BÀI GIẢNG kỹ THUẬT NHIỆT

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
1.1.1 Định nghĩa
Hệ thống nhiệt động là một tập hợp các vật thể vĩ mô, tại đó xảy ra sự trao đổi năng lượng hoặc cả năng lượng và
khối lượng.
Nhiệt động lực học cần cho các lĩnh vực:
- Bơm và máy nén.
- Hệ thống điều hòa không khí, máy lạnh, bơm nhiệt, thông gió.
- Công nghệ tách khí và hóa lỏng.
- Các lọai động cơ turbine, động cơ đốt trong, động cơ phản lực.
- Các thiết bị sử dụng hơi nước.


Biên giới

HTND

Môi trường
Biên giới

Biên giới

Môi trường

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA
1.2.1 Hệ thống nhiệt động
Hệ thống hoạt động phải có đầy đủ ba yếu tố: chất môi giới, nguồn
nóng và nguồn lạnh.

Chất môi giới là các môi chất trung gian dùng trong các thiết bị
nhiệt để thực hiện các quá trình trao đổi năng lượng với bên ngoài.
Yêu cầu chất công tác: có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ
dàng khi trao đổi năng lượng → là các chất khí hoặc hơi.


Hệ thống nhiệt động được phân ra nhiều loại:

• 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
• Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường

Trong thực tế, không có hệ hoàn toàn cô lập hoặc đoạn nhiệt, mà
chỉ gần đúng với sai số cho phép được.
• Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt và công
với môi trường xung quanh


1.2.2 Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh
1.2.2.1. Động cơ nhiệt:
Là loại máy nhận nhiệt dùng để sinh công. Các máy này làm việc
theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng giãn nở để biến một
phần nhiệt này thành công sau đó nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn
lạnh.
Ví dụ: Động cơ đốt trong, động cơ phản lực, máy hơi nước.


1.2.2.2. Bơm nhiệt và máy lạnh:
Về nguyên lý thì bơm nhiệt và máy làm lạnh giống nhau. Các
máy này nhận công từ bên ngoài để chuyển nhiệt lượng từ môi

trường có nhiệt độ thấp hơn đến môi trường có nhiệt độ cao hơn.
Về phạm vi hoạt động thì khác nhau.


1.2.3 Nguồn nhiệt:
Là nơi cung cấp hoặc nhận nhiệt của chất môi giới trong chu trình.
Trong một chu trình phải có ít nhất 2 nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt
độ T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2).


1.2.4 Chất môi giới
Là chất trung gian dùng để thực hiện quá trình biến đổi giữa
nhiệt và công trong hệ thống nhiệt động. Chất môi giới có thể ở
trạng thái rắn, lỏng, khí. Trong các máy nhiệt thường gặp ở dạng
khí, vì thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả
năng sinh công lớn.


1.2.5 Công và nhiệt lượng
1. Thực hiện một công của vật này đối với vật kia:
Lúc đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng bằng lượng của vật kia mất đi. Công trong nhiệt động kỹ
thuật ký hiệu là L và quy ước công do vật sinh ra là dương và ngược lại công do vật nhận được là âm.


2. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp
xúc với nhau:
Năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt lượng. Nhiệt
lượng trong nhiệt động kỹ thuật ký hiệu là Q và quy ước nhiệt lượng
do vật nhận là dương và vật thải ra là âm.
1 Calo = 4,1868 J

1.2.6 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch.
Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng và biến đổi trạng
thái từ 1 sang 2 và ngược lại từ 2 sang 1 theo đúng trạng thái
trung gian của chất môi giới ở giữa các điểm 1 và 2 mà không
làm thay đổi trạng thái của hệ thống và môi trường bên ngoài
hay không gây tổn thất năng lượng. (Nghĩa là: không bị ma sát,
không có sức cản trong quá trình chuyển động).
Ngược lại những quá trình không thỏa mãn điều kiện trên gọi
là quá trình không thuận nghịch. Nghĩa là quá trình không thể
quay về trạng thái ban đầu, nếu muốn trở về thì phải cung cấp
năng lượng.


1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
Định nghĩa
Thông số trạng thái là các đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ và mối quan hệ giữa hệ với môi trường ở một thời
điểm nào đó.
Phân loại
Chia làm 2 loại :
- Thông số dung độ: là những đại lượng vật lý có giá trị phụ thuộc vào khối lượng.
- Thông số cường độ: là những đại lượng vật lý có giá trị không phụ thuộc vào khối lượng.


1.3.1 Nhiệt độ (Temprature).
- Nhiệt độ bách phân là thang nhiệt độ Celcius, kí hiệu t, đơn vị °C
- Nhiệt độ tuyệt đối Kelvin, kí hiệu T, đơn vị °K,
T = t + 273,15 ≈ t + 273
Ngoài ra trong hệ thống nhiệt độ ở Mỹ, Anh và một số nước khác còn dùng thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu là

°F; nhiệt độ Rankine ký hiệu là °R.
Quan hệ giữa nhiệt độ C, nhiệt độ F và nhiệt độ R như sau:

5
(°F _ 32)
9
9
°F = °C + 32
5

°C =

°F = °R

_

460


1.3.2 Áp suất (Pressure)
Áp suất là lực tác dụng của các phần tử chất khí theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình
chứa chất khí đó, áp suất được ký hiệu là P.
Đơn vị là:

[N/m²] hay [Pa]

Trong đó:
- F: là tổng lực tác dụng của các phân tử khí trong bình chứa [N]
2
- S: diện tích thành bình chứa chất khí [m ].

F
p =
S


Quan hệ của các thông số được biểu thị như sau:
1 at = 0,981 bar = 0,981× 105 Pa = 735,5mmHg
1 mmH2O = 0,1 at = 0,098 bar
1 bar =105 N/m2 = 750mmHg
1 kPa = 103 Pa; 1 MPa = 106 Pa
Ngoài ra ở Mỹ, Anh người ta còn dùng một số đơn vị khác như PSI
(Pound per Square Inch, Lb/ in2), công thức chuyển đổi như sau:
1 kg/ cm2 = 14,2 PSI
1 PSI = 0,07at
Áp suất thật của chất khí là áp suất tuyệt đối, kí hiệu là p và là thông số trạng thái. Áp suất tuyệt đối của khí quyển kí
hiệu p0, phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất khí quyển là áp suất dư kí hiệu pd , phần áp suất nhỏ hơn áp suất
khí quyển gọi là độ chân không kí hiệu pck

Ta có:

p = po + pd
p = po – pck


Dụng cụ để đo áp suất gọi là áp kế, trong thực tế áp kế có ba loại:
- Áp kế dùng để đo áp suất khí quyển gọi là Barometer.
- Áp kế dùng để đo áp suất dư được gọi là Manometer.
- Áp kế dùng để đo chân không gọi là Vacumeter hay chân không kế.
1.3.3 Thể tích riêng và khối lượng riêng

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng, ký hiệu là v, xác định bằng biểu thức:
3
[m /kg]

Trong đó:

3
V: thể tích của vật (m )

V
v =
G

G: khối lượng của vật (kg)
Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng, ký hiệu là

ρ
ρ=

1 G
= , kg / m3
V V


1.3.4 Nội năng:
- Ký hiệu là: U (J) khi khối lượng chất môi giới là G kg
hay u (J/kg) khi khối lượng chất môi giới là 1 kg.
- Nội năng là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật.
Nội năng của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất khí, nghĩa là phụ thuộc vào hai thông số độc
lập. Nội năng là một thông số trạng thái nên sự biến thiên của nó không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình, chỉ

phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối.
Vậy nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích.
Ta có:

u = f (T,v)

Đối với khí lý tưởng không có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng 0, vì vậy nội năng của khí lý
tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ hay nội năng là hàm của nhiệt độ :
u = f (T)
1 kJ = 0,2392 kCal; hay 1 kCal = 4,18 kJ


1.3.5 Entanpi (i)
Ký hiệu: I [J] khi khối lượng chất môi giới là G kg
hay i [J/kg] hay h [J/kg] khi khối lượng chất môi giới là 1 kg
Trong nhiệt động, entanpi được định nghĩa bằng biểu thức:
I = U + pV
Hay:
i = u + p
1.3.6 Entropi (s)
o
Ký hiệu là S (J/kg. K) khi khối lượng chất môi giới là G kg
hay

o
s (kJ/kg. K) khi khối lượng chất môi giới là 1 kg

Entropy không đo trực tiếp mà phải tính toán. Trong nhiệt động entropy định nghĩa như sau:

Độ biến đổi của entropy không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà chỉ phụ

thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình.

dq
ds=
T


1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở
THỂ KHÍ
1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:
Khí lý tưởng là khí khi lực tương tác giữa các phân tử bằng không và thể
tích bản thân các phân tử bằng không.
- Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho 1 kg chất khí:
pv = RT
- Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg.
pV = GRT
Trong đó: R là hằng số của chất khí lý tưởng, R = 8314/ µ (J/kg.độ)
3
V: là thể tích của chất khí (m )
2
p: áp suất tuyệt đối (N/m )
0
T: nhiệt độ tuyệt đối ( K)
3
v: thể tích riêng (m /kg)

µ : kilomol của khí lý tưởng, (kg/kmol) có chỉ số bằng phân tử lượng.


1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5.1 Tính chất:
- Áp suất của khí thành phần tuân theo
định luật Dalton
n
p = p1 + p 2 + ... + p n = ∑ pi
i =1

Trong đó:

p: Áp suất của hỗn hợp khí.
pi: Áp suất của khí thành phần hay phân áp suất.

- Định luật Amagat (như là Hệ quả định luật Dalton): Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành
phần.
n

V = V1 + V2 + ... + V , n = ∑ Vi

Gọi: V, T: là thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp khí.

Pi: áp suất riêng phần của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.
i =1
Gi : khối lượng của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.
Ri: là hằng số của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.
Ta có phương trình trạng thái đối với khí thành phần trong hỗn hợp:
piV = GiRiT


1.5.2 Thành phần của hỗn hợp:
1. Thành phần khối lượng (gi):

Gi
G

gi =

Trong đó: gi: Thành phần khối lượng
Gi: Khối lượng của chất khí thành phần ( kg)
G: Khối lượng của hỗn hợp khí (kg)

Ta có:

n

G = G1 + G2 + ... + Gn = ∑ Gi
i =1

Nên ta có:

g=

Gi
n

∑ Gi
i =1

n

⇒ g = ∑ gi = 1
i =1

Vi
ri =
V

2. Thành phần thể tích (ri):
Trong đó:

vi: là thể tích riêng phần;
ri : thành phần thể tích của hỗn hợp khí;
V: Thể tích của hỗn hợp khí.

Vi 1 n
V
ri = ∑ = ∑ Vi = = 1
∑
3. Thành phần mol: Là tỷ
V chất
Vphần với tổng số mol của hỗn hợp khí (M).
i =1số giữa sối =mol
1 V(Mi) của
i =1 khí thành
n

Ta có:

n

Mi: là số mol của khí thành phần

M
m =
M

M: là tổng số mol của hỗn hợp khí
i
i tất cả các khí lý tưởng đều bằng nhau
Theo định luật Avogadro: ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích một kmol của
nghĩa là:

Vμi = Vμ . Như vậy ta có:

ri =

=

Vi
V

M iVµi
MVµ


1.5.3. Xác định các đại lượng của hỗn hợp:
1. Phân tử lượng của hỗn hợp (µ hh): là tỷ số giữa khối lượng G và số
mol M của hỗn hợp.

µhh =

Ta có:
µ hh =

G
M

=

Và ta có:

=

=

V

G
n G
∑ i
i =1 μ i

1
n g
∑ i
i =1μ i

gi
∑
i =1 µ i
n

n

∑ μ i ri

∑G R T
i =1

i =1

8314
i =1

n

n

i

=

∑ μ i ri

= 8314

=

i

=

i =1

8314
pi V= GiRiT;
µ hh
Rhh =

=

M

∑ Mi

Ta có:

Từ biểu thức:

=
G

n

Miµ

n

2. Hằng số chất khí R của hỗn hợp khí (Rhh)

Rhh =

∑

G
M

V
×
GT

∑GiR i

i =1

G

n

∑ gi R i

i =1


3. Thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp
- Thể tích riêng của hỗn hợp khí (v):
n

v=

V

G

∑ Vi

=

i =1

G

n

gi
=∑
i =1ρ i

1 Gi
= G∑ρ
i

- Khối lượng riêng của hỗn hợp khí (ρ ).

n

ρ=

G
=
V

4. Áp suất riêng phần (pi):
Ta có:

piV = phhVi
pi

=

phh

∑Gi

i =1

V

n
1 n
∑ Vi ρ i = ∑ ri ρ i
=
V i =1
i =1

= riphh

Vi
Vhh


Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC

QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.1 CÔNG.

2.1.1 Công thay đổi thể tích (hay công giãn nở)
Dưới tác động của áp suất chất môi giới thì bề mặt ranh giới sẽ bị dịch chuyển hoặc làm tăng thể tích chất môi giới hay
ngựơc lại và công tương ứng là công giãn nở hay công nén. Cả hai công này gọi chung là công thay đổi thể tích. Kí hiệu là
l (J/ kg) hay L (J).
công thay đổi thể tích:

dl = pdv

p

p

l1− 2 =

V1

∫ p dv

V2

1

2

2
l12> 0
v1

1

l12< 0
v2

v

v2

Hình 2.2 Đồ thị xác định công thay đổi thể tích

v1

v


2.1.2 Công kỹ thuật
Là công do sự thay đổi áp suất của hệ gây ra.
Kíí́ hiệu: lkt (J/ kg) hay Lkt ( J).
Biểu thức tính công kỹ thuật như sau:
dlkt = - vdp (J/ kg) hoặc dLkt = -Vdp ( J)
p
 
p2
Lkt = ∫ _ Vdp
l kt = ∫ _ vdp , [J/kg] hoặc
2

p

2.1.3 Công ngoài (ngoại1công):

, [J]

p1

Là công mà hệ trao đổi với môi trường. Kí hiệu là ln (J/kg) hay Ln ( J).
Công ngoài được xác định bằng biểu thức:
+ Đối với hệ hở:
+ Đối với hệ kín:

và

dl n = dl12 = p dv

l n12 = l12
2

ω2 − ω12
∆ω 2
ln12 = lkt12 −
= lkt12 −
2
2

Ngoài ra khi bỏ qua ngoại thế năng, biểu thức tổng quát của công kỹ thuật là:

l kt12 = l n12

∆ω 2

+
2