Bài giảng kỹ thuật nhiệt

5/7/2012

TÀI LIỆU HỌC TẬP
[1] Giáo trình Kỹ Thuật Nhiệt, khoa công nghệ nhiệt lạnh,
trường ĐHCN Tp. Hồ Chí Minh.
[2] Hoàng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập nhiệt động lực học kỹ
thuật và truyền nhiệt, Nhà xuất bản đại học quốc gia thành
phố Hồ Chí Minh, 2002

GV: VÕ LONG HẢI
email:

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1

07/05/2012

TÀI LIỆU HỌC TẬP

2

NỘI DUNG
1.1. Các vấn đề chung.
1.2.Một số khái niệm và định nghĩa
1.3. Thông số trạng thái
1.4. Khí lý tưởng
1.5. Hỗn Hợp khí lý tưởng
1.6. Định luật nhiệt động thứ nhất

1.7. Các phương trình liên quan đến tích số T.ds
1.8. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
1.9. Định luật nhiệt động thứ hai

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG
CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH CHẤT KHÍ
CHƯƠNG 3: HƠI NƯỚC
CHƯƠNG 4: KHÔNG KHÍ ẨM
CHƯƠNG 5: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU
CHƯƠNG 9: TRUYỀN NHIỆT
CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT
CHƯƠNG 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU
07/05/201212: BỨC XẠ NHIỆT
Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG
CHƯƠNG

3

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

4

1


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.1 Các vấn đề chung.
Cơ sở của nhiệt động lực học là định luật nhiệt động thứ
nhất và nhiệt động lực thứ hai.
- Định luật 1 đề cập đến vấn đề bảo toàn năng lượng (chủ
yếu là nhiệt và công)
- Định luật 2 chỉ rõ quá trình nào có thể diễn ra hay không
diễn ra, các điều kiện để một quá trình diễn ra ngược với chiều tự
nhiên của nó.

1.1 Các vấn đề chung.
Theo hướng chuyển động của nhiệt lượng thì máy nhiệt
chia thành hai lọai:
- 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 ...

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

5

07/05/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

6

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.1 Các vấn đề chung.
Bơm nhiệt và máy lạnh:
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 họat động thì khác nhau:
- Máy lạnh: nhiệt lượng được chuyển từ nơi có nhiệt độ thấp hơn
môi trường xung quanh đến môi trường xung quanh hay máy lạnh
dùng làm lạnh các vật.
- Bơm nhiệt: nhiệt lượng được chuyển từ môi trường xung quanh
đến nơi có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh hay bơm
nhiệt để sưởi ấm, sấy các vật.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

7

1.1 Các vấn đề chung.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

8

2


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.1 Các vấn đề chung.
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).
Chất môi giới
Là chất trung gian dùng để thực hiện quá trình biến đổi
giữa nhiệt và công trong hệ thống nhiệt động. Có thể xem các
khí hyđro, oxy, nitơ, không khí
là khí lý tưởng.

1.1 Các vấn đề chung.
Công và nhiệt lượng
Công trong nhiệt động kỹ thuật ký hiệu là L
Quy ước công do vật sinh ra là dương và ngược lại công
do vật nhận được là âm.
Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp

xúc với nhau gọi là nhiệt lượng.
Ký hiệu là Q
Quy ước: nhiệt lượng do vật nhận là dương và vật thải ra
là âm.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

9

07/05/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

10

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA
-Hệ thống nhiệt động:
Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi nhiệt động lực học gọi là hệ
thống nhiệt động.

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA
Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh

Bên trong hệ thống có chất môi giới và trạng thái của chất môi

giới thay đổi khi hệ thống hoạt động.
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

11

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

12

3


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA

07/05/2012

1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
Thông số trạng thái là đại lượng vật lý có giá trị xác định ở
một trang thái xác định nào đó.
Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà

không phụ thuộc vào quá trình.
Các thông số trạng thái: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng,
khối lượng riêng, entanpy, entropy, nội năng.

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

13

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

14

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
1.3.1 Nhiệt độ
- Nhiệt độ là đại lượng vật lý, nó biểu thị mức độ nóng, lạnh của
một vật, là yếu tố quyết định hướng chuyển động của dòng nhiệt.
- Các loại nhiệt độ thường gặp:
K = °C + 273
(1.1)
Nhiệt độ Kelvin

1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
1.3.2 Áp suất
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.

Nhiệt độ Celcius
Nhiệt độ Fahrenheit
Nhiệt độ Rankine

07/05/2012

5
°C = (°F _ 32)
9
9
°F = °C + 32
5

(1.2)

R = °F + 460

(1.4)

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

p=

F
S

[N/m²] hay [Pa]

(1.5)

1 at = 1 kgf/ cm² = 0,981 bar = 0,981×105 N/m²
1 mH2O = 0,1 at = 0,098 bar
1 mmHg =133,322 N/ m²
1 kPa = 103 Pa; 1 MPa = 106 Pa
1 kgf/ cm² = 14,2 PSI
1 PSI = 0,07at

(1.3)

15

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

16

4


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Phân loại áp suất

- Áp suất thật của chất khí là áp suất tuyệt đối: p
- 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
(1.6)
p = po – pck
(1.7)
Dụng cụ để đo áp suất gọi là áp kế:
- 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 Vacuumeter

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

17

Phân loại áp suất

07/05/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

18

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Phân loại áp suất

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột
thủy ngân cần được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0C.
h0 = h (1 - 0,000172. t)
trong đó :
t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ;
h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh về nhiệt độ 0 0C ;
h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t 0C.

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

19

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

20

5


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

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:

1.3.4 Nội năng: U [kJ], u [kJ/kg]
- Nội năng là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật
gồm:
+ Nội động năng(Uđ)
+ Nội thế năng (Ut)

v=

V
G

[m3/kg]
(1.8)
Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng
riêng, ký hiệu là ρ 1 G
ρ = = , [ kg / m 3 ]
(1.9)
v V

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

21

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.3.5 Entanpi: I [kJ], i [kJ/kg]
Entanpi được định nghĩa bằng biểu thức:
I = U + pV
i = u + pv
(1.10)
- Đối với khí lý tưởng, u và pv chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cho nên i cũng
phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy entanpi (i) là hàm số nhiệt độ i = f (T)
- Đối với khí thực entanpi là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông số
trạng thái cơ bản p, v, t.
- Entanpy không trực tiếp đo được mà phải tính toán. Trong nhiệt động
kỹ thuật ta chỉ cần biết lượng biến đổi entanpi ∆i.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

23

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

22

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

1.3.6 Entropi : S [kJ/K], s [kJ/kg.K]
Entropy không đo trực tiếp mà phải tính toán. Trong nhiệt động
entropy định nghĩa như sau:

ds

=

dq
T

(1.11)

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.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

24

6


5/7/2012

CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.4. 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.
1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:
- Phương trình Clapeyron cho 1 kg chất khí:
pv = RT
(1.12)
- Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg.
pV = GRT
(1.13)

Ví dụ:

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

25

1.4.2 Phương trình trạng thái của khí thực:
Năm 1871 Vander Walls đưa ra một phương trình trạng thái của
khí thực dựa trên phương trình trạng thái của khí lý tưởng.

(p +

a

)(v − b) = RT
v2

(1.18)

Trong đó:
b: là đại lượng hiệu chỉnh có kể đế ́n thể tích bản thân của các
phân tử, là thể tích của các phân tử trong 1 kg chất khí.
a/v²: là hệ số hiệu chỉnh có kể đến lực tương tác giữa các phân tử
Nếu chất khí có áp suất thấp và nhiệt độ cao thì thể tích riêng v
rất lớn nên trị số a/v² rất nhỏ và giá trị (v-b) cũng tiến tới v. Như vậy
phương trình trên tiến tới phương trình trạng thái khí lý tưởng.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

26

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG
1.5.1. Định luật Gibbs - Dalton
Định luật Gibbs - Dalton

Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp
cơ học của các chất khí thành
phần khi không xảy ra phản ứng
hóa học.

Định luật Amagat
Thành phần của hỗn hợp

p = p1 + p 2 + ... + p n =

n

∑p

i

i =1

n

U = U 1 + U 2 + ... + U n = ∑ U i

(1.19a)

i =1

Xác định các đại lượng của hỗn hợp

p, pi: Áp suất của hỗn hợp và phân áp suất của thành phần thứ i
U, Ui: nội năng của hỗn hợp và nội năng của thành phần thứ i

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

27

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

28

7


5/7/2012

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG
1.5.2. Định luật Amagat
- 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”.

1.5.1. Định luật Gibbs – Dalton
n

I = I 1 + I 2 + ... + I n = ∑ I i
i =1

n

V = V1 + V2 + ... + Vn = ∑ Vi

(1.19b)

n

S = S1 + S 2 + ... + S n = ∑ S i

i =1

(1.19c)

i =1

I, Ii: Entalpy của hỗn hợp và Entalpy của thành phần thứ i
S, Si: entropi của hỗn hợp và entropi của thành phần thứ i

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

29

07/05/2012

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

Gi
G
n
G = G1 + G 2 + ... + G n = ∑ Gi

Nên ta có:

1.5.3 Thành phần của hỗn hợp:
Thành phần thể tích (ri): Là tỷ số giữa thể tích riêng phần (còn gọi là
phân thể tích) của chất khí thành phần so với thể tích của hỗn hợp.

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

(1.21)

ri =

i =1

gi =

Gi
n

∑ Gi

n

⇒ ∑ gi = 1
i =1

30

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5.3 Thành phần của hỗn hợp:
Thành phần khối lượng (gi): Là tỷ số giữa khối lượng của chất khí
thành phần với khối lượng của hỗn hợp khí.
gi =

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.22)

(1.23)
(1.24)

i =1

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

31

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

32

8


5/7/2012

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5. HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5.4 Xác định các đại lượng của hỗn hợp:
1. Phân tử lượng của hỗn hợp (µ
µhh):
µ hh = ∑ ri µi =

1
g
∑ i

1.5.4 Xác định các đại lượng của hỗn hợp:
3. Thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp
- Thể tích riêng của hỗn hợp khí (v):
(1.26)

n

µi

v=

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

8314

µ hh

=

8314
n

n

gi

i =1

µi

= 8314. ∑

∑ µ i ri

07/05/2012

8314

µ hh

n

(1.27a)

(1.28)

n

n
G ∑ Gi 1 n
ρ = = i =1 = . ∑ Vi ρ i = ∑ ri ρ i
i
=
1
i
=
1
V
V
V

(1.29)

(1.27b)

= ∑ g i .Ri
i =1

4. Áp suất riêng phần (pi):
Ta có: piV = phhVi
Nên
pi = riphh
Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

33

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.30)
34

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.1. CÔNG:
Công do một hệ thống nhiệt động nào đó tạo ra là lượng năng
lượng đi qua bề mặt ranh giới có khả năng nâng cao một vật nào đó.
Trong cơ học, công được xác định:

Công

Nhiệt lượng

2

L = ∫ F .dx

Định luật nhiệt động thứ nhất

1

Nguyên nhân cơ bản làm cho trạng thái chất môi giới bị thay
đổi chính công và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi
trường.

07/05/2012

n g
V i =1
1 n G
=
= .∑ i = ∑ i
G
G
G i =1 ρ i i =1 ρ i

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

i =1

Rhh =

∑ Vi

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

35

Công không phải là thông số trạng thái, công là một đại lượng chỉ
xuất hiện khi chất môi giới tiến hành một quá trình nào đó.
Trong hệ SI, đơn vị của công: N.m = J
Nếu tính trong một đơn vị thời gian: W, kW
Quy ước về dấu: Nếu hệ thống sinh công thì công đó có dấu
dương, nếu hệ thống nhận công thì công đó có dấu âm.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

36

9


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.1. CÔNG:

1.6.1.1. Công giãn nở hay công nén trong hệ thống kín
Dưới tác động của áp suất chất môi giới, bề mặt ranh giới bị dịch
chuyển:
Nếu sự dịch chuyển của bề mặt ranh giới làm tăng thể tích của
chất môi giới thì đó gọi là công giãn nở, ngược lại gọi là công nén. Có
tên gọi chung là công thay đổi thể tích: Ltt .
Xét hệ thống kín gồm piston có tiết diện A, bên trong chứa chất
môi giới có lực tác dụng p, có thể tích V.
Lực tác động lên bề mặt piston là p.A, làm piston di chuyển một
đoạn dx, công tạo nên bởi hệ thống là:

δLtt = p. A.dx

1.6.1. CÔNG:
1.6.1.1. Công giãn nở hay công nén trong hệ thống kín
Nếu thể tích chất môi giới biến đổi từ V1 đến V2, thì:
V2

Ltt =

Công thay đổi thể tích không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu
và trạng thái cuối mà còn phụ thuộc vào đặc điểm, hình dáng của quá
trình đó.
Nếu khối lượng chất môi giới trong hệ thống kín đang khảo sát là
1 kg thì:
2

ltt = ∫ pdv

δLtt = p.dV

07/05/2012

1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

37

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

38

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.1. CÔNG:
1.6.1.2. Công trong hệ thống hở
Hệ thống nhiệt động hở là hệ thống mà chất môi giới có thể đi
vào và đi ra khỏi hệ.
Khảo sát hệ thống nhiệt động hở. Công trong trường hợp này chia
ra hai thành phần:
■ Công lưu động Llđ: đây là thành phần công liên quan đến áp
suất của chất môi giới tác động lên bề mặt ranh giới ở đầu vào và đầu ra
của hệ.
■ Công kỹ thuật Lkt: bao gồm tất cả các thành phần công còn lại:

công có liên quan đến trục quay, công do sự chuyển dịch bề mặt ranh
giới, công do các hiệu ứng điện, từ và ứng suất bề mặt, ...
● Đối với các hệ thống hở như bơm, quạt, máy nén, tuabine, ... thì thành
phần cơ bản của Lkt là phần công có liên quan đến trục quay của hệ.
● Các hệ thống hở không có trục quay (ống tăng tốc) thì Lkt = 0
07/05/2012

∫ pdV

V1

39

1.6.2. NHIỆT LƯỢNG
Nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi chất môi giới tiến hành một quá
trình, nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi
giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ.
Quy ước về dấu: nếu nhiệt lượng từ ngoài đi vào chất môi giới
thì nhiệt lượng đó có dấu dương và ngược lại.
1.6.2.1. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi
Nếu quá trình khảo sát có tính thuận nghịch: δq = T .ds
Khi quá trình hữu hạn và đi từ 1 đến 2:
2

q = ∫ Tds

( kJ/kg)

1

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

40

10


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.2. NHIỆT LƯỢNG
1.6.2.2. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
Nhiệt lượng trao đổi trong một quá trình thuận nghịch vô cùng bé:

δq = c.dt
Phương pháp này thích hợp cho chất môi giới là thể khí.
δq – nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá
trình vô cùng bé đang khảo sát.
c – nhiệt dung riêng của chất môi giới.
dt – lượng biến đổi nhiệt độ trong quá trình vô cùng bé đó.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

41

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

42

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.2. NHIỆT LƯỢNG
1.6.2.2. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
b. Các loại nhiệt dung riêng
Phụ thuộc vào đặc điểm của quá trình và đơn vị đo lường mà ta có:
- Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp cp
- Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích cv
- Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp c’p
- Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích c’v
- Nhiệt dung riêng mol đẳng áp cµp
- Nhiệt dung riêng mol đẳng tích cµv

07/05/2012

1.6.2. NHIỆT LƯỢNG
1.6.2.2. Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
a. Định nghĩa nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng (NDR) của một chất nào đó là nhiệt lượng cần thiết để
làm tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất lên một độ trong một
quá trình cấp nhiệt nào đó.
- NDR ký hiệu là c, đơn vị là J/ kg.độ

c. Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng
- Đối với khí lý tưởng xác định được quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng
áp và nhiệt dung riêng đẳng tích như sau:
c p − cv = R =
cp

=k

cv

c

p

cv

43

07/05/2012

8314

µ

J/ kg.độ

(k gọi là số mũ đoạn nhiệt)

k
R
k −1
R
=
k −1
=

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.42)
(1.43)

(1.44)

44

11


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

c. Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng

Đối với khí lý tưởng, hệ số k và nhiệt dung riêng không phụ thuộc vào
nhiệt độ và áp suất, mà phụ thuộc vào số nguyên tử trong phân tử.

d. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí
- Nếu gọi chh là nhiệt dung riêng của hỗn hợp và c1, c2, c3… cn là nhiệt
dung riêng của từng chất khí thành phần ta có:

Gc hh = G1c1 + G 2 c 2 + ....G n c n

Bảng tra giá trị của k, Cµp, và Cµv xác định bằng thực nghiệm.
Chất khí
Chất Khí có 1
nguyên tử
Chất Khí có 2
nguyên tử
Chất Khí có từ 3
nguyên tử trở lên

k

cµp (kJ/ kmol.độ)

cµv (kJ/ kmol.độ)

1,6

20,9

12,6

1,4

29,3

20,9

n

(1.45)
Hay:
i =1
Trong đó G, G1, G2,…Gn là khối lượng của hỗn hợp khí của các chất khí
thành phần.
n
Lý luận tương tự ta có thể viết:

c hh = g1c1 + g 2 c 2 + .. + g n c n = ∑ g i ci

c phh = ∑ g i c pi
i =1

1,3

37,7

n

29,3

(1.46)

c vhh = ∑ g i cvi
i =1

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

45

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

46

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

d. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí
Ví dụ:
Một hỗn hợp khí lý tưởng bao gồm CO2, N2 và O2 với thành phần khối
lượng gCO2 = 0,6; gN2 = 0,15. Xác định hệ số mũ đoạn nhiệt k

e. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
- Nếu nhiệt dung riêng được coi là hằng số (không thay đổi bao nhiêu
theo nhiệt độ) thì nhiệt lượng q được tính như sau:

q = c( t 2

_

t1 )

(kJ/ kg)

(1.47)

- Khi cần tính toán cho G kg:
Q = G. q = G C (t 2 _ t1 )

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

47

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.48)

48

12


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ KÍN:
1.6.3.1. Phát biểu định luật:
Định luật nhiệt động thứ nhất là định luật cơ bản của nhiệt động học đã
được Mayer nêu ra năm 1842 với nội dung như sau:
“Nhiệt có thể biến thành công và ngược lại, sự biến đổi này tuân theo
mối quan hệ về lượng nhất định”.
Định luật nhiệt động 1 là trường hợp đặc biệt của định luật bảo toàn và
năng lượng. “Năng lượng không mất tự đi và cũng không tự sinh ra nó
chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác. Nói một cách khác, tổng
số các dạng năng lượng trong một hệ cô lập bất kỳ là không đổi”.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

49

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

Gɺ i = Gɺ e

∑ Gɺ = ∑ Gɺ

07/05/2012

Khi quá trình khảo sát có tính thuận nghịch, ứng với một biến đổi vô
cùng bé của chất môi giới (khối lượng chất môi giới là 1 kg)
δq = du + δl
[ kJ/ kg]
Trong trường hợp này:

δl = pdv 
 → Tds = du + pdv
δq = Tds 

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

50

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.2. Cân bằng năng lượng trong hệ thống hở:
Lượng biến đổi năng lượng tổng quát của chất môi giới trong
không gian đang khảo sát tính theo thời gian:

Với hệ thống hở nhiều đầu vào và nhiều đầu ra:

e





ω2

ω2
dEks ɺ
= Qks − Lɺkt + ∑ Gɺ i  ii + i + gzi  − ∑ Gɺ e  ie + e + gze 
dt
2
2
i

 e



e

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

[ kJ]





dEks ɺ
ω2
ω2
= Qks − Lɺkt + Gɺ i  ii + i + gzi  − Gɺ e  ie + e + gze 
dt
2
2






Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và đầu ra
i

Q = ∆U + Ltt

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.1. Nguyên tắc bảo toàn khối lượng:
Khi hệ thống hở hoạt động ở chế độ ổn định:

i

1.6.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ KÍN:
1.6.3.2. Phương trình của định luật I:
Nhiệt của quá trình:

51

ii, ie, ωi, ωe, zi và ze – lần lượt là enthalpy, tốc độ và khoảng cách của chất
môi giới so với mặt phẳng chuẩn tại đầu vào và đầu ra của hệ.
Qks – nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới trong không gian đang khảo
sát và
môi trường khi tồn tạiChương
nhiệt1:độ.
07/05/2012

KHÍ LÝ TƯỞNG
52

13


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.2. Cân bằng năng lượng trong hệ thống hở:
Các hệ thống hở trong thực tế kỹ thuật chỉ có 1 đầu vào và 1 đầu
ra và bình thường hoạt động ở chế độ ổn định, khi đó:





ω2
ω2
0 = Qɺ ks − Lɺkt + Gɺ i  ii + i + gzi  − Gɺ e  ie + e + gze 
2
2





1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.3. Ứng dụng phương trình năng lượng của hệ thống hở:
1. Bình ngưng tụ
Có thể xem hệ thống hoạt động ở chế độ ổn định:
● Sự sai biệt về động năng và thế năng của các dòng chất môi
giới giữa đầu vào và đầu ra không đáng kể;
● Không có trao đổi công giữa chất môi giới và môi trường.

Đặt G = Gi = Ge

ω ω 
Lɺkt Qɺ ks

 + g ( zi − z e )
(
)
=
+
i
−
i
+
−
i
e
Gɺ
Gɺ
2 
 2

2
i

2
e

Gɺ1 (ine − ini ) = Gɺ 2 (ihi − ihn )
(1.49)

(1.50)

G1 – lưu lượng nước giải nhiệt đi qua bình ngưng
G2 – lưu lượng của hơi tác nhân khi đi vào bình ngưng

Phương trình (1.49) là phương trình năng lượng của dòng ổn định
(Steady Flow Energy Equation – SFEE)
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

53

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

(1.51)

Công phát sinh do sự quay của trục bằng độ sụt giảm enthalpy của chất
môi giới giữa đầu vào và đầu ra.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

54

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.3. Ứng dụng phương trình năng lượng của hệ thống hở:
2. Turbine:
● Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt từ turbine ra môi trường,
● Bỏ qua sự sai biệt động năng và thế năng của dòng chất môi
giới giữa đầu vào và đầu ra:

Lɺkt
= ii − ie
Gɺ

07/05/2012

55

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.3. Ứng dụng phương trình năng lượng của hệ thống hở:
3. Máy nén rotor:
● Máy nén rotor được xem tương tự như turbine nhưng hoạt động
ở chế độ ngược lại.
● Chất môi giới có áp suất và enthalpy thấp đi vào máy nén, do

nhận công cung cấp từ bên ngoài, trục máy sẽ quay và làm gia tăng tốc
độ của chất môi giới. Sau đó tốc độ chất môi giới giảm dần xuống, lượng
động năng mà chất môi giới nhận được thông qua sự quay của trục sẽ
được biến đổi để làm tăng áp suất của chất môi giới.

Lɺkt
= ii − ie
Gɺ

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.52)

56

14


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.3. Ứng dụng phương trình năng lượng của hệ thống hở:
4. Ống tăng tốc và ống tăng áp:
◙ Ống tăng tốc: khi đi qua tốc độ tăng lên và áp suất giảm xuống

● Công kỹ thuật xem như bằng không, lượng biến đổi thế năng
của dòng chất môi giới giữa đầu vào và đầu ra không đáng kể.
◙ Ống tăng áp: khi đi qua ống tăng áp, tốc độ của chất môi giới
giảm xuống và áp suất tăng lên.

ii − ie =

07/05/2012

ω

2
e

2

−

ω

2
i

2

57

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

(1.55)

● Qks – lượng nhiệt cần cung cấp cho lò hơi.
● ii và ie – enthalpy của nước cấp và của hơi ra khỏi lò hơi.

07/05/2012

07/05/2012

T .dS = dI − V .dp

= p.dV

(1.57)

T .ds = du + p.dv

(1.58)

T .ds = di − v.dp

(1.59)

● Nếu chất môi giới đang khảo sát là khí lý tưởng:

= T .dS

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

58

1.7. CÁC PHƯƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN TÍCH SỐ T.dS:
(1.56)
T .dS = dU + p.dV

● Nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường:

(δQ )TN

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

● Nếu khối lượng chất môi giới đang khảo sát là 1 kg:

● Công trao đổi giữa chất môi giới và môi trường:

(δL )TN

(1.54)

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.7. CÁC PHƯƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN TÍCH SỐ T.dS:
Khảo sát một hệ thống nhiệt động với chất môi giới là loại thuần
khiết nén được, khi diễn ra một quá trình thuận nghịch vô cùng bé:

= dU + (δL )TN

Qɺ ks = Gɺ (ii − ie )

(1.53)

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(δQ )TN

1.6.4. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VIẾT CHO HỆ HỞ:
1.6.4.3. Ứng dụng phương trình năng lượng của hệ thống hở:
5. Lò hơi:
Trong hệ thống này xem công kỹ thuật bằng không. Nếu bỏ qua
độ biến đổi động năng và thế năng của chất môi giới:

59

07/05/2012

T .ds = cv .dT + p.dv

(1.60)

T .ds = c p .dT − v.dp

(1.61)

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

60

15


5/7/2012

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Đối với mọi quá trình:

Quá trình đa biến

∆u = u2 – u1 = cv (t2 – t1) [ kJ/ kg]

Quá trình đoạn nhiệt

∆i = i2 – i1 = cp (t2 – t1) [kJ/ kg]

Quá trình đẳng nhiệt

2

l12 = ∫ pdv

Quá trình đẳng áp

[J/ kg]

1

p2

Quá trình đẳng tích

l kt =

∫ − v. dp (J / kg )
p1

ds =

dq
T

2

hay

∆s12 = ∫
1

dq
T

[J / kg.K ]

q = l12 + ∆u = lkt + ∆i
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

61

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

62

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1.8.1. Quá trình đa biến.
- Phương trình của quá trình:
p.vn = const

1.8.1. Quá trình đa biến.
- Quan hệ các thông số:

p2  v1 
= 
p1  v2 

(1.65)

Trong đó: n là số mũ đa biến và được xác định bằng biểu thức:
,

n=

cn − c p

07/05/2012

n−k
n −1

- Công kỹ thuật: lkt12 = nl12
- Nhiệt của quá trình

(1.67)

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

T2  p2 
= 
T1  p1 

n−1
n

63

07/05/2012

v 
=  1 
 v2 

q = cv .

n−1
n

n−k
(T2 − T1 )
n −1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

n −1

(1.68)
(1.69)

∆u = cv (T2 – T1)


R
p1v1   p2 
(T1 − T2 ) =
l12 =
1−  
n −1
n −1   p1 


n = const, vì cn, cp, cv đều là hằng số.
Nhiệt dung riêng đa biến:

c n = cv

1

v2  p1  n
= 
v1  p2 

- Lượng thay đổi nội năng:
- Công thay đổi thể tích:

(1.66)

cn − cv

n






(1.70)

(1.71)
64

16

5/7/2012

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1.8.2. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến.
1. Quá trình đoạn nhiệt (n = k)
Là quá trình diễn ra khi không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ (môi chất) và
môi trường: q = 0; dq = 0.
Phương trình của quá trình:
pvk = const
(1.72)
Trong đó: k là số mũ đoạn nhiệt và được xác định tùy thuộc vào số
nguyên tử của chất khí

1. Quá trình đoạn nhiệt (n = k)
- Quan hệ các thông số:
1

p2  v1 
= 
p1  v2 

k

v2  p1  k

= 
v1  p2 

T2  p2 
= 
T1  p1 

k −1
k

∆u = cv (T2 – T1)
- Lượng thay đổi nội năng:
k −1
- Công thay đổi thể tích:


p k
R
pv
pv 

1 −  2 
(T1 − T2 ) =
l12 =
k −1
k −1   p1 

1 1

v 

=  1 
 v2 

k −1

(1.74)

 = 1 1 1 −  v1 
 k −1   v2 



k −1

- Công kỹ thuật: lkt12 = kl12
- Nhiệt của quá trình: q = 0
∆s = 0; s2 = s1
- Biến đổi Entropi:
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

65

1.8.2. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến.
1. Quá trình đoạn nhiệt (n = k)

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

66

p2 v1
=
p1 v2

(1.78)

- Lượng thay đổi nội năng: ∆u = 0
v
p
- Công thay đổi thể tích:
l12 = R.T ln 2 = R.T ln 1

v1

- Công kỹ thuật: lkt12 = l12
- Nhiệt của quá trình: q12 = l12
- Biến đổi Entropi:
Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.76)

1.8.2. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến.
2. Quá trình đẳng nhiệt (n =1).
Là quá trình diễn ra trong điều kiện nhiệt độ của chất khí không đổi.
Phương trình của quá trình:
T = const hay pv = const
(1.77)

- Quan hệ các thông số:

07/05/2012


 (1.75)


67

07/05/2012

∆s = R ln

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.79)

p2

v2
p
= R ln 1
v1
p2

(1.80)
68

17

5/7/2012

1.8.2. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến.
2. Quá trình đẳng nhiệt (n =1).

3. Quá trình đẳng áp (n = 0).
Là quá trình diễn ra trong điều kiện áp suất của chất khí không đổi.
Phương trình của quá trình: p = const
(1.81)
- Quan hệ các thông số:

T2 v2
=
T1 v1

(1.82)

∆u = cv (T2 – T1)
- Lượng thay đổi nội năng:
- Lượng thay đổi enthalpi:
∆i = cp (T2 – T1)
- Công thay đổi thể tích:
l12 = p(v2 − v1 )
- Công kỹ thuật: lkt12 = 0
- Nhiệt của quá trình: q = ∆i
T
v
- Biến đổi Entropi:

∆s = c ln 2 = c ln 2
p

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

69

3. Quá trình đẳng áp (n = 0)

07/05/2012

T1

p

(1.85)
(1.86)
(1.87)

v1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

T2 p2
=
T1 p1

70

(1.89)

∆u = cv (T2 – T1)
- Lượng thay đổi nội năng:
- Lượng thay đổi entahlpi:
∆i = cp (T2 – T1)
- Công thay đổi thể tích:
l12 = 0
- Công kỹ thuật:
lkt = −v( p2 − p1 )
- Nhiệt của quá trình: q = ∆u
p
T
- Biến đổi Entropi:
∆s = cv ln 2 = cv ln 2

T1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.84)

4. Quá trình đẳng tích (n = ∞)
Là quá trình diễn ra trong điều kiện thể tích của hệ không đổi
Phương trình của quá trình:
v = const
(1.88)
- Quan hệ các thông số:

07/05/2012

(1.83)

71

07/05/2012

p1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

(1.90)
(1.91)
(1.92)
(1.93)
(1.94)

72

18


5/7/2012

4. Quá trình đẳng tích (n = ∞)

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

Nhận xét

73

Nhận xét

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

74

Nhận xét

Quá trình đa biến là quá trình tổng quát với số mũ đa biến n = - ∞÷ + ∞
- Khi n = 0 là quá trình đẳng áp, với nhiệt dung riêng cp , phương
trình của quá trình: p = const
- Khi n = 1 là quá trình đẳng nhiệt, với nhiệt dung riêng cT = ± ∞
, phương trình của quá trình: pv = const hay T = const
- Khi n = k là quá trình đoạn nhiệt, với nhiệt dung riêng ck = 0,
phương trình của quá trình: pvk= const
- Khi n = ± ∞ là quá trình đẳng tích, nhiệt dung riêng cv, phương
trình của quá trình: v = const .

07/05/2012

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

75

- Khi thể tích tăng, công mang dấu dương, và ngược lại. Vậy lAB > 0
khi quá trình xảy ra nằm về bên phải đường đẳng tích và ngược lại.
- Khi Entropy tăng, nhiệt của quá trình sẽ mang dấu dương và ngược
lại. Vậy qAB > 0 khi quá trình xảy ra nằm về bên phải đường đoạn nhiệt
và ngược lại.
- Khi nhiệt độ tăng, biến đổi nội năng của quá trình sẽ mang dấu
dương và ngược lại. Vậy ∆uAB > 0 khi quá trình xảy ra nằm về bên phải
đường đẳng nhiệt và ngược lại.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

76

19


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.1. KHÁI NIỆM.
Định luật nhiệt động thứ nhất là định luật về bảo toàn và chuyển
hóa năng lượng, không đề cập đến:
● Chiều hướng của những quá trình đang khảo sát,
● Không chỉ ra điều kiện cần và đủ để những quá trình có thể xảy ra.

Những khiếm khuyết của định luật nhiệt động thứ nhất được bổ
sung một số tính quy luật và sau được gọi là định luật nhiệt động thứ hai.
Định luật nhiệt động thứ hai chỉ ra:
● Chiều hướng diễn biến của quá trình,
● Thiết lập giới hạn tối đa của sự biến hóa năng lượng từ nhiệt sang công
trong các động cơ nhiệt
● Nêu lên điều kiện để thực hiện những quá trình ngược với chiều tự
phát.
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

77

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

78

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.
1.9.2.1. Chu trình thuận chiều
Trong chu trình thuận chiều thì chất môi giới sẽ nhận nhiệt từ
nguồn nóng, giãn nở sinh công và nhả một phần nhiệt còn lại cho nguồn

lạnh.
Tất cả các loại động cơ nhiệt đều hoạt động theo chu trình thuận
chiều.
Để đánh giá hiệu quả của chu trình thuận chiều, người ta đưa ra
khái niệm hiệu suất nhiệt:
ηt – hiệu suất nhiệt của chu trình thuận chiều
Q1 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhận được từ
Q2
L
ηt = 1 −
=
nguồn nóng
Q1 Q1
Q2 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhả ra từ
nguồn lạnh
L – công sinh ra
07/05/2012

1.9.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.
◙ Chu trình là tập hợp của một số quá trình có tính chất khép kín.
◙ Trong các chu trình trạng thái của chất môi giới sẽ biến đổi từ
một trạng thái ban đầu nào đó, qua các trạng thái trung gian, rồi qua lại
trạng thái ban đầu.

79

1.9.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.
1.9.2.2. Chu trình ngược chiều
Trong chu trình ngược chiều thì chất môi giới sẽ nhận công từ
bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh

đến nguồn nóng.
Tất cả các loại máy lạnh và bơm nhiệt đều hoạt động theo chu
trình ngược chiều.
Để đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình ngược chiều, người
ta đưa ra khái niệm hệ số làm lạnh và hệ số làm nóng.
Q
Q2
Q1 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhả ra cho nguồn
ε= 2=
L
Q1 − Q2 nóng
Q2 – nhiệt lượng mà chất môi giới nhận vào từ
nguồn lạnh
Q
Q1
ϕ= 1=
L – công nhận được
L Q1 − Q2
07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

80

20


5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.3.CÁC PHÁT BIỂU CƠ BẢN CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2

1.9.3.CÁC PHÁT BIỂU CƠ BẢN CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2

Về cơ bản 2 phát biểu thường được mọi người nhắc đến là phát
biểu của Kelvin – Planck và phát biểu của Clausius.
1.9.3.1. Phát biểu Kelvin - Planck
“Không thể có bất kỳ một động cơ nhiệt nào có thể biến toàn bộ
nhiệt lượng nhận được thành ra công”
Do vậy hiệu suất nhiệt của tất cả các động cơ nhiệt phải nhỏ hơn
100%.

1.9.3.2. Phát biểu Clausius
“Không thể có bất kỳ một máy lạnh hay bơm nhiệt nào đó có thể
vận chuyển nhiệt lượng từ một nơi có nhiệt độ nhỏ hơn đến một nơi có
nhiệt độ cao hơn mà không tốn gì hết, cụ thể ở đây là tiêu tốn năng
lượng”
Hệ số làm lạnh hay hệ số làm nóng của các máy lạnh và bơm
nhiệt luôn luôn phải có giá trị xác định, không tiến tới vô cùng.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

81

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

82

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.4. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH

1.9.5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT

■ Ta gọi một quá trình nào đó là thuận nghịch nếu như quá trình
được tuần tự cho tiến hành theo chiều ngược lại nhưng trạng thái của hệ
thống và môi trường không hề bị biến đổi.
Quá trình thuận nghịch là quá trình hết sức lý tưởng, không xảy
ra trong thực tế, có tính chất lý luận trong các nghiên cứu.

1.9.5.1. Chu trình Carnot
Chu trình Carnot là chu trình có 4 quá trình, trong đó có hai quá
trình đoạn nhiệt thuận nghịch và hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch
xếp xen kẽ nhau.
Hiệu suất nhiệt của 1 chu trình thuận chiều bất kỳ:
q
η = 1− 2
q1
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot:

■ Có thể gọi một quá trình nào đó là không thuận nghịch nếu như

hệ thống và môi trường không duy trì được trạng thái ban đầu của nó sau
khi quá trình đã diễn ra.
Tất cả các quá trình diễn ra trong thực tế đều là quá trình không
thuận nghịch.

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

83

T1 và T2 nhiệt độ tương ứng
của nguồn nóng và nguồn
lạnh
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều không thể
đạt 100%

ηc = 1 −

07/05/2012

T2
T1

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

84

21

5/7/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT

1.9.5. CHU TRÌNH VÀ ĐỊNH LÝ CARNOT

1.9.5.1. Chu trình Carnot
Hệ số làm lạnh của chu trình ngược chiều bất kỳ:

1.9.5.2. Định lý Carnot
“Hiệu suất nhiệt của chu trình thuận nghịch, được thực hiện giữa
hai nguồn nhiệt có nhiệt độ T1 và T2, hoàn toàn không phụ thuộc vào tính
chất của chất môi giới hoạt động trong chu trình”

q2
q1 − q2
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều:

ε=

T1 và T2 nhiệt độ tương ứng
của nguồn nóng và nguồn
lạnh
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh.

εc =

07/05/2012

T2
T1 − T2

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

85

07/05/2012

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

86

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1.9.6. CÁC HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

1.9.6. CÁC HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

1.9.6.1. Hệ quả thứ nhất
Khi hoạt động giữa các giới hạn nhiệt độ khác nhau, không thể
có bất kỳ một chu trình nhiệt động thuận chiều thực tế nào có hiệu suất
nhiệt lớn hơn hoặc bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot.

1.9.6.2. Hệ quả thứ hai
Tất cả các chu trình Carnot thuận chiều đều có hiệu suất nhiệt
bằng nhau nếu cùng hoạt động giữa các nguồn nóng và nguồn lạnh như
nhau.
1.9.6.3. Hệ quả thứ ba
Có thể xây dựng thang đo nhiệt độ độc lập với chất môi giới được
dùng. Các giá trị nhiệt độ dựa theo thang đo này được gọi là nhiệt độ
tuyệt đối.

1.9.6.4. Hệ quả thứ tư
Khi tiến hành một chu trình thuận nghịch bất kỳ (bao gồm các
quá trình thuận nghịch), ta luôn có:

07/05/2012

Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

87

∫

δQ
T

Biểu thức này là cách biểu diễn toán học của định luật nhiệt

= 0 động thứ hai ứng với một chu trình thuận nghịch bất kỳ, gọi
là đẳng thức Clausius hay tích phân Clausius thứ nhất

1.9.6.5. Hệ quả thứ năm

Khi tiến hành một chu trình không thuận nghịch bất kỳ (trong chu
trình đó có một hay vài quá trình không thuận nghịch), ta luôn có:

∫

δQ
T

<0

07/05/2012

Biểu thức này là cách biểu diễn toán học của định luật nhiệt
động thứ hai ứng với chu trình không thuận nghịch, gọi là
bất đẳng thức Clausius hay tích phân Clausius thứ hai
Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG

88

22


5/7/2012

NỘI DUNG
2.1. Khái niệm chung.
2.2. Máy nén piston.
2.3. Công suất tiêu hao và hiệu suất.
2.4. Chu trình động cơ đốt trong.
2.5. Chu trình Turbine khí.

CHU TRÌNH CHẤT KHÍ

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ DỤNG KHÍ

1

2.1 Khái niệm chung.

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

2

2.1 Khái niệm chung.

Muốn có khí nén người ta phải dùng máy nén khí. Căn cứ trên áp
suất dư có thể phân loại như sau:
- Áp suất < 500 mm H2O: gọi là quạt thông gió, áp suất từ 500
mm H2O đến 2 bar được gọi là quạt cực mạnh, về kết cấu quạt có nhiều
dạng khác nhau nhưng thông dụng nhất là quạt li tâm và quạt hướng trục.
- Áp suất > 2 bar được gọi mà máy nén.
Xét về cấu tạo và nguyên lý làm việc máy nén khí có thể phân
thành hai nhóm sau:
* Máy nén thể tích
* Máy nén tuabin

07/05/2012

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

3

* Máy nén thể tích:
Dựa trên nguyên lý tiêu hao công cơ học và làm co ép thể tích
khối khí để tạo nên khí nén (hoặc hơi có áp suất cao)
Chúng làm việc dựa trên sự thay đổi thể tích của chất khí trong
không gian kín (chuyển động của piston trong xy lanh, cánh quạt lắp trên
rotor trong vỏ máy).
Các loại máy nén thể tích:
+ Máy nén píttông (Piston compressor),
+ Rôto (Rotary compressor),
+ Xoắn ốc (Scroll compressor),
+ Trục vít (Screw compressor).

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

4

1

5/7/2012

2.1 Khái niệm chung.

Fig. 2-4 Rolling piston type

07/05/2012

2.1 Khái niệm chung.

Fig. 2-5 Sliding vane type

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

5

2.1 Khái niệm chung.

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

6

2.1 Khái niệm chung.

Fig. 2-6 Scroll type
07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

7

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

8

2


5/7/2012

2.1 Khái niệm chung.

2.1 Khái niệm chung.
* Máy nén tuabin (còn gọi máy nén ly tâm). Theo nguyên
lý làm việc máy nén tuabin chia làm hai loại là máy nén ly tâm và
máy nén hướng trục.
Máy nén là loại thiết bị tiêu tốn công (công có giá trị âm, l <
0) nên ở đây công tiêu hao của máy nén càng nhỏ càng tốt.

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ

DỤNG KHÍ

9

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

10

2.2. Máy nén piston

2.2. Máy nén piston

Tính toán chu trình:
1. Công của máy nén lý tưởng:
Công của máy lý tưởng ở đây được tính theo điều kiện lý tưởng, quá
trình nén xem là thuận nghịch, tốc độ khí vào và ra khỏi xylanh xem như
nhau.
V
p
Lmn = p1V1 ln 2 = GRT1 ln 2
- Nén đẳng nhiệt:
V1
p1

Máy nén 1 cấp: gồm có
pittông, xylanh, van nạp, van
thải, ... , tùy thuộc vào công

suất mà máy nén có thể có một
hoặc nhiều pittông – xylanh.
0 gọi là điểm chết trên
(ĐCT)
6 gọi là điểm chết dưới
(ĐCD)

- Nén đoạn nhiệt:

Lmn = −

 k −1 
 k −1 
k
k
p1V1  x k − 1 = −
GRT1  x k − 1
k −1
k −1





- Nén đa biến:

L mn = −

 n −1 
 n −1 

n
n
p1V1  x n − 1 = −
GRT 1  x n − 1
n −1
n −1





Trong đó:
T- K; V- m3; G- kg; L- J; x = p2/ p1 gọi là tỉ số nén.
Nếu tính v, m3/ kg, G, kg/ s thì Lmn (W) gọi là công suất.
07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

11

07/05/2012

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH SỬ
DỤNG KHÍ

12

3