Bài Gỉang nhiet ky thuat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIÊN GIANG
KHOA: KHOA HỌC BIỂN VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hồ Quốc Việt

TẬP BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT NHIỆT

(lưu hành nội bộ)
Năm 2016
1


2


Hồ Quốc Việt

TẬP BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT NHIỆT

(Tài liệu dùng cho hệ Đại học và Cao đẳng)
Năm 2016
3


4

LỜI GIỚI THIỆU
Môn học "Kỹ Thuật Nhiệt" giới thiệu các nguyên lý, các đặc tính, các phương
pháp tính toán những quá trình nhiệt. Đó là những quá trình rất thường gặp trong lĩnh
vực bảo quản và chế biến nông sản, thực phẩm cũng như nhiều ngành công nghiệp khác.
Cụ thể:
- Quá trình hỗn hợp chất khí;
- Đun nóng, làm lạnh, sấy;
- Thay đổi trạng thái của môi chất trong quá trình chế biến thực phẩm hoặc trong
các thiết bị nhiệt, máy lạnh…
Năng lượng được sử dụng rộng rải trong ngành công nghệ thực phẩm đó là năng
lượng nhiệt. Nhờ sự trao đổi năng lượng, thay đổi trạng thái của môi chất nhằm làm
thay đổi trạng thái của thực phẩm hoặc biến nhiệt năng thành cơ năng trong các động
cơ, thiết bị nhiệt.
Ngày nay ngành kỹ thuật nhiệt đã phát triển rất mạnh mẽ, được sử dụng với nhiều
mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và trở thành ngành kỹ thuật vô cùng
quan trọng, không thể thiếu được trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước.
Vì vậy các kiến thức cơ bản về Kỹ thuật nhiệt giúp cho các cán bộ kỹ thuật và
các sinh viên, có đủ kỹ năng nhận dạng các thay đổi năng lượng nhiệt, cấu tạo và nguyên
lý hoạt động của các loại thiết bị nhiệt.

5


6


LỜI TỰA
Kỹ thuật nhiệt là môn học nghiên cứu về các quy luật biến đổi năng lượng và quy
luật truyền nhiệt trong các vật thể nói chung hoặc các thiết bị nhiệt nói riêng.
Tập bài giảng Kỹ thuật nhiệt này được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng

dạy và học tập của sinh viên trong các trường đại học, trên cơ sở đề cương mới của
môn học đã được Khoa Khoa học Biển và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Kiên
Giang thông qua. Nôi dung của môn học đã được hoàn thiện một cách ngắn gọn, dễ
hiểu và đầy đủ các nội dung cần thiết.
Nội dung tập bài giảng gồm 11 chương được trình bày trên 176 trang với đầy đủ
nội dung lý thuyết, công thức tính toán và cuối cùng là phần phụ lục cung cấp các số
liệu cần thiết cho sinh viên làm bài tập.
Để tập bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn, tác giả xin trân trọng đón nhận các
ý kiến đóng góp đồng nghiệp và bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn bạn đọc!

7



DANH SÁCH HÌNH
Hình 1. Đồ thị p-t và T-s .................................................................................................2
Hình 2. Quan hệ giữa các loại áp suất .............................................................................6
Hình 3. Phân riêng hỗn hợp chất khí .............................................................................12
Hình 4. Nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi ................................................................ 22
Hình 5. Công thay đổi thể tích.......................................................................................23
Hình 6. Công kỹ thuật ...................................................................................................24
Hình 7. Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng tích .........................................................29
Hình 8. Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng áp ...........................................................30
Hình 9. Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng nhiệt .......................................................32
Hình 10. Đồ thị p-v và T-s của quá trình đoạn nhiệt .....................................................34
Hình 11. Đồ thị p-v và T-s của quá trình đa biến ..........................................................39
Hình 12. Quá trình đẳng áp của nước trên đồ thị p-v ....................................................42
Hình 13. Đồ thị T-s của hơi nước ..................................................................................44
Hình 14. Đồ thị i-s của hơi nước ...................................................................................45

Hình 15. Quá trình đẳng tích của hơi nước thể hiện trên đồ thị i-s ............................... 46
Hình 16. Quá trình đẳng áp của hơi nước thể hiện trên đồ thị i-s .................................46
Hình 17. Quá trình đẳng nhiệt của hơi nước thể hiện trên đồ thị i-s ............................. 47
Hình 18. Quá trình đoạn nhiệt của hơi nước thể hiện trên đồ thị i-s ............................. 48
Hình 19. Phân loại không khí ẩm trên đồ thị T-s ..........................................................49
Hình 20. Đồ thị i-d của không khí ẩm ...........................................................................51
Hình 21. Quá trình sấy trên đồ thị i-d ............................................................................52
Hình 22. Chu trình nhiệt động .......................................................................................55
Hình 23. Chu trình thuận chiều .....................................................................................56
Hình 24. Chu trình ngược chiều ....................................................................................57
Hình 25. Đồ thị p-v và T-s của chu trình carno thuận chiều .........................................58
Hình 26. Đồ thị p-v và T-s của chu trình carno ngược chiều ........................................58
Hình 27. Cơ sở hình thành chu tình máy lạnh nén hơi (1) ............................................59
Hình 28. Cơ sở hình thành chu tình máy lạnh nén hơi (2) ............................................60
Hình 29. Cơ sở hình thành chu tình máy lạnh nén hơi (3) ............................................60
Hình 30. Cơ sở hình thành chu tình máy lạnh nén hơi (4) ............................................60
Hình 31. Chu trình máy lạnh nén hơi ............................................................................61
Hình 32. Sơ dồ nguyên lý chu trình khô........................................................................61
9


Hình 33. Đồ thị lgp-i chu trình khô ............................................................................... 62
Hình 34. Đồ thị T-s chu trình khô ................................................................................. 62
Hình 35. Nguyên lý chu trình quá lạnh, quá nhiệt ........................................................ 63
Hình 36. Đồ thị lgp-i chu trình quá lạnh, quá nhiệt ...................................................... 63
Hình 37. Đồ thị T-s chu trình quá lạnh, quá nhiệt......................................................... 64
Hình 38. Nguyên lý chu trình hồi nhiệt ......................................................................... 64
Hình 39. Đồ thị lgp-i chu trình hồi nhiệt ....................................................................... 65
Hình 40. Đồ thị T-s chu trình hồi nhiệt ......................................................................... 65
Hình 41. Nguyên lý của bơm nhiệt ............................................................................... 66

Hình 42. Mặt đẳng nhiệt ................................................................................................ 70
Hình 43. Đường dòng nhiệt trên mặt đẳng nhiệt ........................................................... 71
Hình 44. Hệ số dẫn nhiệt của chất khí theo nhiệt độ =f(t) .......................................... 74
Hình 45. Hệ số dẫn nhiệt của hydrô, hêli và hơi quá nhiệt ........................................... 75
Hình 46. Hệ số dẫn nhiệt của một số chất lỏng thông dụng.......................................... 76
Hình 47. Hệ số dẫn nhiệt của một số kim loại nguyên chất phụ thuộc vào nhiệt độ .... 76
Hình 48. Hệ số dẫn nhiệt của một số hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ ........................ 77
Hình 49. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xây dựng, cách nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ ... 77
Hình 50. Vi phân của quá trình dẫn nhiệt trong không gian ......................................... 79
Hình 51. Vi phân của quá trình dẫn nhiệt trong hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ trụ ............ 81
Hình 52. Tường phẳng một lớp ..................................................................................... 82
Hình 53. Phân bố nhiệt trong tường khi  phụ thuộc vào nhiệt độ ............................... 84
Hình 54. Dẫn nhiệt qua tường nhiều lớp ....................................................................... 84
Hình 55. Tường ống một lớp ......................................................................................... 86
Hình 56. Tường ống nhiều lớp ...................................................................................... 88
Hình 57. Dòng chất lỏng chảy ngang cưỡng bức .......................................................... 96
Hình 58. Đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn ..................................................... 97
Hình 59. Đối lưu tự nhiên trong khe hẹp ...................................................................... 98
Hình 60. Phụ thuộc của q và  vào t trong quá trình sôi .......................................... 101
Hình 61. Quá trình ngưng màng trên bề mặt thẳng đứng ........................................... 102
Hình 62. Phân bố các dòng bức xạ .............................................................................. 107
Hình 63. Sơ đồ nguyên lý các thành phần bức xạ ....................................................... 108
Hình 64. Đồ thị định luật Plank................................................................................... 109
Hình 65. Suy diễn định luật Kirchhoff ........................................................................ 111
Hình 66. Suy diễn định luật Lambert trong mặt phẳng ............................................... 112
10


Hình 67. Suy diễn định luật Lambert trong không gian ..............................................113
Hình 68. Quan hệ =f() của các bề mặt không bóng và bề mặt được đánh bóng ...113

Hình 69. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau ................................................116
Hình 70. Trao đổi nhiệt phức tạp .................................................................................123
Hình 71. Truyền nhiệt ổn định qua tường phẳng một lớp ...........................................124
Hình 72. Truyền nhiệt ổn định qua tường ống ............................................................126
Hình 73. Sơ đồ các dòng chảy .....................................................................................129
Hình 74. Biến thiên nhiệt độ khi lưu thể chảy song song ...........................................130
Hình 75. Phạm vi cách nhiệt........................................................................................133
Hình 76. Xác định chiều dày lớp cách nhiệt ...............................................................133
Hình 77. Cách nhiệt trong vách trụ .............................................................................135
Hình 78. Giới hạn chiều dày lớp cách nhiệt ................................................................135
Hình 79. Cơ cấu tăng cường truyền nhiệt....................................................................137
Hình 80. Cánh tỏa nhiệt ...............................................................................................137
Hình 81. Dẫn nhiệt qua thanh có tiết diện không đổi ..................................................138
Hình 82. Cân bằng năng lượng dẫn nhiệt qua thanh ...................................................139
Hình 83. Sự thay đổi nhiệt độ dọc theo thanh .............................................................140
Hình 84. Hiệu chỉnh phần nhiệt lượng đã bỏ qua ........................................................141
Hình 85. Dẫn nhiệt qua cánh .......................................................................................141
Hình 86. Hình dạng và thông số cánh .........................................................................142
Hình 87. Cánh tròn có tiết diện không đổi ..................................................................143
Hình 88. Đồ thị tra hiệu suất cánh ...............................................................................145
Hình 89. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào tỷ số đường kính đỉnh cánh và chân cánh .146
Hình 90. Hiệu quả làm cánh ........................................................................................146
Hình 91. Bề mặt làm cánh ...........................................................................................147
Hình 92. Làm lạnh thủy sản ........................................................................................148
Hình 93. Quá trình nướng thực phẩm ..........................................................................149

11

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1. Điểm 3 pha và điểm tới hạn của một số môi chất cơ bản ..................................3
Bảng 2. Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất.............................................................6
Bảng 3. Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng ...................................................................19
Bảng 4. Xét dấuu, q theo số mũ n ..............................................................................39
Bảng 5. Hệ số C, n theo chuẩn số Re ............................................................................96
Bảng 6. Dạng bức xạ theo chiều dài bước sóng ..........................................................105
Bảng 7. Quan hệ bức xạ và hấp thu của CO2 và H2O .................................................117
Bảng 8. Quãng đường trung bình của tia s theo bề mặt giới hạn ................................120

13



MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT NHIỆT ..................1
1. Hệ nhiệt động...............................................................................................................1
1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt .............................................................................................. 1
1.2. Định nghĩa và phân loại hệ nhiệt động .....................................................................1
2. Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất .....................................................2
2.1. Thí nghiệm và kết luận .............................................................................................2
2.2. Một số khái niệm và định nghĩa ...............................................................................3
3. Thông số trạng thái của hệ nhiệt động.........................................................................4
3.1. Trạng thái và thông số trạng thái ..............................................................................4
3.2. Tính chất của thông số trạng thái .............................................................................8
4. Phương trình trạng thái của chất khí ...........................................................................9
4.1. Khí lý tưởng và khí thực ...........................................................................................9
4.2. Phương trình trạng thái của chất khí ........................................................................9
5. Hỗn hợp khí lý tưởng.................................................................................................11
5.1. Khái niệm ...............................................................................................................11

5.2. Phương trình trạng thái của hỗn hợp khí ................................................................ 12
5.3. Các thành phần của hỗn hợp...................................................................................13
5.4. Xác định các đại lượng tương đương của hỗn hợp khí ..........................................14
6. Nhiệt lượng và phương pháp tính nhiệt lượng ..........................................................15
6.1. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng ..............................................................................15
6.2. Nhiệt lượng .............................................................................................................21
6.3. Các phương pháp tính nhiệt lượng .........................................................................21
7. Công và phương pháp tính công ................................................................................22
7.1. Công thay đổi thể tích............................................................................................. 22
7.2. Công kỹ thuật .........................................................................................................23
7.3. Công ngoài ..............................................................................................................24
8. Định luật nhiệt động thứ nhất ....................................................................................24
8.1. Phát biểu định luật nhiệt động I ..............................................................................24
8.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I .......................................................25
CHƯƠNG 2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG .27
1. Nội dung nghiên cứu các quá trình nhiệt động..........................................................27
1.1. Khái niệm ...............................................................................................................27
1.2. Cơ sở lý thuyết để khảo sát một quá trình nhiệt động ............................................27
i


1.3. Nội dung khảo sát ................................................................................................... 27
2. Quá trình đẳng tích .................................................................................................... 28
3. Quá trình đẳng áp ...................................................................................................... 29
4. Quá trình đẳng nhiệt .................................................................................................. 31
5. Quá trình đoạn nhiệt .................................................................................................. 32
6. Quá trình đa biến ....................................................................................................... 35
CHƯƠNG 3. HƠI NƯỚC VÀ CÁC QUÁ TRÌNH CỦA HƠI NƯỚC ........................ 41
1. Khái niệm chung ....................................................................................................... 41
1.1. Hơi nước là một khí thực ....................................................................................... 41

1.2. Quá trình hóa hơi của nước .................................................................................... 41
1.3. Quá trình ngưng tụ ................................................................................................. 42
2. Quá trình đẳng áp ...................................................................................................... 42
2.1. Mô tả quá trình ....................................................................................................... 42
2.2. Các đường đặc tính của nước ................................................................................. 42
3. Xác định các thông số trạng thái của nước và hơi bằng đồ thị hoặc bảng ................ 43
3.1. Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ..................................................................... 43
3.2. Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô ......................................................................... 43
4. Đồ thị i-s và T-s của hơi nước ................................................................................... 44
4.1. Đồ thị T-s của hơi nước .......................................................................................... 44
4.2. Đồ thị i-s của hơi nước ........................................................................................... 45
5. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước .......................................................... 46
5.1. Quá trình đẳng tích ................................................................................................. 46
5.2. Quá trình đẳng áp ................................................................................................... 46
5.3. Quá trình đẳng nhiệt ............................................................................................... 47
5.4. Quá trình đoạn nhiệt ............................................................................................... 48
CHƯƠNG 4. KHÔNG KHÍ ẨM................................................................................... 49
1. Định nghĩa và tính chất của không khí ẩm ................................................................ 49
2. Phân loại không khí ẩm ............................................................................................. 49
3. Các đại lượng đặc trưng cho không khí ẩm .............................................................. 50
4. Đồ thị i-d ................................................................................................................... 51
5. Các quá trình của không khí ẩm ................................................................................ 52
CHƯƠNG 5. CÁC CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ....................................................................................... 55
1. Khái niệm chung ....................................................................................................... 55
1.1. Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch ..................................................... 55
ii


1.2. Chu trình thuận chiều ............................................................................................. 56

1.3. Chu trình ngược chiều ............................................................................................ 56
2. Chu trình carno thuận nghịch ....................................................................................57
2.1. Chu trình carno thuận nghịch thuận chiều .............................................................. 57
2.2. Chu trình carno thuận nghịch ngược chiều ............................................................ 58
3. Chu trình máy lạnh hơi một cấp nén. ........................................................................59
3.1. Cơ sở hình thành .....................................................................................................59
3.2. Các chu trình làm việc cơ bản của máy lạnh nén hơi 1 cấp ...................................61
4. Chu trình làm việc của bơm nhiệt .............................................................................66
5. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong công nghệ chế biến thực phẩm. ...............67
CHƯƠNG 6. TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG PHƯƠNG THỨC DẪN NHIỆT ................69
1. Nhiệt trường và gradien nhiệt độ ...............................................................................69
1.1 Nhiệt trường.............................................................................................................69
1.2 Građien nhiệt độ ......................................................................................................70
2. Định luật Fourier, hệ số dẫn nhiệt, phương trình vi phân của dẫn nhiệt ...................71
2.1 Định luật Fourier .....................................................................................................71
2.2 Hệ số dẫn nhiệt ........................................................................................................72
2.3 Phương trình vi phân của dẫn nhiệt .........................................................................78
3. Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng ..........................................................................81
3.1. Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng 1 lớp .............................................................. 81
3.2. Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng nhiều lớp .......................................................84
4. Dẫn nhiệt ổn định qua tường ống ..............................................................................86
4.1. Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp ...............................................................................86
4.2. Dẫn nhiệt qua tường ống nhiều lớp ........................................................................88
CHƯƠNG 7. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU ............................................................... 91
1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................ 91
1.1 Đối lưu tự nhiên .......................................................................................................91
1.2 Đối lưu cưỡng bức ...................................................................................................91
2. Định luật cấp nhiệt .....................................................................................................91
3. Lý luận đồng dạng .....................................................................................................92
3.1. Điều kiện đồng dạng ............................................................................................... 92

3.2. Phương pháp biến đổi đồng dạng ...........................................................................92
3.3. Các tiêu chuẩn đồng dạng cơ bản trong tỏa nhiệt đối lưu ......................................93
4. Các số liệu thực nghiệm về cấp nhiệt ........................................................................94
4.1. Hệ số cấp nhiệt khi lưu thể chảy xoáy cưỡng bức trong ống thẳng tiết diện tròn ..95
iii


4.2. Hệ số cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động dòng cưỡng bức trong ống thẳng có tiết
diện tròn. ........................................................................................................................ 95
4.3. Hệ số cấp nhiệt khi dòng chất lỏng chảy ngang cưỡng bức đối với ống đơn ........ 95
4.4. Hệ số cấp nhiệt khi dòng chất lỏng chảy ngang cưỡng bức đối với ống chùm ..... 96
5. Một số trường hợp tỏa nhiệt đối lưu ......................................................................... 97
5.1. Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn ...................................... 97
5.2. Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn ................................ 98
5.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi biến đổi pha ................................................................ 99
CHƯƠNG 8. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ .............................................................. 105
1. Tổng quan về bức xạ nhiệt ...................................................................................... 105
2. Các định nghĩa cơ bản về bức xạ nhiệt ................................................................... 106
3. Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt..................................................................... 108
3.1. Định luật Plank ..................................................................................................... 108
3.2. Định luật Stefan – Boltzomann ............................................................................ 110
3.3. Định luật Kirchhoff .............................................................................................. 110
3.4. Định luật Lambert (định luật Cosin) .................................................................... 111
4. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật đặt trong điều kiện môi trường trong suốt ....... 114
4.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng song song rộng vô hạn ..................... 114
4.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau ........................................................ 116
5. Bức xạ chất khí ........................................................................................................ 117
6. Bức xạ mặt trời ........................................................................................................ 121
CHƯƠNG 9. TRUYỀN NHIỆT ................................................................................. 123
1. Sự cấp nhiệt tổng hợp bằng bức xạ và đối lưu ........................................................ 123

2. Phương trình truyền nhiệt ổn định qua tường phẳng .............................................. 124
2.1. Tường phẳng 1 lớp ............................................................................................... 124
2.2. Tường phẳng nhiều lớp ........................................................................................ 125
3. Phương trình truyền nhiệt ổn định qua tường ống .................................................. 125
3.1. Tường ống 1 lớp ................................................................................................... 125
3.2. Tường ống nhiều lớp ............................................................................................ 127
CHƯƠNG 10. CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .................................................. 129
1. Truyền nhiệt khi nhiệt độ thay đổi .......................................................................... 129
2. Truyền nhiệt khi dòng chảy song song cùng chiều ................................................. 129
3. Truyền nhiệt khi dòng chảy song song ngược chiều ............................................... 131
4. Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh................................................................ 132
CHƯƠNG 11. CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG SỰ TRAO ĐỔI NHIỆT ............ 133
iv


1. Cơ sở lý luận và các biện pháp tăng cường sự trao đổi nhiệt ..................................133
1.1. Cách nhiệt .............................................................................................................133
1.2. Tăng cường truyền nhiệt .......................................................................................136
2. Một số ứng dụng trong công nghệ lạnh đông, gia nhiệt thực phẩm .......................147
2.1. Quá trình đun nóng ...............................................................................................147
2.2. Quá trình làm lạnh ................................................................................................148
2.3. Quá trình nướng ....................................................................................................149
2.4. Quá trình sao và rang ............................................................................................150
2.5. Quá trình rán .........................................................................................................150
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................151
PHỤ LỤC ....................................................................................................................153
Bảng 1. Chuyển đổi đơn vị ..........................................................................................153
Bảng 2. Tính chất vật lý của không khí khô p = 760 mmHg..................................154
Bảng 3. Tính chất nhiệt vật lý của nước trên đường bão hoà .................................155
Bảng 4. Tính chất nhiệt vật lý của khói ....................................................................156

Bảng 5. Tính chất nhiệt vật lý của dầu máy biến áp ...............................................156
Bảng 6. Nhiệt dung riêng hằng số.............................................................................157
Bảng 7. Nhiệt dung riêng trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ (t= 0÷1500 oC) ......157
Bảng 8. Nhiệt dung riêng của ôxy ............................................................................158
Bảng 9. Nhiệt dung riêng của khí Nitơ .....................................................................159
Bảng 10. Nhiệt dung riêng của khí CO ....................................................................160
Bảng 11. Nhiệt dung riêng của khí hydro (H 2) ........................................................161
Bảng 12. Nhiệt dung riêng của khí CO2 .....................................................................162
Bảng 13. Nhiệt dung riêng của hơi nước (H2O) ......................................................163
Bảng 14. Nhiệt dung riêng của không khí................................................................164
Bảng 15. Nhiệt dung riêng của khí SO2 .....................................................................165
Bảng 16. Nước và hơi nước bão hoà (theo nhiệt độ) ..............................................167
Bảng 17. Nước và hơi nước bão hoà (theo áp suất) ................................................169
Bảng 18. Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ................................................................173
Đồ thị I-d của không khí ẩm ........................................................................................179

v



CHƯƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT NHIỆT
1. Hệ nhiệt động
1.1. Hệ thống thiết bị nhiệt
Trong thực tế ta gặp nhiều hệ thống thiết bị lạnh như máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ,
các thiết bị sấy, chưng cất,… chúng thực hiện việc chuyển tải nhiệt từ vùng này đến
vùng khác hoặc biến đổi nhiệt thành công.
- Hệ thống thiết bị: Máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ tiêu tốn công để chuyển tải nhiệt
từ vùng có nhiệt độ thấp (buồng lạnh) đến vùng có nhiệt độ cao hơn (không khí bên
ngoài). Tuabin hơi của nhà máy nhiệt điện nhận nhiệt từ nguồn nóng và nhả nhiệt cho

nguồn lạnh để biến đổi thành cơ năng. Tuy nhiên muốn thực hiện được vấn đề này thì
cần có hệ thống thiết bị nhiệt và môi chất.
- Môi chất: Muốn thực hiện việc truyền tải nhiệt, chuyển hóa nhiệt thành cơ năng hoặc
ngược lại trong các thiết bị nhiệt, ta phải dùng chất trung gian gọi là môi chất hay chất
công tác. Trong thực tế môi chất thường ở thể lỏng hoặc thể khí vì chúng dễ dàng nén
ép và có khả năng thay đổi thể tích lớn, nên lợi cho việc trao đổi công.
1.2. Định nghĩa và phân loại hệ nhiệt động
Tập hợp tất cả các vật thể có liên quan với nhau về mặt cơ và nhiệt được tách ra nghiên
cứu được gọi là hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm trong hệ nhiệt động gọi
là môi trường xung quanh.
Ranh giới giữa hệ nhiệt động và môi trường có thể là một bề mặt cụ thể, cũng có thể là
bề mặt tưởng tượng do ta qui ước.
Ví dụ: Khi nghiên cứu quá trình đun nước trong một bình kín thì có thể xem hệ nhiệt
động là nước và hơi trong bình, còn môi trường xung quanh là bình và không khí xung
quanh.
Các vật thể nằm trong hệ có thể trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường xung quanh.
Có thể phân hệ nhiệt động thành:
- Hệ cô lập và đoạn nhiệt: Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt và
công với môi trường xung quanh. Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi
trường. Tuy nhiên trong thực tế không có hệ hoàn toàn cô lập hoặc đoạn nhiệt, mà chỉ
có thể gần đúng với hệ này trong sai số cho phép.
- Hệ kín và hệ hở: Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh. Hệ hở
là hệ có trao đổi chất với môi trường xung quanh.
Ví dụ: Trong tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ thì lượng môi chất (gas làm lạnh) không
thay đổi, do đó nó là một hệ kín. Trong động cơ xe máy, môi chất chính là lượng khí
thay đổi liên tục, do đó nó là hệ hở.

1

2. Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của đơn chất
2.1. Thí nghiệm và kết luận
Từ thực nghiệm cho ta thấy tất cả các môi chất đơn như: nước, thủy ngân, amoniac,
freon, cacbon… khi cấp nhiệt hoặc thải nhiệt đều có sự thay đổi trạng thái và chuyển
pha ở các mức độ khác nhau.
Ví dụ: lấy 1kg nước ở áp suất 1bar, nhiệt độ 20oC đem gia nhiệt. Quan sát ta thấy:
- Nhiệt độ nước tăng từ 20oC đến 99,64oC thì một bộ phận nước bắt đầu hóa hơi,
nhiệt độ nước vẫn giữ ở 99,64oC đến khi toàn bộ nước chuyển thành hơi. Sau đó nếu
tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ hơi nước tiếp tục tăng lên.
- Thể tích riêng của nước tăng từ 0,0010018 m3/kg tăng đến 0,0010432 m3/kg rồi
bắt đầu hóa hơi, và khi chuyển thành hơi nước thì thể tích riêng bằng 1,694 m3/kg (tăng
khoảng 1600 lần so với nước ở trạng thái lỏng). Thể tích riêng của hơi nước sẽ tiếp tục
tăng lên khi được cấp nhiệt (cụ thể ở 600oC thể tích riêng bằng 4,028 m3/kg).
Nếu thải nhiệt (làm lạnh) hơi nước ở 600oC ở áp suất không đổi là 1bar thì nhiệt độ sẽ
giảm xuống đến 99,64oC thì một bộ phận hơi ngưng lại thành nước lỏng, nhiệt độ vẫn
không đổi đến khi hơi nước được ngưng tụ hết.
Nếu tiếp tục làm lạnh thì nhiệt độ của nước sẽ giảm xuống đến 0 oC, một bộ phận nước
sẽ đông đặc thành nước đá, nhiệt độ vẫn không thay đổi cho đến khi toàn bộ nước chuyển
sang trạng thái rắn (nước đá), sau đó nếu tiếp tục làm lạnh thì nhiệt độ nước đá tiếp tục
giảm xuống. Khi cấp nhiệt cho nước đá ở nhiệt độ thấp (ví dụ -18oC) trong điều kiện áp
suất 1bar thì nhiệt độ nước đá tăng lên đến 0oC và nước đá bắt đầu tan, nhiệt độ không
đổi 0oC đến khi nước đá tan hoàn toàn thành nước. Nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ
của nước bắt đầu tăng lên.
Làm lại thí nghiệm trên ở áp suất khác nhau và biểu thị trên đồ thị p-t và T-s cho thấy
kết quả như sau:

Hình 1. Đồ thị p-t và T-s

- Khi áp suất p nằm trong phạm vi điểm 3 pha (ví dụ: đối với nước, p3 = 0,00611bar,
tương ứng nhiệt độ tại điểm này t3 = 0,01oC) và áp suất tới hạn pk (đối với nước pk =221,3

bar tương ứng với nhiệt đôi tới hạn tk của nước là 374,15oC) nghĩa là pk> p> p3, thì quá
trình xảy ra giống nhau về mặt định tính nhưng về định lượng có khác nhau:
2


+ Ở áp suất p3, nhiệt độ đông đặc bằng nhiệt độ hóa hơi, áp suất càng tăng thì
nhiệt độ đông đặc càng giảm xuống (đường 0-L trên đồ thị p-t) và nhiệt độ hóa hơi tăng
lên (đoạn O-K).
+ Áp suất tăng thì sự khác nhau giữa thể tích riêng của hơi và của nước càng
giảm dần, đến áp suất pk thì không còn khác nhau nữa.
- Khi p>pk thì quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng không khác nhau mấy, nhưng
từ pha lỏng chuyển thành pha hơi không có ranh giới rõ ràng, không có giai đoạn pha
lỏng và pha hơi cùng tồn tại.
- Khi pnhiệt thì pha hơi trực tiếp chuyển thành pha rắn. Chỉ ở trạng thái p3 và t3 thì cả ba pha
có thể cùng tồn tại.
Làm lại thí nghiệm trên với các đơn môi chất khác nhau, về định tính chúng đều giống
nhau, về định lượng có khác nhau, kết quả được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1. Điểm 3 pha và điểm tới hạn của một số môi chất cơ bản

2.2. Một số khái niệm và định nghĩa
2.2.1 Các quá trình
a. Nóng chảy và đông đặc
Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ngược lại nếu chuyển từ pha
lỏng sang pha rắn được gọi là quá trình đông đặc. Khi nóng chảy, môi chất sẽ nhận nhiệt,
ngược lại khi đông đặc môi chất sẽ nhả nhiệt, hai nhiệt lượng có chỉ số bằng nhau gọi là
ẩn nhiệt nóng chảy hay ẩn nhiệt đông đặc (đối với nước, ở áp suất khí quyển nhiệt lượng
này bằng 333,37 kJ/kg).
b. Hóa hơi và ngưng tụ
Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, quá trình ngược lại chuyển từ pha

hơi sang pha lỏng được gọi là quá trình ngưng tụ. Khi hóa hơi môi chất nhận nhiệt, khi
ngưng tụ môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt lượng đó có trị số bằng nhau và được gọi là ẩn
nhiệt hóa hơi hay ẩn nhiệt ngưng tụ, nó phụ thuộc vào bản chất và thông số trạng thái
của môi chất.
Tùy theo điều kiện khác nhau, quá trình hóa hơi được chia thành quá trình bay hơi và
quá trình bốc hơi (sôi). Quá trình bay hơi chỉ tiến hành trên mặt thoáng, còn quá trình
sôi tiến hành trong cả môi chất.
3


Nhiệt đội môi chất tiến hành hóa hơi hoặc ngưng tụ được gọi là nhiệt độ bão hòa (hoặc
nhiệt độ sôi), nhiệt độ bão hòa phụ thuộc vào áp suất .
c. Thăng hoa và ngưng kết
Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi, quá trình ngược lại chuyển từ
pha hơi sang pha rắn được gọi là quá trình ngưng kết. Khi thăng hoa môi chất nhận nhiệt,
khi ngưng kết môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt lượng đó có trị số bằng nhau và được gọi là
ẩn nhiệt thăng hoa hay ẩn nhiệt ngưng kết.
Chú ý: Tùy vào điều kiện hình thành khác nhau, pha rắn của môi chất có thể tồn tại ở
nhiều dạng kết tinh khác nhau. (Ví dụ: nước có 6 dạng, carbon có 2 dạng…).
2.2.2 Các trạng thái
a. Nước sôi (nước bão hòa)
Là nước khi bắt đầu quá trình hóa hơi hoặc kết thúc quá trình ngưng tụ, cũng là phần
nước cùng tồn tại với hơi.
b. Hơi bão hòa khô
Là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ hoặc khi vừa hóa hơi xong, cũng là phần hơi khi
hai pha hơi và nước (hoặc hơi và rắn cùng tồn tại).
c. Hơi bão hòa ẩm
Là hỗn hợp giữa hơi bão hòa khô và nước bão hòa (nước sôi). Tỷ số giữa hơi bão hòa
khô và hơi bảo hòa ẩm được gọi là độ khô. Tỷ số giữa khối lượng nước sôi với hơi bão
hòa ẩm gọi là độ ẩm của hơi bão hòa ẩm.

d. Nước chưa sôi
Là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là nước có áp suất
lớn hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ.
e. Hơi quá nhiệt
Là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc là hơi có áp suất nhỏ
hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ.

3. Thông số trạng thái của hệ nhiệt động
3.1. Trạng thái và thông số trạng thái
Trạng thái là một tập hợp các thông số xác định tính chất vật lí của môi chất hay của hệ
ở một thời điểm nào đó. Các đại lượng vật lí đó được gọi là thông số trạng thái.
Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái, có vi phân toàn phần. Do đó khi
vật hoặc hệ ở trạng thái xác định thì thông số trạng thái cũng có giá trị xác định. Nghĩa
là độ biến thiên của thông số trạng thái trong quá trình chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và
điểm cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình đó.
Trong hệ nhiệt động thường dùng 3 thông số trạng thái có thể đo được trực tiếp là nhiệt
độ (T), áp suất (p) và thể tích riêng (v) hoặc khối lượng riêng (). Chúng được gọi là các
thông số trạng thái cơ bản.
Ngoài ra trong tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác như: nội năng
(U), entanpi (E), và entropi (S). Các thông số này không đo được trực tiếp mà phải được
tính toán qua các thông số cơ bản.
4


Khi thông số trạng thái tại mọi điểm trong toàn bộ thể tích của hệ có trị số đồng nhất và
không thay đổi theo thời gian, ta nói hệ ở trạng thái cân bằng. Ngược lại khi không có
sự đồng nhất này, ta nói hệ ở trạng thái không cân bằng. Chỉ khi ở trạng thái cân bằng
mới biểu diễn được trên đồ thị bằng một điểm nào đó, đối với trạng thái không cân bằng
thì thông số trạng thái tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau nên không biểu diễn được
trên đồ thị.

2.1.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật, nó thể hiện mức
độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử. Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt
độ của chất khí là đại lượng thống kê tỉ lệ thuận với động năng chuyển động tịnh tiến
trung bình của các phân tử.
T

m 2
3k

(1-1)

Trong đó:
T: nhiệt độ tuyệt đối của vật
m: khối lượng phân tử
: vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử
k: hằng số Bonzman (k = 1,3805.10-23 j/K)
Vậy trung bình tốc độ chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ càng
cao. Trong hệ thống SI thường dùng 2 thang đo nhiệt độ:
- Thang nhiệt độ bách phân: kí hiệu bằng chữ t, đơn vị đo là Censius (oC).
- Thang nhiệt độ tuyệt đối: kí hiệu bằng chữ T, đơn vị đo là Kenvin (K).
Ngoài ra một số nước như Anh, Mỹ còn dùng thang nhiệt độ Farehet, đơn vị đo là ( oF)
và thang nhiệt độ Renkin, đơn vị đo là (oR). Quan hệ giữa các thang nhiệt độ tuân theo
biểu thức sau:
t ( 0 C )  T ( o K )  273,15 





5 0
5
t ( F )  32  t ( 0 R)  273,15
9
9

(1-2)

Để đo nhiệt độ, người ta dùng các dụng cụ khác nhau như: nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế
khí, nhiệt kế điện trở…
2.1.2 Áp suất

Lực tác dụng của môi chất lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc gọi là áp suất tuyệt
đối của môi chất.
Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỷ lệ với động năng chuyển động tịnh tiến trung
bình của các phân tử, và với số phân tử trong một đơn vị thể tích.
p   .n.

m 2
3

(1-3)

Trong đó:
n: số phân tử khí trong một đơn vị thể tích

5