Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Ngành: Công nghệ ô tô) - CĐ Công nghiệp Hải Phòng

UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG

GIÁO TRÌNH
Mơ đun: NHIỆT KỸ THUẬT
NGHỀ: CƠNG NGHỆ Ơ TƠ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Hải Phịng, năm 2019
1


LI NểI U
Hiện nay, nhu cầu giáo trình dạy nghề để phục vụ cho các tr-ờng
Trung học chuyên nghiệp và Dạy nghề trên toàn quốc ngày một tăng,
đặc biệt là những giáo trình đảm bảo tính khoa học, hệ thống, ổn định và
phù hợp với điều kiện thực tế công tác dạy nghề ở n-ớc ta. Tr-ớc nhu
cầu đó, tr-ờng Cao đẳng nghề Công nghiệp Thanh Hóa thực hiện biên
soạn các giáo trình phục vụ cho việc giảng dạy và học tập trên cơ sở tập
hợp và chọn lọc các giáo trình tiên tiến đang đ-ợc giảng dạy tại một số
tr-ờng có bề dày truyền thống thuộc các ngành nghề khác nhau.
Cuốn Giáo trình nhiệt kỹ thuật đ-ợc biên soạn trên cơ sở đúc rút
những kinh nghiệm của các giáo trình và kinh nghiệm giảng dạy của các
giáo viên. Ni dung môn học Nhiệt kỹ thuật nghiên cứu các quy luật về
nhiệt động của khí, hơi nước và các đại lượng đặc trưng của nó, chu
trình động cơ đốt trong v cỏc dng truyn nhit ....Giáo trình còn giỳp
sinh viờn có điều kiện tự học, tự nghiên cứu mơn học này trong quá trình
học tập và vận dụng để giải quyết các bài tập của môn học và thực tế sn
xut.
Cỏc kin thc trong giáo trình ny c trỡnh by ngắn gọn, đảm bảo
thể hiện những kiến thức chính, quan trọng của mơn học. Các cơng thức

được trình bày có hệ thống, đầy đủ, rõ ràng, bám sát chương trình ca
mụn hc.
Mặc dù đà có nhiều cố gắng trong quá trình biên soạn nh-ng không
thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong đ-ợc bạn đọc góp ý
để giáo trình đ-ợc hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.
T bộ môn

2


Chương I

KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
1. Những khái niệm và thông số cơ bản
1.1. Nhiệt động học và phương pháp nghiên cứu nhiệt động học
Nhiệt động học là môn khoa học nghiên cứu những quy luật biến đổi
năng lượng trong các quá trình biến đổi nhiệt năng thành công.
Môn nhiệt động học được xây dựng trên cơ sở hai định luật thực
nghiệm: Định luật nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai.
- Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo tồn và biến
hố năng lượng ứng dụng trong phạm vi nhiệt, nó đặc trưng về mặt số
lượng của những quá trình biến đổi năng lượng.
- Định luật nhiệt thứ hai xác định chiều hướng và mức độ tiến hành
các quá trình xảy ra trong tự nhiên. Đặc trưng cho mặt chất lượng của
những q trình biến hố năng lượng.
- Dựa trên hai định luật này, bằng phương pháp toán học có thể rút ra
những kết luận cơ bản của nhiệt động học.
1.2. Những khái niệm cơ bản
1.2.1. Công và nhiệt lượng
Khi các vật tác dụng lẫn nhau, chúng truyền cho nhau một năng lượng

nào đó. Sự truyền năng lượng này có thể thực hiện bằng hai cách:
a. Thực hiện cơng của vật này đối với vật kia, khi đó năng lượng của
một vật tăng lên một lượng bằng công nhận từ vật kia.
Công trong nhiệt động kỹ thuật được ký hiệu là l(j/kg) đối với 1kg
môi chất và L(j) đối với G(kg)
Quy ước công do vật sinh ra là dương, công do vật nhận vào là âm.

3


b. Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc
trực tiếp với nhau, năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt
lượng. Nhiệt lượng ký hiệu là q(j/kg) đối với 1(kg) môi chất và Q(j) đối
với G(kg), quy ước nhiệt lượng do vật nhận được là dương, nhiệt lượng
do vật toả ra là âm. Đơn vị đo cơng và nhiệt lượng ngồi jun cịn đo
bằng Calo (ký hiệu Cal).
1 Cal = 4,1868 J, bội số của Cal là KCal.
1KCal = 103Cal.
1.2.2. Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới
- Để thực hiện quá trình biến hố năng lượng giữa nhiệt và cơng trong
kỹ thuật người ta phải dùng một chất trung gian gọi là chất mơi giới.
- Chất mơi giới có thể ở thể khí, lỏng hay rắn.
- Trong các động cơ nhiệt chất mơi giới thường ở thể khí, vì thể khí
có khả năng thay đổi thể tích lớn, do đó có khả năng sinh công lớn.
- Ở những điều kiện khác nhau, chất môi giới ở trạng thái khác nhau.
Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái của chất môi giới gọi là
thông số trạng thái của chất môi giới. ë mỗi trạng thái xác định thông số
trạng thái là những đại lượng xác định.
- Các thông số trạng thái: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng.
1.2.3. Cân bằng nhiệt động

- Nếu trạng thái của hệ nhiệt động không thay đổi theo thời gian
nghĩa là nếu ở hai thời điểm khác nhau tính chất của hệ như nhau, ta nói
hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động đơn giản là trạng thái cân bằng.
- Khi ở trạng thái cân bằng khơng có trao đổi nhiệt và dịch chuyển cơ
học, nghĩa là nhiệt độ và áp suất ở mọi thời điểm trong hệ bằng nhau.
(Khơng có cân bằng tuyệt đối).

4


2. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái của chất môi giới
2.1. Hệ nhiệt động
- Tập hợp tất cả các vật có trao đổi nhiệt, cơng lẫn nhau và với môi
trường xung quanh gọi là hệ nhiệt động.
- Nếu hệ nhiệt động không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
gọi là hệ đoản nhiệt, hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường
xung quanh gọi là hệ cơ lập.
- Hệ kín là hệ khơng trao đổi chất với môi tr-êng xung quanh.
- Hệ hở là hệ có trao đổi chất với mơi tr-êng xung quanh.
2.2. Các thông số trạng thái
2.2.1. Áp suất
- Áp suất là lực tác dụng của các phân tử chất khí theo phương pháp
tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí đó.
P = F/S

(1.1)

Trong đó F: Tổng lực tác dụng lên các phân tử khí lên thành bình
chứa (N)
S: Diện tích thành bình chứa chất khí (m2)

P: Áp suất chất khí.
- Đơn vị đo áp suất N/m2, bar (1bar = 105N/m2). Ngồi ra người ta
cịn đo áp suất bằng atmotfe (at), chiều cao cột thuỷ ngân (mm Hg) và
milimét nước (mm H2O).
- Quan hệ giữa các đơn vị đo:
1 at = 0,981 bar = 735,6 mm Hg = 10 mm H2O.
1 bar = 750 mm Hg.
- Đo áp suất dùng 3 loại dụng cụ đo:
Pt

+ Manomet: Đo phần áp suất chất khí

Pkt

P

lớn hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất

5


thừa tức là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí trời, ký hiệu là Pt.
+ Baromet: Dùng để đo áp suất khí trời, ký hiệu là Pkt.
+ Chân khơng kế:
Đo phần áp suất của chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời, ký hiệu là PCck.
- Áp suất tuyệt đối:
P = Pkt + Pt.

(1.2)

Trị số áp suất tuyệt đối bằng tổng số đo bằng 2 dụng cụ Baromet và

Pkt

- Nếu áp suất bé hơn áp suất khí trời
dùng Baromet và chân không kế.

P

Pck

Manomet.

Áp suất tuyệt đối là:
P = Pkt - Pck.

(1.3)

2.2.2. Nhiệt độ
- Nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của
vật chất, nó biểu thị tốc độ chuyển động (hay động năng) của các phần
tử vật chất.
- Có nhiều nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau: Giãn nở chất lỏng
(nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế rượu ...) Nhiệt tiếp xúc (cặp nhiệt).
- Hiện nay sử dụng thang đo nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối.
+ Nhiệt độ bách phân còn gọi là nhiệt độ Censius, ký hiệu t, đơn vị C
(0 tương ứng với nước đá đang tan; 100 tương ứng với nước sôi ở áp
suất tiêu chuẩn P = 760 mmHg). Từ 0C  100C chia 100 phần bằng
nhau, mỗi phần tương ứng với 1C.
+ Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi nhiệt độ Kenvin, ký hiệu là T, đơn vị là K.

- Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ:
T(K) = t(C) + 273

(1.4)

6


Chú ý: Một độ trong nhiệt độ bách phân cũng tương ứng với một độ
trong nhiệt độ tuyệt đối.
2.2.3. Thể tích riêng
- Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng.
Ký hiệu là v đơn vị (m3/kg).
- Nếu một lượng khí có khối lượng G kg thể tích là V(m3), thì thể

v

tích riêng sẽ là:

V 3
m kg
G

(1.5)

- Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng:



1 G

 kg m 3
v V

(1.6)

2.2.4. Nội năng
- Bất kỳ hệ nhiệt động nào cũng bao gồm nhiều vật tác dụng lẫn nhau
đều có năng lượng tổng (E) bằng động năng của toàn hệ đặc trưng cho
sự chuyển động của toàn bộ hệ (Eđ), thế năng của toàn hệ đặc trưng cho
vị trí của tồn bộ hệ trong một trường nào đó (Et) và nội năng tồn hệ U
được đặc trưng bởi năng lượng của các phần tử nhỏ bế cấu tạo nên hệ:
E = Eđ + Et + U.
- Nội năng U = Uđ + Ut
+ Nội động năng Uđ là tổng của động năng tịnh tiến với động năng
quay của các nguyên tử và phân tử là năng lượng chuyển động dao động
của các nguyên tử trong phân tử.
Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ và tăng lên khi nhiệt độ tăng (U0đ =

iRT
, trong đó U0đ là nội năng
2

của 1 Kmol khí, i là số bậc tự do của phân tử khí, R là hằng số chất khí,
T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí).

7


+ Nội thế năng Ut là thế năng của lực liên kết giữa các phân tử và

nguyên tử, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử,
tức phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí, khi thể tích riêng của khối
khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, do đó thế năng
cũng thay đổi.
+ Nội năng của chất khí phụ thuộc
vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất

P

1
a
b

khí đó, tức phụ thuộc vào thông số
c

nội năng là một thông số trạng thái.

d

+ Nếu ký hiệu U là nội năng của 1

2

kg chất khí ta có thể viết:
U = f(T, V)

(1.7)

0

Đối với chất khí lý tưởng, khơng

V

có lực tương tác giữa các phân tử nên nội thế năng bằng không (Ut = 0).
Do đó nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
U = f(T)

(1.8)

Nội năng là một thông số trạng thái nên độ biến thiên của nội năng
không phụ thuộc vào đặc tính của q trình thay đổi trạng thái. Độ biến
thiên nội năng của chất khí đi theo những q trình khác nhau, nhưng có
cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối bằng nhau.
Trên đồ thị, hình vẽ các q trình: 1b2, 1c2, 1d2 ... có cùng trạng thái
đầu và trạng thái cuối sẽ có cùng một lượng thay đổi nội năng.
2

U a  U b  U c  U d   dU  U 2  U1
 f P2 , V2   f P1 , V1 

1

Trong nhiệt động học không yêu cầu xác định giá trị tuyệt đối của nội
năng mà chỉ cần tính độ biến thiên nội năng U. Giá trị nội năng cho
trong các sổ tay kỹ thuật thực ra là hiệu số U - U0, với U0 được quy ước

8

bằng 0 ở một điều kiện nào đó, thí dụ đối với nước, theo quy ước Quốc
tế chọn U0 = 0 ở 0,01C và áp suất bằng 0,006228 at (trạng thái này là
điểm ba của nước). Giá trị U0 được chọn tùy ý và không ảnh hưởng đến
trị số biến thiên của U.

2.2.5. Entanpi
Đối với 1kg, entanpi được kí hiệu là i, đối với Gkg kí hiệu I, và được
định nghĩa bằng biểu thức:

i = u + pv (j/kg)

I = G.i = G(u + pv) = U + pV (J)
Đối với khí thực thì entanpi cũng như nội năng là hàm trạng thái phụ
thuộc vào nhiệt độ và thể tích I = f(T,v)
Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng khơng, do
đó entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là I = f(T).
Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng:
di = CPdT và i = Cp(T2 – T1 )
2.2.6. Entropi
Theo nhiệt động học thường gặp P
tỷ số: ds 

dq
T

1
a

(1.9)

b
c

Trong đó dq là nhiệt lượng tham

d

gia vào một q trình vơ cùng bé

2

nào đó, S được gọi là Entrơpi đơn vị
đo KJ/Kg.độ.

0

Entrơpi là một thơng số trạng thái

V

cịn gọi là hàm số trạng thái. Độ biến thiên của Entrôpi không phụ thuộc
vào đặc tính của q trình thay đổi trạng thái của chất khí mà phụ thuộc
vào trạng thái đầu và cuối của quá trình.

9


Trên đồ thị sự biến thiên Entrôpi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 theo
quá trình 1a2, 1b2, ... là bằng nhau.

S = (S2 - S1)a = (S2 - S1)b = (S2 - S1)c = ... = S2 - S1
2.2.7. Execgi
Là năng lượng có ích tối đa mà mơi chất có thể nhận được để tiến đến
trạng thái cân bằng với mơi trường bên ngồi.
Ký hiệu: e với e = (i - i0) T0 (S - S0)
i: entanpi ë trạng thái cần xác định
i0: entanpi ở trạng thái cân bằng
T0: Nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái cân bằng
S : entrôpi ở trạng thái cần xác định
S0: entrôpi ở trạng thái cân bằng
3. Ph-ơng trình trạng thái của chất khÝ
3.1. KhÝ thùc vµ khÝ lý t-ëng
Mäi chÊt khÝ cã trong tự nhiên là khí thực, chúng do các phân tử,
nguyên tử tạo thành. Các nguyên tử, phân tử có thể tích bản thân giữa
chúng có lực t-ơng tác lẫn nhau. Chất khí kích th-ớc bản thân phân tử và
nguyên tử rất bé so với khoảng cách giữa chúng.
Để tiện việc nghiên cứu bỏ qua lực t-ơng tác giữa các phân tử, nguyên
tử chất khí và thể tích bản thân cđa chóng, chÊt khÝ nh- vËy gäi lµ khÝ lý
t-ëng.
3.2. Định luật Avôgađrô
- ở cùng điều kiện nhiệt độ và ¸p st, thĨ tÝch Kmol cđa tÊt c¶ c¸c
khÝ lý t-ởng đều bằng nhau.
- Một Kilomon (viết tắt Kmol) là một đại l-ợng khi có M kg - Trong
đó M là trị số phân tử l-ợng của chất khí đó. ThĨ tÝch Kmol lµ thĨ tÝch
cđa M kg khÝ.

10


- Trong điều kiện tiêu chuẩn, tức ở áp suất P = 760 mmHg hoặc là 1at,

nhiệt độ 0C thể tích Kmol của tất cả các chất khí đều bằng nhau và
bằng 22,4 m3.
3.3. Ph-ơng trình trạng thái của chất khí
- Trạng thái cân bằng đ-ợc xác định hoàn toàn bằng hai thông số độc
lập, thí dụ P và t, P và v, t và v v.v... Các thông số còn lại có thể xác định
theo hai thông số đà cho.
Mèi quan hƯ hµm sè:

f(P, v, t) = 0.

Gäi lµ ph-ơng trình trạng thái của chất khí - Đ-ợc ứng dụng rộng rÃi.
3.3.1. Ph-ơng trình trạng thái của chất khí lý t-ởng
- Ph-ơng trình trạng thái đối với 1 kg khí lý t-ởng:
Pv = RT

(1.10)

Trong đó: P: áp suất tuyệt ®èi N/m2 (pa)
v: ThĨ tÝch riªng m3/kg
R: H»ng sè chÊt khÝ J/kg.0K
T: NhiƯt ®é tut ®èi K
- NÕu khèi khÝ cã khèi l-ỵng G kg, ta cã: P.G.v = G.R.T
Do G.v = V lµ thĨ tÝch cđa G kg khÝ. Do đó: P.V = GRT

(1.11)

- Đối với 1 Kmol khí, nhân 2 vế ph-ơng trình 1.10 với M kg, ta cã:
P.v.M = M.R.T
NÕu ký hiƯu v.M = VM: ThĨ tÝch cđa G(Kmol) khÝ, ta cã:
P.VM = M.T.T

(1.12)

- Trong ®ã M.R = RM: Gäi lµ h»ng sè phỉ biÕn chÊt cđa chất khí.
- ứng dụng của định luật Avogađrô và thay các giá trị của các thông
số ở trạng thái tiêu chuẩn (P = 1,013 bar; T = 273,15K) vào ph-ơng
trình 1.12

RM 

P.VM 1,013.105.22,4

 8314 N.m/Kmol.0K
T
273,15
11


RM = 8314 J/Kmol.0K

(1.13)

- H»ng sè cđa chÊt khÝ kh«ng phụ thuộc và trạng thái của chất khí.
- Hằng số chất khí đối với 1 kg khí là

R

M

8314

M

J/kg.độ

(1.14)

- Thay giá trị của RM vào 1.12 ta đ-ợc: P.VM.M = M.8314T (1.15)
hay PV = M.8314T

(1.16)

Trong đó M là tổng số Kmol.
Ph-ơng trình 1.16 còn gọi là ph-ơng trình Clapâyrông - Menđêlêép.
3.3.2. Ph-ơng trình trạng thái khí thực
- Bởi khí thực không thể bỏ qua đ-ợc lực t-ơng tác giữa các phân tử,
nguyên tử và thể tích bản thân của chúng, nên không thể ứng dụng
ph-ơng trình trạng thái của khí t-ởng.
- Dạng ph-ơng trình khí thực rất phức tạp, cho đến nay vẫn ch-a có
ph-ơng trình nào rút ra từ lý luận có thể ứng dụng cho tất cả các chất khí
và đúng với các vùng trạng thái khác nhau.
- Vào các năm khoảng 1937 1946, nhà vật lý ng-ời Mỹ J. Maye
đồng thời với viện sỹ toán học Liên Xô N. N. Bôgơliubốp bằng ph-ơng
pháp thống kê đà đ-a ra dạng tổng quát của ph-ơng trình trạng thái khí
thực:

R

1
n

r
Rii
i 1

n

  g i .R i

(1.17)

i 1

Trong ®ã Bi là hệ số phụ thuộc nhiệt độ (còn gọi là hệ số Vêrial).
Khi V , ph-ơng trình 1.12 có dạng:

Pv = RT

- Ph-ơng trình đơn giản khí thực của VanđécVan đề ra năm 1873:

a

P 2 v  b  RT

v 

(1.18)

12


Trong đó (

a
v

2

) là trị số hiệu chỉnh kể đến lực t-ơng tác giữa các phân

tử, nguyên tử, gọi là áp suất nội; hằng số a, b đ-ợc xác định theo tõng
chÊt khÝ.
IV. NHẬN DẠNG PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI

1. Trạng thái cân bằng
Trong cơ học, ta biết rằng trạng thái cân bằng của một vật là trạng
thái mà vật đó đứng yên đối với một hệ quy chiếu quán tính nhất định.
Trong nhiệt động lực học khái niệm trạng thái cân bằng của một hệ
là trạng thái trong đó các đại lượng vĩ mơ (p, V, T) xác định trạng thái
của hệ là không thay đổi. Những đại lượng xác định trạng thái của một
vật còn gọi là thông số trạng thái.
Ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không thể xảy ra các hiện
tượng truyền nhiệt, các phản ứng hóa học, biến đổi trạng thái giữa khí,
lỏng, rắn. Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khác với trạng thái cân
bằng cơ học ở chỗ là mặc dù các đại lượng vĩ mô đặc trưng cho hệ
không đổi nhưng các phần tử cấu tạo nên hệ vẫn không ngừng chuyển
động hỗn loạn. Chẳng hạn một hệ gồm một chất lỏng, đựng trong bình
kín, trên mặt của chất lỏng có hơi bão hồ của nó. Hệ này ở trạng thái

cân bằng nên các đại lượng p, V, T là không đổi. Tuy nhiên bên trong hệ
vẫn có những phân tử bay hơi ra khỏi chất lỏng và ngược lại cũng có
những phân tử thuộc phần hơi bão hoà bay trở lại vào chất lỏng. Dĩ
nhiên số phân tử bay ra và bay trở vào chất lỏng trong cùng một thời
gian nào đấy phải bằng nhau.
Chất khí ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nó tại mọi điểm của
nó đều giống nhau và khơng đổi theo thời gian. Tuy nhiên tại một miền
nhỏ nào đó trong khơng gian và ở một thời điểm nhất định nào đấy, các
phân tử chất khí có thể có động năng trung bình lớn hơn động năng

13


trung bình các phân tử chất khí ở những miền khác. Do đó nhiệt độ ở
miền nhỏ nói trên có thể lớn hơn nhiệt độ ở các miền khác. Như vậy, sẽ
xảy ra sự dẫn nhiệt từ miền có nhiệt độ cao đến miền có nhiệt độ thấp.
Sự dẫn nhiệt này chỉ có thể xảy ra trong một phạm vi khơng gian nhỏ so
với tồn bộ thể tích chất khí.
Ta thấy tuy rằng chất khí được giữ ở trạng thái cân bằng nhưng giá
trị áp suất khơng phải hồn tồn bất biến mà dao động ít nhiều chung
quanh giá trị trung bình. Những dao động nhỏ như vậy được gọi là
những thăng giáng.
Như vậy có hai đặc điểm của trạng thái cân bằng nhiệt động lực
học.
1. Ở trạng thái cân bằng thong số trạng thái khơng nhất thiết có một
giá trị hồn tồn khơng đổi mà có những giá trị thay đổi quanh gia strij
cân bằng.
2. Chỉ có thể nói đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học trong
trường hợp hệ cấu tạo bởi một số rất lớn các hạt phần tử hoặc nguyên
tử….

Cuối cùng ta cần phân biệt trạng thái cân bằng và trạng thái dừng.
Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh được giữ ở hai nhiệt độ
xác định và khác nhau. Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái
dừng chứ khơng có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại
đã xảy ra q trình truyền nhiệt (vĩ mơ) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến
nhiệt độ thấp hơn. Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt
ổn định từ các nguồn.
Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng
nhiệt động lực học . Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng
thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ

14


khơng xảy ra các q trình như dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học,
chuyển pha.v.v...
2. Q trình chuẩn cân bằng
Khi một hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một
chuổi các trạng thái nối tiếp nhau xảy ra, tạo nên một quá trình. Những
trạng thái nối tiếp nhau này là những trạng thái cân bằng vì sự biến thiên
của các thông số trạng thái theo thời gian là đủ chậm so với khoảng thời
gian giữa hai trạng thái kế tiếp được chọn tuỳ ý .Một quá trình diễn biến
vơ cùng chậm như thế được gọi là q trình chuẩn cân bằng (chuẩn tĩnh)
và có thể coi nó là một dãy nối tiếp các trạng thái cân bằng.
Những q trình xảy ra trong thực tế khơng phải là những quá trình
chuẩn cân bằng nhưng nếu chúng xảy ra càng chậm bao nhiêu thì càng
gần đúng là quá trình chuẩn cân bằng bấy nhiêu.
Chỉ với trạng thái cân bằng và quá
trình chuẩn cân bằng ta mới được
phương pháp đồ thị để nghiên cứu vì khi

đó các thong số mới có giá trị xác định.
Giả sử các thơng số đủ để đặc trưng cho
hệ là thể tích V và áp suất P.
Ta vẽ một hệ trục tọa độ vuông góc OV (trục hồnh) và OP (trục
tung). Mỗi trạng thái cân bằng của hệ được biểu diễn bằng một điểm
trên đồ thị cịn q trình chuẩn cân bằng được biểu diễn bằng một đoạn
cong lien tục trên hình vẽ.
C©u hái ôn tập:
1. Nêu khái niệm về công và nhiệt l-ợng? Đơn vị đo của chúng?
2. a. Thế nào là nhiệt động?
b. Sự khác nhau giữa hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt?
3. Thế nào là trạng thái cân bằng và không cân bằng?

15


4. Nhiệt độ là gì, các dạng đo nhiệt độ? Chúng khác nhau thế nào?
5. áp suất là gì? Đơn vị đo áp suất chính hiện nay là gì, ngoài ra còn
có những đơn vị gì? Quan hệ giữa chúng nh- thế nào?
6. a. Thế nào là quá trình nhiệt động?
b. Sự khác nhau giữa quá trình cân bằng và quá trình thuận nghịch?
7. Viết các dạng cơ bản của quá trình trạng thái khí lý t-ởng, khí thực?
Bài tập:
Bài1. Khi dùng không khí nén áp suất trong bình chứa không khí giảm
xuống từ 60at 45at. Tính l-ợng không khí đà dùng. Biết bình chứa có
thể tích 70 lít. Nhiệt độ của không khí 27C. Hằng số chất khí 287
J/Kg.độ
Bài2. Xác định thể tích riêng, khối l-ợng riêng của khí N2 ở điều kiện
tiêu chuẩn vật lý và ở ®iỊu kiƯn ¸p st d- 0,2 at, nhiƯt ®é 127 0C.
Biết áp suất khí quyển 760 mmHg.

ĐS: a) v0 = 0,8 m3/kg ; 0 = 1,25 kg/m3
b) v = 0,98 m3/kg; = 1,02 kg/m3
Bài3. Xác định thể tích của 2 kg khÝ O2 ë ¸p st 4,157 bar, nhiƯt độ
470C.
ĐS: v = 0,4 m3
Bài4. Xác định khối l-ợng của 2 kg khÝ O2 ë ¸p st 4,157 bar, nhiƯt ®é
470C.
§S: G = 10kg

16


Ch-ơng II

môi chất và sự truyền nhiệt
1. Khái niệm, phân loại khí lý t-ởng và khí thực
1.1. Khí lý t-ởng
Cỏc loại khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được tạo nên từ các
phân tử, mỗi phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất
định, các phân tử trong chất khí tương tác với nhau. Để đơn giản cho
việc nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm khí lý tưởng.
Khí lý tưởng là chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích
của bản thân các phân tử bằng khơng và khơng có lực tương tác giữa các
phân tử.
Trong thực tế, khi tính tốn nhiệt động học với các chất khí như oxy
(O ), hydro (H ), nitơ (N ), khơng khí, v.v. ở điều kiện áp suất và nhiệt
2

2

2

độ khơng q lớn, có thể xem chúng như là khí lý tưởng.
1.2. KhÝ thùc
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có thể sử dụng để tính tốn
cho nhiều loại khí thực trong phạm vi áp suất và nhiệt độ không quá lớn
với một độ chính xác nhất định. Khi những điều kiện giả định đối với

17


khí lý tưởng khác quá nhiều đối với khí thực, việc áp dụng phương trình
trạng thái của khí lý tưởng có thể dẫn đến những sai số lớn.
Cho đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chưa tìm
được phương trình trạng thái dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái mà
mới chỉ xác định được một số phương trình trạng thái gần đúng cho một
hoặc một nhóm khí ở những phạm vi áp suất và nhiệt nht nh.
1.3. Hỗn hợp khí lý t-ởng
Hn hp khớ lý tưởng là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chất khí
lý tưởng khi khơng xảy ra phản ứng hóa học giữa các chất khí thành
phần. Ví dụ: khơng khí có thể được xem như là hỗn hợp khí lý tưởng với
các chất khí thành thành gồm nitơ (N ), oxy (O ), đioxit carbon (CO ),
2

2

2

v.v. Hỗn hợp khí được sử dụng có thể có tỷ lệ các chất khí thành phần
rất khác nhau nên việc xây dựng các bảng hoặc đồ thị cho chúng là

không thực tế. Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định các
thơng số nhiệt động và tính tốn với hỗn hợp khớ lý tng.
* Đặt điểm hỗn hợp khí lý t-ởng
1) Thể tích của khí thành phần trong HHK bằng thể tích của bình
chứa.

V = V = V = ...... = V
1

2

(2.1)

3

2) Nhiệt độ của khí thành phần bằng nhiệt độ của HHK.
T = T = T = ...... = T
1

2

(2.2)

3

3) Phân áp suất (p ) - là áp suất của khí thành phần. Tổng phân áp
i

suất của các khí thành phần bằng áp suất của HHK.
p + p + p + ...... p = p

1

2

3

(2.3)

n

4) Hỗn hợp của các khí lý tưởng cũng ứng xử như là một khí lý
tưởng, tức là các khí thành phần và HHK đều tuân theo phương trình
trạng thái của khí lý tưởng:

p V =mR T →p V=mR T
1

1

1

1 1

1

1

1

18

p V =mR T →p V=mR T
2

2

2

2 2

2

2

2

.........................
p V =m R T →p V=m R T
i

i

i

i

i

i

i

i

pV = m R T
2. Khái niệm, phân loại sự truyền nhiệt
Truyền nhiệt: Quá trình vận chuyển nhiệt l-ợng từ một l-u thể này
sang l-u thể khác (cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt).
Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong tr-ờng hợp nhiệt độ của hai l-u
thể đều không thay đổi theo cả vị trí và thời gian, tức là hiệu số nhiệt độ
giữa hai l-u thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian.
Truyền nhiệt biến nhiệt xảy ra trong tr-ờng hợp nhiệt độ của l-u thể
có thay đổi trong thời gian làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai l-u
thể có thay đổi.
Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai l-u thể
biến đổi theo vị trí nh-ng không biến đổi trong không gian. Chỉ xảy ra
với các quá trình làm việc liên tục.
Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định khi hiệu số nhiệt độ giữa hai
l-u thể có biến đổi theo cả vị trí và thời gian. Chỉ xảy ra trong các quá
trình làm việc gián đoạn.
2.1. Tr-ờng nhiệt độ
Để mô ta phân bố nhiệt độ trong không gian theo thời gian, ta dùng
khái niệm tr-ờng nhiệt độ.
Tr-ờng nhiệt độ là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ tức thời trong
khoảng thời gian đang xét của mọi điểm trong hệ vật khảo sát.
Giá trị nhiệt độ tức thời tại mỗi điểm trong không gian đ-ợc xác định
duy nhất nh- một đại l-ợng vô h-ớng, do đó, tr-ờng nhiệt độ là mét
tr-êng v« h-íng.

19


Biểu thức của tr-ờng nhiệt độ mô ta luật phân bổ nhiệt độ, cho phép
xác định giá trị nhiệt độ tức thời tại thời điểm theo tọa độ (x,y,z) cđa
mét ®iĨm bÊt kú trong hƯ:

t = t(x,y,z,τ).

Theo thêi gian, tr-ờng nhiệt độ đ-ợc phân ra hai loại: không ổn định
và ổn định. Nếu giá trị nhiệt độ tức thời tại mọi điểm trong hệ không
thay đổi theo thời gian, tøc t = 0 víi mäi (x,y,z) vµ mäi τ, thì tr-ờng
nhiệt độ đ-ợc gọi là ổn định: t = t(x,y,z)
Nếu có một điểm (x,y,z) tại thời điểm khiến cho t 0, thì tr-ờng
nhiệt độ đ-ợc gọi là không ổn định.
Tùy theo tính đối xứng của tr-ờng số tọa độ không gian mà tr-ờng
phụ thuộc (th-ờng đ-ợc gọi lµ sè chiỊu cđa tr-êng) cã thĨ lµ 0,1,2,3.
VÝ dơ biĨu thøc cđa tr-êng nhiƯt ®é 0, 1, 2, 3 chiỊu cã thĨ lµ:
t = t (τ); t = t (x,τ); t = t(y, z, τ); t = t (x, y, z, ).
2.2. Mặt đẳng nhiệt
Tại một thời điểm cho tr-ớc tập hợp các điểm có cùng một giá trị
nhiệt độ tạo ra trong không gian của tr-ờng một mặt, đ-ợc gọi là mặt
đẳng nhiệt. Ph-ơng trình của mặt đẳng nhiƯt lµ: t = f(x,y,z) = const hay:
f(x, y, z) = const
Vì nhiệt độ tức thời tại một điểm là duy nhất, nên các mặt đẳng nhiệt
không giao nhau. Trên mỗi mặt đẳng nhiệt thì t = const, do đó nhiệt độ
chỉ thay đổi theo h-ớng cắt mặt đẳng nhiệt, mặt đẳng nhiệt có thể là mặt
cong kín hoặc hở.
2.3. Gradient nhiệt độ
Xét hai mặt đẳng nhiệt t = const vµ t + dt = const víi dt > 0

Gäi vËn tèc thay ®ỉi nhiƯt ®é cđa ®iĨm M theo h-íng 1 cho tr-íc.
Gäi gradient nhiƯt ®é cđa ®iĨm M là vận tốc thay đổi nhiệt độ của môi
chất theo h-ớng pháp tuyến n của mặt đẳng nhiệt t = const, chiỊu tõ
nhiƯt ®é thÊp ®Õn nhiƯt ®é cao.
BiĨu thøc của vectơ gradient nhiệt độ tại điểm M (x,y,z) là:

20


Vộc t gradt mô tả vận tốc thay đổi nhiệt độ cực đại điểm M, trên
ph-ơng vuông góc mặt đẳng nhiệt theo chiều tăng nhiệt độ, giá trị bằng
t/n
2.4. Vectơ dòng nhiệt
Để đặt tr-ng cho độ lớn và ph-ơng chiều dòng nhiệt truyền qua mặt
đẳng nhiệt ta định nghĩa dòng nhiệt q và vectơ có độ lớn bằng l-ợng
nhiệt q [w/m2] truyền qua 1m2 mặt đẳng nhiệt trong một giây, trên
h-ớng pháp tuyến mặt đẳng nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ:

Dấu (-) do vectơ q ng-ợc chiều vectơ gradt.
Theo lý thuyết tr-ờng vectơ, l-ợng nhiệt sinh ra trong 1 đơn vị thể
tích của hệ, tức hiệu số các l-ợng nhiệt ra vào 1m2 của hệ là:

Do đó nếu divq > 0 thì vật sinh nhiệt và divq < 0 thì vật thu nhiệt, khi
divq = 0 vật đ-ợc gọi là ổn định nhiệt.
2.5. Công suất nguồn nhiệt
Để đặt tr-ng tốc độ phát nhiệt tại điểm M của vật V, ta định nghĩa
năng suất phát nhiệt của điểm M (x,y,z) là tỷ số:

Trong đó Q[W] là công suất nhiệt phát ra từ phân tố thể tích dV[m3]
bao quanh điểm. Nếu biết qv = qv (xy,z) thì tính đ-ợc công suất phát

nhiệt cđa ngn V theo:

Q   q vdV
v

Khi ngn nhiƯt phân bố đều, qv = const, thì Q = qvV.

21


3. Khái niệm về sự chuyển pha của các đơn chất
Từ thực nghiệm ta thấy tất cả môi chất đơn nh-: n-ớc (H2O), thuỷ
ngân (Hg), amôniac (NH3), Frêon - 12 (CCl2F2) hoặc cacbon (C) v..v..,
khi cấp nhiệt hoặc thải nhiệt đều có sự thay đổi trạng thái và sự chuyển
pha ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau.
Lấy 1kg n-íc ë 1bar vµ 200C, cÊp nhiƯt cho nã, ta quan sát thấy nhiệt
độ tăng từ 200C đến 99,640C thì một bộ phận n-ớc bắt đầu hoá hơi, nhiệt
độ 99,640C giữ không đổi cho đến khi giọt n-ớc cuối cùng biến thành
hơi, sau đó nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ tiếp tục tăng lên mÃi. Thể
tích riêng của n-ớc bắt đầu từ 0,0010018 m3/kg tăng lên đến 0,0010432
m3/kg khi bắt đầu hoá hơi, và khi vừa hoá hơi hết thì thể tích riêng bằng
1,694 m3/kg (tăng khoảng 1600 lần) và khi nhiệt độ tăng đến 6000C thì
thể tích riêng bằng 4,028 m3/kg.
Nếu cho hơi n-ớc ở 6000C thải nhiệt ở áp suất vẫn bằng 1 bar không
đổi thì nhiệt độ giảm xuống, đến 99,640C thì vẫn một bộ phận hơi ng-ng
lại thành n-ớc, nhiệt độ không đổi cho đến khi hơi vừa ng-ng hết; nếu
tiếp tục thải nhiệt, nhiệt độ giảm xuống cho đến khi bằng 00C, một bộ
phận n-ớc đông đặc, nhiệt độ không thay đổi, khi n-ớc đông hết thì
nhiệt độ lại tiếp tục giảm. Thể tích thay đổi không đáng kể khi n-ớc
đông thành đá.

Nếu cấp nhiệt cho n-ớc đá ở nhiệt độ thấp thí dụ (-200C) trong điều
kiện áp suất 1bar thì nhiệt độ tăng lên đến 00C, đá bắt đầu tan, nhiệt độ
giữ 00C không đổi cho đến khi đá tan hoàn toàn, sau đó tiếp tục tăng lên,
trở lại bằng 200C ban đầu.
Làm lại thí nghiệm trên ở các áp suất khác nhau và biểu thị trên đồ thị
p - t và T - s trên hình (H.2 - 1) và (H.2 - 2) ta thÊy:
a) Khi ¸p suÊt p n»m trong phạm vi áp suất điểm 3 pha p3 (đối với
n-ớc bằng 0,00611 bar t-ơng ứng với nhiệt độ 3 pha t3 = 0,010C) và áp
suất tới hạn pk (đối với n-ớc pk = 221,3 bar t-ơng ứng với nhiệt độ tíi

22


hạn tk = 374,150C) nghĩa là

pk > p > p3, thì quá trình xảy ra giống nhau

về mặt định tính, nh-ng về định l-ợng có khác nhau.
- áp suất p3 nhiệt độ đông đặc bằng nhiệt độ hoá hơi, áp suất càng
tăng thì nhiệt độ đông đặc th-ờng giảm xuống (đ-ờng 0 - L trên đồ thị p
- t) và nhiệt độ hoá hơi tăng lên (đoạn OK).
- p suất tăng thì sự khác nhau giữa thể tích riêng của hơi và của n-ớc
càng giảm dần, đến áp suất pk thì không còn khác nhau (H.2 - 2).
b) Khi p > pk thì quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng không khác
mấy, nh-ng 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.
c) Khi p < p3 thì pha rắn trực tiếp chuyển thành pha hơi khi cấp nhiệt,
ng-ợc lại khi thải nhiệt thì pha hơi trực tiếp thành pha rắn, chỉ ở trạng
thái p3 và t3 thì cả 3 pha có thể cùng tồn tại. ở các trạng thái khác tối đa
chỉ có 2 pha cùng tồn tại.

y

y
l

K

K

l

r

3

l+

L

h

r+l

l
r+

r

h

r+

h

l+h

h
r+l+h

A

r+h

x

0

0

Hình 2.1

x

Hình 2.2

Làm thí nghiệm trên với các môi chất đơn chất khác nhau kết quả cho
trong bảng 1.1.
trạng thái 3 pha và trạng thái tới hạn
Môi chất

Điểm 3 pha
t3 (0C)

Điểm tới hạn
p3 (kpa)

Thuỷ ngân (Hg)

tk (0C)

pk (bar)

1490

1510

N-íc (H2O)

0,01

0,6113

374,15

221,29

Am«niac (NH3)

-77,6

6,06

132,3

112,8

Cacbonic (CO2)

-56,6

518

31,04

74,12

23


Ôxy (O2)

-219

0,15

-118,35

50,8

Hyđrô (H2)

-259

7,194

-239,85

13

3.1. Nóng chảy và đông đặc
Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng quá trình
ng-ợc lại, tức là chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi là đông đặc. Khi
nóng chảy môi chất nhận nhiệt, khi đông đặc môi chất nhả nhiệt, hai
nhiệt l-ợng đó có trị số bằng nhau gọi là nhiệt ẩn nóng chảy hay nhiệt ẩn
đông đặc. Đối với n-ớc ở áp suất khí quyển bằng 333,37 kj/kg.
3.2. Hóa hơi và ng-ng tụ
Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và quá trình
ng-ợc lại, tức là chuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ng-ng tụ. Khi
hóa hơi môi chất nhận nhiệt, khi ng-ng tụ môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt
l-ợng đó có trị số bằng nhau, gọi là nhiệt ẩn hoá hơi hoặc nhiệt ẩn ng-ng
tụ, nó phụ thuộc vào bản chất và thông số của môi chất. N-ớc ở áp suất
khí quyển có nhiệt ẩn hóa hơi bằng 2258 kj/kg. Tuỳ theo điều kiện khác
nhau, quá trình hóa hơi đ-ợc chia thành quá trình bay hơi và quá trình
sôi. Quá trình bay hơi chỉ tiến hành trên mặt thoáng, quá trình sôi tiến
hành trong cả khối môi chất.
Nhiệt độ mà môi chất tiến hành quá trình hóa hơi hoặc ng-ng tụ gọi là
nhiệt độ bÃo hòa (hoặc là nhiệt độ sôi), nhiệt độ bÃo hòa, phụ thuộc vào
áp suất, n-ớc ở áp suất khí quyển có nhiệt độ bÃo hòa (sôi) xấp xỉ 1000C,
ở ¸p suÊt 0,01 bar, b»ng 6,920C, ë ¸p suÊt 200 bar là 365,70C.
3.3 Thăng hoa và ng-ng kết

Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi và quá trình
ng-ợc lại gọi là quá trình ng-ng kết. Khi thăng hoa môi chất nhận nhiệt
và khi ng-ng kết môi chất nhả nhiệt, hai nhiệt l-ợng đó có trị số bằng
nhau, gọi là nhiệt ẩn thăng hoa hoặc nhiệt ẩn ng-ng kết. ở điểm 3 pha,
nhiệt ẩn thăng hoa của n-íc b»ng 2828,18kJ/kg.

24


Chú ý : Tùy điều kiện hình thành khác nhau, pha rắn của môi chất có
thể tồn tại ở nhiều dạng kết tinh khác nhau: n-ớc (H2O) có 6 dạng;
cacbon có 2 dạng; graphit, kim c-ơng và bixmuýt có 8 dạngv.v...
3.4. Một số định nghĩa khác
N-ớc sôi (n-ớc bÃo hòa) là n-ớc khi bắt đầu quá trình hóa hơi hoặc
kết thúc ng-ng tụ cũng là phần n-ớc cùng tồn tại với hơi.
Hơi bÃo hòa khô là hơi ở trạng thái bắt đầu ng-ng tụ, hoặc khi vừa
hóa hơi xong, mà cũng là phần hơi khi hai pha hơi và n-ớc (hoặc là hơi
và rắn) cùng tồn tại.
Hơi bÃo hòa ẩm là hỗn hợp giữa hơi bÃo hòa khô và n-ớc bÃo hòa
(n-ớc sôi). Tỉ số giữa khối l-ợng hơi bÃo hòa khô và hơi bÃo hòa ẩm gọi
là độ khô tỉ số giữa khối l-ợng n-ớc sôi với hơi bÃo hòa ẩm gọi là độ ẩm
của hơi bÃo hòa ẩm.
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 cùng nhiệt ®é.
KhÝ lÝ t-ëng vµ khÝ thùc: Trong thùc tÕ chØ cã khÝ thùc, kh«ng cã khÝ
lÝ t-ëng. Víi bÊt kú môi chất nào, áp suất giảm và nhiệt độ tăng đến một
lúc mà ảnh h-ởng của thể tích bản thân phân tử và lực t-ơng tác giữa các
phân tử nhỏ ®Õn møc cã thĨ cho phÐp bá qua, lóc ®ã môi chất có thể coi
là khí lí t-ởng. ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thông th-ờng, các môi
chất 2 nguyên tử nh- ôxy, nitơ, không khí có thể xem là khí lí t-ởng, hơi

n-ớc trong sản phẩm cháy hoặc trong không khí cũng xem là khí lí
t-ởng vì phân áp suất của nó rất nhỏ.
3.5. Quá trình hóa hơi đẳng áp.
Hi ca cỏc cht lng c s dng nhiều trong kỹ thuật. Ví dụ hơi
nước được sử dụng chạy tuabin hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện,
để sấy nóng, hơi Amoniac, Freon được sử dụng trong các thiết bị lạnh.

25