Giáo trình nhiệt động lực học kỹ thuật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

GVC.ThS. LÊ KIM DƯỢNG


GIÁO TRÌNH BÀI GIẢNG



MÔN HỌC:

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT





Tháng 1 năm 2005
1
MỤC LỤC
Chương 1: Những khái niệm cơ bản.




1.1: Nguyên lý làm việc của máy nhiệt.

1.2: Hệ nhiệt động và phân loại

1.3: Chất môi giới

1.4: Trạng thái và thông số trạng thái nhiệt động
1.4.1: Thông số trạng thái.
1.4.2: Phương trình trạng thái.
Chương 2: Chất môi giới.

2.1: Đònh nghóa
2.2: Hổn hợp khí lý tưởng.
2.2.1: Đònh luật Gip – Dalton.
2.2.2: Biểu thò thành phần hỗn hợp.
2.2.3: Xác đònh các đại lượng của hỗn hợp.
2.2.4: Phân áp suất thành phần.
2.3: Khí thực.
2.3.1: Khái niệm.
2.3.2: Quá trình hoá hơi đẳng áp (hơi nước ).
2.3.3: Phương pháp xác đònh thông số trạng thái của hơi.
2.4: Không khí ẩm.

2.4.1: Đònh nghóa.
2.4.2: Phân loại.
2.4.3: Các thông số đặc trưng của không khí ẩm.
2.4.4: Đồ thò i-d của không khí ẩm.
Chương 3: Nhiệt và công.
3.1: Quá trình nhiệt động.
3.2: Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng.
3.2.1: Đònh nghóa nhiệt dung riêng.
3.2.2: Phân loại.

3.2.3: Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ.
3.2.4: Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng.

3.2.5: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng.



5

5
5
6
6
6
9
11
11
11
11
12
13
15
15
15
16
18
21
21
21
22
24
27
27

27
27
27
28
29
30

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
2
3.3: Các loại công.
3.3.1: Công thay đổi thể tích.
3.3.2: Công kỹ thuật.
Chương 4:Đònh luật nhiệt động thứ nhất.
4.1: Nội dung,ý nghóa đònh luật.
4.2: Phương trình đònh luật nhiệt động thứ nhất.

4.2.1: Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát.
4.2.2: Phương trình đònh luật thứ nhất cho hệ kín và hở.

4.2.3: Phương trình đònh luật thứ nhất quá trình lưu động.
4.2.4: Phương trình đònh luật thứ nhất đối với quá trình hổn hợp.
4.3: ng dụng đònh luật thứ nhất để tính biến thiên các hàm trạng thái và các
thông số quá trình.
4.3.1: Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng.
4.3.2: Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực.
Chương 5: Các quá trình nhiệt động của khí và hơi.

5.1: Qúa trình nén khí hoặc hơi.

5.1.1: Khái niệm.
5.1.2: Quá trình nén khí trong máy nén piston một cấp
5.1.3: Quá trình nén khí trong máy nén piston nhiều cấp.

5.2: Quá trình lưu động .
5.2.1: Khái niệm.
5.2.2: Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình lưu động.
5.2.3: Các công thức cơ bản của quá trình lưu động.
5.2.4: Sự phụ thuộc hình dạng ống dẫn vào tốc độ khi lưu động.
5.3: Quá trình tiết lưu.
5.3.1: Khái niệm và đặc điểm quá trình tiết lưu.
5.3.2: Hiệu ứng Joule-Thomson.
Chương 6: Đònh luật nhiệt động thứ hai.
6.1: Chu trình nhiệt động.
6.1.1: Đònh nghóa về chu trình.
6.1.2: Chu trình thuận chiều.

6.1.3: Chu trình nghòch chiều.
6.1.4: Công của chu trình.
6.1.5: Hiệu suất nhiệt,hệ số làm lạnh,hệ số bơm nhiệt.
31

31
31
33
33
33
33
33
34

34

35
35
43
46
46
46
46
49
53
53
53
55
58
61
61
62
63
63
63
63
63
63
64

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
3

6.1.6: Chu trình Carnot.


6.2: Đònh luật nhiệt động thứ hai.
6.2.1: Nội dung và cách phát biểu.
6.2.2: Độ biến thiên entropy của hệ nhiệt động.
6.3: Exergy.

6.3.1: Khái niệm.
6.3.2: Các biểu thức về exergy.
Chương 7: Chu trình thuận chiều.
7.1: Đònh nghóa và phân loại.
7.2: Chu trình động cơ đốt trong (kiểu piston).
7.2.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích.
7.2.2: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp.
7.2.3: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp.
7.2.4: So sánh hiệu suất nhiệt.

7.3: Chu trình turbine khí.
7.3.1: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp.
7.3.2: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt.
7.3.3: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích.
7.3.4: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt.
7.4: Chu trình động cơ phản lực.
7.4.1: Chu trình động cơ phản lực trực lưu.
7.4.2: Chu trình động cơ phản lực turbine máy nén.
7.4.3: Chu trình tên lửa.
7.5: Chu trình động lực thiết bò hơi nước.
7.5.1: Chu trình Carnot khí thực.(hơi nước)

7.5.2: Chu trình Rankine.
7.5.3: Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình khí thực
7.5.4: Chu trình quá nhiệt trung gian.
7.5.5: Chu trình hồi nhiệt.
7.5.6: Chu trình ghép.
7.5.7: Chu trình cấp nhiệt cấp điện.



65

67
67
67
69
69
69
71
71
71
72
74
76
77
79
79
81
83
85
86

86
87
89
91
91
92
94
96
97
100
102


Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
4
Chương 8: Chu trình ngược chiều.



8.1: Đònh nghóa và phân loại.
8.1.1: Đònh nghóa.
8.1.2: Phân loại.
8.2: Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng không khí.
8.3: Chu trình máy lạnh dùng hơi.

8.3.1: Chu trình máy lạnh có máy nén.
8.3.2: Chu trình máy lạnh éjecteur.
8.3.3: Chu trình máy lạnh hấp thụ.

Bài tập.
Bảng.
Đồ thò.



104

104
104
104
105
107
107
109
111
113
117
132





Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 5
CHƯƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT
Máy nhiệt là thiết bò thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt năng và cơ
năng ở hai nguồn nóng (T
1
) và lạnh (T
2
).
Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ nhiệt và nhóm máy lạnh,
bơm nhiệt.
Động cơ nhiệt:
Gồm máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ phản lực, turbine
hơi, turbine khí,… loại này làm việc theo nguyên lý chất môi giới nhận nhiệt (Q
1
) từ
nguồn nóng ( quá trình cháy nhiên liệu), kế đến là giãn nỡ để biến một phần nhiệt
thành công (L
0
), sau đó chất môi giới nhả phần nhiệt (Q
2
) cho nguồn lạnh. Q
1
- Q
2
 =
L
0 .

Máy lạnh và bơm nhiệt
: Làm việc theo nguyên lý máy tiêu hao năng lượng L

0
,
chất môi giới nhận nhiệt (Q
2
) từ nguồn lạnh để làm lạnh vật, rồi truyền (Q
2
) và (L
0
)
cho nguồn nóng. Máy lạnh sử dụng nhiệt (Q
2
) để làm lạnh vật còn bơm nhiệt sử dụng
(Q
1
) để sưởi ấm hoặc sấy.
Nhiệt và công là các dạng năng lượng là các đại lượng vật lý phụ thuộc
vào quá trình.
Qui ước
: Nhiệt nhận Q > 0
Nhiệt nhả Q < 0
Công sinh ra L > 0
Công tiêu hao L < 0
Đơn vò
: 1cal = 4,18 J
1 Btu = 252 cal (British Thermal Unit)
1 Btu/h = 0,3 W.
1.2: HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI .
Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách ra để nghiên cứu những tính
chất nhiệt động của nó. Hệ nhiệt động bao gồm :
a/ Hệ kín và hệ hở

:
Đối với hệ kín chất môi giới không bao giờ đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn
cách giữa hệ thống với môi trường, khối lượng chất môi giới xem là không đổi. (môi
chất trong máy lạnh…).
Ngược lại hệ thống hở chất môi giới có thể vào và ra khỏi hệ thống. (động cơ
đốt trong, động cơ phản lực, động cơ turbine…).
b/ Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt:
Một hệ thống được gọi là cô lập khi hoàn toàn không trao đổi năng lượng nào
(nhiệt và cơ năng) giữa chất môi giới và môi trường.
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 6
Nếu giữa hệ và môi trường chỉ không có sự trao đổi nhiệt mà thôi thì gọi là hệ
đoạn nhiệt.
1.3: CHẤT MÔI GIỚI.
Chất môi giới (CMG)là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biến về
năng lượng.
Chất môi giới được sử dụng trong nhiệt động thường ở dạng khí hoặc hơi. (chất
môi giới được xem là ở dạng khí khi các thông số thường gặp ở xa trạng thái bão hòa,
loại này nhiệt độ tới hạn thấp. Ngược lại chất môi giới được gọi là dạng hơi.)
Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ở dạng khí được chia làm hai loại: Khí
lý tưởng và khí thực.
Chất khí được xem là khí lý tưởng khi hội đủ 2 yếu tố :
- Thể tích bản thân phân tử khí bằng không.
- Lực tương tác giữa các phân tử cũng bằng không.
Còn lại được gọi là khí thực.
1.4: TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI .
Trạng thái là tập hợp các đại lượng xác đònh tính chất vật lý của chất môi giới
tại thời điểm nào đó. Các thông số dùng để xác đònh trạng thái của chất môi giới được

gọi là thông số trạng thái, ở mỗi trạng thái xác đònh thì thông số trạng thái cũng có
những giá trò xác đònh.
Một trạng thái được gọi là cân bằng của chất môi giới khi các thông số trạng
thái có cùng một giá trò ở mọi điểm trong toàn bộ khối chất môi giới. Ngược lại gọi là
trạng thái chất môi giới không cân bằng.
1.4.1: Thông số trạng thái.
Để biểu diễn trạng thái của chất môi giới người ta nhờ đến ba thông số trạng
thái cơ bản: Nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng. Ngoài 3 thông số này còn dùng đến các
thông số khác như : Nội năng, Enthanpy, Entropy, Exergy, …
a/ Nhiệt độ
:
Nhiệt độ là thông số biểu thò mức độ nóng lạnh của vật, còn theo thuyết động
học phân tử nhiệt độ biểu thò giá trò động năng trung bình của các phân tử chuyển
động tònh tiến.
kT
m









23
2
2

(1-1)

Trong đó: T : Nhiệt độ tuyệt đối, K
m : Khối lượng phân tử, kg

 : Vận tốc trung bình các phân tử, m/s
k : Hằng số Boltzmann.
k = 1,3805 .10
-23
(J/độ)
Để xác đònh nhiệt độ người ta thường dùng 2 thang đo nhiệt độ:
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 7
Nhiệt độ bách phân. ( Nhiệt độ Celcius : t,
0
C )
Nhiệt độ tuyệt đối. ( Nhiệt độ Kelvin : T, K )
Mối quan hệ :
T(K) = t(
0
C) + 273,15
Ngoài ra còn có các thang nhiệt độ khác như : Nhiệt độ Fahrenheit t(
0
F),
Rankine T(
0
R).
Mối quan hệ :

   



32
9
5
 FtCt
oo
(1-2)

   
15,273
9
5
 RTCt
oo
(1-3)
b/ p suất:
p suất là lực tác dụng các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vò
diện tích thành bình chứa.

S
F
p 
(N/m
2
) (1-4)
Ở đây: p : áp suất tuyệt đối (N/m
2
)
F : lực tác dụng (N) (1 N = 1 kgm/s

2
)
S : diện tích thành bình (m
2
)
Để đo áp suất người ta dùng nhiều đơn vò đo khác nhau, ta có mối quan hệ giữa
các đơn vò đo áp suất như sau :

1at = 9,81 . 10
4
(N/m
2
)  0,981bar  9,81 . 10
4
Pa
= 1 kG/cm
2
= 14,7 psi


= 10 mH
2
O = 735,5 mmHg
Ngoài ra ta có các khái niệm khác về áp suất như:

* Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện 0
0
C trước
khi chuyển đổi đơn vò, theo công thức:
h
0
0
C = h (1- 0,000172.t)
Trong đó :
h
0
0
C : chiều cao cột thuỷ ngân ở 0
0
C .
h : chiều cao cột thuỷ ngân ở t
0
C.

P

P
d
P
kt
P
ck
P

Trong đo

ù:

p: áp suất tuyệt đối
p
d
: áp suất dư
p
KT
: áp suất khí trời
p
CK
: áp suất chân không
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 8
c/ Thể tích riêng:
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vò khối lượng.
Nếu một lượng khí có khối lượng là G kg, thể tích là V m
3
thì thể tích riêng sẽ là:
v =
G
V
, (m
3
/kg) (1-5)
Khối lượng riêng là đại lượng nghòch đảo của thể tích riêng.

v

1


, (kg/m
3
) (1-6)
d/ Nội năng: ( ký hiệu: u, J/kg)
Nội năng của một vật bao gồm: nhiệt năng, hoá năng, năng lượng nguyên tử.
Đối với quá trình nhiệt động hoá năng và năng lượng nguyên tử không thay đổi nên
sự thay đổi nội năng của vật chỉ là sự thay đổi nhiệt năng.
Nội năng bao gồm: Nội động năng và nội thế năng.
Nội động năng sinh ra là do chuyển động tònh tiến, chuyển động dao động,
chuyển động quay của các phân tử.
Nội thế năng sinh ra là do lực tương tác các phân tử.
Theo thuyết động học phân tử thì nội động năng phụ thuộc vào nhiệt độ, nội
thế năng phụ thuộc vào khoảng cách các phân tử, là hàm đơn trò của thể tích, do vậy:
u = f (T, v)
Đối với khí lý tưởng thì:
u = f (T)
Mặt khác nội năng là một thông số trạng thái, chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu
và cuối, không phụ thuộc vào quá trình tiến hành.
 du = c
v
dT.
Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1đến trạng thái 2 độ biến thiên nội năng sẽ
là:
u = c
v
( T
2

– T
1
) (1-7)
Ở đây: c
v
là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích(J/kg.độ)
e/ Năng lượng đẩy: (d : J/kg)
Đối với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng
bên ngoài còn một năng lượng giúp khối khí dòch chuyển, gọi là năng lượng đẩy.
Năng lượng đẩy được xác đònh bằng biểu thức :
d = pv (1-8)
Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái và chỉ có ở hệ hở, khi dòng khí
chuyển động thì năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khí
dòch chuyển.
f/ Enthanpy
: (i, h: J/kg)
Enthanpy là một thông số trạng thái.
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 9
Trong nhiệt động enthanpy được đònh nghóa bằng biểu thức:
i = u + pv (1-9)
Đối với khí thực enthanpy phụ thuộc vào 2 trong 3 thông số trạng thái cơ bản,
còn đối với khí lý tưởng thì:
(1-9)
 di = du + d(R.T)
di = c
v
dt + RdT

di = c
p
dT.
Độ biến thiên enthanpy giữa hai trạng thái 1 và 2 sẽ là:

i = c
p
(T
2
– T
1
) (1-10)
g/ Entropy: (s: J/kg.độ)
Entropy là một đại lượng vật lý mà sự thay đổi của nó chứng tỏ có sự trao đổi
nhiệt.
Phương trình vi phân entropy có dạng :

T
dq
ds 
( 1-11)
dq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá trình vô
cùng bé.
h/ Exergy: (e: J/kg)
Exergi là năng lượng tối đa có thể biến hoàn toàn thành công trong quá trình
thuận nghòch. Đối với nhiệt năng:
q = e + a (1-12)
Trong đó : q : nhiệt năng
e : exergy
a : anergy – phần nhiệt năng không thể biến thành công.

1.4.2: Phương trình trạng thái :
Phương trình trạng thái của chất khí một cách tổng quát được biểu diễn theo
mối quan hệ hàm số như sau:
F ( p,v,T) = 0
Nó cho phép ta xác đònh được một trạng thái bất kỳ khi biết 2 trong 3 thông số
trạng thái.
a/ Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
:
+ Phương trình trạng thái khi viết cho 1 kg khí có dạng :
p.v = R.T (1-13)
Trong đó : p : áp suất tuyệt đối (N/m
2
)
v : Thể tích riêng (m
3
/kg)
R : Hằng số chất khí (J/kg.độ)
T : Nhiệt độ tuyệt đối (K)
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 10
+ Phương trình trạng thái đối với G kg khí :
p.v.G = G.R.T

 p.V = G.R.T (1-14)
+ Phương trình khi viết cho 1 kmol chất khí:
Từ (1-13)

 p.v. = .R.T

 pV

= .R.T
với : V

= v.  : Thể tích 1 kmol khí. (m
3
/kmol)
Đặt : R

= .R : Hằng số phổ biến chất khí (J/kmol.độ)
 pV

= R

T (1-15)
 R

=
T
pV

(1-16)
Theo Avogadro – Ampere: ở điều kiện tiêu chuẩn : p = 760 mmHg, t = 0
0
C =
273,15 K, thể tích 1 kmol khí lý tưởng V


= 22,4 m
3
vậy :

 R

=
15,273
4,22.101332
15,273
4,22.10.
750
760
5


R

=
8314
(J/kmol.độ)
 R =


8314

R
.
b/ Phương trình trạng thái khí thực:
Trong thực tế các khí sử dụng đều là khí thực và việc tính toán 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 một số hệ số điều chỉnh được rút ra từ thực nghiệm.
Theo Vander Waals phương trình có dạng:

 
TRbv
v
a
p
2








(1-17)
Trong đó: a/v
2
: Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ, khi kể đến lực tác dụng
tương hỗ giữa các phân tử.
b : Hệ số điều chỉnh về thể tích bản thân phân tử.
a,b: Còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo các loại chất khí.

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 11
CHƯƠNG 2
CHẤT MÔI GIỚI

2.1: ĐỊNH NGHĨA .
Như đã trình bày ở chương 1 chất môi giới là chất trung gian dùng để thực hiện
các chuyển biến về năng lượng, chất môi giới ta thường gặp ở dạng khí hoặc hơi.
Chất môi giới được xem là ở dạng khí khi trạng thái của nó ở xa trạng thái bão
hoà, thường nhiệt độ tới hạn tương đối thấp. Ngược lại một chất xem là ở thể hơi khi
nhiệt độ tới hạn của nó tương đối cao so với thông số thường gặp.
Trong nhiệt động kỹ thuật ta có thể xem: O
2
, N
2
, H
2
, hơi nước trong không
khí… là khí lý tưởng. Còn hơi nước trong thiết bò động lực hơi nước, Freon ( R12, R22,
R134a,…), amôniắc (NH
3
) trong máy lạnh … không được xem là khí lý tưởng.
Ví dụ:
- Động cơ hơi nước: chất môi giới là hơi nước.
- Động cơ đốt trong, turbine khí: chất môi giới là sản phẩm cháy.
- Máy lạnh: chất môi giới là các loại Freon hay amôniắc.

2.2: HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG.
Trong nhiệt động kỹ thuật có một số trường hợp chất môi giới bao gồm nhiều
thành phần khí khác nhau ( không khí gồm: O
2
, N
2
và một số khí khác…)
Vậy để xác đònh các thông số của hỗn hợp ta cần phải biết các thông số của
các thành phần.
Là hỗn hợp khí thì bất kỳ thành phần nào trong đó đều có cùng nhiệt độ và
chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp.
2.2.1: Đònh luật Gip – Dalton.
“p suất của hỗn hợp khí lý tưởng bằng tổng các áp suất riêng phần của các
chất khí thành phần.”

 p =


n
i
i
p
1
(2-1)
p : áp suất hỗn hợp.
p
i
: phân áp suất chất khí thứ i. (áp suất riêng phần)
p suất riêng phần của chất khí thành phần là áp suất của chất khí đó khi nó
chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện nhiệt độ của hỗn hợp.

Nếu gọi : V, T là thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp.
p
i
, G
i
, R
i
là áp suất riêng phần, khối lượng, hằng số chất khí của
thành phần thứ i trong hỗn hợp.
 p
i
V = G
i
R
i
T

.


V
TRG
P
ii
i

(2-2)
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

- - 12
Tương tự:



(2-3)



2.2.2: Biểu thò thành phần hỗn hợp .
Thành phần hỗn hợp có thể biểu thò theo khối lượng, thể tích hoặc số mol.
a/ Thành phần khối lượng
: (g
i
)
Thành phần khối lượng một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa khối lượng chất đó
với khối lượng hỗn hợp.

G
G
g
i
i

(2-4)
Trong đó: g
i
: Thành phần khối lượng của chất thứ i trong hỗn hợp.
G
i

: khối lượng chất thứ i.
G: khối lượng hỗn hợp.

 G =


n
i
i
G
1


1
1
1





G
G
g
n
i
i
n
i
i

(2-5)
b/ Thành phần thể tích: (r
i
)
Thành phần thể tích của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa thể tích riêng
phần của chất đó với thể tích hỗn hợp.

V
V
r
i
i

(2-6)
Trong đó: r
i
: Thành phần thể tích của chất thứ i trong hỗn hợp.
V
i
: Thể tích riêng phần của chất thứ i.
V : Thể tích hỗn hợp.
Thể tích riêng phần V
i
của chất thứ i trong hỗn hợp, ở điều kiện áp suất và
nhiệt độ của hỗn hợp:
 pV
i
= G
i
R

i
T (a)

p
TRG
V
ii
i

(2-7)





n
i
i
UU
1




n
i
i
II
1




n
i
i
SS
1

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 13
Từ (2-2) : p
i
V = G
i
R
i
T (b)

(a) và (b)  pV
i
= p
i
V

Hay:
p
p

V
V
r
ii
i

(c)

p
Vp
V
i
i






n
i
i
n
i
i
p
p
V
V
11

.
Theo Gip-Dalton :p =


n
i
i
p
1





n
i
i
VV
1

Tương tự: (c) 
1
11



n
i
i
n

i
i
p
p
r
(2-8)
c/ Thành phần mol
:(r
i
)
Thành phần mol của một chất trong hỗn hợp là tỉ số giữa số kmol của chất đó
với số kmol của hỗn hợp.

M
M
r
i
i

(2-9)
Trong đó: M
i
: số kmol chất thứ i.
M : số kmol hỗn hợp.

1
11




n
i
i
n
i
i
M
M
r
(2-10)

2.2.3: Xác đònh các đại lượng vật lý của hỗn hợp.
a/ Phân tử lượng của hỗn hợp
:


Ta có: pV

M = M.R

.T
Mà: V = V

.M

 pV = M.R

.T (a)
và: pV = G.R.T

 pV = G


R
T (b)
Từ (a) và (b)   =
M
G

 M =

G

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 14
  =



n
i
i
i
n
i
i
G
G

M
G
11


Hay  =
i
n
i
i
G
G

1
1
1


(c)
Mà từ (2-4):
G
G
g
i
i



  =



n
i
i
i
g
1
1

(2-11)
b/ Hằng số chất khí R của hỗn hợp:
Ta có: R

8314


Hay R =


n
i
i
i
g
1
.8314

(2-12)
Hoặc R có thể xác đònh:
Từ (2-2) :

V
TRG
P
ii
i




V
GRT
p
V
TRG
p
n
i
ii
n
i
i


 11



GRRG
n
i

ii


1


G
RG
R
n
i
ii



1

Mà (2-5):
G
G
g
n
i
i
n
i
i






1
1





n
i
ii
RgR
1
(2-13)
c/ Thể tích riêng hỗn hợp:

G
V
G
V
v
n
i
i



1

Mà :


n
i
i
V
1



n
i
i
i
G
1






n
i
i
i
G
G
v

1
1


Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 15
với
G
G
g
n
i
i
n
i
i





1
1






n
i
i
i
g
v
1

(2-14)
 Khối lượng riêng của hổn hợp:




n
i
i
i
gv
1
1



2.2.4: Phân áp suất thành phần
Phân áp suất thành phần được xác đònh theo áp suất hỗn hợp (đo được).
Ta có: p
i
V = G
i

R
i
T (a)
pV = GRT (b)
Từ (a) và (b)

GR
RG
p
p
iii

(với
G
G
g
i
i

)

R
R
gpp
i
ii
.

mà R


= .R = 
i
R
i
= 8314 J/kmol.độ

i
i
R
R







i
ii
gpp .
(2-15)
2.3: KHÍ THỰC.
2.3.1: Khái niệm.
Trong thực tế ta gặp khá nhiều trường hợp chất môi giới không được xem là khí
lý tưởng mà là khí thực, ví dụ như CO
2
, NH
3
và các loại Freon dùng trong máy lạnh,
hơi nước dùng trong turbine hơi, động cơ hơi nước… Lúc này ta không thể bỏ qua lực

tương tác giữa các phân tử và thể tích bản thân các phân tử được. Do vậy không cho
phép dùng các công thức của khí lý tưởng để tính toán. Để giải quyết vấn đề này ta
tìm hiểu về tính chất của hơi nước.
a/ Quá trình hoá hơi:
Là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi. Ngược lại gọi là quá trình ngưng
tụ. ( xảy ra trong toàn bộ thể tích khối chất lỏng).
b/ Quá trình nóng chảy:
Là quá trình chuyển từ rắn sang lỏng. Ngược lại gọi là đông đặc.
c/ Quá trình thăng hoa
:
Là quá trình chuyển từ rắn sang hơi không qua trạng thái lỏng. Ngược lại gọi là
ngưng kết.


Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 16
2.3.2: Quá trình hoá hơi đẳng áp . (Ví dụ: Hơi nước)
Quá trình hoá hơi thường xảy ra ở áp suất không đổi.

Quá trình được tiến hành như sau:
Cho vào xi lanh 1 kg nước ở 0
0
C trên đó có đặt 1 piston và có thể dòch chuyển
dễ dàng với áp suất p = const. Vì piston đè lên mặt thoáng của nước nên không xảy ra
sự bay hơi mà chỉ xảy ra sự sôi khi cấp nhiệt.
Khi cấp nhiệt vào xi lanh quá trình biến nước thành hơi như sau:
+ Đoạn OA
: Quá trình đốt nóng nước từ 0
0
C đến nhiệt độ sôi, giai đoạn này
khi nhiệt độ tăng thì thể tích cũng tăng. Các thông số của nước ở trạng thái ban đầu
( điểm O) có ký hiệu: v
0
, u
0
, i
0
, t
0
. Tại A nhiệt độ của nước đạt đến nhiệt độ sôi. Các
thông số nước sôi có ký hiệu: v
’
, u
’
, i
’
, t
’
= t

s
.
+ Đoạn AC
: Biểu diễn quá trình sôi, trong giai đoạn này mặc dù tiếp tục cấp
nhiệt, nhưng nhiệt độ của nước vẫn không đổi. Nhiệt lượng cung cấp cho nước trong
đoạn AC không làm nhiệt độ của nước tăng lên gọi là nhiệt hoá hơi, ký hiệu: r
Tại C giọt nước cuối cùng biến thành hơi, sự sôi kết thúc, hơi nước ở trạng thái
này gọi là hơi bão hoà khô, ký hiệu các thông số : v’’, u’’, i’’, t’’= t
s

Hơi nước tại điểm B nào đó trong đoạn AC (hỗn hợp giữa nước sôi và hơi nước
bão hoà khô) gọi là hơi nước bão hoà ẩm. Thông số trạng thái của B kí hiệu là: v
x
, u
x
,
i
x
, t
x
= t
s

Để xác đònh trạng thái hơi nước bão hoà ẩm người ta đưa ra thông số mới x, gọi
là độ khô. Độ khô cho biết lượng hơi bão hoà khô chứa trong 1 kg hơi bảo hoà ẩm.
G kg hơi bão hòa khô
G kg hơi bão hòa ẩm
=
kn
k

x
k
GG
G
G
G



Ngoài ra ta còn dùng 1 thông số khác y: gọi là độ ẩm.
G kg nước sôiâ
G kg hơi bão hòa ẩm
x =
y = 1 - x =
q (kJ/kg)
p
p
p
p
p
D
C

B
A
O
t( C)
o
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 17
Độ ẩm cho biết lượng nước chứa trong 1 kg hơi bão hoà ẩm.
Đoạn CD: Biểu diễn quá trình biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt. Sau
khi toàn bộ nước đã biến thành hơi tại C, nếu tiếp tục cấp nhiệt lúc này nhiệt độ của
hơi sẽ tăng lên cho đến trạng thái D nào đó. D gọi là trạng thái hơi quá nhiệt, thông
số hơi quá nhiệt là : v, u, i, t > t
s
. Quá trình tiến hành nhiều lần ở các áp suất khác
nhau, sau khi xử lí số liệu được tóm tắc và biểu diễn trên đồ thò p-v như sau:









Trên đồ thò các điểm O
1
, O
2
, O
3
biểu diễn trạng thái nước ở 0
0
C với các áp suất
khác nhau, chúng nằm trên đường thẳng gần như song song với trục p ( vì thể tích của
nước ở 0

0
C hầu như không thay đổi theo áp suất).
Những điểm A
1
, A
2
, A
3
biểu diễn trạng thái nước sôi ở các áp suất khác nhau,
áp suất càng cao các điểm nay càng nghiêng về bên phải, vì nhiệt độ sôi cao nên thể
tích tăng theo áp suất.
Các điểm C
1
, C
2
, C
3
biểu diễn trạng thái hơi bão hoà khô ở các áp suất khác
nhau, áp suất càng lớn thì đường này càng có khuynh hướng nghiêng về bên trái ( p
và v của hơi bão hoà khô có quan hệ tỉ lệ nghòch).
Nối các điểm O
1
, O
2
, O
3
,… ta được đường nước ở 0
0
C. Nối các điểm A
1

, A
2
,
A
3
,… ta được đường nước sôi hay gọi là đường giới hạn dưới có x = 0. Nối các điểm
C
1
, C
2
, C
3
,… ta có đường hơi bão hoà khô gọi là đường giới hạn trên có x = 1.
Khi áp suất càng tăng thì hai đường giới hạn dưới và trên tiến lại gần nhau, đến
một áp suất nào đó gọi là áp suất tới hạn thì hai đường này sẽ gặp nhau tại k, k gọi là
điểm tới hạn.
Thông số tại k :
p
k
= 221bar  225 at
v
k
= 0,003 m
3
/kg
t
k
= 374
0
C

Ngoài ra đồ thò chia làm 3 vùng :
Vùng I : vùng nước chưa sôi.
Vùng II : vùng hơi bão hoà ẩm.
Vùng III : vùng hơi quá nhiệt.
p
K p
k
P
3
P
2
P
1
O
2
O
1
O
3
A
2
II
C
3
C
2
C
1
x = 1
v

A
1
x = 0
A
3
I
III
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 18
* Nhiệt lượng cần thiết để biến nước ở 0
0
C đến trạng thái hơi quá nhiệt là :
q = q
n
+ r + q
k
(2-16)
Trong đó : q
n
= i
’
– i
0
= c
pn
( t
s
– t

0
)
q
n
:Nhiệt lượng cần thiết làm cho nước ở 0
0
C đạt đến nhiệt độ sôi.

r = i
”
– i
’

r : Nhiệt hoá hơi.

q
k
= c
ph
( t

– t
s
)
q
k
:Nhiệt lượng cần thiết để biến hơi bão hoà khô thành hơi quá
nhiệt.
c
ph

:Nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi quá nhiệt.
2.3.3: Phương pháp xác đònh thông số trạng thái của hơi nước
Hơi nước là khí thực có tính chất khác xa khí lý tưởng, để xác đònh các thông số
trạng thái của nó ta nhờ đến bảng hoặc đồ thò.
a/ Bảng hơi nước
:
Tuỳ theo hơi nước ở trạng thái nào mà ta có hai loại bảng để tra các thông số
trạng thái của hơi nước.

 / Bảng nước sôi và hơi bão hoà khô
:
Dùng xác đònh các thông số nước sôi và hơi bão hoà khô, phụ thuộc vào thông
số biết trước, ta có 2 loại:
* Loại cho theo nhiệt độ
: (t
0
C)

t

p

v’

v’’


’’

i’

i’’

r

s’

s’’

o
C

bar

m
3
/kg

m
3
/kg

kg/m
3

kJ/kg

kJ/kg

kJ/kg

kJ/kg.độ

kJ/kg.độ

30

0,0424

…

…

…

…

…

…

…

…

100

1,0132

0,00104

1,673

0,5977

419,1

2676

2257

1,3071

7,3547

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

150

4,760

0,00109

0,3926

2,547

632,2

2746

2114

1,8418

6,8383

* Loại cho theo áp suất: (p bar)

p

t

v’

v’’


’’

i’

i’’

r

s’

s’’

bar

o
C

m
3
/kg

m
3
/kg

kg/m
3

kJ/kg

kJ/kg

kJ/kg

k
J/kg.độ

kJ/kg.độ

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

0,1

45,84

0,00101

14,68

0,06812

191,9

2393

2257

0,6492

8,149

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

100

310,96

0,00145

0,0180

55,46

1407,7

2725

1317

3,360

5,615


Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 19


/ Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt
:
Dùng tra các thông số nước chưa sôi và hơi quá nhiệt. Khi tra các thông số
trong bảng này cần biết trước 2 thông số p và t.

t

p
TS


20

40

60

80

100

120

140

160

180


v










0,04

i

s











v

0,08

i











s











v

0
,0010

0,1

i

83,7










s

0,2961

v








16,64


0,12

i

28,02



s








8,642



Riêng đối với hơi bão hoà ẩm không có trong bảng, để xác đònh các thông số
của nó ta xác đònh theo độ khô x, các thông số của hơi bão hoà khô và nước sôi, theo
các công thức sau:
v
x
= v’+ x (v’’ – v’)
i
x
= i’ + x (i’’– i’) (2-17)
s
x
= s’ + x (s’’– s’)
u

x
= u’ + x (u’’– u’)
Suy ra: x=
'
i
'
'
i
'ii
x



Hoặc: x=
'
s
'
'
s
'ss
x



Ngoài ra nội năng không có trong các bảng và đồ thò, và được xác đònh từ
enthanpi:
i = u + pv

 u = i – pv (2-18)

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 20
b/ Đồ thò hơi nước:
Để xác đònh các thông số của hơi nước, ngòai việc dùng bảng ta còn sử dụng
đồ thò, nó có ưu điểm là xác đònh đơn giản và nhanh chóng, nhược điểm là độ chính
xác không cao.

/ Đồ thò T-s
:










Trên đồ thò T-s các đường đẳng áp trong vùng hơi bão hòa ẩm song song trục s,
qua vùng hơi quá nhiệt đi lên có bề lồi quay về dưới. Các đường đẳng tích luôn luôn
đi lên ở cả hai vùng hơi bão hòa ẩm và hơi quá nhiệt đồng thời cũng dốc hơn đường
đẳng áp.
Trong vùng bảo hòa ẩm độ khô x tăng dần từ x = 0 đến x = 1.
/ Đồ thò i-s
:

Ở đồ thò i-s trong vùng hơi bão hòa ẩm các đường đẳng nhiệt và đẳng áp trùng
nhau và dốc lên, ra đến vùng hơi quá nhiệt, đường đẳng nhiệt gần như nằm ngang còn
đường đẳng áp tăng mạnh. Các đường đẳng tích vẫn có dạng đường cong và dốc hơn
đẳng áp.

s

T

273
o
C

k

v
2
= const

p

2
= const

v
1

= const

p
1

= const

x = 1

x
1

x = 0

v
1

=const
p
1

=const
p
2

=const
v
2

=const
s

T
2

=con
st
T
1

=const
k
x
1

i
x = 1
x
2

x = 0
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

- - 21
/ Đồ thò logp-i của môi chất lạnh:
Các môi chất sử dụng trong máy lạnh thường là : NH
3
, các lọai freon ( R12,
R22, R134a,…) để xác đònh các thông số ta thường dùng đồ thò logp-i cho các môi chất
lạnh.










Trên đồ thò logp-i các đường đẳng áp là những đường thẳng song song trục
hoành. Các đường đẳng nhiệt trong vùng hơi bão hòa ẩm trùng với các đường đẳng áp
tương ứng, ở vùng hơi quá nhiệt là những đường cong gần như thẳng đứng. Các đường
đẳng entropy và đẳng tích là những đường cong có bề lồi quay về phía trên nhưng
đường đẳng entropy dốc hơn so với đường đẳng tích.
2.4: KHÔNG KHÍ ẨM.
2.4.1: Đònh nghóa.
Không khí ẩm là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước. Là không khí được sử
dụng trong kỹ thuật, trong sinh họat đời sống con người. Không khí khô ở đây gồm:
21% O
2
, 78% N
2

, còn lại là CO
2
và các khí trơ.
Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất nhỏ và ở trạng thái hơi quá nhiệt,
nên hơi nước ở đây có thể coi là khí lý tưởng, do vậy không khí ẩm được xem là hỗn
hợp khí lý tưởng.
p suất: p = p
k
+ p
h

Nhiệt độ: t = t
k
=t
h

Khối lượng G = G
k
+ G
h
2.4.2: Phân lọai.
Tùy theo lượng nước chứa trong không khí ẩm ta có thể phân ra như sau:
a/ không khí ẩm chưa bão hòa: Là không khí ẩm mà lượng hơi nước trong nó
ở trạng thái hơi quá nhiệt, trong trường hợp này nếu ta cho thêm hơi nước vào thì hơi
nước vẫn chưa bò ngưng tụ.



k

x = 0

logp

(Mpa)
v
2
=c

p
2
= c

v
1
= c

s
2

= c

p
1
= c

s
1
= c
t

1

t
2

x = 1

i (kJ/kg)
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 22












Có hai cách biến hơi nước chưa bão hòa thành hơi nước bão hòa:
Cách1: AB ,giảm nhiệt độ t
h
đến nhiệt độ đọng sương t
s
;với p = const.

Cách2: AC, tăng áp p
h
đến p
hmax
; với t
h
= const.
b/ Không khí ẩm bão hòa:
Là không khí ẩm trong đó hơi nước ở trạng thái hơi bão hòa khô ( G
h max
) lúc
này nếu cho thêm hơi nước vào thì nó sẽ đọng thành những giọt rất nhỏ, nếu tiếp tục
cho thêm hơi nước vào ta sẽ có không khí ẩm quá bão hòa. ( tạo thành những giọt
nước ngưng tụ – sương mù).
2.4.3: Các thông số đặc trưng của không khí ẩm.
a/ Độ ẩm tuyệt đối: (

h
)
Nếu một khối không khí ẩm có thể tích là V (m
3
), chứa lượng hơi nước là G
h

(kg), thì tỉ số:

h
h
V
G



; (2-19)


h
gọi làđộ ẩm tuyệt đối (kg/m
3
).
Trong thực tế để biết khả năng chứa hơi nước nhiều hay ít của không khí ẩm ta
cần dùng đến độ ẩm tương đối.
b/ Độ ẩm tương đối:(

)
Là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối chưa bão hòa và độ ẩm tuyệt đối của không khí
ẩm bão hòa ở cùng nhòêt độ.

maxh
h




(%) (2-20)


h
: độ ẩm tuyệt đối chưa bão hòa.

h max

: độ ẩm tuyệt đối bão hòa.
s

T
A
B
t
s

t
h

p
hmax

C
p
h

Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 23
Từ phương trình trạng thái viết cho hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa
và bão hòa là:
p
h
V = G
h
R

h
T 
h
h
hh
TR
p
V
G


(a)
Và p
hmax
V = G
hmax
R
h
T 
max
maxmax
h
h
hh
TR
p
V
G



(b)
Từ (2-20),(a) và (b) 
maxh
h
p
p


(%) (2-21)
0 < p
h
< p
hmax
 0 < 

< 100 %

 = (40  70) % : phù hợp với đời sống con người.
 = 90 % (0  5
o
C) : thích hợp trong bảo quản rau quả thực phẩm.
c/ Độ chứa hơi
: (d)
Là tỉ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô trong không khí
ẩm.
d =
k
h
G
G

(kg hơi/kg kkk) (2-22)
Từ phương trình trạng thái:
p
h
V = G
h
R
h
T 
TR
Vp
G
h
h
h

(c)
p
k
V = G
k
R
k
T 
TR
Vp
G
k
k
k


(d)
Từ (2-22), (c) và (d)
 d =
hk
kh
Rp
Rp

Với: R
k
=
29
8314
, R
h
=
18
8314

 d =
k
h
p
p
622,0
.
mà : p = p
k
+ p

h

 d =
h
h
pp
p

622,0
( 2-22a

)
mà:
maxh
h
p
p




 d =
max
max
.
.
622,0
h
h
pp

p



, ( kg hơi/kg kkk) (2-23)



Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- - 24
d/ Enthanpy của không khí ẩm:
Enthanpy không khí ẩm bằng tổng enthanpy không khí khô và hơi nước chứa
trong đó. Enthanpy của không khí ẩm có chứa 1 kg không khí khô, cũng có nghóa là
(1 + d) kg không khí ẩm.
d =
k
h
G
G
 d = G
h

( do: G
k
= 1)
G = G
k
+ G

h
= 1 + d
I = i
k
+ d.i
h
(2-24)


i
k
: Enthanpy 1 kg không khí khô, được xác đònh:
i
k
= 1,0048.t  t (kJ/kg)
i
h
: Enthanpy không khí ẩm, được xác đònh:
i
h
= 2500 + 2.t (kJ/kg)
 I = t + (2500+2.t) d (2-25)
2.4.4: Đồ thò i-d của không khí ẩm.
Để xác đònh các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm ta dựa vào đồ thò i-d.

0
120
100
0
80
0
60

0

40
0

20

0

0
0
0 10 20 30 40
50
d (g/Kg kkk)
i (KJ/Kg)
P
h
f

:100 %
60
%
40
%
20

%
5
135
0
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM