Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh (Nghề Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh Trình độ Trung cấp, Cao đẳng)

UBND TỈNH BÌNH ĐỊNH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ QUY NHƠN

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC/MƠ ĐUN: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH
NGÀNH/NGHỀ: VẬN HÀNH SỬA CHỮA THIẾT BỊ LẠNH
TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP / CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số: 99 /QĐ-KTCNQN ngày 14 tháng 3 năm2018
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghệ Quy Nhơn

Bình Định


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.


1
LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các ngành kinh tế ngày càng
nhanh, đặc biệt là các ngành kỹ thuật. Trên xu hướng đó thì mục tiêu nâng cao chất
lượng đào tạo nghề, nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường lao động kỹ thuật trong gian
đoạn hội nhập là cần thiết.
Để đáp ứng yêu cầu trên, công tác đào tạo nghề cần được chú trọng và quan
tâm nhiều hơn. Trong đó, việc đổi mới nội dung và phương pháp giảng dạy trong các
trường Cao đẳng, dạy nghề là vơ cùng cần thiết. Qua đó, vấn đề đặt ra là cần biên soạn
mới tài liệu chuyên môn dành cho sinh viên và đội ngũ công nhân kỹ thuật.
Để đáp ứng nhu cầu đó chúng tơi đã biên soạn cuốn tài liệu “ Cơ sở kỹ thuật

nhiệt lạnh“ hướng dẫn cho sinh viên học nghề Vận hành, sửa chữa thiết bị lạnh. Đồng
thời cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho đội ngũ cơng nhân kỹ thuật.
Trong q trình biên soạn giáo trình, chúng tơi đã tham khảo các giáo trình của
các trường Đại học, Cao đẳng... Nhóm biên soạn đã hết sức cố gắng để giáo trình đạt
chất lượng tốt nhất. Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn khơng thế tránh khỏi các
thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý từ các đồng nghiệp, các bạn đọc để giáo trình
được hồn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Lê Đình Chấn


2
MỤC LỤC
Trang
Lời giới thiệu............................................................................................................1
Chương 1: Các khái niệm mở đầu về nhiệt động.....................................................5
1.1. Các khái niệm cơ bản..........................................................................................5
1.1.1.Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động.....................................5
1.1.2.Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái.........................5
1.2. Phương trình trạng thái của chất khí...................................................................8
1.2.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng.........................................................8
1.2.2.Phương trình trạng thái của khí thực.................................................................8
Chương 2: Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của
khí lý tưởng............................................................................................................10
2.1. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công........................................................................10
2.1.1. Nhiệt dung riêng............................................................................................10
2.1.2.Nhiệt lượng.....................................................................................................11
2.1.3. Công..............................................................................................................12
2.2. Định luật nhiệt động I.......................................................................................12
2.2.1. Năng lượng toàn phần của hệ.........................................................................12

2.2.2.Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I..............................................13
2.3. Các q trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng.............................................13
2.3.1. Q trình đẳng tích........................................................................................13
2.3.2. Q trình đẳng áp...........................................................................................14
2.3.3. Q trình đẳng nhiệt......................................................................................15
2.3.4. Quá trình đoạn nhiệt......................................................................................17
2.3.5. Quá trình đa biến...........................................................................................18
Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định................................................................................21
3.1. Định luật Fourier về dẫn nhiệt...........................................................................21
3.2.Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng.....................................................................22
3.2.1.Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp.....................................................22
3.2.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp.................................................24
3.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ.........................................................................26
3.3.1. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ một lớp.........................................................26
3.3.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp......................................................27
Chương 4:Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt...............................................29


3
4.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ.........................................................29
4.1.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp và nhiều lớp.......................................29
4.1.2. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp và nhiều lớp............................................30
4.2. Truyền nhiệt qua vách có cánh.........................................................................31
4.3. Thiết bị trao đổi nhiệt.......................................................................................32
Chương 5: Các nguyên lý làm lạnh và ứng dụng................................................34
5.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật lạnh.............................................................34
5.2. Các phương pháp làm lạnh...........................................................................35
5.3. Vai trò của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật....................................37
Chương 6: Môi chất lạnh – chất tải lạnh.............................................................39
6.1. Môi chất lạnh...............................................................................................39

6.2. Chất tải lạnh.................................................................................................43
6.3. Bảng và đồ thị của mơi chất lạnh.................................................................44
Chương 7: Chu trình máy lạnh một cấp..............................................................47
7.1. Chu trình Carnot ngược chiều......................................................................47
7.2. Chu trình khơ...............................................................................................48
7.3. Chu trình q lạnh và q nhiệt...................................................................50
7.4. Chu trình hồi nhiệt.......................................................................................54
7.5. Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ.............57
Chương 8: Chu trình máy lạnh hai cấp...............................................................58
8.1. Sự cần thiết phải dùng máy nén nhiều cấp...................................................58
8.2. Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian khơng hồn tồn..................58
8.3. Chu trình 2 cấp, 1 tiết lưu làm mát trung gian một phần có hồi nhiệt...............61
8.4. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian khơng hồn tồn..................63
8.5. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu làm mát trung gian hoàn toàn.............................67
8.6. Chu trình 2 cấp, 2 tiết lưu bình trung gian có ống trao đổi nhiệt..................70
CÁC PHỤ LỤC:
1. Bảng tính chất vật lý của amơniắc(NH3) trên đường bão hịa .......................75
2. Bảng hơi bão hịa của amơniắc (NH3).............................................................75
3. Bảng tính chất vật lý của R12 trên đường bão hòa..........................................80
4. Bảng hơi bão hịa của R12...............................................................................80
5. Bảng tính chất vật lý của R22 trên đường bão hòa..........................................85
6. Bảng hơi bão hòa của R22...............................................................................85
7. Bảng hơi bão hòa của R134a..........................................................................90


4
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnh
Mã mơn học: MH 09
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học:

-Vị trí: Mơn học cơ sở kỹ thuật nhiệt lạnhđược bố trí học sau các môn học chung và
học trước các môn học, mô đunchun mơn.
-Tính chất: Là mơn họccơ sởtrong chương trình đào tạo nghề vận hành, sửa chữa thiết
bị lạnh.Môn học này cung cấp các kiến thức về nhiệt động, truyền nhiệt và các chu
trình máy lạnh một cấp, hai cấp
-Ý nghĩa và vai trị của mơn học: Mơn học này cung cấp các kiến thức về nhiệt động,
truyền nhiệt, các đặc tính, tính chất của một số loại mơi chất lạnh và chất tải lạnh
thường gặp,các chu trình máy lạnh một cấp, hai cấp
Mục tiêu của mơn học:
-Về kiến thức:
+Trình bày được các khái niệm, các định luật, các quá trình nhiệt động, các quy luật
dẫn nhiệt và truyền nhiệt
+ Xác định được các thông số trạng thái trong một chu trình nhiệt.
+ Xác định được các quá trình trong một chu trình nhiệt.
+ Trình bày được các tính chất của mơi chất lạnh, chất tải lạnh;
+ Trình bày được các chu trình máy lạnh một cấp, hai cấp và nguyên lý làm
việc;
+ Biểu diễn được các chu trình lạnh trên đồ thị lgp – h
-Về kỹ năng:
+Vận dụng được lý thuyết để tính tốn tổn thất nhiệt trong các thiết bị trao đổi
nhiệt.
+Tính tốn được các thơng số của chu trình nhiệt động.
+ Giải được các bài tập về chu trình máy lạnh 1 cấp và 2 cấp
-Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo.
Nội dung của môn học:
Thời gian (giờ)
Số
Tên chương mục
TT

TS
LT
TH
KT
Chương 1: Các khái niệm mở đầu về nhiệt
1
06
03
03
động
Chương 2: Định luật nhiệt động I và các quá
2
12
06
06
trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
3
Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định
12
05
06
01
Chương 4: Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi
4
09
03
06
nhiệt
Chương 5: Các nguyên lý làm lạnh và ứng
5

06
03
03
dụng
6
Chương 6: Mơi chất lạnh – chất tải lạnh
06
03
03
7
Chương 7: Chu trình máy lạnh một cấp
18
09
09
8
Chương 8: Chu trình máy lạnh hai cấp
21
12
08
01
Tổng cộng
90
44
44
02


5
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT ĐỘNG
Mã chương: MH09 – 01

Thời gian: 06 giờ (LT: 01;TH: 02;Tự học: 03)
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về cơ sở
nhiệt động: các khái niệm nhiệt động cơ bản, thông số của hơi, các chu trình nhiệt
động cũng như quy luật chuyển động của nhiệt động.
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài này người học có khả năng:
- Trình bày được các khái niệm, các thông số trạng thái của nhiệt động lực học.
- Phân tích được các q trình, ngun lý làm việc của máy lạnh và các quy luật truyền
nhiệt nói chung;
- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào
môn học cho học sinh sinh viên.
1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của nhiệt động:
Nhiệt động nghiên cứu các qui luật biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Nhiệt động học
nghiên cứu các hướng có thể xảy ra được của các quá trình vật lý và hóa học.
- 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.
1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giới, trạng thái và thông số trạng thái:
a) Hệ nhiệt động: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 ngồi hệ nhiệt động
được gọi là mơi trường xung quanh. Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt
động với môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của hệ nhiệt động.
Hệ nhiệt động được phân loại như sau :
 Hệ nhiệt động kín– Hệ nhiệt động trong đó khơng có sự trao đổi vật chất giữa hệ
và môi trường xung quanh.
 Hệ nhiệt động hở- Hệ nhiệt động trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi

trường xung quanh.
 Hệ nhiệt động cô lập– Hệ nhiệt động không trao đổi năng lượng và vật chất với
môi trường xung quanh.
 Hệ nhiệt động không cô lập – Hệ nhiệt động có khả năng trao đổi năng lượng và
vật chất với môi trường xung quanh.
 Hệ đoạn nhiệt – Hệ nhiệt động là hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường
xung quanh.
b) Chất môi giới:
Chất môi giới hay môi chất công tácđược sử dụng trong thiết bị nhiệt là chất có vai trị
trung gian trong q trình biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
Thơng số trạng thái của chất môi giớilà các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái
nhiệt động của chất môi giới
c) Các thông số trạng thái của chất môi giới:


6
- Nhiệt độ
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 .
2

mμ . ω
=kT
3
[1-1]
Trong đó: mμ – khối lượng phân tử
ω – vận tốc trung bình của các phân tử
k – hằng số Bonzman , k = 1,3805.105 J/độ
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
C= ( o F−32 )
9
o
C=K−273
5
o
C= . o R−273
9
o

Hình 1.1 Nhiệt kế

- Áp suất
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=

F
A

[1-2]

Theo thuyết động học phân tử :
2

mω
α .n. μ
3
p=

[1-3]

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 ;


7
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:
1 atm = 760 mm Hg (at 0 0C) = 10,13 . 10 4 Pa = 2116 psf (lbf/ft2)
1 at = 2049 psf
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
1) Áp suất khí quyển (p0)– áp suất của khơng khí tác dụng lên bề mặt các vật trên trái
đất.
2) Áp suất dư (pd) – là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển
pd=p–p0

[1-4]

3) Áp suất tuyệt đối (p)– áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối.
p=pd+p

[1-5]

4) Áp suất chân không (pck)– phần áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
pck = p0 – p

[1-6]

Hình 1.2 Các loại áp suất
- 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 :

ν=

V
m

[m3/kg]

[1-7]

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

m
V

[kg/m3]

[1-8]

- 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).


8
- 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. Lượng thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định bằng
các biểu thức: Δu = Cu = Cv(T2– T1)
Đối với 1 (kg) môi chất, nội năng kí hiệu là u, đơn vị là J/kg;
Đối với G (kg) 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
- Entanpy :(i) – là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức :
i = u + p.v
[1-9]
Như vậy, cũng tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm của các thơng số
trạng thái. Đối với khí lý tưởng, entanpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Entropy : (s) là một hàm trạng thái của chất mơi giới
1.2. Phương trình trạng thái của chất khí :
1.2.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng :
- Phương trình trạng thái khi viết cho 1kg khí có dạng :
p.v=R.T
[1-10]
2
Trong đó:
p : áp suất tuyệt đối (N/m )
v: thể tích riêng ( m3/kg)
R: hằng số chất khí (J/kg.độ)
T : nhiệt độ tuyệt đối ( K)
- Phương trình trạng thái đối với G kg khí :
p.v.G=G.R.T→ p.V=G.R.T

[1-11]
Rμ
Trong đó:
R = μ Với Rμ = 8314 (J/kmol.độ)
μ :là khối lượng 1 kmol phân tử (μkk = 29, μoxi = 16,…)
1.2.2. Phương trình trạng thái của khí thực:
- Trong thực tế các khi sử dụng đều là khí thực và việc tính tốn của nó rất phức
tạp.Để thiết lập phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương trình của
khí lý tưởng rồi thêm vào các hệ số điều chỉnh được rút ra từ thực nghiệm.
- Theo Vander Waals phương trình có dạng:
(p +

a
).( v– b) = R.T
v2

[1-12]

a/v2: Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ.
b: Hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử.
a,b: còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo các loại chất khí.
Bài tập: Cho khơng khí có các thơng số trạng thái như sau: áp suất p = 1 bar, nhiệt độ
t = 27 oC. Hãy xác định thể tích của khối khí.
* Để giải bài tập này cần thực hiện các bước sau
Bước 1: Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng ta có:
p.v = R.T
Với p = 1bar = 105 Pa, t = 27 oC = 300K
Trong đó:

9
R μ 8314
=
=287
μ 29

R=
Bước 2: Tính thể tích của khối khơng khí :

v=

R . T 287×300
= 5
=0 , 861(m3 /kg)
p 10

Bước 3: Kết luận
* Thực hành :
Mỗi học sinh làm một bài tập tren giấy trong khoảng thời gian 30 phút
Câu hỏi ơn tập:
1) Hệ nhiệt động là gì? Phân loại hệ nhiệt động.
2) Chất mơi giới là gì ? Nêu các thông số trạng thái của chất môi giới.
3) Trình bày phương trình trạng thái của khí lý tưởng.


10

CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT
ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Mã chương: MH09 – 02

Thời gian: 12 giờ (LT: 02;TH: 04;Tự học: 06)
Giới thiệu:
Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về định luật nhiệt động I
và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng: các khái niệm nhiệt động cơ bản,
thông số trạng thái , các quá trình nhiệt động cũng như quy luật của các hình thức dẫn
nhiệt.
Mục tiêu của bài:
Sau khi học xong bài này người học có khả năng:
- Trình bày được các khái niệm về nhiệt, công, nhiệt dung riêng
- Phát biểu được định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản khí lý
tưởng
- Giải được các bài tốn về nhiệt động của khí lý tưởng
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính tốn
2.1. Nhiệt, nhiệt dung riêng và công:
Nhiệt và công là 2 phương tiện mà môi chất dung để trao đổi năng lượng khi
thực hiện một quá trình.Khi trao đổi năng lượng bằng cơng thì bao giờ cũng kèm theo
một sự chuyển động vĩ mơ, cịn khi trao đổi năng lượng bằng nhiệt thì bao giờ cũng
tồn tại sự chênh lệch về nhiệt độ.
2.1.1. Nhiệt dung riêng:
- 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 (Ca)- Ca là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gram nước tăng từ
14.50C đến 15.5 0C.
- British thermal unit (Btu)- Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 pound
nước tăng từ 59.50F lên 60.50F.
- Joule (J)- [J]

1 Ca = 4.187 J
1 Btu = 252 Ca = 1055 J

Hình 2.1.Các hình thức truyền nhiệt
- Ký hiệu: c (J/kg.độ)


11
- Nếu ta có 1 đơn vị chất mơi giới là 1kg, cần một nhiệt lượng là dq làm cho nó thay
đổi nhiệt độ là dt thì:
- Nếu ta cung cấp cho 1kg chất môi giới nhiệt lượng là q làm cho nó thay đổi nhiệt độ
từ t1 đến t2 thì:
Phân loại nhiệt dung riêng:
Khi lấy đơn vị đo là kg: gọi là nhiệt dung riêng khối lượng. Ký hiệu: c (KJ/kg.độ)
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung
riêng khối lượng đẳng áp.Kí hiệu: cp
- Nếu q trình tiến hành trong điều kiện thể tích khơng đổi, gọi là nhiệt dung
riêng khối lượng đẳng tích.Kí hiệu: cv
Khi lấy đơn vị đo là m 3 tiêu chuẩn: gọi là nhiệt dung riêng thể tích.Kí hiệu: c’ (KJ/
m3tc.độ) m3.tc được đo ở điều kiện: p= 760mmHg, t=0oC
- Nếu quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung
riêng thể tích đẳng áp.Kí hiệu: c’p
- Nếu q trình tiến hành trong điều kiện thể tích khơng đổi, gọi là nhiệt dung
riêng thể tích đẳng tích.Kí hiệu: c’v
Khi lấy đơn vị đo là kmol: gọi là nhiệt dung riêng kmol. Kí hiệu:cμ (KJ/kmol.độ)
- Nếu q trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi, gọi là nhiệt dung
riêng kmol đẳng áp.Kí hiệu: cμp
- Nếu q trình tiến hành trong điều kiện thể tích khơng đổi, gọi là nhiệt dung
riêng kmol đẳng tích.Kí hiệu: cμv
• Chỉ số đoạn nhiệt :

k=

cp
cv

[2-1]

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
.R
k−1
; cp =

k
.R
k−1

[2-2]

Nhiệt dung riêng của khí thực :
Nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và
q trình nhiệt động
• Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng :
Nhiệt dung riêng 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

c [kJ/kmol.K]
c [kJ/kmol. K]
k
μv
μp
Khí 1 nguyên tử
12,6
20,9
1,6
Khí 2 nguyên tử
20,9
29,3
1,4
Khí nhiều nguyên tử
29,3
37,4
1,3
2.1.2. Nhiệt lượng:


12
-

-

Khi 2 vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau thì nội năng của vật
có nhiệt độ cao hơn sẽ tự phát truyền sang vật có nhiệt độ thấp hơn.Số nội năng
được truyền đi gọi là nhiệt lượng.
Kí hiệu: Q (J)
Nhiệt lượng là dạng năng lượng chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi năng

lượng.
Viết cho 1 kg: q =

Q
(J/kg)
G

[2-3]

-

Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
+ Theo nhiệt dung riêng thực:
q = c.(t2 – t1)
[2-4]
+ Theo nhiệt dung riêng quan hệ là đường thẳng:
(t −t )
q= a+ b× 2 1 ×( t 2−t 1 )
2
[2-5]
+ Theo entropy:
q = T.(s2 – s1)
[2-6]
2.1.3. Cơng
Cơng – cịn gọi là cơ năng – là dạng năng lượng hình thành trong q trình biến
đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng. Về trị số, công bằng tích
của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển.

[

]

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). 1 J là công của lực 1N tác dụng trên quãng đường 1 m.
Phân loại cơng:
1) Cơng thay đổi thể tích (l)– cịn gọi là công cơ học – là công do chất môi giới sinh ra
khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén. Cơng thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch
chuyển ranh giới của hệ nhiệt động.
2) Công kỹ thuật (lkt)–là cơng của dịng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất
của chất khí thay đổi.
Qui ước : Công do hệ nhiệt động sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng
lên hệ nhiệt động mang dấu (-).
2.2.

Định luật nhiệt động I

2.2.1. Năng lượng toàn phần của hệ:
Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động gồm:
- Nội năng u;
- Năng lượng đẩy: chỉ có trong hệ hở, đó là năng lượng làm chuyển động dịng mơi
chất;
- Ngoại thế năng: năng lượng do chênh lệch độ cao;
- Ngoại động năng


13
Xét cho 1 kg chất mơi giới, năng lượng tồn phần được xác định theo công thức:
2

2

ω
ω
w =u+d + g . h+
=u + p . v+ g . h+
2
2

[2-7]
Đối với G kg môi chất:

2

ω
W =U + p . V +G . g . h+G.
2

[2-8]
Nếu bỏ qua ngoại thế năng thì:
2

ω
ω
w =u+ p . v +
=i +
2
2
2

W =U + p . V +G .

2

2

[2-9]

ω
ω
=I +G .
2
2

[2-10]
Đối với hệ kín, mơi chất không di chuyển nên năng lượng đẩy, ngoại thế năng và
ngoại động năng bằng 0, khi đó: w =u
2.2.2. Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I
- Năng lượng không tự mất đi cũng không tự tạo ra, mà nó chỉ có thể biến đổi từ dạng
này sang dạng khác trong các q trình lý hóa khác nhau mà thơi.Hay nói cách khác:
tổng năng lượng tồn phần trong hệ cô lập là không đổi.
- Thực chất của định luật nhiệt động thứ nhất là định luật bảo tồn và biến hóa năng
lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt.
Công thức của định luật:
- Trong trường hợp chung khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì hệ sẽ thực hiện
một cơng L và phần cịn lại làm thay đổi nội năng U của vật.
Q = Δu = CU + L
[2-11]
- Viết cho 1kg ta có : q = Δu = Cu + l
[2-12]
2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

2.3.1.1. Q trình đẳng tích: ( v = const )
a) Lý thuyết liên quan:


14
-

Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn q trình đẳng tích
Q trình đẳng tích là q trình thay đổi thơng số trạng của chất mơi giới trong
điều kiện thể tích khơng đổi. ( v = const)
Quan hệ giữa các thông số:
(1)
=> p1.v = R.T1
(2)
=> p2.v = R.T2
T
p
⇒ 2= 2
T 1 p1
[2-13]

+ Độ biến thiên nội năng:
Đối với khí lý tưởng nhiệt dung riêng là hằng số. Ta có nội năng là thơng số trạng thái.
Trong q trình đẳng tích ta có:
Đối với khí lý tưởng ta ln có: Δu = Cu = cv.(T2 – T1) (J/kg)
[2-14]
+ Độ biến thiên entanpy:
Ta có entanpy là khí thơng số trạng thái. Trong q trình đẳng áp ta có
Đối với khí lý tưởng ta ln có: Δu = Ci = cp.(T2 – T1) (J/kg)
[2-15]

+ Độ biến thiên entropy: Δu = Cs (J/kg.độ)
Vì đây là quá trình đẳng tích: v2 = v1
T
p
Δss= c v . ln 2 =c v . ln 2
T1
p1
[2-16]
+ Công thay đổi thể tích: l (J/kg)
Vì là q trình đẳng tích nên: v2 = v1
+ Công kỹ thuật: lkt (J/kg)

=> l=0

l kt =v .( p 1− p 2 ) hay l kt =R .(T 1 −T 2 )
+ Nhiệt lượng: q (J/kg)
Theo định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l
Mà l = 0 => q = Δu = Cu = cv.(T2 – T1)
+ Hệ số biến đổi năng lượng :

αv=

Δsu
q

=1

[2-17]

[2-18]

[2-19]

b) Trình tự thực hiện:
Để giải 1 bài tập về q trình đẳng tích, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính tốn q trình
c) Thực hành :
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào q trình
đẳng tích để giải bài tập.
2.3.2. Q trình đẳng áp: ( p = const )
a) Lý thuyết liên quan :


15

-

Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áp là q trình thay đổi thơng số của chất môi giới trong điều
kiện áp suất không thay đổi. (p = const)
Quan hệ giữa các thông số:
(1)
=> p.v1=R.T1
(2)
=> p.v2=R.T2
T 2 v2
=
=> T 1 v1

[2-20]

+ Độ biến thiên nội năng: Δu = Cu (J/kg)
Δu = Cu = cv.(T2 – T1)
[2-21]
+ Độ biến thiên entanpy: Δu = Ci (J/kg)
Δu = Ci = cp.(T2 – T1)
[2-22]
+ Độ biến thiên entropy: Δu = Cs (J/kg.độ)
T 2 v2
=
Vì q trình đẳng áp có: T 1 v1
T2
T2
v2
Δss=( c v + R ) . ln
= c p . ln
=c p . ln
T1
T1
v1

[2-23]

+ Công giãn nở: l (J/kg)

l= p( v 2−v 1 )=R(T 2−T 1 )
ΔsT=T 2 −T 1=1 K

[2-24]

Khi
Ta có l = R. Ý nghĩa vật lý của hằng số chất khí R: trị số của hằng số chất khí R bằng
cơng của 1kg chất khí thực hiện trong q trình đẳng áp khi nhiệt độ thay đổi 1K.
+ Cơng kỹ thuật: lkt (J/kg)
lkt=0 (vì p = const)
+ Nhiệt lượng: q (J/kg)
Từ định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l
 q= cv.(T2 – T1) + R.(T2 – T1)
 q= cp.(T2 – T1)
[2-25]
+ Hệ số biến hóa năng lượng αp:

c .(T −T )¿ c 1
Δsu
α p= =c v .(T 2−T 1)¿ p 2 1 = v = ¿
q
¿
cp k

Ta có:
b) Trình tự thực hiện :

[2-26]


16
Để giải 1 bài tập về quá trình đẳng áp, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thơng số trạng thái của q trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng

Bước 3 : Tính tốn q trình
c) Thực hành :
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào q trình
đẳng áp để giải bài tập.
2.3.3. Quá trình đẳng nhiệt : ( T = const )
a) Lý thuyết liên quan:

Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn quá trình đẳng nhiệt
- Quá trình đẳng nhiệt là q trình thay đổi trạng thái của chất mơi giới trong
điều kiện nhiệt độ không đổi.
- Quan hệ giữa các thông số :

p
v
( 1) p1 . v 1 =R . T
⇒ 2= 1
p1 v2
( 2) p 2 . v 2=R . T

}

[2-27]

-

Độ biến thiên nội năng:

Δsu=c v .(T 2 −T 1 )=0

-

Độ biến thiên entanpy:

Δsi=c p .(T 2−T 1 )=0

-

( vì T2 = T1 )
Độ biến thiên entropy:

Δu = Cs (J/kg.độ )

T
v
l
Δss= =c v . ln 2 + R . ln 2
T
T1
v1

Vì là quá trình đẳng nhiệt nên:

Δss=R . ln

-

v2
v 1 hay

Δss=R . ln

Công giãn nở: l ( J/kg)

l=R .T . ln

v2
v1

=R .T . ln

T2
cv.ln =0
T1

[2-28]
[2-29]

[2-30]

P1
P2

[2-31]

p1
p2

[2-32]

17

l= p1 . v 1 . ln

-

Hay
Công kỹ thuật:

v2
v1

p2

[2-33]

lkt (J/kg)
p2
p
l kt =−R .T . ln =R . T . ln 1
p1
p2

l kt =R .T . ln

-

= p2 . v 2 . ln

p1

[2-34]

v2
v

1
Hay
Nhiệt lượng: q (J/kg)
Theo định luật nhiệt động I: q = Δu = Cu + l (mà Δu = Cu = 0)

⇒q=l =R . T . ln

v2
v1

=R . T . ln

[2-35]

p1
p2

[2-36]
Vậy trong quá trình đẳng nhiệt nhiệt lượng tham gia vào q trình chỉ dùng để thực
hiện cơng.
- Hệ số biến đổi năng lượng:

α=

Δsu 0
= ⇒ α=0
q q

[2-37]
b) Trình tự thực hiện :
Để giải 1 bài tập về quá trình đẳng nhiệt, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính tốn quá trình
c) Thực hành:
Sinh viên áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng vào q trình
đẳng nhiệt để giải bài tập.
2.3.4. Quá trình đoạn nhiệt: ( s = const)
a) Lý thuyết liên quan:
Quá trình đoạn nhiệt là q trình chất mơi giới tiến hành hồn tồn khơng trao đổi
nhiệt với mơi trường bên ngồi

Hình 2.5.Đồ thị biểu diễn quá trình đoạnnhiệt


18

cp
c
Ta có số mũ đoạn nhiệt: v

=k

[2-38]

- Quan hệ giữa các thơng số đầu và cuối q trình:
+ Quan hệ p, v :

p
v
p1 . v k1 = p2 . v k2 ⇒ 1 = 2
p2 v 1

k

( )

+ Quan hệ v,T :

[2-39]

R .T 1

p1
v1
T v
v
=
= 1 . 2= 2
p2
R .T 2 T 2 v1
v1

k

( )

T
v
⇒ 1= 2
T2
v1

k −1

( )

v2

+ Quan hệ T,p :

T1
p
= 1
T2
p2

[2-40]
k−1
k

v
= 2
v1

k −1

( ) ( )

Độ biến thiên nội năng : Δu = Cu (J/kg)
Δu = Cu = cv.(T2 – T1)
[2-42]
Độ biến thiên entanpy : Δu = Ci (J/kg)
Δu = Ci = cp.(T2 – T1)
[2-43]
Độ biến thiên entropy : Δu = Cs (J/kg.độ)
Δss=0 (vì là quá trình đẳng entropy)
Cơng thay đổi thể tích ( cơng giãn nở) :
Ta có :

[2-41]

l ( J/kg)

1
. p .v −p . v
k−1 ( 1 1 2 2 )
R . T1
p2
R
l=
. ( T 1 −T 2 ) =
. 1−
k−1
k−1

p1
l=

k −1
k

[() ]

[2-44]

Tính cơng theo định luật nhiệt động I ta có :

l=− Δsu=−c v . ΔsT =

R
. T −T
k −1 ( 1 2 )
[2-45]

Công kỹ thuật : lkt (J/kg)

l kt =k ×l

- Nhiệt lượng: q (J/kg)
q=0
b) Trình tự thực hiện:
Để giải 1 bài tập về quá trình đoạn nhiệt, cần thực hiện các bước sau :
Bước 1 : Xác định các thông số trạng thái của quá trình
Bước 2 : Áp dụng phương trình trạng thái cơ bản của khí lý tưởng
Bước 3 : Tính tốn q trình

c) Thực hành: