành kèm theo Quyết định số: 979/QĐ-CĐVX-ĐT ngày 12 tháng 12 năm 2019
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Việt Xơ

Nình Bình, năm 2019


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 hoặc 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 kỹ thuật nhiệt là giáo trình được biên soạn ở dạng cơ bản
và tổng quát cho học sinh, sinh viên ngành lạnh từ kiến thức nền cho đến kiến
thức chuyên sâu. Do đó có một số nội dung mang tính chung khơng đi vào cụ
thể. Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có được kiến thức chung rất hữu ích khi
cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu hơn. Mặc khác giáo trình cũng đã đưa
vào các nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt
vấn đề khi va chạm trong thực tế. Ngoài ra giáo trình cũng có thể sử dụng cho

các khối khơng chun muốn tìm hiểu thêm về ngành nhiệt lạnh và điều hịa
khơng khí.
Ninh Bình, ngày tháng năm 2019
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Hoàng Thị Hoài Thu
2. Ủy viên: Phạm Tiến Dũng
3. Ủy viên: Phạm Thành Nhơn


MỤC LỤC
TUN BỐ BẢN QUYỀN
LỜI GIỚI THIỆU
MỤC LỤC
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT
CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA
CHẤT MÔI GIỚI
1. Các khái niệm và định nghĩa
1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt
1.2. Hệ nhiệt động (HNĐ)
1.3. Khí lý tưởng, khí thực
2. Thơng số trạng thái của chất môi giới
2.1. Trạng thái và các thông số trạng thái
2.2. Nhiệt độ tuyệt đối
2.3. Áp suất tuyệt đối
2.4. Thể tích riêng và khối lượng riêng
2.5. Nội năng
3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng
3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
3.2. Phương trình trạng thái của khí thực
CHƯƠNG 2. NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO

NHIỆT DUNG RIÊNG
1. Nhiệt và cơng
1.1 Nhiệt lượng
1.2. Công
2. Nhiệt dung riêng
2.1. Định nghĩa
2.2. Phân loại
2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
CHƯƠNG 3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ
TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ
1. Định luật nhiệt động thứ nhất
1.1. Định luật nhiệt động I
1.2. Phương trình định luật nhiệt động I
2 .Qúa trình hỗn hợp của chất khí
2.1. Hỗn hợp khí trong thể tích đã cho
2.2. Hỗn hợp theo dịng
2.3. Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định
3. Các qúa trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
3.1. Q trình đẳng tích
3.2. Q trình đẳng áp
3.3. Q trình đẳng nhiệt
CHƯƠNG 4. HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI

2
2
3
5
9
9
9

9
10
11
11
11
11
12
13
13
13
13
15
15
15
15
16
16
16
17
18
18
18
18
19
20
20
21
21
21
22

24
26


1. Các thể (pha) của vật chất
1.1. Qúa trình thăng hoa và ngưng kết
1.2. Q trình nóng chảy và đơng đặc
1.3. Q trình hóa hơi và ngưng tụ
1.4. Một số định nghĩa về trạng thái của mơi chất
2. Q trình hóa hơi đẳng áp
2.1. Mơ tả q trình
2.2. Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi
3. Xác định trạng thái của hơi bão hòa ẩm
3.1. Bảng thông số trạng thái của nước và hơi nước bão hịa theo nhiệt độ
3.2. Bảng thơng số trạng thái của nước và hơi nước bão hòa theo áp suất
CHƯƠNG 5. DẪN NHIỆT
1. Các khái niệm và định nghĩa
1.1. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt
1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt
2. Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng
2.1. Định luật fourier về dẫn nhiệt
2.2. Dẫn nhiệt qua vách phẳng
2.3. Dẫn nhiệt qua vách trụ
CHƯƠNG 6. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU, BỨC XẠ
1. Trao đổi nhiệt đối lưu
1.1. Các khái niệm và định nghĩa.
1.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu
1.3. Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp
2. Trao đổi nhiệt bức xạ
2.1. Các khái niệm và định nghĩa

2.2. Dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật
2.3. Bức xạ của mặt trời (nắng)
CHƯƠNG 7. TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
1. Truyền nhiệt tổng hợp
1.1. TĐN phức hợp giữa vật rắn và các môi trường
1.2. Cân bằng nhiệt cho hệ TĐN phức hợp
2. Truyền nhiệt qua vách phẳng
2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp
2.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp
3. Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt
3.1. Tăng cường truyền nhiệt
3.2. Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt
TÀI LIỆU THAM KHẢO

26
26
26
26
27
27
27
28
29
30
31
36
36
36
36
37

37
38
40
43
43
43
44
45
52
52
56
56
59
59
59
59
59
59
59
60
60
61
62


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT
Mã mơn học: MH10
Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt
Mã môn học: MH 10
Thời gian thực hiện môn học: 45 giờ

Kiểm tra: 4 giờ)

(Lý thuyết: 22 giờ; Thực hành: 19 giờ:

I. Vị trí, tính chất của mơn học
- Vị trí: Mơn học được bố trí học sau các mơn học chung và học trước các
mơn học, mơ đun chun mơn.
- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở.
II. Mục tiêu môn học
- Về kiến thức: Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất về kỹ
thuật nhiệt;
- Về kỹ năng: Học sinh cần đạt được kỹ năng tra bảng các thông số trạng
thái của môi chất, sử dụng được đồ thị, biết chuyển đổi một số đơn vị đo và giải
được một số bài tập đơn giản;
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện khả năng tư duy logic của
sinh viên; các ứng dụng trong thực tế vận dụng để tiếp thu các kiến thức chun
ngành.
III. Nội dung mơn học
Thời gian (giờ)
Thực Kiểm
hành,
tra
thí
TT
Tên chương/ mục
Tổng
Lý
nghiệm
số
thuyết

, thảo
luận,
Bài tập
I
Chương 1: Chất môi giới và các
1
9
3
5
thông số trạng thái của chất môi giới
1. Các khái niệm và định nghĩa
1
1
1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt
1.2. Hệ nhiệt động
1.3. Khí lí tưởng, khí thực
2
1
1
2. Thơng số trạng thái của chất môi
giới
2.1. Trạng thái và các thông số trạng
thái
2.2. Nhiệt độ tuyệt đối
2.3. Áp suất tuyệt đối
2.4. Thể tích riêng và khối lượng
riêng


2

3

4

2.5. Nội năng
3. Phương trình trạng thái của chất
khí lý tưởng
3.1. Phương trình trạng thái của khí
lý tưởng
3.2. Phương trình trạng thái của khí
thực
Chương 2: Nhiệt dung riêng và
tính nhiệt lượng theo nhiệt dung
riêng
1. Nhiệt và công
1.1 Nhiệt lượng
1.2 Công
1.2.1. Cơng thay đổi thể tích
1.2.2. Cơng kỹ thuật
2. Nhiệt dung riêng
2.1. Định nghĩa
2.2. Phân loại
2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt
dung riêng
Chương 3: Định luật nhiệt động
thứ nhất và các quá trình cơ bản
của chất khí
1.Định luật nhiệt động thứ nhất
1.1. Định luật nhiệt động I

1.2. Phương trình định luật nhiệt
động I
2. Q trình hỗn hợp của khí
2.1. Hỗn hợp theo thể tích đã cho
2.2. Hỗn hợp theo dịng
2.3. Hỗn hợp nạp vào thể tích cố
định
3. Các qúa trình nhiệt động cơ bản
của khí lý tưởng
3.1. Q trình đẳng tích
3.2. Q trình đẳng áp
3.3. Quá trình đẳng nhiệt
4. Kiểm tra.
Chương 4: Hơi và các thông số
trạng thái của hơi
1. Các thể (pha) của vật chất
1.1. Quá trình thăng hoa và ngưng
kết
1.2. Q trình nóng chảy và đơng

6

1

4

4

2

2

2

1

1

2

1

1

7

4

2

1

1

2

1

1

3

2

1

1
3

3

1

1

1

1

1


5

6

7

đặc
1.3. Q trình hóa hơi và ngưng tụ

1.4. Một số định nghĩa về trạng thái
của mơi chất
2. Q trình hóa hơi đẳng áp
2.1. Mơ tả q trình
2.2. Các đường giới hạn và các miền
trạng thái của nước và hơi;
3. Xác định trạng thái của hơi bão
hịa ẩm
3.1. Bảng thơng số trạng thái của
nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt
độ
3.2. Bảng thông số trạng thái của
nước và hơi nước bão hòa theo áp
suất
Chương 5: Dẫn nhiệt
1.Các khái niệm và định nghĩa
1.1. Dòng nhiệt và mật độ dòng
nhiệt
1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt
2. Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách
phẳng
2.1. Định luật fourier về dẫn nhiệt.
2.2. Dẫn nhiệt qua vách phẳng.
2.3 Dẫn nhiệt qua vách trụ
3. Kiểm tra
Chương 6: Trao đổi nhiệt đối lưu,
bức xạ
1. Trao đổi nhiệt đối lưu
1.1. Các khái niệm và định nghĩa.
1.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới trao

đổi nhiệt đối lưu
1.3. Một số hình thức trao đổi nhiệt
đối lưu thường gặp
2. Trao đổi nhiệt bức xạ
2.1. Các khái niệm và định nghĩa
2.2. Dòng nhiệt trao đổi bằng bức xạ
giữa các vật
2.3. Bức xạ của mặt trời (nắng)
Chương 7: Truyền nhiệt và thiết
bị trao đổi nhiệt
1. Truyền nhiệt tổng hợp
1.1. TĐN phức hợp giữa vật rắn và

1

1

1

1

9
1

3
1

5

7

2

5

1
4

4

2

2

2

2

9

3

1

1

1

1

5

1


các môi trường
1.2. Cân bằng nhiệt cho hệ TĐN
phức hợp
2. Truyền nhiệt qua vách phẳng
2.1.Truyền nhiệt qua vách phẳng
một lớp
2.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng
nhiều lớp
3. Tăng cường truyền nhiệt và cách
nhiệt
3.1. Tăng cường truyền nhiệt
3.2. Hạn chế truyền nhiệt hay cách
nhiệt
Kiểm tra
Cộng

4

1

3

3

1

2

1
45

22

19

1
4


CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
CỦA CHẤT MÔI GIỚI
Mã chương: MH10 - 01
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban
đầu về chất môi giới và các thông số trạng thái chất mơi giới
Mục tiêu:
- Trình bày được các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt - Lạnh.
- Phân tích được các khái niệm về nhiệt động lực học.
- Trình bày được các kiến thức về hơi và thơng số trạng thái hơi.
- Trình bày được các quá trình nhiệt động của hơi.
- Trình bày được các chu trình nhiệt động.
- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất
áp dụng vào mơn học cho HSSV.
Nội dung chính:
1. Các khái niệm và định nghĩa

1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt
Là loại thiết bị có chức năng chuyển đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Thiết
bị nhiệt được chia thành 2 nhóm: động cơ nhiệt và máy lạnh.
* Động cơ nhiệt:
Có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng như động cơ hơi nước,
turbine khí, động cơ xăng, động cơ phản lực, v.v.
* Máy lạnh:
Có chức năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.
1.2. Hệ nhiệt động (HNĐ)
Là hệ gồm một hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để
nghiên cứu các tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài HNĐ
được gọi là môi trường xung quanh.


Hình 1.1: Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt và máy lạnh, bơm nhiệt
Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung
quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.
Hệ nhiệt động được phân loại như sau :

Hình 1.2: Hệ nhiệt động
a) HNĐ kín với thể tích khơng
đổi
b) HNĐ kín với thể tích thay đổi
c) HNĐ hở

* Hệ nhiệt động kín: HNĐ trong đó khơng có sự trao đổi vật chất giữa hệ
và mơi trường xung quanh.
* Hệ nhiệt động hở: HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi
trường xung quanh.
* Hệ nhiệt động cơ lập:

HNĐ được cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh.
1.3. Khí lý tưởng, khí thực
Khí lý tưởng là một chất khí mà các phân tử của nó có các đặc tính sau đây:


Các phân tử của khí lý tưởng khơng có thể tích riêng, ta có thể coi chúng là
những chất điểm và lực tương tác giữa các phân tử bằng không.
Các chất điểm chuyển động hỗn loạn và không tương tác với nhau (bằng
các lực hút phân tử ) trừ khi chúng va chạm với nhau hoặc khi va chạm với
thành bình.
Khi va chạm ta có thể coi các phân tử chất khí lý tưởng như là các viên bi
đàn hồi. Va chạm giữa chúng và với thành bình được xem như va chạm hồn
tồn đàn hồi.
Kích thước riêng của các phân tử khơng đáng kể so với khoảng cách giữa
chúng.
Khí thực là khí mà thể tích bản thân các phân tử khác không và tồn tại lực
tương tác giữa các phân tử.
Trong thực tế khơng có khí lý tưởng, có thể xem khí lý tưởng là trạng thái
giới hạn của khí thực khi áp suất p rất nhỏ. Trong kỹ thuật ở điều kiện nhiệt độ,
áp suất bình thường có thể coi các chất như Hyđrô , Oxy, Nitơ, không khí . . . là
khí lý tưởng.
2. Thơng số trạng thái của chất môi giới
2.1. Trạng thái và các thông số trạng thái
* Chất môi giới hay môi chất công tác:
Được sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trị trung gian trong q
trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
* Thông số trạng thái của CMG:
Là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của CMG.
2.2. Nhiệt độ tuyệt đối
Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử,

nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử .
T - nhiệt độ tuyệt đối.
Nhiệt kế: Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý
của vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ: chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v.
Thang nhiệt độ:
1) Thang nhiệt độ Celsius (0C)
2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F)
3) Thang nhiệt độ Kelvin (K)
4) Thang nhiệt độ Rankine (0R)
Mối quan hệ giữa các đơn vị đo nhiệt độ:
5
o
C = 9 (oF – 32)
o

C = K – 273

5
o
C = 9 .oR – 273

Hình 1.3: Nhiệt kế

2.3. Áp suất tuyệt đối
- Khái niệm:
Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp
tuyến lên một đơn vị diện tích thành chứa.


p=

Theo thuyết động học phân tử :
P   .n.

F
A
m  2
3

trong đó : p - áp suất ;
F - lực tác dụng của các phân tử ;
A - diện tích thành bình chứa ;
n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ;
α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực tương tác của các phân tử.
- Đơn vị áp suất:
1) N/m2
;
5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)
2) Pa (Pascal)
;
6) mm H2O
3) at (Technical Atmosphere)
;
7) psi (Pound per Square Inch)
4) atm (Physical Atmosphere) ;
8) psf (Pound per Square Foot)
Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất:
1at = 0,981 bar = 9,81.104 N/m2 = 9,81.104 Pa = 10 mH20 = 735,5 mmHg =
14,7 psi
- Phân loại áp suất:
+ Áp suất khí quyển (p 0):

Áp suất của khơng khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái đất.
+ Áp suất dư (pd):
Là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển
p d= p - p 0
+ Áp suất tuyệt đối (p):
Áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối.
p = p d+ p 0
+ Áp suất chân không (pck):
Phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
pck = p0 - p

Hình 1.4: Các loại áp suất
2.4. Thể tích riêng và khối lượng riêng
Thể tích riêng (v) - Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn
vị khối lượng chất đó :  

V
m

[m3/kg]

Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất
là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :


P

m
[kg/m3]
V

2.5. Nội năng
Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của
các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng.
Nội năng gồm 2 thành phần: nội động năng (ud) và nội thế năng (up).
- Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ
thuộc vào nhiệt độ của vật.
- Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ
thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của
nhiệt độ và thể tích riêng: u = u (T, v)
Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0 nên nội năng
chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Đối với 1kg môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg; Đối với Gkg
mơi chất, nội năng kí hiệu là U, đơn vị là J. Ngồi ra nội năng cịn có một số đơn
vị khác như: kCal; kWh; Btu…
1kJ = 0,239 kCal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 Btu
3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng
3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
Đối với khối khí có khối lượng là G kg, thể tích V m3 thì ta có:
G.pv = G.RT
Hay pV = GRT
* Tính hằng số R:
Từ phương trình trạng thái ta có:
pV
R  
T
Ở điều kiện tiêu chuẩn, áp suất p = 101.326Pa, nhiệt độ t = 0 0C thì 1 mol
khí lý tưởng chiếm một thể tích là Vμ = 22,4 m3, vậy hằng số phổ biến của chất
khí bằng:
pV

R     8314 J / kmol 
T
Hoặc cũng có thể tính: Rμ = Nμ.k = 6,0228.1026.1,3805.10-23 =8314j/kmol,
thay vào ta được:
R
8314
J / kg 0 K 
R  


3.2. Phương trình trạng thái của khí thực
Trong thực tế, khơng tồn tại khí lí tưởng. Các quá trình nhiệt động kĩ thuật
thường gặp là xẩy ra với khí thực. Do khí thực có nhiều khác biệt với khí lý
tưởng, nên nếu áp dụng phương tình trạng thái khí lý tưởng cho khí thực thì sẽ
gặp phải sai số lớn. Do đó cần thiết phải thiết lập các phương tình trạng thái cho
khí thực để giải quyết vấn đề trên.
Cho đến nay, chúng ta chưa tìm được một phương trình trạng thái nào dùng
cho mọi khí thực ở mọi trạng thái, mà chỉ tìm được các phương trình gần đúng


cho một chất khí hoặc một nhóm chất khí ở khoảng áp suất và nhiệt độ nhất
định. Hiện nay có rất nhiều phương tình trạng thái viết cho khí thực, dưới đây ta
khảo sát một số phương tình trạng thái khí thực thường gặp trong thực tế.
Phương tình Vandecvan là một trong những phương trình viết cho khí thực có
độ chính xác cao và được áp dụng khá rộng rãi.
Như đã nói ở trên, khí thực khác với khí lý tưởng là thể tích bản thân phân
tử khác khơng và có lực tương tác giữa các phân tử. Do đó khi thμnh lập phương
tình trạng thái cho khí thực, xuất phát từ phương tình trạng thái khí lý tưởng, để
hiệu chỉnh các sai số, Vandecvan đã đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh được
xác định bằng thực nghiệm kể đến ảnh hưởng của thể tích bản thân các phân tử

và lực tương tác giữa các phân tử của chất khí đó.
Về áp suất: đối với khí lý tưởng, giữa các phân tử khơng có lực tương tác
nên các phân tử tự do chuyển động và va đập tới mọi nơi với năng lượng của
chúng. Cịn ở khí thực, trong quá trình chuyển động và va đập các phân tử tự do
sẽ chịu lực hút và đẩy của các phân tử xung quanh, do đó lực va đập sẽ giảm đi.
Vì vậy áp suất khí thực mà ta đo được sẽ nhỏ hơn giá trị áp suất thực tế một đại
lượng là Δp, đại lượng này tỷ lệ với bình phương khối lượng riêng và bằng:
a
p  2
v
Áp suất thật của khí thực sẽ là:
a
p  p  p  2
v
Về thể tích: Các phân tử khí thực có thể tích khác khơng. Giả sử tổng thể
tích bản thân các phân tử có trong 1kg khí là b thì khơng gian tự do cho chuyển
động của chúng sẽ giảm xuống và chỉ cịn là (v - b). Với phương trình trạng thái
khí thực Vandecvan sẽ là:
a 

 p  2 v  b   RT
v 

Trong đó : a và b là các hệ số có giá trị xác định, phụ thuộc vào bản chất
của mỗi chất khí, b chính là tổng thể tích bản thân các phân tử có trong 1kg khí.
Trong phương trình này, chưa kể đến ảnh hưởng của một số hiện tượng vật
lý phụ như hiện tượng phân li và kết hợp các phân tử.


CHƯƠNG 2. NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO

NHIỆT DUNG RIÊNG
Mã chương: MH10 – 02
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản về
nhiệt dung riêng và tính nhiệt theo nhiệt dung riêng.
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm nhiệt và cơng
- Trình bày được định nghĩa nhiệt dung riêng và phân loại được các loại
nhiệt dung riêng
- Tính tốn được nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất
áp dụng vào mơn học cho HSSV.
Nội dung chính:
1. Nhiệt và công
1.1 Nhiệt lượng
Nhiệt năng (nhiệt lượng): là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật
khác do sự chênh lệch nhiệt độ.
Đơn vị đo nhiệt năng:
Calorie (Cal) - 1 Cal là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gam nước
tăng từ 14.50C đến 15.50C.
British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ
của 1 pound nước tăng từ 59.50F lên 60.50F.
Joule (J) - 1 [J]
1 Cal = 4.187 J 1 Btu = 252 Cal = 1055 J

Hình 1.6: Các hình thức truyền nhiệt
1.2. Cơng
Cơng - cịn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình
biến đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng. Về trị số, cơng
bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch

chuyển:
L = (F. cosθ). S


Hình 1.7. Cơng di chuyển 1 vật một qng đường s

* Đơn vị:
Công là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng
lượng. Đơn vị thông dụng là Joule (J). 1J là công của lực 1N tác dụng trên quãng
đường 1 m.
1.2.1. Công thay đổi thể tích
Cơng thay đổi thể tích (l) - cịn gọi là công cơ học - là công do CMG sinh
ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén. Công thay đổi thể tích gắn liền với sự
dịch chuyển ranh giới của HNĐ.
Cơng thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức :
v2

l=

 p.dv => dl = p . dv

v1

1.2.2. Công kỹ thuật
Công kỹ thuật (lkt) - là công của dịng khí chuyển động được thực hiện khi
áp suất của chất khí thay đổi.
Cơng kỹ thuật được xác định bằng biểu thức:
p2



lkt =  v.dp => dlkt = - v . dp
p1

Qui ước: Công do Hệ nhiệt động sinh ra mang dấu (+), công do môi trường
tác dụng lên hệ nhiệt động mang dấu (-).
2. Nhiệt dung riêng
2.1. Định nghĩa
Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa
ra để nhiệt độ của nó thay đổi 10.
C=

dQ
[J/độ]
dt

Nhiệt dung riêng (NDR) - cịn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp
hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 10.
2.2. Phân loại
Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất:
Nhiệt dung riêng khối lượng c =

C
, [J/kg.độ]
m


Nhiệt dung riêng thể tích c’ =
Nhiệt dung riêng mol

c

C
, [J/m3t c.độ ]
Vtc

C
[J/kmol.độ]
N

=

Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động:
- NDR đẳng tích cv, cv’, cμv
- NDR đẳng áp cp, cp’, cμp
Công thức Maye :
cp - cv = R
cμp - cμv = Rμ = 8314 [J/kmol.độ]
Chỉ số đoạn nhiệt:
k=

cp
cv

Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ. Đối với khí lý
tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí.
Quan hệ giữa c, k và R:
cv =

1

k
. R ; cp =
.R
k 1
k 1

+ Nhiệt dung riêng của khí thực:
NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và
quá trình nhiệt động :
c = f (T, p, quá trình).
Trong phạm vi áp suất thơng dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR.
Bởi vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau :
c = a0 + a1. t + a2. t 2 + ..... + an. tn
+ Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng:
NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà khơng phụ thuộc
vào nhiệt độ và áp suất.
Bảng 1.1: Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng
Loại khí
k
cμv [kJ/kmol.độ] cμp [kJ/kmol.độ]
Khí 1 nguyên tử
1,6
12,6
20,9
Khí 2 nguyên tử
1,4
20,9
29,3
Khí nhiều nguyên tử
1,3

29,3
37,4
2.3. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình:
t2

q=

 c.dt
t1

t

=

c t 2 . (t2 – t1)
1


CHƯƠNG 3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC Q
TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ
Mã chương: MH10 – 03
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về định luật
nhiệt động thứ nhất và các q trình cơ bản của chất khí.
Mục tiêu:
- Trình bày được định luật nhiệt động thứ nhất.
- Phân tích được các q trình hỗn hợp của chất khí.
- Trình bày được các q trình nhiệt động của khí lý tưởng.
- Tính tốn được các thơng số trong q trình hỗn hợp của chất khí

- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất
áp dụng vào mơn học cho HSSV.
Nội dung chính:
1. Định luật nhiệt động thứ nhất
1.1. Định luật nhiệt động I
Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hố năng lượng viết cho
các q trình nhiệt động. Theo định luật bảo tồn và biến hố năng lượng thì
năng lượng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối q trình ln ln bằng
tổng đại số năng lượng tồn phần ở đầu q trình và tồn bộ năng lượng nhận
vào hay nhảra trong q trình đó.
Trong các q trình nhiệt động, khi khơng xẩy ra các phản ứng hoá học và
phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lượng hố học và năng lượng hạt nhân khơng
thay đổi, khi đó năng lượng tồn phần của vật chất thay đổi chính là do thay đổi
nội năng U, trao đổi nhiệt và công với môi trường.
Xét 1kg môi chất, khi cấp vào một lượng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi một
lượng dT và thể tích riêng thay đổi một lượng dv. Khi nhiệt độ T thay đổi chứng
tỏ nội động năng thay đổi; khi thế tích v thay đổi chứng tỏ nội thế năng thay đổi
và môi chất thực hiện một cơng thay đổi thể tích, Như vậy khi cấp vào một
lượng nhiệt dq thì nội năng thay đổi một lượng là du và trao đổi một công là dl.
- Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt lượng cấp vào cho hệ một phần
dùng để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công:
dq = du + dl
- Ý nghĩa của định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động I cho phép ta viết
phương trình cân bằng năng lượng cho một quá trình nhiệt động.
1.2. Phương trình định luật nhiệt động I
Định luật nhiệt động I có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau như sau:
Trong trường hợp tổng quát:
dq = du + dl
Đối với 1 kg môi chất:
Δq = Δu + l

Đối với G kg môi chất:
ΔQ = ΔU + L
Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv,


Lấy đạo hàm ta được: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp, thay vào (21) và chú ý dl = pdv ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I như
sau:
dq = di - pdv - vdp + pdv
dq = di - vdp
Hay: dq = di + dlkt
Đối với khí lý tưởng ta ln có:
du = CvdT
di = CpdT
thay giá trị của du và di vào (2-1) và (2-4) ta có dạng khác của biểu thức
định luậtnhiệt động I :
dq = CvdT + pdv
dq = CpdT - vdp
2 .Qúa trình hỗn hợp của chất khí
Các thành phần của hỗn hợp
- Thành phần khối lượng gi
Thành phần khối lượng của cấu tử thứ i được định nghĩa bằng tỉ số giữa
khối lượng của nó và khối lượng của hỗn hợp
G
gi  i
G
Trong đó: Gi, G là khối lượng của khí thành phần và của hỗn hợp.
- Thành phần thể tích
Thành phần thể tích của cấu tử thứ I là tỉ số giữa phân thể tích của nó so
với tổng phân thể tích của tất cả các chất khí thành phần.
V

vi  i
V
Trong đó: Vi, V là thể tích của khí thành phần và của hỗn hợp.
- Thành phần mol của chất khí
Thành phần mol của chất khí thành phần thứ i là tỷ số giữa số mol của nó
và số mol của hỗn hợp
M
ri  i
M
Trong đó: Mi, M là số kilomol của khí thành phần và của hỗn hợp.
Chứng minh được rằng thành phần thể tích bằng thành phần mol.
Xác định các đại lượng của hỗn hợp khí
- Phân tử lượng của hỗn hợp:
n

n

G i  M ii
n
n
G 
M
i 1
 
 i1
  i i   rii
M
M
M
i 1 M

i 1
1
 n
gi

i 1  i


- Hằng số chất khí của hỗn hợp:
8314 8314

R

 ri  i
n

R   giR i
i 1

Trong đó:
Ri - hằng số chất khí của khí thành phần,
μ – kilomol của hỗn hợp khí
- Nhiệt dung riêng hỗn hợp C
C = ΣgiCi
Trong đó: Ci, C là nhiệt dung riêng của khí thành phần và của hỗn hợp.
2.1. Hỗn hợp khí trong thể tích đã cho
Xét hỗn hợp hai chất khí trong bình kín. Chất khí khí thứ nhất có các thơng
số: V1, T1, P1. Chất khí thứ hai có các thơng số: , V2 ,T2, P2.
Theo tính chất của hỗn hợp khí ta có:
V = V1 + V2

G = G1 + G2
Với G: Khối lượng của hỗn hợp khí.
G1,G2: Khối lượng của khí thành phần
Năng lượng tồn phần của hệ được bảo tồn
U = U1 + U2
Với khí lý tưởng ta có: U = G.Cv.T
Vậy:
G.Cv.T = G1.Cv1.T1 + G1.Cv2.T2
g C T  g 2 C v 2 T2
T  1 v1 1
Cv
Với Cv = g1Cv1 + g2Cv2
Khi biết thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp ta xác định được áp suất của hỗn
hợp dựa vào phương trình trạng thái PV = GRT
GRT T
T PV P V
P
 GR  ( 1 1  2 2 )
V
V
T2
V T1
2.2. Hỗn hợp theo dòng
Hỗn hợp được tạo thành khi ta nối ống dẫn các dịng khí vào một ống
chung. Ở đây áp suất của hỗn hợp p thường cho trước. Entanpi của hỗn hợp
được xác định theo cơng thức:
I = ΣIi
Trong đó: Ii, I là entanpi của khí thành phần và của hỗn hợp.
Xét hỗn hợp theo dịng gồm 2 dịng khí ta có:
I = I1 + I2

Mà
I = G.Cp.T
Vậy ta có:
G.Cp.T = G1.Cp1.T1 + G2.Cp2.T2
Cp là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khí thành phần.


T

g1C p1T1  g 2 C p 2 T2

Cv
Nếu các dịng khí là cùng một chất, ta có
t = Σgiti
Biết được áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp ta xác định thể tích của hỗn dựa
vào phương trình trạng thái
GRT T
T PV P V
V
 GR  ( 1 1  2 2 )
P
P
P T1
T2
2.3. Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định
Xét q trình hỗn hợp khí khi nạp một lượng mơi chất có các thơng số P i Ti
Gi vào trong một bình kín chứa chất khí thứ 2 với các thông số P1 T1 G1
Theo đinh luật nhiệt động thứ nhất ta có:
U = Ii +U1
Vậy ta có: G.Cv.T = Gi.Cvi.Ti + G1.Cpi.Ti

g C T  g1C p1T1
T  i vi i
Cv
Vậy biết nhiệt độ T và thể tích V ta có thể tìm áp suất p của hỗn hợp khí từ
phương trình trạng thái:
T PV P V
GRT T
p
 GR  ( 1 1  2 2 )
T2
V T1
V
V
3. Các qúa trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
3.1. Q trình đẳng tích
Q trình đẳng tích là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện
thể tích khơng đổi.
v = const, dv = 0.
Ví dụ: Làm lạnh hoặc đốt nóng khí trong bình kín có thể tích khơng thay đổi.
Quan hệ giữa các thơng số
Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, ta có:
p R

T v
mà R = const và v = const, do đó suy ra:
p R
  const
T v
p1 p 2


T1 T2
Cơng thức chứng tỏ trong q trình đẳng tích, áp suất thay đổi tỉ lệ thuận
với nhiệt độ hoặc có thể viết:
p1 T1

p 2 T2
Cơng thay đổi thể tích
Vì q trình đẳng tích có v = const, nghĩa là dv = 0, do đó cơng thay đổi thể


tích của q trình:
L = p(V2-V1) = 0
Nhiệt lượng trao đổi với môi trường
Theo định luật nhiệt động I ta có: q = l + Δu, mà l = 0 nên:
q = Δu = Cv (T2 - T1)
Biến thiên entropi:
Độ biến thiên entrơpi của q trình được xác định bằng biểu thức:
dq
ds 
T
mà ta có q = Δu hay dq = du, do đó có thể viết:
dq C v dT

ds 
T
T
Vậy
p
T
s  C v ln 2  C v ln 2

P1
T1
Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình
u

1
q
Như vậy trong q trình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia vào quá trình chỉ
để làm thay đổi nội năng của chất khí.
Biểu diễn trên đồ thị
Trạng thái nhiệt động của mơi chất hồn tồn xác định khi biết hai thơng số
độc lập bất kỳ của nó. Bởi vậy ta có thể chọn hai thơng số độc lập nào đó để lập
ra đồ thị biểu diễn trạng thái của môi chất, đồ thị đó được gọi là đồ thị trạng thái.
Q trình đẳng tích được biểu thị bằng đoạn thẳng đứng 1-2 trên đồ thị p-v và
đường cong lôgarit trên đồ thị T-s. Diện tích 12p2p1 trên đồ thị p-v biểu diễn
cơng kỹ thuật, cịn diện tích 12s2s1 trên đồ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng trao đổi
trong quá trình đẳng tich.

3.2. Quá trình đẳng áp
3.2.1 Định nghĩa
Quá trình đẳng áp là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện áp


suất không đổi.
p = const, dp = 0.
3.2.2. Quan hệ giữa các thơng số
Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, ta có:
v R

T p

Mà R = const và p = const, do đó suy ra:
v R
  const
T p
Nghĩa là trong quá trình đẳng áp, thể tích thay đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ
hoặc:
v1 v2
v
T
hay 1  1

T1 T2
v2 T2

Cơng thay đổi thể tích của q trình
Vì q trình đẳng áp có p = const, nên cơng thay đổi thể tích:
L = p(V2-V1) = R(T2 – T1)
Cơng kỹ thuật của q trình
lkt = - V(P2 – P1) = 0
Nhiệt lượng trao đổi với môi trường
Theo định luật nhiệt động I ta có: q = Δi + lkt , mà lkt = 0 nên:
q = Δi = Cp (T2 - T1)
Biến thiên entropi
Độ biến thiên entrơpi của q trình được xác định bằng biểu thức:
dq = di - vdp = di (vì dp = 0),
do đó ta có:
dq di
ds 

T T

Vậy:
V
T
s  C p ln 2  C p ln 2
V1
T1
Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình
u C v T2  T1  1



q C p (T2  T1 ) k
Biểu diễnquá trình trên đồ thị
Quá trình đẳng áp được biểu thị bằng đoạn thẳng nằm ngang 1-2 trên đồ thị
p-v và đường cong lơgarit 1-2 trên đồ thị T-s. Diện tích 12v2v1 trên đồ thị p-v
biểu diễn cơng thay đổi thể tích, cịn diện tích 12s2s1 trên đồ thị T-s biểu diễn
nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đẳng áp.


3.3. Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình đẳng nhiệt là quá trình nhiệt động được tiến hành trong điều kiện
nhiệt độ không đổi.
T = const, dt = 0.
Quan hệ giữa các thơng số
Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng pv = RT, mà R = const và T =
const, do đó suy ra:
pv = RT = const
Hay:
p1v1 = p2v2
Nghĩa là trong q trình đẳng nhiệt, thể tích thay đổi tỉ lệ nghịch với áp

suất, suy ra:
p1 v 2

p 2 v1
Cơng thay đổi thể tich của q trình
Vì q trình đẳng nhiệt có T = const, nên cơng thay đổi thể tích:
v
v
v
l  RT ln 2  p1 v1 ln 2  p 2 v 2 ln 2
v1
v1
v1
Hay:
p
p
p
l  RT ln 1  p1 v1 ln 1  p 2 v 2 ln 1
p2
p2
p2
Cơng kỹ thuật của q trình
V
P
l kt  RT ln 1  RT ln 2  1
V1
P2
Trong q trình đẳng nhiệt cơng thay đổi thể tích bằng công kỹ thuật.
Nhiệt lượng trao đổi với môi trường
Lượng nhiệt tham gia vào quá trình được xác định theo định luật nhiệt động

I là: dq = du + dl = di + dlkt , mà trong quá trình đẳng nhiệt dT = 0 nên du = 0
và di = 0, do đó có thể viết:
v
p
q  RT ln 1  RT ln 2
v1
p2
hoặc có thể tính: dq = Tds
hay: q= T(s2 - s1)
Biến thiên entropi của quá trình


Độ biến thiên entrơpi của q trình được xác định bằng biểu thức:
p
v
s  R ln 2  R ln 1
p2
v1
Hệ số biến đổi năng lượng của quá trình
Vì T1 = T2 nên Δu = 0, do đó:
u

0
q
Biểu diễn quá trình trên đồ thị
Quá trình đẳng nhiệt được biểu thị bằng đường cong hypecbol cân 1-2 trên
đồ thị p-v và đường thẳng năm ngang 1-2 trên đồ thị T-s. Trên đồ thị p-v, diện
tích 12p2p1 biểu diễn cơng kỹ thuật, cịn diện tích 12v2v1 biểu diễn cơng thay
đổi thể tích. Trên đồ thị T-s diện tích 12s2s1 biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trong
quá trình đẳng nhiệt.