Giáo trình nhiệt động lực học kỹ thuật lê kim dưỡng, đặng thành trung pdf

bộ giáo dục và đào tạo

Đ

TRƯ0NG SẠI HỌC

521.402

sư PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PH0 Hổ CHÍ M l i

-------------------------

L 250 D

L Ệ .^ll ٧l

٥ ư ٠ n G - ĐẶNG THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH

NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC
KỸ THUẬT

ì:‫؛‬
l٤
j

•

Iể
NHÀ XUẤT BÀN

ĐẠÍ HỌC QUỐC GIA TP. Hổ CHÍ MINH


B ộ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO

1 RU ỜNG ĐẠI HỌC

sư PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH

LÊ KIM DƯỠNG
ĐẶNG THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
KỸ THUẬT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH


GIÁO TRÌNH

NHIỆT ĐỘNG

Lực HỌC

KỸ THUẬT

Lê Kim Dưỡng, Đặng Thành Trung

NHÀ XUẤT BẢN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ổ CHÍ MINH
KP 6, p. Linh Trung, Q. Thủ Đức, TPHCM
Sô 3 Công trường Quốc tế, Q.3, TPHCM
ĐT: 38239172, 38239170
Fax: 38239172; Email:
'ử

^

Chịu trách nhiệni xuất bản
TS HUỲNH BÁ LÂN
Tổ chức bản thảo vù chịu trácỉi nhiệm về tác quyền
TRƯỜNG ĐẠI HỌC

sư PHẠM

KỸ THUẬT TP HCM

Biên tập
NGUYỀN ĐỮC MAI LÂM
Sửa bản in
THỦY DƯƠNG
Thiếi k ế bìa

HƯNG PHÚ

GT.01.KT(V)
494-2013/CXB/04-25
ĐHQG.HCM-13

KT.GT.405-13(T)

In 300 cuốn khổ 16 X 24cm, tại Công ty TNHH In và Bao bì Hưng Phú. số
đăng ký kê hoạch xuất bản: 494-2013/CXB/04-25/ĐHQGTPHCM. Quyêt định
xuất bản số 118/QĐ-ĐHQGTPHCM ngày 17/6/2013, In xong và nộp lưu chiểu
quí III, 2013.


LỜ! Νόΐ ĐÀU
NJi‫؛‬ệ، dộng lực kỹ tlíuật là một môn học ngliiCii c(m sự clmyển hóa
năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng. Nó là một môn ỈIỌC nền lảng
trong lĩnh vực vật lý cũng như trong klroa học kỹ tliưật, đặc biệt trong
nhOm ngành kỹ tliưật cơ klrí. Ilầư hét, chc liiện trrợng khoa học kỹ tlmật
đcu lihn quan ít nliiềư dến nhiệt dộng lực học.
Nhằm xây dựng nlrOiig diương Irìnlr dào tạo theo hu'ớng công nghộ
và hư،'mg tOi áp dựng liọc chế tin clii một cách triột đố, Trườ.ng Đại học Sư
phạm Kỹ tliưật TP.lĩC-Nl da xây dụ'ng chương trinli dào tạo 1 0 ٠
‫ ؟‬tin clrl
tltco liướng tíếp cận CDIO. Đẻ thpc hiện tốt cô.ng việc glhng dạy diương
trinh này, một troirg nhû'ng yêu cầu cấn thiết đặt ra dó là pl،ải bidn soạn lại
các giho trinh môn học phù hợp vơi chương trinh. Nắm bắt d‫ا‬rợc diều này,
dựa trdn gldo Irìnli nliiệt dộng lực học kỹ tliuật dă viết vào năm 2005, tác
giả ،lã chinh sửa, bổ sung, cập nliật một số nội dung mói ١
'à lăng số lirợng
bài tập giUp sinli viCn có điều kiộn tự học tại nha cũng nh.ư bổ sung mộl: số
bảng phụ lục. Giáo trinh này dược sti' dụng chủ yếu cho sinli vidn chuyỗn

ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt của Trường Đại liọc Sir phọn.i Kỹ thuật
ТР.І1СМ vả sinh vlín nlrOm nghnh Cơ klií.
Tác giii


MỤC LỤC
LỜ[ NÓI ĐẦU............................................................................................ 3
MỤC L Ụ C ...................................................................................................5
Chưo-ng I: NHŨ.NG KHÁI NIỆM c o BẢN..........................................9
1.1. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt......................................................9
1.2. Hệ nhiệt động và các loại..................................................................... 9
1.2.1. Hệ kín và hệ h ở .............................................................................9
1.2.2. Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt.........................................................10
1.3. Chất môi g ió i.......................................................................................10
1.4. Trạng thái và các thông số trạng thái.................................................10
1.4.1. Thông số trạng th ái..................................................................... 10
1.4.2. Phương trình trạng thái............................................................... 15
C huông II: CHÁT MÔI GIỚI................................................................17
2.1. Định nghĩa...........................................................................................17
2.2. Hỗn hợp khí lý tường.......................................................................... 17
2.2.1. Định luật Gip - Dalton................................................................ 17
2.2.2. Biểu thị thành phần hỗn họfp.......................................................18
2.2.3. Xác định các đại lượng vật lý hỗn h ọ p ...................................... 20
2.2.4. Phân áp suất thành phần..............................................................22
2.3. Khí thự c...............................................................................................23
2.3.1. Khái niệm.................................................................................... 23
2.3.2. Quá trình hóa hơi đẳng áp...........................................................23
2.3.3. Phương pháp xác định thông số trạng thái của hơi nước.......... 27
2.4. Không khí ẩ m ..................................................................................... 30
2.4.1. Định nghĩa................................................................................... 30

2.4.2. Phân loại...................................................................................... 31
2.4.3. Các thông số đặc trưng của không khí ẩm ................................. 31
2.4.4. Đồ thị i - d của không khí ấm .................................................... 34
2.4.5. Cách xác định các thông số của không khí ẩm ..........................35
2.4.6. Các quá trình nhiệt động của không khí ẩ m ..............................36
5


Chương III: NHIỆT VÀ CÔNG............................................................ .37
3.1. Quá trình nhiệt động............................................................................37
3.1.1. Khái niệm...................

37

3.2. Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng............37
3.2.1. Định nghĩa.................................................................................... 37
3.2.2. Phân loại....................................................................................... 38
3.2.3. Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt đ ộ .............................. 39
3.2.4. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng.......................................39
3.2.5. Nhiệt dung riêng của hỗn họp khí lý tưởng............................... 41
3.3. Các loại công....................................................................................... 42
3.3.1. Công thay đổi thể tích................................................................. 42
3.3.2. Công kỹ thuật...............................................................................43
Chương IV: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHÁT.....................45
4.1. Nội dung và ý nghĩa............................................................................ 45
4.2. Phương trình địiửi luật nhiệt động thứ lủiất...................................... 45
4.2.1. Phương trìiửi cân bằng năng lượng tổng quát...........................45
4.2.2. Phương trình định luật lứiiệt động thứ nhất cho hệ kin và h ở ...... 45
4.2.3. Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho quá trình
lưu động...........................................................

46

4.2.4. Phương trình địrủi luật nhiệt động thứ nhất cho quá trìiứi
hỗn h ợ p........................................................................................................47
4.3. ứ ng dụng định luật lứiiệt động thứ nhất để tíiứi biến thiên các
hàm trạng thái và các thông số quá trình...................................................47
4.3.1. Các quá trình lứiiệt động cơ bản khí lý tưởng............................47
4.3.2.Các quá trình nhiệt động cơ bản khí thự c...................................60
Chương V: CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ
VÀ HƠ I...................

69

5.1. Quá trình nén khí và h ơ i......................................................................69
5.1.1. Khái niệm..................................................................................... 69
5.1.2. Quá trình nén khí trong máy nén piston một cấp....................... 69
5.1.3. Quá trình nén khí trong máy nén piston nhiều cấp ................. 72
5.2. Quá trìiứi lưu động............................................................................... 77
6


5.2.1. Khái niệm.................................................................................... 77
5.2.2. Các giả thuyết.............................................................................77
5.2.3. Các công thức cơ bản................................................................. 79
5.2.4. Sự phụ thuộc hình dạng ống dẫn vào tốc độ khi lưu động....... 83
5.3. Quá trình tiết lưu................................................................................85
5.3.1. Khái niệm.................................................................................... 85
5.3.2. Hiệu ứng Joule - Thomson.........................................................87
Chương VI: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI........................89

6 .1. Chu trình nhiệt động...........................................................................89
6.1.1. Định nghĩa chu trình...................................................................89
6.1.2. Phân loại...................................................................................... 89
6.1.3. Công của chu ừ ình......................................................................90

6 .1.4. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số bơm nhiệt...................... 91
6.1.5. Chu trình C am ot.........................................................................92
6.2. Định luật nhiệt động thứ hai..............................................................94
6.2.1. Nội dung và cách phát biểu....................................................... 94
6.2.2. Độ biến thiên entropy của hệ nhiệt động.................................. 95
6.3. Exergy..................................................................................................97
6.3.1. Khái niệm.................................................................................... 97
6.3.2. Các biểu thức về exergy.............................................................98
Chưong VII: CHU TRÌNH THUẬN C H IỀ U ................................... 101
7.1. Định nghĩa và phân loại.................................................................. 101
7.1.1. Định nghĩa................................................................................. 101
7.1.2. Phân loại.....................................................................................101
7.2. Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston.......................................... 101
7.2.1. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích.................... 102
7.2.2. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp...................... 105
7.2.3. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hcrp......................107
7.2.4. So sánh hiệu suất nhiệt..............................................................109
7.3. Chu trình turbine khí......................................................................... 111
7.3.1. Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp..................111
7


7.3.2. Chu frinh lý huyết hưbine khi cấp nhiệt dẳng áp có hồi nhiệt.... 114
7.3.3. Chu trinh lý thuyết hrrbine khi cấp nhiệt dẳng tích ................ 116

7.3.4. Chu tình lý thuyết turbine khi cấp nhiệt dẳng tích có hồi nhiệt ....119
7.4. Chu trinh lý thuyết dộng cơ phản lự c.............................................. 120
7.4.1. Chu trinh ly thuyết dộng cơ phản lục trục luii........................ 120
7.4.2. Chu trinh ly thuyết dộng cơ phản lực turbine máy nén........... 121
7.4.3. Chu trinh dộng cơ tên lửa......................................................... 123
7.5. Chu trinh thiết bị dộng lực hơi nuớc................................................ 126
7.5.1. Chu trinh Camot khi thực........................................................ 126
7.5.2. Chu trinh Rankine.....................................................................127
7.5.3. Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt chu trinh khi thực.,... 129
7.5.4. Chu trinh quá nhiệt trung gian.............................................

131

7.5.5. Chu tìn h hồi nhiệt....................................................................134
7.5.6. Chu trinh ghép............................................................................140
7.5.7. Chu trinh cấp nhiệt, cấp d iện ................................................... 142
Chương VIII: CHU TRÌNH NGƯỢC CHlEU .................................151
8.1. Định nghĩa và phân loại....................................................................151
8.1.1. Định nghĩa................................................................................. 151
8.1.2. Phân loại.................................................................................... 151
8.2. Chu trinh máy lạnh dUng không k h i................................................ 152
8.3. Chu trinh máy lạnh dUng hơi........................................................... 155
8.3.1. Chu trinh máy lạnh có máy nén...............................................155
8.3.2. Chu trinh máy lạnh ejector....................................................... 157
8.3.3. Chu trinh máy lạnh kiểu hấp thụ.............................................. 160
8.3.4. Chu trinh máy lạnh và bơm nhiệt.............................................161
PHỤ L ự c .................................................................................... 165
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................196

Chương ỉ
NHỮNG KHÁI NIỆM

cơ

BÁN

1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT
Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng
giữa nhiệt năng và cơ năng ở hai nguồn nóng (Ti) và lạnh (T2).
Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ nliiệt và lứíóm
máy lạnh, bơm nhiệt.
Động cơ nhiệt: Gồm máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ
phản lực, turbine hơi, turbine khí... các loại này làm việc theo nguyên lý
chất môi giới nhận nhiệt (Qi) từ nguồn nóng (quá trình cháy nhiên liệu),
kế đến là giãn nở để biến một phần nhiệt thành công (Lo), sau đó chất
môi giới nhả phần nhiệt (Q2) cho nguồn lạnh.

Qi ٠ IQ21= Lo
Máv lạnh và bom nhiệt'. Làm việc theo nguyên lý máy tiêu hao
năng lượng Lo, chất môi giới nhận nhiệt (Q2) từ nguồn lạnh để làm lạnh
vật, rồi truyền (Q2) và (Lo) cho nguồn nóng. Máy lạnh sử dụng nhiệt (Q2)
để làm lạnh vật còn bơm nhiệt sử dụng (Qi) 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

1.2. HỆ NHIỆT ĐỘNG VẦ CÁC LOẠI
Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách ra để nghiên cứu
những tính chất nhiệt động của nó và có liên quan với nhau vềnhiệt năng
và cơ năng, hệ lứiiệt động bao gồm:
1.2.1. Hệ kín và hệ hở
Đối với hệ kín chất môi giới không bao giờ đi xuyên qua bề mặt
raiứi giới ngăn cách giữa hệ thống với môi trường, lúc này khối lượng
chất môi giới được 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...).
1.2.2. 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.
Nếu giữa hệ và môi trường chỉ không có sự trao đổi nliiệt mà thôi
thì gọi là hệ đoạn nhiệt.

1.3. CHẤT MÔI GIỚI
Chất môi giới là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biến
về mặt năng lượng.
Chất môi giới được sử dụng ứong 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 thâp, ngược lại chât
môi giới được gọi là dạng hơi.)
Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ờ dạng khí được chia làm
hai loại: Khí lý tường và khí thực.
Một chất khí nào đó được xem là khí lý tường khi hội đủ 2 yếu tố:
- Thể tích bản thân phân tử khí rất lứiỏ được xem như bằng không.
- Lực tương tác giữa các phân tử cũng bằng không.
Còn lại gọi là khí thực.
1.4. TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SÓ TRẠNG THÁI
Trạng thái là tập hợp các đại lượng dùng để xác định tính chất vật
lý của một môi chất tại một thời điểm nào đó, các thông số dùng để xác
định ừạng thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái, ờ mỗi
trạng thái xác định thì thông số trạng thái cũng có những giá trị xác định.
Một ừạng thái được gọi là cân bằng của chất môi giới khi các thông
số trạng thái có cùng mộtgiá trị ở mọi diêm ừong toàn bộ khôi chât 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 ngưòd ta nhờ đến ba thông
số trạng thái cơ bản: nhiệt độ, áp suất, thê tích riêng, ngoài ba thông sô
này còn dùng đến các thông số khác như: nội năng, enthalpy, entropy,
exergy, ...
10


1.4.1.1. Nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số trạng thái dùng để biểu thị mức độ nóng, lạnh của
vật, còn theo thuyết động học phân lử nhiệt độ biểu thị giá trị động năng
trung bình của các phân tử chuyển động tịnh tiến. Theo Boltzmann ta có:

m w 2 ^
2

3 V

= kT

(1. 1)

Trong đó:
T: Nhiệt độ tuyệt đối, K
m: Khối lượng phân tử, kg
TU: Vận tốc trung bình các phân tử, m/s
k: Hằng số Boltzmann.
k = 1,3805.10'‫(^؛‬J/độ)
Để xác định nhiệt độ người ta thường dùng hai thang đo nhiệt độ:
- Nhiệt độ bách phân. (Nhiệt độ Celcius t,٥C)
- Nhiệt độ tuyệt đối. (Nhiệt độ Kelvin T,K)
Mối quan hệ của chúng sẽ là:
T(K) = t(٥C) + 273,15

(1-2)

Ngoài ra còn có các thang đo nhiệt độ khác như: Nhiệt độ
Fahrenheit t (٥F), Rankine T (٥R).
Mối quan hệ:

٠ ٠

, { . c ) ))]~

f

P 32]

(1-3)

٠

í( c ) = - ĩ ( . / ? ) - 273,15

(1-4)

1.4.1.2. Áp suất
Áp suất chính là lực tác dụng các phân tử theo phương pháp tuyến
lên một đơn vị diện tích thành bình chứa.

F
p =

(N/mO

(1-5)

Trong đó:
11

p: Áp suất tuyệt đối (N/m‫)؛‬
F: Lực tác dụng (N)
S: Diện tích thành bình (m^)
Để đo áp suất người ta dùng nhiều đơn vị đo khác nhau, ở đây ta có
mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất như sau:
lat

=9,81. 10^(NW)

=9,81.10^Pa

= 1 kG/cm^

= 14,2 psi

= 1 0 mH2O

= 735,5 mmHg

=0,981bar

Ngoài ra ta có các khái niệm khác về áp suất như:

Trong đó.
p

: áp suât tuyệt đối

Pd : áp suất dư
Pkt : áp suất khí trời

PcK: áp suất chân không

* Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất dư:

P = P d + Pk,
٠Áp suất tuyệt đối được xác định theo áp suất chân không;

P = P k ,- Pck
* Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện
0٥c trước khi chuyển đổi đơn vị, theo công thức:
ho٠C = h(l-0,000172.t)
Trong đó: ho.C: chiều cao cột thuỷ ngân ở 0٥c.
h: chiều cao cột thuỷ ngân

1.4.1.3. Thể tích riêng
12

ởt ٥c.


Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khố,i lượng. Nếu một
lượng khi có khối l ư ^ g là G kg, thể tích là V m^ thi thể tích riêng sẽ là:
V
٠

(m^/kg)

( 1 -6 )

i'
Khối lượng riêng là dại lư^rg nghỊch đảo của thể tích riêng.
p:

(kg/m3)
V

!.4.1.4. Nội »lũng (ký hìệu: u, J/kg)
Nội năng của một vật bao gồm: nhiệt năng, hóa năng, năng lượng
nguyên tử. Đối với quá trinh nhiệt dộng hóa nâng và nâng lượng nguyên
tử khOng thay dổi nên sự thay dổi nội năng của vật chi là sự thay dổi
nhiệt nẫng.
Nội nhiệt năng bao gồm nội dộng năng và nội thế năng.
Nội dộng nẫ.ng sinh ra là do chuyển dộng tịnh tiến, chuyển dộng
dao dộng, cliuyển dộng quay của các phân tử còn nội thế năng sinh ra là
do lực tutmg tác giữa các phân tử.
Tlieo thuyết dộng học phân tò, nội dộng năng phụ thuộc vào nhiệt
độ, nội thế năng phụ thuộc vào klroảng cách các phân tử, là hàm dơn trị
của thể tích.
Do vậy:
u = f(T, V)
Dối vơi khi ly tường thi:
u = f(T)
Mặt khác nội năng ỉà một thông số trạng thái nó chi phụ thuộc vào
trạng thái dầu và trạng thái cuối không phụ tliuộc vào quá trinh tiến hành,
nội nầng của khi lý ưrởng dược xác định:
du = Cv dT
Khi clio quá trinh tiến hành từ trạng thái 1 dến trạng thái 2 , độ biến

thiên nội nă,ng có được bằng cách tích phân hai vế biểu thức trên:
Au = c٧(T2 - T i)

(1-7)

ớ đây Cvlà nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích được xem là hằng
số (J/kg.độ)
1.4.1.5. Năng lượng đẩy (d: J/kg)
13


Đối với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và
thế năng bên ngoài còn một năng lượng giúp khối khí dịch chuyển, gọi là
năng lượng đẩy, năng lượng đẩy được xác định bằng biểu thức sau:
( 1 -8 )

d = pv

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 dịch chuyển, năng lượng đẩy cũng chính là công
lưu động.
1.4.1.6. Enthaỉpy (i, h: J/kg)
Enthalpy là một thông số trạng thái, trong nhiệt động enthalpy
được định nghĩa bằng biểu thức sau:
i = u-^pv

(1-9)

Đối với khí thực enthalpy phụ thuộc vào hai trong ba thông số

trạng thái cơ bản, còn đối với khí lý tườngvi phân hai vế biểu thức (1 -9)
ta được:
di = d u ‫ ؛‬d(R.T)
di = c٧.dT + R.dT
hay:

di = (Cv + R)dT
di = Cp.dT

Độ biến thiên enthalpy di từ trạng thái 1 dến trạng thái 2 sẽ là:
AĨ =

Cp

(T2 - T 1)

(1-10)

!.4.1.7. Entropy (s:J/kg.độ)
Entropy là một dại lượng vật ly cũng là một thông số trạng thái, mà
sự thay dổi. của nó chứng tỏ rằng có sự trao dổi nhiệt.
Phương trinh vi phân entropy có dạng:
-

( 1- 11)

dq; nhiệt lưọng trao dổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá
trinh vô cUng bé.
!.4.1.8. E x er^ (e: J/kg)
Exergy là năng lượng tối da có thể biến hOan toàn thành công trong

quá trinh thuận nghịch. Dối với nhiệt nâng:
q= e‫ ؛‬a
14

( 1 - 12 )


Trong đó;

q: nhiệt năng, (J/kg)
e: exergy, (J/kg)
a: anergy (phần nhiệt năng không thể biến thành công),
(J/kg)
1.4.2. PhưoTig 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
Nỏ cho nhép ta xác định được một trạng thái bất kỳ khi biết hai
trong ba thông số trạng thái.
1.4.2.1. Phương trình trạng thải 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 W )
v: Thể tích riêng, (m^/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

(1-14)

> Phương trình khi viết cho 1 kmol chất khí
Từ (1-13) phương trình 1 kmol là:
p.v.|a = q.R.T
=>
Với, V.I =

V.

p.V.q = q.R.T
q; Thể tích 1 kmol khí, (m^/kmol)

Đặt, R٠
1= p.R: Hằng số phổ biến chất khí,(J/kmol.độ)
=>

p.V^=R^.T

(1-15)

15

=>

R،

P -K

(1-16)

T

Theo Avogadro - Ampere, ở điều kiện tiêu chuẩn: p = 760 mmHg,
t = 0٥c = 273,15 K, thể tích 1 kmol khí lý tưởngV22,4 = ،‫؛‬

R

10‫ ؛‬27 4
750
_ 101332.22,4
273,15
273,15

R , = 8314(J/kmol.độ)
8314

=>

Biểu thức (1-17) dùng để xác định hằng số chất khí cho một môi
chất nào đó (phụ thuộc vào p).
I.4.2.2.

Phương trình trạng thải của khí thực

Trong thực tế, các khí sử dụng đều là khí thực và việc tính toán khá
phức tạp, để thiết lập phưomg trình cho khí thực người ta dựa vào phương
trìrủi của khí lý tường rồi thêm vào đó một số hệ số điều chỉnh được rút
ra từ quá trình thực nghiệm.
Theo Van der Waalsphương trình có dạng:

a
V

\ v - b ) = R-T

(1-18)

v^ )

Trong đó;
a/v^ : Hệ sổ điều chỉnh về áp suất nội bộ, klii kể đến
lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử.
b

: Hệ số điều chinh về thể tích bản thân phân tử.

a, b

: Còn gọi là các hằng số cá biệt biến thiên theo
các loại chất khí.
CÂU HỎI CHƯƠNG I

1) Trình bày khái niệm của các hệ nhiệt động.
2) Trình bày các thông số trạng thái.
3) Trình bày các phương trình trạng thái của khí lý tưởng và cách
xác định hằng số chất khí.
16


ChLHơng II
CHẤT MÔI GIỚI
2.1. ĐỊNH NGHĨA
Như đã trình bày ở chương trước chất môi giới là chất trung gian
dùng để thực hiện các chuyển biên vê năng lượng, chất môi giới ta gặp
thường ờ dạng khí hoặc hơi.
Chất môi giới được xem là ờ dạng khí khi trạng thái của nó ở xa
trạng thái bão hòa, thường nhiệt độ tới hạn tưcmg 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 thưòrng gặp.
Trong nhiệt động kỹ thuật ta có thể xem O2, N 2, H 2, hơi nước trong
không khí..., là khí lý tưỏmg. Còn hơi nước trong thiết bị động lực hơi
nước, các loại Freon (R-12, R-22, R-134a...), amôniắc (NH3) trong máy
lạnh không được xem là khí lý tường.
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. HỎN HỢP KHÍ LÝ TƯỎÌSG
Trong nhiệt động kỹ thuật có một số trường họp chất môi giới bao
gồm nhiều thành phần khí khác nhau (không khí gồm: O2, N 2 và một số

khí khác...)
Vậy để xác định 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
nliiệt độ và chiếm toàn bộ thể tích cúa hỗn hợp.
2.2.1. Định luật Gip - Dalton
ĐỊiửi luật được phát biểu như sau:
“Áp suất của hỗn hợp khí lý tưỏTig bằng tổng các áp suất riêng
phần của các chất khí thành phần.”
17


‫ ا‬2-‫)ا‬
‫ﺀ‬
٠
‫ت‬
1
Trong dó:
p: áp suất hỗn hợp.
Pi: phân á . suất chất kh‫ ؛‬thứ ‫( ؛‬áp suất riêng phần)
Áp suất r‫؛‬êng phần của chất khi thành phần là áp suất của chất khi
dó khi nó chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở diều kiện nhiệt độ của
hỗn hợp.
Nếu gọi Ỵ,T là thể tích V‫ ؛‬nhiệt độ của hỗn hợp, Pi, G‫؛‬, Ri là áp su~ất
riêng phần, khối lượng, liằng số chất khi của thành phần thứ i trong hỗn
hợp, từ phương trinh trạng thái ta có:
p٠
V = G‫؛‬RiT
P :

G^R.T
V

(2 -2)

Sổi với nội năng, enthalpy, entropy hrơng tự ta cũng có:
V i ị U i

‫ا ة ﻻ‬,
،=1

(2-3)

5 = ٤ ‫ئ‬,

/=1

2.2.2. Bỉều thị thành phần hỗn hợp
Thành phần hỗn hợp có thể biểu thị theo khối lượng, thể tích hoặc
số inol.
2.2.2.I. Thành phàn khối lương

(g i)

Thành phần khối lượng một chất trong hồn hợp là ti số giữa kliối
lượng chất dó với khối lượng hỗn hợp:

gi =

18

(2-4)


Trong đó;
gi:

Thành phần khối lượng của chất thứ i trong hỗn hợp,

G,; khối lượng chất thứ i, (kg)
G: khối lượng hỗn hợp, (kg)
G = ÌG ,
i=\

٤٥.'

n

(2-5)

Ỉ=1

٧

2.2.I.2. Thành phẩn thể tích (rị)
Thành phần thể tích của một chất trong hỗn họp là tỉ số giữa thể
tích riêng phần của chất đó với thể tích hỗn hợp:
K
V

( 2 - 6)

Trong đó;
Tị:

Thành phần thể tích của chất thứ i trong hỗn họp.

Vj: Thể tích riêng phần của chất thứ i, (m^)
V: Thể tích hỗn họp, (m^)
Thể tích riêng phần V. của chất thứ i trong hỗn hợp, ờ điều kiện áp
suất và nhiệt độ của hỗn họp:
=>
=>
Từ (2-2):
Từ(a) và (b)

pVr = G.R.T

(a)

G,R,T

K=

(2-7)

p

PiV^= GiRiT
=>

pVi = piV

Hay:

٥٠
=‫>؛‬

V. ٥

V

٥

(b)

p

(c)

p

19


pi=\ ' - . pp /=1■
Theo Gip-Dalton:

p = % p,

/=1

V =±K
i=l

n

n

٠
١

( 2- 8)

Tương tự từ (c)
M

p

2.2.23. Thành phần mol (ri)
١

۶

/٠٠

f

r

Thành phân mol của một chât trong hôn hợp là tỉ sô giữa sô kmol

của chât đó với sô kmol của hôn hợp.
r =■

M

(2.9)

Trong đó:
M٠
: số kmol chất thứ i,
M: số kmol hỗn hợp,
(2- 10)

'

٤
٤ ẤVI
M =.
i= \ = ^ 'i=\

Sở dĩ thành phần mol và thành phần thể tích có cùng ký hiệu
nó có cùng giá trị.

ĩi

2.2.3. Xác định các đại lưọìig vật lý của hỗn họp
2.2.3.1, Phăn tử lượng của hỗn hợp (ụ)
Ta có:
Mà:

p -V ^ -M ^ M -R ^ -T

V = V^-M
p - V = M-R^ ■T

Và:

p-v = G- RT
P-V = G

20

(a)

R.

■T

(b)

vì


‫ى‬
‫‪м‬‬
‫‪0‬‬

‫)ﻷ( ‪'1'٧(và (2‬‬

‫= ز‬

‫ى‬

‫=س‬

‫‪/4‬‬
‫ة‬

‫‪0‬‬

‫ﺑﻼ‪٤‬‬

‫د‬

‫‪،‬ﻻ‬

‫‪/,‬ع ‪٤‬‬
‫ت‪/‬‬
‫‪1‬‬

‫\=ﺍ‬

‫‪1‬‬

‫) ء(‬

‫ﻣﻤﻌﺮ‬

‫إ ﻳ ﻲ‪٤١‬‬
‫ا‪μ‬‬

‫ة‬

‫ة \= ا‬

‫‪.‬ى‬
‫=‪g .‬‬
‫‪0‬‬
‫)‪(2- 11‬‬

‫‪):‬ن )‪Mà 14-2‬‬

‫ءﻟﺮ! \=‪٤٠‬‬
‫‪ h^‘p‬أ! ‪ 0‬أ‪2.2.3.2. Iíang $6 chat khíR cua 1‬‬
‫„ ‪8314‬‬
‫; ا‪0 0 2‬‬

‫ب ‪,‬‬
‫ — ‪/( :‬‬‫ﺗﻤﻐﺮ‬
‫ﻳ ﺆ ر‪^ = 8314 .‬‬
‫ا‪ ٧‬رث‬

‫)‪( 2- 12‬‬

‫‪:‬ﻫﺎاة ‪xác‬‬
‫‪ ٢٢‬بآ‬
‫ﻳ ﺬ ‪ ۶‬ذأ ﻳﺎآ ر‬
‫‪0 1 1‬‬
‫‪¥‬‬

‫‪’٦ 0 ، ] . - 1‬د‬
‫‪¥‬‬

‫‪%‬‬
‫‪<=1 p . =/=1t r‬‬

‫ء ‪ .‬ه = ا ء‪ ,.‬ة ل آ‬
‫ﺀ‬
‫ت‬
‫‪1‬‬

‫‪21‬‬

‫ﻵ ﺣﺆﻫﺈ ‪100‬‬
‫‪ (2 -2 ):‬ح‬


٤٠,■
«,
|·=1

R =

‫ى‬

٤٠,
Mà (2-5):

і= \

٤ ‫ ﺓ‬,‫ﻝ‬
/=1

‫و‬

(2-13)

R = ± g > ị
1= ‫ل‬

2.2.3.3. Thểtích riêng hỗn hợp
V

‫ة‬ί'=1‫ ﺀ‬١-

G

G

Mà:
Ы

ы\ p,

‫ا‬,=‫ا‬٤‫ك‬
G tip ,

- ٤٠.

Vớ ‫؛‬:

‫ﺀ ﺓ‬

'‫ﻩ‬
η

g،
ν=Σ
T ỉ Pi

‫ي‬
>

(2-14)

2.2.3.4. Khối lu’ựng riê„g сйа Hôn hợp
p j- : %
V

ầ
gi

2.2.4. Phân áp suất thành phần
Phân áp suất thành phần được xác định theo áp suất hỗn hợp.
Ta có:

p ،V

= GìRìT

pV = GRT
22

(a)
(b)


Từ (a)và (b)

p,
Ị.

GẠ
GR

p ,= p ■ g,
Mà:

R

Rц = (a.R = ỊiiR, = 8314 J/kmol.độ
R

p,

p>^p■ ể,

(2-15)
p

2.3. KHÍ THỤC
2.3.1. Khái niệm
Trong thực tế ta gặp khá nhiều trường họp chất môi giới không
được xem là khí lý tưởng mà là khí thực, ví dụ như CO2, NH3 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 tirơng 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. Đe giải quyết vấn đề này ta tìm
hiểu về tính chất của hơi nước.
2.3.1.1. Quá trình hóa hoi
Quá trình hóa hơi là quá trình chuyến từ pha lỏng sang pha hơi,
ngược lại gọi là quá trình ngưng tụ (xảy ra trong toàn bộ thể tích khối
chất lỏng).
2.3.1.2. Quả trình nóng chảy
Quá trình nóng chảy là quá trình chuyển từ rắn sang lỏng, ngược
lại gọi là quá trình đông đậc.
2.3.1.3. Quá trình thăng hoa
Quá trhứi thăng hoa là quá trình chuyển từ rắn sang hơi không qua
trạng thái lỏng, ngược lại gọi là quá trình ngưng kết.
2.3.2. Quá trình hóa hoi đẳng áp (Hơi nước)
Quá trình hóa hơi thường xảy ra ở áp suất không đổi.

23


í(٥ c)

p^c

р=с

р -с
٥

А

р=с

р= с

і
β

О

-٠■
С

D

ч (kJ/'kg)
Hình 2.1: Quá trinh hóa hơi đằng áp của hơi nước

Quá trinh áược tiến hành nhu sau:
Cho vào xi!anh 1 kg nuớc ở 0٥c trên dó có dặt một piston và có thê
dịch chuyển dễ dàng với áp suất p = const. VI piston dè lên mật thoáng
của nước nên không xảy ra sự bay hoi mà chỉ xảy ra sự sôi khi cấp nhiệt.
Khi cấp nhiệt vào xilanh, quá trinh biến nước thành hoi dưọc tiến
hành như sau:
> Đoạn OA: Quá trinh dốt nOng nước từ 0٥c dến nhiệt độ sôi, giai

đoạn này khi nhiệt độ tăng thi thể tích cũng tăng. Các thông số
của nước ờ trạng thái ban dầu (điểm 0 ) có ký hiệu: Vo, Uo, lo, to.
Tại A nhiệt độ của nước dạt dến nhiệt độ sôi, các thông số nước
sôi có ký hiệu: V , u , 1, t = ts.
> Đoạn AC: Biểu diễn quá trinh sôi, trong giai đoạn này mặc dU
tiếp tục cấp nhiệt nhưng nhiệt độ của nước vẫn không dổi. Nhiệt
lưọng cung cấp cho nước trong đoạn AC không làm nhiệt độ của
nước tăng lên gọi là nhiệt hóa hoi, ký hiệu; r.
Tại c giọt nước cuối cUng biến thành hoi, sự sôi kết tliUc, hoi nước
ở trạng thái này gọi là hoi bão hòa khô, ky hiệu các thông số hoi bão hòa
khô‫ ؛‬v” ,u " ,i ” ,t" = t.
Hoi nước tại điểm B nào dó trong đoạn AC (hỗn họp giữa nước sôi.
và hoi nước bão hòa khô) gọi là hoi nước bão hòa ẩm. Thông số trạng
thái của hoi bão hòa ẩm B kí hiệu là : Vx, Ux, 1χ, tx = ts.
24


Đe xác định trạng thái hơi bão hòa ẩm người ta đưa ra thông số X,
gọi là độ khô. Độ khô cho biết lượng hơi bão hòa khô chứa trong 1 kg
hơi bảo hòa ẩra.
G kg hơi bão hòa khô
_

*>

G kg hơi bão hòa âm
Gi

G,

G.

G„ + G,

X -

Ngoài ra ta còn dùng một thông số khác y, gọi là độ ẩm.
y = 1-

G kg nước sôi
X

=

G kg hơi bão hòa ẩm

Độ ẩm cho biết lượng nước chứa trong 1 kg hơi bão hòa ẩm.
> Đoạn CD; Biểu diễn quá trình biến hơi bão hòa khô thành hơi
quá nhiệt. Sau khi toàn bộ nước đã biển 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
nliiệt có kí hiệu là: V, u, i, t > ts. Quá trình tiến hành lủiiều lần ở
các áp suât khác lứrau, sau khi xử lí số liệu, được tóm tắt và biếu
diễn trên đồ thị p-v như sau:

k

/.A ١

٠١

X

11

/A

/
'A:

)

C;
~'١
٠

(ra)

٠
٤■
x= 1

= Q,

W nh 2.2: Đồ thị p

-٠C3

-

V

quá trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước

Trên đồ thị các điểm Oi, O2, O3 biểu diễn trạng thái nước ở0٥c với
các áp suất khác nhau, chúng nằm trên đường thẳng gần như song song
25