Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ


GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: NHIỆT KỸ THUẬT
NGHỀ
: VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của
Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022
(Lưu hành nội bộ)


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.

Trang 2


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình NHIỆT KỸ THUẬT được biên soạn theo chương trình khung các nghề
Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết
bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí và Vận hành nhà máy nhiệt điện
của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội. Giáo trình dựa trên sự tham khảo nhiều tài
liệu, sách, giáo trình của cùng mơn học cũng như các môn liên quan khác dành cho các

hệ đào tạo đại học, cao đẳng, đào tạo nghề và trung học chuyên nghiệp trong nước. Các
kiến thức trong toàn bộ giáo trình có mối liên hệ lơgic chặt chẽ. Tuy vậy, giáo trình cũng
chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người
học cần tham khảo thêm các giáo trình có liên quan đối với ngành học để việc sử dụng
giáo trình có hiệu quả hơn.
Giáo trình “Nhiệt kỹ thuật” là tài liệu bắt buộc đối với học viên nghề, Vận hành
thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, và Vận hành nhà máy nhiệt
điện hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề. Nội dung của giáo trình gồm 3 chương:
Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của vật chất ở thể
khí
Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I. Các phương pháp tính nhiệt và cơng
Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II
Giáo trình được biên soạn trên cơ sở người học đã nắm vững các kiến thức về
phần nhiệt trong môn vật lý ở phổ thông, nên không đi sâu vào phần lý luận mà chú ý
nhiều đến phần ứng dụng trong kỹ thuật, phục vụ cho việc học các môn chuyên môn.
Tài liệu này chỉ lưu hành trong nội bộ nhà Trường. Trong q trình biên soạn sẽ
khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được người sử dụng và các đồng nghiệp
đóng góp nhằm làm cho giáo trình ngày một hoàn thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn./.
Bà rịa - Vũng Tàu, tháng 3 năm 2022
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Ths. Phạm Thị Nụ
2. Ths. Nguyễn Thị Thùy
3. Trần Thu Hằng
4. Th.S Nguyễn Văn Hịa
5. Ks. Phạm Cơng Quang
Trang 3


MỤC LỤC

TRANG
LỜI GIỚI THIỆU..........................................................................................................3
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG
THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ .......................................................................12
1.1. THƠNG SỐ TRẠNG THÁI ........................................................................................... 13
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật ...................................................... 13
1.1.2. Hệ nhiệt động ................................................................................................................ 14
1.1.3. Tính chất của thơng số trạng thái .................................................................................. 17
1.2. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ......................................................................................... 19
1.2.1. Khái niệm...................................................................................................................... 19
1.2.2. Các loại quá trình nhiệt động ........................................................................................ 20
1.3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ .............................. 21

CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
NHIỆT VÀ CƠNG ......................................................................................................25
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH NHIỆT LƯỢNG VÀ CƠNG.......................................... 26
2.1.1. Nhiệt lượng ................................................................................................................... 26
2.1.2. Nhiệt dung riêng ........................................................................................................... 29
2.1.3. Các phương pháp tính cơng .......................................................................................... 30
2.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ I .............................................................................. 32
2.2.1. Phát biểu định luật I ...................................................................................................... 32
2.2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I ............................................................. 33
2.2.3. Các q trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng ........................................................ 35
2.2.4. Các q trình có một thơng số bất biến ........................................................................ 36
BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ............................................................................................................ 46

CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II ................................................48
3.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CÁC LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.. 49
3.1.1. Định luật nhiệt động thứ II ........................................................................................... 49
3.1.2. Chu trình thuận chiều.................................................................................................... 50

3.1.3. Chu trình ngược chiều .................................................................................................. 51
3.2. CHU TRÌNH CARNO THUẬN NGHỊCH .................................................................... 52
3.2.1. Chu trình Carno thuận nghịch thuận chiều ................................................................... 52
3.2.2. Chu trình Carno thuận nghịch ngược chiều .................................................................. 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................56

Trang 4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1. Q trình thay đổi trạng thái của hệ nhiệt động ............................................33
Hình 2.2. Trạng thái tiến hành quá trình nhiệt động .....................................................34
Hình 2.3. Biểu diễn q trình nhiệt động trên đồ thị cơng a) và đồ thị nhiệt b) ...........36
Hình 2.4 Đồ thị cơng và đồ thị nhiệt của q trình đẳng tích .......................................37
Hình 2.5. Đồ thị cơng và đồ thị nhiệt của q trình đẳng áp.........................................39
Hình 2.6. Đồ thị cơng và đồ thị nhiệt của q trình đẳng nhiệt ....................................40
Hình 2.7 Đồ thị cơng và đồ thị nhiệt của quá trình đoạn nhiệt .....................................42
Hình 3.1. Biểu diễn chu trình thuận chiều trên đồ thị cơng và nhiệt.............................50
Hình 3.2. Biểu diễn chu trình ngược chiều trên đồ thị cơng và nhiệt ...........................51
Hình 3.3. Biểu diễn chu trình Carnot thuận chiều trên đồ thị cơng và nhiệt .................52

Trang 5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng ...............................29

Trang 6


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
1. Tên mơn học: NHIỆT KỸ THUẬT
2. Mã mơn học: PETR63004
3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học:
3.1. Vị trí: Là mơn học thuộc phần các môn học cơ sở của chương trình đào tạo nghề
Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác
dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp. Môn học này được dạy trước
các môn học, mơ đun chun mơn nghề.
3.2. Tính chất: Mơn học này trang bị những kiến thức cơ bản về thông số trạng thái khí,
các phương pháp tính nhiệt và cơng trong q trình nhiệt động học có liên quan đến
nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan
khai thác dầu khí, nghề sửa chữa bơm quạt máy nén hệ trung cấp.
3.3. Ý nghĩa và vai trị của mơn học
4. Mục tiêu của mơn học:
4.1.

Về kiến thức:

A1. Trình bày được các thơng số trạng thái và phương trình trạng thái.
A2. Trình bày được khái niệm Nhiệt, Cơng và các phương pháp tính tốn.
A3. Trình bày được q trình nhiệt động, nội dung và ý nghĩa của các định luật nhiệt
động.
4.2.

Về kỹ năng:

B1. Phân tích được các Chu trình nhiệt động, chu trình Carno thuận nghịch.

B2. Giải được các bài toán nhiệt động cơ bản.
4.3.

Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

C1. Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ và
khả năng làm việc theo nhóm.
C2. Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trong q trình làm việc.
5. Nội dung của mơn học:
5.1 Chương trình khung
Mã
MH/MĐ/HP

Tên mơn học, mơ đun

Thời gian đào tạo (giờ)
Trong đó
Trang 7


Thi/
Thực
Kiểm
hành/
Số
Tổng
Lý
tra
thí nghiệm/
tín

số
thuyết
bài tập/
chỉ
thảo luận LT TH
Các mơn học chung/ đại cương
Giáo dục chính trị
Pháp luật
Giáo dục thể chất
Giáo dục quốc phịng và An ninh
Tin học
Tiếng Anh
An tồn vệ sinh lao động
Các môn học, mô đun chuyên
II
môn ngành, nghề
II.1
Môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở
MECM52003 Vẽ kỹ thuật - 1
ELEI53011 Điện kỹ thuật 2
AUTM52111 Cơ sở điều khiển quá trình
PETR52002 Nhiệt kỹ thuật
Môn học, mô đun chuyên môn
II.2
ngành, nghề
Cơ sở q trình và thiết bị trong
PETR63004
cơng nghệ hóa học
PETR53005 Sản phẩm dầu mỏ
PETR56107 Vận hành máy thuỷ khí I

PETR64108 Vận hành máy thuỷ khí II
Vận hành hệ thống đường ống và
PETR56109
bể chứa
PETR62110 Vận hành thiết bị tách dầu khí
PETR53111 Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt
PETR62114 Kỹ thuật phòng thí nghiệm
Vận hành phân xưởng chưng cất
PETR56115
dầu thơ
Vận hành phân xưởng chế biến
PETR56116
dầu I
Vận hành phân xưởng chế biến
PETR64117
dầu II
Vận hành các phân xưởng chế
PETR56118
biến khí
PETR54219 Thực tập sản xuất
PETR66220 Khóa luận tốt nghiệp
Tổng Cộng:

I
COMP64002
COMP62004
COMP62008
COMP64010
COMP63006
FORL66001

SAEN512001

23
4
2
2
4
3
6
2

465
75
30
60
75
75
120
30

183
41
18
5
36
15
42
26

257

29
10
51
35
58
72
2

17
5
2
0
2
0
6
2

8
0
0
4
2
2
0
0

70

1825

530

1180

36

79

9
2
3
2
2

165
45
45
45
30

93
15
36
14
28

63
28
6
29

0

6
0
3
1
2

3
2
0
1
0

61

1660

437

1117

30

76

3

45

42

0

3

0

3
6
4

45
150
100

42
28
28

0
106
66

3
2
2

0
14

4

6

150

28

106

3

13

2
3
2

45
75
45

14
21
13

29
50
30

1
2
1

1
2
1

6

145

42

94

3

6

6

145

42

94

3

6

4

100

28

66

2

4

6

150

36

108

2

4

4
6
93

195
270
2290

45
28
713

138
230
1437

3
0
53

9
12
87

5.2 Chương trình chi tiết mơn học
Trang 8


Thời gian (giờ)
Số

Tên chương, mục

TT

Chương 1. Một số khái niệm cơ bản và
1

Tổng

Lý

Thực

Kiểm

số

thuyết

hành

tra

11

10

1

11

11

0

8

7

1

30

28

phương trình trạng thái của vật chất ở
thể khí
Chương 2. Định luật nhiệt động thứ

2

nhất. Các phương pháp tính nhiệt và
cơng

3

Chương 3. Định luật nhiệt động thứ 2
Cộng

28

2

6. Điều kiện thực hiện mơn học:
6.1. Phịng học Lý thuyết/ Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn
6.2. Trang thiết bị dạy học: Projector, máy vi tính, bảng, phấn
6.3. Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình học tập,…
6.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án
khắc phục và phòng ngừa rủi ro tại doanh nghiệp.
7. Nội dung và phương pháp đánh giá:
7.1. Nội dung:
- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp.
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập
7.2. Phương pháp:
Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau:
Trang 9


7.2.1. Cách đánh giá
- Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thơng tư
số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh
và Xã hội.
Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Dầu khí như
sau:
Điểm đánh giá
+ Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1)
+ Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2)
+ Điểm thi kết thúc môn học

Trọng số
40%
60%

7.2.2. Phương pháp đánh giá
Phương pháp
đánh giá

Phương pháp
tổ chức

Hình thức
kiểm tra

Chuẩn đầu ra
đánh giá

Số
cột

Thời điểm
kiểm tra

Thường xuyên

Viết/

Tự luận/

A2, B2,

1

Sau 21 giờ.

Thuyết trình

Trắc nghiệm/

C1, C2

1

Sau 10 giờ

Trắc nghiệm/ A3, B1, B2, C1, C2
Báo cáo

1

Sau 30 giờ

Trắc nghiệm

1

Sau 30 giờ

Báo cáo

Định kỳ

Viết/
Thuyết trình

Kết thúc mơn
học

Viết

Tự luận/

A1, B2, C1, C2

A1, A2, A3
B1, B2,
C1, C2

7.2.3. Cách tính điểm
- Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang
điểm 10 (từ 0 đến 10), làm trịn đến một chữ số thập phân.
- Điểm mơn học là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần của môn học
nhân với trọng số tương ứng. Điểm mơn học theo thang điểm 10 làm trịn đến một chữ
số thập phân, sau đó được quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy
định của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ.
8. Hướng dẫn thực hiện môn học
8.1. Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Cao đẳng Dầu khí
Trang 10

8.2. Phương pháp giảng dạy, học tập môn học
8.2.1. Đối với người dạy
* Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình ngắn, nêu
vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận….
* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra.
* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra.
* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân cơng các thành viên trong nhóm
tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày
nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm.
8.2.2. Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:
- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được
cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...)
- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số
tiết lý thuyết phải học lại mơn học mới được tham dự kì thi lần sau.
- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc
theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 8-10 người học sẽ được cung cấp chủ
đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về
1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân cơng để phát triển và hồn thiện
tốt nhất tồn bộ chủ đề thảo luận của nhóm.
- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ.
- Tham dự thi kết thúc môn học.
- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học.
9. Tài liệu tham khảo:
[1] PGS.TS Phạm Lê Dần – GS. TSKH Đặng Quốc Phú, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB
Khoa học và kỹ thuật. 2015
[2] PGS.TS Bùi Hải, PGS.TS Trần Thế Sơn, Nhiệt kỹ thuật, NXB Khoa học và kỹ thuật.
[3] PGS.TS. Phạm Hữu Tân Hiệu đính: PGS.TS. Trần Hồng Hà, Nhiệt kỹ thuật, NXB
Hàng Hải.

Trang 11

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH
TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ
❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1
Chương 1 là chương giới thiệu bức tranh tổng quan về một số nội dung cơ bản thông
số trạng thái và phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí để người học có được
kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo.
❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG NÀY LÀ:
Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:
➢ Về kiến thức:
- Trình bày được những khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái khí.
➢ Về kỹ năng:
- Áp dụng được trình trạng thái khí vào giải các bài tập trong nhiệt kỹ thuật.
➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ và
khả năng làm việc theo nhóm.
❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1
-

Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng,
vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và
bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm).

-

Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học;
hồn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân
hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1
-

Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Khơng

-

Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

-

Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu
tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.

-

Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1
-

Nội dung:

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 12


✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập.
-

Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xun: khơng có.
✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra (hình thức tự luận/trắc nghiệm)
❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 1
1.1. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học kỹ thuật
Nhiệt động lực học là 1 bộ phận của vật lý học, nghiên cứu những quy luật về biến
đổi năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng và các biện pháp nhằm nâng cao
hiệu quả của các sự biến đổi đó.
Cơ sở của nhiệt động lực học là 2 định luật thực nghiệm:
- Định luật nhiệt động thứ nhất: Đây là định luật về bảo toàn và biến hóa năng lượng
(cơng, nhiệt lượng, các dạng năng lượng khác như động năng, thế năng) trong phạm
vi nhiệt động.
- Định luật nhiệt động thứ 2: Chỉ ra chiều hướng diễn biến của các quá trình, thiết
lập giới hạn tối đa của biến hóa năng lượng từ nhiệt sang cơng trong các động cơ nhiệt,
nêu lên điều kiện để thực hiện những quá trình ngược với chiều tự phát.
Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi nhiệt động lực học còn gọi là hệ thống nhiệt
động. Bên trong hệ thống này nhất định phải có chất cơng tác mà ta gọi là chất môi giới.
Khi hệ thống hoạt động, trạng thái của chất mơi giới phải có sự thay đổi. Nhờ đó làm
xuất hiện sự trao đổi công và nhiệt lượng giữa chất mơi giới và mơi trường. Hay nói
cách khác chính sự trao đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường làm
cho trạng thái của chất môi giới bị thay đổi.

Tùy theo hướng chuyển động của nhiệt lượng mà người ta chia các máy nhiệt ra
thành 2 loại: Loại thuận chiều (năng lượng được truyền theo chiều thuận từ nơi có nhiệt
Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 13


độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp), loại ngược chiều (năng lượng được truyền theo chiều
ngược lại từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao)
Các máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều được gọi chung là động cơ nhiệt,
đây là chiều truyền nhiệt tự nhiên nên ta nhận được cơng có ích.
Các máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều gọi là bơm nhiệt hay máy làm
lạnh, đây là chiều truyền nhiệt không tự nhiên nên ta phải tốn công.
1.1.2. Hệ nhiệt động
a.

Hệ thống nhiệt động

Là khoảng khơng gian trong đó có chứa 1 lượng nhất định chất môi giới đang được
khảo sát bằng các biện pháp nhiệt động. Còn tất cả những gì khơng nằm trong hệ thống
và khơng thuộc phạm vi khảo sát gọi chung là môi trường. Giữa chất môi giới và môi
trường luôn luôn tồn tại bề mặt ngăn cách. Bề mặt này có thể là bề mặt thật hoặc tưởng
tượng, có thể đứng yên hoặc chuyển động và có thể thay đổi tùy thuộc vào mục đích
nghiên cứu cụ thể nào đó.
Bất kỳ hệ thống nhiệt động nào cũng phải có: Chất mơi giới, nguồn nóng, nguồn
lạnh.
➢ Hệ thống nhiệt động kín:
Lượng chất mơi giới bên trong hệ thống được duy trì khơng đổi, chất mơi giới không
thể đi xuyên qua bề mặt ngăn cách giữa hệ thống và mơi trường. Ví dụ: máy lạnh
➢ Hệ thống nhiệt động hở:

Chất mơi giới có thể đi vào, đi ra khỏi hệ thống, có nghĩa là chất mơi giới có thể đi xun
qua bề mặt ranh giới. Ví dụ: Động cơ đốt trong, động cơ phản lực, tua bin khí.
➢ Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt:
Chất mơi giới và mơi trường khơng có sự trao đổi nhiệt, có nghĩa là trong q trình hoạt
động thì chất mơi giới hồn tồn khơng nhả nhiệt ra mơi trường cũng như khơng nhận
nhiệt từ môi trường.
➢ Hệ thống nhiệt động cô lập:
Chất mơi giới và mơi trường hồn tồn khơng bất kỳ sự trao đổi nhiệt lượng nào có
nghĩa là hệ thống khơng có sự trao đổi nhiệt và cơng với mơi trường.
b.

Nguồn nhiệt

Bao gồm: nguồn nóng và nguồn lạnh (xét cùng 1 hệ thống, nguồn nào có nhiệt độ
cao hơn là nguồn nóng, và nguồn nào có nhiệt độ thấp hơn là nguồn lạnh)

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 14


Do ý nghĩa tương đối này nên với cùng 1 nguồn, có thể đối với hệ thống này nó là
nguồn nóng cịn đối với hệ thống khác nó là nguồn lạnh. Ví dụ: Đối với động cơ đốt
trong, mơi trường khơng khí xung quanh là nguồn lạnh; cịn trong tủ lạnh thì mơi trường
khơng khí xung quanh là nguồn nóng.
c.

Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy làm lạnh

➢ Động cơ nhiệt:

Là loại máy nhiệt dùng để sinh công.
Trong các loại máy này, chất môi giới sẽ vận
chuyển nhiệt lượng theo chiều thuận từ nguồn
nóng đến nguồn lạnh và giãn nở sinh cơng.
Ví dụ: động cơ đốt trong, động cơ phản lực,
thiết bị động lực hơi nước, các loại tuabin.
Gọi Q1: nhiệt lượng mà chất mơi giới nhận
được từ nguồn nóng
Q2: nhiệt lượng mà chất môi giới nhả ra
cho nguồn lạnh
W: công sinh ra
Quy ước chung:

Q (+): nhận nhiệt
Q (-): tỏa nhiệt
W (+): sinh công
W (-): nhận công

Theo định luật bảo toàn năng lượng:
Q1 = |Q2| + W
Hiệu suất nhiệt (mức độ biến đổi từ nhiệt sang công)
=

Q
W Q1 − Q2
=
= 1− 2
Q1
Q1
Q1

Nếu tính theo 1 đơn vị khối lượng của chất mơi giới, ta có:

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 15


=

Nhận xét:

q
w
= 1− 2
q1
q1

0 < ƞ <1

Bơm nhiệt, máy làm lạnh
Bơm nhiệt và máy làm lạnh đều là loại máy
nhiệt nhận cơng từ bên ngồi để vận chuyển nhiệt
lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn
nóng
Gọi Q1: nhiệt lượng mà chất mơi giới nhả ra cho
nguồn nóng
Q2: nhiệt lượng mà chất môi giới nhận vào từ nguồn lạnh
W: công nhận vào
Ta có:

|Q1| = Q2 + |W|

+ Hệ số làm nóng (dùng để đánh giá tính hiệu quả của bơm nhiệt): φ
=

Q1
Q1
=
W Q1 − Q2

+ Hệ số làm lạnh (dùng để đánh giá hiệu quả của các loại máy lạnh): ε
=

Q2
Q2
=
W Q1 − Q2

Tính theo 1 đơn vị của chất môi giới
=

d.

q1
q1 − q2

;

=

q2
q1 − q2

Chất môi giới

Là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các hệ
thống nhiệt động.
Ví dụ: Tuabin khí, động cơ đốt trong: sản phẩm cháy của nhiên liệu;
Động cơ hơi nước: hơi nước
Hệ thống lạnh: ammonia, freon (tác nhân lạnh)
Hệ thống sấy: tác nhân sấy
Chất mơi giới có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí, hơi. Thường gặp chất mơi giới ở
trạng thái khí và hơi

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 16


Nếu chất mơi giới được xem là khí, ta sẽ giải quyết vấn đề 1 cách đơn giản hơn
thông qua các công thức bằng cách đưa ra 1 khái niệm mới là khí lý tưởng. Ta gọi 1 chất
mơi giới ở thể khí là khí lý tưởng nếu nó thỏa mãn các điều kiện sau
−

Thể tích bản thân các phân tử bằng 0

−

Lực tương tác giữa các phân tử bằng 0

−

Các phân tử chỉ là những chất điểm chuyển động

Có thể xem oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước có trong khơng khí ẩm… ở
trạng thái thường gặp là khí lý tưởng.
Hơi nước trong thiết bị động lực hơi nước, tác nhân lạnh trong các hệ thống lạnh
… không được xem là khí lý tưởng.
1.1.3. Tính chất của thơng số trạng thái
Các thông số dùng để xác định trạng thái của chất môi giới gọi là thông số trạng thái.
Để xác định 1 trạng thái nào đó của chất mơi giới, người ta phải dùng ít nhất 2 thơng số
trạng thái độc lập với nhau.
Nhiệt độ
Nhiệt độ là thông số biểu thị mức nóng lạnh của mơi chất, chính nhiệt độ là yếu tố
quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt, có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau:
1. Thang nhiệt độ bách phân - Celcius (oC). Thang nhiệt độ này được xây dựng trên
cơ sở 2 điểm mốc: điểm nước đá tan và điểm nước sôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn.
Nhiệt độ tương ứng của 2 điểm này được chọn là 0oC và 100oC
2. Thang nhiệt độ tuyệt đối Kenvin (oK), được xây dựng trên cơ sở định luật nhiệt
động thứ 2, độ chênh lệch nhiệt độ giữa oC và oK được chọn bằng nhau.
Trong hệ thống SI, nhiệt độ Kenvin được chọn là cơ sở trong các phép tính nhiệt
động
3. Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine (oR). Về mặt trị số, điểm không của thang nhiệt
độ tuyệt đối Kenvin và Rankine được chọn trùng nhau.
4. Thang nhiệt độ Fahrenheit (oF)
Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:
5

5

ToC = TK – 273 = (toF - 32) = ToR – 273
9

9

Chú ý: - Dụng cụ đo nhiệt độ gọi chung là nhiệt kế. Để đo nhiệt độ người ta dựa vào
các tính chất vật lý của vật thay đổi theo nhiệt độ. Ví dụ: dựa vào sự giãn nở của chất
lỏng theo nhiệt độ ta có nhiệt kế chất lỏng (thủy ngân, rượu,…) dựa vào điện trở phụ
Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 17


thuộc vào nhiệt độ ta có nhiệt kế điện trở, dựa vào hiệu ứng nhiệt điện ta có nhiệt kế cập
nhiệt.
Áp suất
Áp suất là lực của môi chất tác động thẳng góc lên 1 đơn vị diện tích bề mặt tiếp
xúc :
P = F/A
(N/m2 = 1 Pa)
-

Quan hệ giữa các đơn vị thường gặp:
1 kPa = 103 Pa;
1Pa = 1N/m2 =

1 Mpa = 106 Pa
1

9,81

mmH2O =

1

133,32

mmHg = 10-5bar

1 bar = 105 Pa = 750 mmHg = 14500 psi = 1kg/cm2
1 at = 0,98 bar = 10 mH2O = 735,5 mmHg
Ta chia ra:
- Áp suất tuyệt đối (p): Độ chênh lệch giữa áp suất của 1 mơi trường nào đó so với
chân khơng tuyệt đối.
- Áp suất khí quyển (po): áp suất của khí trời (ở trên mặt đất). Đo áp suất khí quyển
bằng barometer (áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao so với mặt biển)
- Áp suất dư (pd): độ chênh lệch giữa áp suất môi trường và áp suất khí quyển (áp
suất mơi trường > áp suất khí quyển). Đo áp suất dư bằng manometer (áp kế).
- Áp suất chân không (độ chân không: pck): độ chênh lệch giữa áp suất mơi trường
và áp suất khí quyển (áp suất mơi trường < áp suất khí quyển). Đo độ chân không bằng
vacummeter (chân không kế)
Chú ý: - Chỉ có áp suất tuyệt đối mới được coi là thơng số trạng thái (do đó trong
các bảng tính chất nhiệt động của khí và hơi đều cho theo áp suất tuyệt đối)
Thể tích riêng và khối lượng riêng
Một vật có khối lượng G kg, thể tích V m3 thì có khối lượng riêng là:
=

G
V

(kg/m3)

và thể tích riêng là:
=

V 1
=
G 

(m3/kg)

Nội năng (U)
Nội năng của một vật là toàn bộ năng lượng bên trong vật đó, gồm nội nhiệt năng,
hóa năng và năng lượng nguyên tử.
Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 18


Đơn vị đo là: kJ, kcal, kwh, BTU (British Thermal Unit), CHU (Centigrade Heat
Unit)
1kJ = 0,293 kcal = 277,78. 10-6 kWh = 0,948 BTU = 0,527 CHU
Ở trạng thái cân bằng ta có:

U = G.u

Trong đó: - U (kJ): nội năng tương ứng với khối chất mơi giới có khối lượng G (kg)
- u (kJ/kg): nội năng tính theo 1 kg chất mơi giới.
Entanpi (I), (i)

Khi tính tốn và phân tích về nhiệt, thường gặp biểu thức (u + pν), để đơn giản ta
kí hiệu bằng i hay I và gọi là entanpi, trong đó u là nội năng, pν là thế năng áp suất hoặc
năng lượng đẩy (là năng lượng tạo ra cơng lưu động để đẩy dịng lưu chất dịch chuyển
trong trường hợp hệ hở).
Đối với 1 kg mơi chất, ta có:

i = u + pν

Đối với G kg mơi chất, ta có:

I = G.i = G (u + pν)

Vì u, p, ν đều là thơng số trạng thái nên I cũng là thông số trạng thái. Đối với khí
lý tưởng u và pν chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên i cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Entanpi là loại thông số trạng thái không trực tiếp đo được mà phải tính tốn thơng
qua các thơng số trạng thái cơ bản là u, p...
Đối với khí lý tưởng, do lực tương tác giữa các phần tử xem như bằng 0 nên entanpi
của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nghĩa là I = f(T). Trong mọi quá trình,
entanpi được xác định bằng:
di = cpdT

và

Δi = cp (T2 – T1)

Đơn vị đo: kJ, kcal, kwh.
Entropi (S), (s)

Entropi là một thông số trạng thái, đặc trưng cho quá trình nhận nhiệt hoặc thải
nhiệt : nhận nhiệt thì entropi tăng, thải nhiệt thì entropi giảm.

1.2. Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1.2.1. Khái niệm
Pha: được dùng để biểu diễn 1 khối chất mơi giới có cùng cấu trúc vật lý (rắn. lỏng,
hơi hay khí) và thành phần hóa học.
Khi cấp nhiệt hoặc thải nhiệt, tất cả các môi chất đều thay đổi trạng thái và chuyển
pha ở áp suất và nhiệt độ khác nhau:

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 19


- Nóng chảy: là q trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và quá trình ngược lại
chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là đông đặc. Môi chất nhận nhiệt khi nóng chảy và
thải nhiệt khi đơng đặc.
- Hóa hơi: là q trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại chuyển từ
pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ. Môi chất nhận nhiệt khi hóa hơi và thải nhiệt khi
ngưng tụ.
Tùy điều kiện khác nhau, q trình hóa hơi có thể chia ra làm 2 q trình bay hơi và
q trình sơi. Q trình bay hơi chỉ xảy ra trên mặt thống, cịn q trình sơi xảy ra ở cả
khối mơi chất. Nhiệt độ ở q trình hóa hơi hoặc ngưng tụ gọi là nhiệt độ bão hịa (hoặc
nhiệt độ sơi). Nhiệt độ bão hòa phụ thuộc vào áp suất. Nước ở áp suất khí quyển có nhiệt
độ bão hịa (nhiệt độ sơi) xấp xỉ 100oC.
- Thăng hoa: là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi và ngược lại quá trình
chuyển từ pha hơi sang pha rắn gọi là quá trình ngưng kết. Môi chất nhận nhiệt khi thăng
hoa và thải nhiệt khi ngưng kết.
Trong 1 chu trình ln ln có q trình nhận nhiệt từ nguồn này, nhả nhiệt cho
nguồn kia và kèm theo q trình nhận hoặc sinh cơng. Do đó, trong 1 chu trình nhiệt
động ít nhất phải có: 1 nguồn nóng, 1 nguồn lạnh và chất mơi giới.
1.2.2. Các loại quá trình nhiệt động

Trong nhiệt động lực học, khơng những chúng ta chỉ xét q trình nói chung mà ta
cần chú ý đến cả chiều diễn biến của quá trình. Vì thế dưới đây ta sẽ xét khái niệm q
trình thuận nghịch và q trình khơng thuận nghịch.
Q trình thuận nghịch là quá trình diễn biến theo cả hai chiều, trong đó nếu lúc
đầu q trình diễn ra theo một chiều nào đó (chiều thuận) rồi sau lại diễn ra theo chiều
ngược lại để trở về trạng thái ban đầu thì hệ đi qua mọi trạng thái giống như lúc hệ diễn
biến theo chiều thuận và khi hệ đã trở về trạng thái ban đầu thì khơng gây ra một biến
đổi gì cho ngoại vi.
Mọi quá trình thuận nghịch đều là q trình chuẩn cân bằng. Ta có thể biểu diễn
quá trình thuận nghịch trên đồ thị bằng một đường cong liền nét như đối với quá trình
chuẩn cân bằng.
Mọi quá trình thực do diễn biến nhanh hoặc vì bao giờ cũng có sự tỏa nhiệt do ma
sát nên chúng đều khơng phải là q trình thuận nghịch. Trong trường hợp này khi hệ
trở lại trạng thái ban đầu thì quá trình đã gây ra một sự biến đổi cho ngoại vi và quá trình
bao gồm một dãy các trạng thái khơng cân bằng. Những q trình này gọi là q trình
khơng thuận nghịch. Nếu chúng xảy ra càng chậm và càng ít ma sát thì chúng càng gần

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và PTTT của vật chất ở thể khí

Trang 20