Bài giảng Nhiệt kỹ thuật - CĐ Giao thông Vận tải

Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
TRƯỜNG CĐ GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
-----------------------

BÀI GIẢNG

NHIỆT KỸ THUẬT

BIÊN SOẠN:
NGÔ THỊ KIM UYỂN
TRẦN THỊ TRÀ MI
LÊ ANH TUYẾN

LƯU HÀNH NỘI BỘ- NĂM 2010

1


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC
a. Vị trí, tính chất mơn học
Mơn học này được bố trí giảng dạy ở học kỳ 1 của khóa học và có thể bố trí dạy song song
với các mơn học sau: Ngoại ngữ, Vẽ kỹ thuật, Dung sai lắp ghép và đo lường KT, Vật liệu học
...
b. Mục tiêu của môn học:
Kiến thức chuyên môn
-

Nắm vững các kiến thức cơ bản về tính tốn các thơng số trạng thái, hiệu suất, nhiệt

lượng và công của hệ nhiệt động, đặc biệt là q trình trao đổi nhiệt và sinh cơng trong chu
trình lý tưởng của động cơ đốt trong.
-

Hiểu được các khái niệm cơ bản dịng chảy của chất khí và hơi cũng như các thông số

trạng thái, đồ thị của khơng khí ẩm
-

Hiểu các cơng thức tính tốn và ứng dụng vào giải một số bài tập đơn giản.

Kỹ năng nghề
- Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công việc;
- Kỹ năng tìm kiếm, tổng hợp, phân tích và đánh giá thông tin;
- Kỹ năng sử dụng công nghệ thông tin.
Thái độ lao động
- Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc.
- Thái độ biết lắng nghe, ham học hỏi, hứng thú với công nghệ.
- Thái độ cầu tiến, biết tuân thủ nội quy, quy chế của trường, lớp
Các kỹ năng cần thiết khác
Bình tĩnh, tự tin biết kết hợp và làm việc theo nhóm.
Nội dung mơn học.
Chương 1: Trạng thái chất khí
Chương 2: Q trình nhiệt động của mơi chất
Chương 3: Các q trình cơ bản của khí lý tưởng
Chương 4: Chu trình nhiệt động
Chương 5: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
Chương 6: Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Chương 7: Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
2


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Chương 8: Dịng chảy – Khơng khí ẩm
Chương 9: Truyền nhiệt

3


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

LỜI NĨI ĐẦU
Giáo trình Kỹ thuật nhiệt gồm 2 phần: Nhiệt động kỹ thuật và truyền
nhiệt.
Nhiệt động kỹ thuật giới thiệu về chất môi giới và các thông số trạng
thái của chất môi giới. Chất môi giới có vai trị quan trọng trong các q
trình biến hóa năng lượng. Nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu quy luật biến đổi giữa các dạng
năng lượng, mà chủ yếu là giữa nhiệt và công, làm cơ sở để nghiên cứu các chu
trình động cơ nhiệt. Nhiệt động kỹ thuật giới thiệu các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý
tưởng, các chu trình sinh cơng như chu trình động cơ đốt trong và phân tích các giải pháp nâng
cao hiệu suất của các động cơ nhiệt .
Trong

phần

truyền

nhiệt

giáo

trình

giới

thiệu

các

phương

pháp

truyền

nhiệt trong thực tế như dẫn nhiệt, tỏa nhiệt đối lưu, bức xạ nhiệt. Giới thiệu
các bài tốn truyền nhiệt điển hình trong thực tế. Phân tích các phương pháp
tăng cường truyền nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt.
Giáo trình được biên soạn cho đối tượng là sinh viên Cao đẳng ngành Cơng nghệ Ơ tơ và
cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh TCCN, CĐN
Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ giảng dạy tại Khoa Kỹ Thuật Ơ tơ
Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TpHCM đã đóng góp ý kiến và kinh nghiệm để hồn
thiện giáo trình này.
Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc khơng tránh khỏi khiếm khuyết. Nhóm tác giả rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng để lần tái bản sau giáo trình được hồn chỉnh
hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về Khoa Kỹ Thuật Ơ tơ Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận
Tải TpHCM – Số 8 – Nguyễn Ảnh Thủ - P. Trung Mỹ Tây – Q12 – TpHCM.

Nhóm tác giả

4


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

BÀI 1: TRẠNG THÁI CHẤT KHÍ
❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng
– Hiểu được một số khái niệm cơ bản về hệ thống nhiệt động học
– Hiểu được các thông số trạng thái cơ bản của chất khí
– Hiểu và vận dụng các cơng thức tính tốn vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể
❖ NỘI DUNG BÀI HỌC:
1.1 KHÁI NIỆM CHẤT KHÍ
1.1.1 Hệ thống nhiệt động
− Hệ thống nhiệt động: là tập hợp các vật thể có liên quan với nhau về cơ năng và nhiệt năng
mà ta đang nghiên cứu bằng phương pháp nhiệt động học.
− Môi trường xung quanh: là tập hợp các vật thể không thuộc hệ thống nhiệt động học.
− Biên giới: là bề mặt ngăn cách giữa hệ thống nhiệt động học và mơi trường xung quanh.

Hình 1.1: Hệ thống nhiệt động học
Ví dụ: Ta nghiên cứu các quy luật, tính chất biến đổi năng lượng của khối khí trong xi lanh
động cơ đốt trong (hình 1.1) thì khối khí là hệ thống nhiệt động học, xilanh + piston + khơng
khí bên ngồi là môi trường xung quanh, mặt trong của xilanh và mặt trên của piston là biên
giới.
Để đơn giản ta gọi hệ thống nhiệt động học là hệ (H).
Các vật thể trong hệ có khả năng trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường xung quanh
(MTXQ):
+ Các vật cung cấp nhiệt lượng cho hệ gọi là nguồn nóng.
+ Các vật nhận nhiệt lượng từ hệ gọi là nguồn lạnh.

+ Nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh theo quy ước là không đổi.

5


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Phân loại hệ thống nhiệt động học theo mối quan hệ giữa H-MTXQ về trao đổi năng lượng
và vật chất trên hình 1.2, ta có 5 loại hệ như sau:

Hình 1.2: Quan hệ giữa H-MTXQ về trao đổi năng lượng và vật chất


Hệ kín: là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.



Hệ hở: là hệ có khả năng trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.



Hệ đoạn nhiệt: là hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường xung quanh.



Hệ cô lập: là hệ không trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.



Hệ không cô lập: là hệ có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung

quanh.
Động cơ nhiệt: là thiết bị nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nóng và dãn nỡ sinh cơng, sau đó nhả
phần nhiệt cịn cho nguồn lạnh.
Qui ước: Nhiệt lượng của hệ ký hiệu là Q (hay q), công của hệ ký hiệu là L (hay l).
Nếu: Q, q > 0 : hệ nhận nhiệt.
Q, q < 0 : hệ thải nhiệt ra ngồi mơi trường.
Nếu: L, l > 0 : hệ dãn nở sinh công.
L, l < 0 : hệ nhận cơng từ bên ngồi.
1.1.2 Chất mơi giới
Để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng ta thường phải dùng một chất trung gian được gọi là
chất môi giới hay là môi chất. Thông thường, môi chất là chất khí (khơng khí) hoặc hơi (hơi
nước, mơi chất làm lạnh)
− Yêu cầu đối với chất môi giới: rẻ tiền, khơng độc hại, dễ kiếm, có khả năng tích rất lớn khi
thay đổi nhiệt độ
− Trạng thái chất môi giới: là thuật ngữ để chỉ tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý của chất
môi giới tại một thời điểm xác định

6


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
1.2 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CHẤT MƠI GIỚI
Là các thơng số vật lý, đặc trưng cho trạng thái của chất môi giới. Thông số trạng thái đo
được bao gồm: nhiệt độ t, áp suất p, thể tích riêng v; thơng số trạng thái khơng đo được bao
gồm: nội năng u, entalpi i, entropia s
1.2.1 Thông số trạng thái đo được
a) Nhiệt độ:
− Nhiệt độ là thông số đặc trưng biểu thị cho trạng thái của nóng, lạnh của vật
− Các đơn vị đo thường gặp là: 0C (Celcius), 0F (Farenheit), 0K (Kelvin).
Quan hệ giữa  0 K  và  0 C  : T  0 K  = t  0 C  + 273

b) Thể tích riêng:
− Thể tích riêng: là thể tích của 1 đơn vị khối lượng chất khí
v=

V  m3 
,
G  Kg 

− Nghịch đảo của khối lượng riêng là thể tích riêng
=

G  Kg 
,
V  m3 

c) Áp suất :
− Áp suất là lực tác dụng của các phân tử chất khí lên 1 đơn vị diện tích bình chứa.
N

− Kí hiệu: p  2 
m 
− Dụng cụ đo: có 3 loại dụng cụ đo áp suất: manômet, baromet và chân không kế
+ Manômet: là dụng cụ để đo áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, ký hiệu: pd
+ Baromet: là dụng cụ để đo áp suất khí quyển, ký hiệu: pkt
+ Chân khơng kế: là dụng cụ để đo áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, ký hiệu: pck
Nếu: p > pkT thì pd = p - pkt
p < pkT thì pck = pkt - p
Đơn vị đo áp suất:

1 N/m2 = 1 Pa.

1 bar = 105 N/m2 = 750 mmHg.
1 mmHg = 1 Tor ( Torixenli).
1 at = 0,981 bar = 735,6 mmHg = 10 mH2O

Lưu ý: Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân với độ chính xác lớn cần phải quy về
điều kiện nhiệt độ 00C vì có sự thay đổi thể tích của thủy ngân theo nhiệt độ.
7


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Công thức quy đổi như sau: h 00 C  = h t 0C  (1 − 0, 000172t )
Với h 00 C  : chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ 00C
h t 0C  : chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t0C

1.2.2 Thông số trạng thái không đo được
− Nội năng: u = ud + ut
− Entalpia: i = u + pv
2

− Entropia: s = 
1

dq
, tích phân chỉ phụ thuộc điểm đầu và điểm cuối q trình chứ khơng
T

phụ thuộc vào q trình
1.3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CHẤT KHÍ
1.3.1 Khí thực và khí lý tưởng
− Khí lý tưởng là chất khí khơng có lực hút giữa các phân tử, thể tích bản thân các phân tử

bằng 0 (rất nhỏ, coi như bằng 0), khơng thay đổi pha, có nhiệt dung riêng khơng đổi. Thực tế
khơng có khí lý tưởng
− Khí thực: không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và thể tích bản thân các phân tử
1.3.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Phương trình trạng thái khí lý tưởng viết cho G(kg) chất khí: pV = GRT
Hay viết cho 1kg chất khí: pv = RT
R=

8314  J 
: hằng số khí lý tưởng ,
  kg.do 
 kg 

Với:  
: khối lượng phân tử
 kmol 
Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pV = GRT , ta có :
Khi T=const : pV = const - định luật Boy-Mariot
Khi p=const :

V
= const - định luật Gay-Luxac
T

Khi v=const :

p
= const - định luật Saclơ
T

1.3.3 Phương trình trạng thái khí thực:
Phương trình trạng thái khí thực được xác định chủ yếu dựa vào thực nghiệm và qua thực
nghiệm đưa ra các hệ số hiệu chỉnh về áp suất và thể tích.
8


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật



a


Phương trình Vang Dec Van :  p + 2   ( v − b ) = RT
v
a
: hệ số hiệu chỉnh về áp suất
v2

b : hệ số hiệu chỉnh về thể tích

-----------------------------------------------CÂU HỎI ƠN TẬP
1) Một bình kín có thể tích 500 lít chứa khơng khí, áp suất tuyệt đối 2 bar, nhiệt độ 200C. Sau
khi lấy ra sử dụng một phần, nhiệt độ khơng thay đổi, độ chân khơng trong bình bằng 420
mmHg, áp suất khí quyển bằng 768 mmHg. Biết  khơng khí bằng 29, hãy tính lượng khơng
khí lấy ra sử dụng?
Đáp số: 0,91 kg.
2) Piston chuyển động trong xi lanh chứa khí lý tưởng có áp suất dư ban đầu 0,2 at. Khi
piston dịch chuyển về phía sau, độ chân khơng của khí là 600 mmHg. Áp suất khí quyển đo
bằng chiều cao cột thủy ngân, quy về 00C là 780 mm và nhiệt độ khí khơng đổi. Hỏi thể tích

khí tăng lên mấy lần?
Đáp số: V2/V1= 5,16.
3) Khí N2 ở điều kiện nhiệt độ 1270C, áp suất dư 2 bar. Biết áp suất khí quyển là 1 bar. Tính
thể tích riêng v?
Đáp số: 0,396 m3/ kg.

9


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

BÀI 2: QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT
❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng
– Hiểu được một số khái niệm cơ bản về quá trình nhiệt động
– Hiểu và vận dụng cơng thức tính tốn vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể
❖ NỘI DUNG BÀI HỌC:
2.1. KHÁI NIỆM VỀ Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG:
− Q trình nhiệt động xảy ra khi có ít nhất 1 thơng số trạng thái thay đổi
− Quá trình cân bằng và quá trình thuận nghịch:
+

Trạng thái cân bằng là một trạng thái có nhiệt độ và áp suất tại mọi chỗ trong toàn bộ

thể tích khối khí đều bằng nhau
+

Nếu trong q trình biến đổi, chất khí đi từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối, qua các

trạng thái trung gian đều là những trạng thái cân bằng thì gọi là quá trình cân bằng.
+

Muốn thực hiện một quá trình cân bằng thì q trình phải tiến hành vơ cùng chậm để

q trình khơng có tổn thất do ma sát, xốy, truyền nhiệt, ma sát, khuếch tán ... Trong
thực tế tất cả các q trình đều khơng cân bằng.
+

Nếu trong một q trình cân bằng AB chất khí lần lượt đi qua các trạng thái trung gian

1, 2, 3,…, n; khi cho tiến hành ngược lại BA chất khí lại trở về đúng trạng thái n, …, 3, 2, 1 và
tới trạng thái ban đầu A thì q trình đó gọi là q trình thuận nghịch
Người ta biểu diễn quá trình trong hệ toạ độ phẳng gọi là các đường quá
trình (hình 2.1).

10


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Hình 2.1: Biểu diễn đường quá trình trong hệ tọa độ p-v
2.2 NĂNG LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH :
Khi xảy ra q trình nhiệt động thì nội năng thay đổi, đồng thời xuất hiện công và nhiệt. Do
đó năng lượng liên quan đến q trình thể hiện ở biến thiên nội năng, công và nhiệt
2.2.1 Nội năng của chất khí: U  KJ  hay u =

U  KJ 
G  kg 

− Đặc trưng cho năng lượng của các nguyên tử và phân tử khí
− Nội năng được biểu diễn dưới 3 dạng: nhiệt năng, hóa năng và năng lượng nguyên tử, phân
tử

− Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng u = f (T , v ) , do đó nội năng là một thơng
số trạng thái. Đối với khí lý tưởng nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ vì v=0
− Nội năng không trực tiếp đo được mà phải xác định qua tính tốn. Tronh tính tốn nhiệt
động kỹ thuật, ta chỉ cần tính biến thiên nội năng U (hay u ) mà không cần biết giá trị tuyệt
đối của nội năng U (hay u) tại một thời điểm xác định
2.2.2 Cơng dãn nở, cơng lưu động và cơng có ích của chất khí:
a) Công dãn nở: L  KJ  hay l =

L  KJ 
G  kg 

Xét q trình dãn nở của cơng chất trong xilanh của động cơ nhiệt. Nếu ta tiến hành cấp
nhiệt vào xilanh thì xilanh sẽ dãn nỡ, pittơng sẽ dịch chuyển về phía trái từ v1 đến v2.

Hình 2.2: Q trình sinh công trong xilanh của động cơ nhiệt
11


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Xét quãng đường pittông dịch chuyển vơ cùng bé ds, thể tích xilanh thay đổi dv, công thực
hiện được trên quãng đường ds là:
dL = pFdS = pdV

Trong đó:

N
p  2  : áp suất trong xilanh
m 
F  m 2  : diện tích đỉnh pittông

ds  m  : quãng đường pittông dịch chuyển được
v2

Vậy: L =  pdV
v1

 m3 

v2

Đối với 1kg chất khí: l =  pdv ; với v   : thể tích riêng
 kg 
v
1

Trên đồ thị p-v cơng dãn nở của 1kg chất khí được thể hiện bằng diện tích hình A-1-2-B-A
v2

Khi dãn nở có v2  v1 , do đó l =  pdv  0 . Vậy công dãn nở (gọi là công sinh ra) quy định
v1

là cơng dương ( + )
v2

Khi nén có v2  v1 , do đó l =  pdv  0 . Vậy công nén (gọi là công tiêu tốn) quy định là
v1

công âm ( − )
b) Công lưu động l  ( hay llđ ):
Trên dịng khí lưu động ta xét một khối khí giới hạn bởi tiết diện I và II rất gần nhau. Vậy

công lưu động là công cần thiết để chuyển lượng khí có thể tích v1 , áp suất p1 đến mơi trường
có thể tích v2 , áp suất p2

Hình 2.3: Sơ đồ tính cơng lưu động của dịng khí
12


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Gọi w  m / s  là lưu tốc bình qn của dịng khí
Cơng lưu động của dịng khí bằng: dl  = ( p + dp ) . ( F + dF ) . ( w + dw ) − pFw
Triển khai biểu thức trên và bỏ qua các đại lượng vô cùng bé, ta có:
dl  = d ( pFw ) = d ( pv )
 l  =

p2 v2

p2

v2

p1v1

p1

v1

 d ( pv ) =  vdp +  pdv

L = G.l 

c) Cơng có ích l ' (cịn gọi là cơng kỹ thuật lkt ):
Cơng có ích là một phần của cơng dãn nở sau khi đã trừ đi công lưu động. Ta có:
v2

l  = l − l  = 
v1

v2
p2
 p2

pdv −   vdp +  pdv  = −  vdp
p

v1
p1
 1


Trên đồ thị p-v công dãn nở được biểu thị bằng diện tích 1-2-v2-v1-1 ; cơng có ích l  được
biểu thị bằng diện tích 1-2-p2-p1-1

Hình 2.3: Biểu diễn công trong hệ tọa độ p-v
 KJ 

 Kg 

2.2.3 Entalpia của chất khí : I = Gi,  KJ  hay i 
Viết dưới dạng vi phân: di = du + d ( pv )
Đối với G kg : dI = dU + d ( pV )

Vì p, u, v đều là thông số trạng thái nên entalpia i cũng là thông số trạng thái. Nghĩa là ở
trạng thái xác định entalpia của chất khí có giá trị xác định
Đối cới khí lý tưởng entalpia là hàm số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ (vì u, p, v là các hàm
của nhiệt độ)
13


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Entalpia thuộc nhóm các thơng số trạng thái không đo được.
Quy ước: ở điều kiện tiêu chuẩn entalpia i = 0
Entalpia biểu thị năng lượng
Từ định nghĩa của entalpia ta có: i = u + pv
Viết dưới dạng vi phân:
di = du + d ( pv ) = du + pdv + vdp = ( du + pdv ) + vdp = q + vdp
 dq = di − vdp
 dq = di + dl 

Từ: di = du + d ( pv ) = cv dT + d ( RT ) = ( cv + R ) dT = c p dT
 di = c p dT

 KJ 

2.2.4 Nhiệt lượng của chất khí: Q  KJ  hay q  
 kg 
− Là năng lượng nhiệt nhận vào hay thải ra của hệ
− Có thể tính nhiệt lượng theo 2 cách
 KJ 

+ Tính theo nhiệt dung riêng: c, 


 kg.do 
Tính cho G = 1 kg  : q = c  T
Tính cho G  kg  khí: Q = G  c  T = C  T
 KJ 

+ Tính theo Entropia : s, 

 kg.do 
Tính cho G = 1 kg  : q = T  s
Tính cho G  kg  khí: Q = G  s  T = S  T
 KJ 

Entropia s, 
 thuộc nhóm thơng số trạng thái khơng đo được. Quy ước ở điều
 kg.do 
kiện chuẩn: s = 0
− Trên đồ thị T-s nhiệt lượng q được biểu thị bằng diện tích s1-1-2-s2-s1

14


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

Hình 2.3: Biểu diễn nhiệt lượng trong hệ tọa độ T-s
2.3 Định luật nhiệt động thứ nhất: (Định luật bảo tồn và chuyển hóa năng lượng)
2.3.1 Phát biểu định luật :
− “Năng lượng không tự nhiên sinh ra, cũng không tự nhiên mất đi mà chỉ biến đổi từ dạng
này sang dạng khác trong các quá trình vật lý và hóa học khác nhau”.
− Ngày nay, người ta đã tìm ra nhiều dạng năng lượng khác nhau như: năng lượng điện

trường, từ trường, trường hấp dẫn, năng lượng nguyên tử, năng lượng vi hạt… Định luật bảo
tồn và chuyển hóa năng lượng đã xác định mối quan hệ duy nhất giữa tất cả các dạng năng
lượng trong q trình biến hóa của chúng.
2.3.2 Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất
− Phương trình nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng:
Nội dung của định luật nhiệt động thứ nhất: nhiệt lượng cấp vào chất khí dq trong một q
trình nào đó làm thay đổi nội năng du và sinh công dl
dq = du + dl = cv  dT + pdv - viết cho 1kg chất khí
q = u + l

dQ = dU + PdV = G  cv  dT + pdV - viết cho G kg chất khí
Q = U + L

− Phương trình nhiệt động 1 viết dưới dạng Entalpi:
Từ: dq = di + dl 
Vậy nhiệt lượng cấp vào chất khí dq trong một q trình nào đó làm thay đổi entalpi di và
sinh cơng kỹ thuật dl
Viết cho 1kg chất khí: q = i + l '
15


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Viết cho G kg chất khí: Q = G  q = G ( i + Gl ) = I + L'
'

2.3.3 Một số phát biểu của định luật nhiệt động thứ nhất:
− Nhiệt có thể biến thành công và ngược lại
− Năng lượng hệ nhiệt động cô lập là cố định
− Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 1 – là loại động cơ sinh công liên tục nhưng
không tiêu tốn bất cứ dạng năng lượng nào

2.4 NHIỆT DUNG RIÊNG
2.4.1 Định nghĩa:
Nhiệt dung riêng của chất khí là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho 1 đơn vị chất khí để
làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong một quá trình nào đó
2.4.2 Phân loại:
a) Phân loại theo đơn vị đo:
❖

 KJ 

Nhiệt dung riêng khối lượng: c, 

 kg.do 
Nhiệt dung riêng của chất khí là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho 1 kg chất khí để

làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong một q trình nào đó
❖



KJ



Nhiệt dung riêng kilomol: c , 
 kmol.do 
Nhiệt dung riêng của chất khí là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho 1 kmol chất khí để

làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong một q trình nào đó
❖

 KJ 

Nhiệt dung riêng thể tích: c,  3 
 mtc .do 
Nhiệt dung riêng của chất khí là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho 1m3 chất khí quy về

điều kiện chuẩn để làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong một q trình nào đó
Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng: c =

c



; c' =

c
22, 4

; c =   c

b) Phân loại theo bản chất quá trình nhận nhiệt:
Dựa vào bản chất của quá trình nhiệt động ta có thể chia nhiệt dung riêng thành:
❖

Nhiệt dung riêng đẳng tích c
Nhiệt dung riêng đẳng tích: là nhiệt lượng để cung cấp cho một đơn vị chất khí tăng lên 1

độ trong điều kiện thể tích khơng đổi

16


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Nhiệt dung riêng đẳng tích có thể phân ra thành: nhiệt dung riêng đẳng tích thể tích cv ,
nhiệt dung riêng đẳng tích khối lượng cv , nhiệt dung riêng đẳng tích kilomol cv
❖

Nhiệt dung riêng đẳng áp c p
Nhiệt dung riêng đẳng áp: là nhiệt lượng để cung cấp cho một đơn vị chất khí tăng lên 1 độ

trong điều kiện áp suất không đổi
Nhiệt dung riêng đẳng áp có thể phân ra thành: nhiệt dung riêng đẳng áp thể tích c p , nhiệt
dung riêng đẳng tích khối lượng c p , nhiệt dung riêng đẳng tích kilomol c p
❖

Nhiệt dung riêng trong quá trình đa biến cn
Nhiệt dung riêng đẳng áp: là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho một đơn vị chất khí để

làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong quá trình đa biến
Chý ý: nhiệt dung riêng đẳng áp bao giờ cũng lớn hơn nhiệt dung riêng đẳng tích, vì trong
q trình đẳng tích nhiệt lượng cấp vào chỉ để làm thay đổi nhiệt độ (nội năng), cịn trong q
trình đẳng áp nhiệt lượng cấp vào khơng những làm thay đổi nhiệt độ mà còn khắc phục lực
hút giữa các phân tử và lực cản của môi trường để sinh công.
Công thức Mayer thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng
đẳng tích:
 
R
 c v =
cv

k −1
→
c p − c v = R  c p = kcv
cp

=k

(2.1)

Với k : là hệ số mũ đoạn nhiệt của khí
Đối với khí lý tưởng, nhiệt dung riêng là hằng số, không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất và
được xác định theo công thức (2.1) hoặc bằng bảng 2.1
Bảng 2.1: Nhiệt dung riêng kmol của chất khí
Kcal
kmol  do

k
Loại khí

KJ
kmol  do

c v

c p

c v

c p

Khí 1 nguyên tử

1,67

3

5

12,6

20,9

Khí 2 nguyên tử

1,4

5

7

20,9

29,3

Khí > 3 nguyên tử

1,2

7

9

29,3

37,7

2.4.3 Nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình:

17


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Với khí thực nhiệt dung riêng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Ở điều kiện bình thường
ảnh hưởng của áp suất khơng đáng kể, nên chỉ tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ: c = f ( t )
Do có sự thay đỏi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ nên trong thực tế ta có thêm 2 khái
niệm về nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình
a) Nhiệt dung riêng thực:
Nếu cung cấp cho 1 đơn vị chất khí lượng nhiệt vơ cùng bé dq , nhiệt độ chất khí tăng lên
dt thì:

dq
q
= lim
=c
dt t →0 t

Với c : là nhiệt dung riêng thực của chất khí
b) Nhiệt dung riêng trung bình:
Nếu cung cấp cho 1 đơn vị chất khí lượng nhiệt q và nhiệt độ chất khí tăng lên từ t1 đến
t2 thì tỷ số :

q
t
= c t2 gọi là nhiệt dung riêng trung bình của chất khí tại nhiệt độ t
1
t2 − t1

c) Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ:
Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ thường là hàm bậc 2 : c = a0 + a1t + a2t 2
Gần đúng có thể tính theo hàm bậc nhất: c = a0 + a1t
Trong đó: a0 , a0 : nhiệt dung riêng của chất khí ở 00C
a1 , a1, a2 : hằng số của chất khí, được xác định bằng thực nghiệm

Trong tính tốn nếu địi hỏi độ chính xác khơng cao và khoảng thay đổi nhiệt không lớn
(<1500C), người ta thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ, coi c = const

-----------------------------------------------CÂU HỎI ƠN TẬP
1) Trong bình kín có thể tích 100 lít chứa khơng khí ở nhiệt độ 00C và áp suất 760 mmHg.
Hãy xác định nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng lên 2000C. Coi nhiệt dung riêng phụ thuộc
 KJ 

 kg  do 

nhiệt độ theo đường thẳng cv = 0, 7088 + 0, 00009299t , 

Đáp số: 18,8 kJ
2) Xylanh có đường kính d=400mm chứa lượng khơng khí V=0,08m3, áp suất p1=3bar, nhiệt
độ t1=150C. Hỏi lực tác dụng lên piton sẽ tăng lên bao nhiêu nếu khơng khí nhận được nhiệt
lượng 80kJ và piton khơng chuyển động
18

Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
Đáp số: 50091N

19


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

BÀI 3: CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng
– Phân loại và hiểu được một số q trình cơ bản của khí lý tưởng
– Hiểu và vận dụng cơng thức tính tốn vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể
❖ NỘI DUNG BÀI HỌC:
Ứng với mỗi trạng thái xác định của hệ thì các thơng số trạng thái của hệ có một giá trị xác
định. Khi có sự trao đổi năng lượng giữa hệ với mơi trường xung quanh thì trạng thái của hệ
sẽ thay đổi và sẽ có ít nhất một trong các thông số trạng thái thay đổi. Tùy theo cách chọn điều
kiện tác dụng giữa hệ với môi trường xung quanh mà ta có thể giữ cho một thơng số trạng thái
là khơng đổi. Đó là các q trình: đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, đa biến. Đây là
các quá trình nhiệt động cơ bản, chúng có ý nghĩa rất lớn đối với việc nghiên cứu tính tốn
thực tế kỹ thuật.
1.1 Q TRÌNH ĐẲNG TÍCH
− Q trình đẳng tích là q trình xảy ra trong điều kiện thể tích khơng đổi
− Phương trình biểu diễn q trình: v = const 
− Mối quan hệ thơng số:

T
= const

p

T1 T2
=
p1 p2

− Nhiệt lượng tham gia quá trình: q = cv T
v2

− Cơng dãn nở của q trình: l =  pdv = 0
v1

p2

− Cơng có ích của q trình: l  =  −vdp = v ( p1 − p2 )
p1

− Biến thiên nội năng: u = q = cv T
− Hệ số biến hóa năng lượng:  =

u
=1
q

− Q trình đẳng tích biểu diễn trên đồ thị p-v là đường thẳng song song với trục tung
20


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
− Hệ số góc của đường đẳng tích trên đồ thị T-s : tg v =

dt dt Tdt T
=
=
=
ds dq cv dt cv
T

Hình 3.1: Quá trình đẳng tích trên đồ thị p-v và T-s
3.2 Q TRÌNH ĐẲNG ÁP
− Quá trình đẳng áp là quá trình xảy ra trong điều kiện áp suất khơng đổi
− Phương trình biểu diễn quá trình: p = const 
− Mối quan hệ thông số:

T
= const
v

T1 T2
=
v1 v2

− Nhiệt lượng tham gia q trình: q = cP T
v2

− Cơng dãn nở của quá trình: l =  pdv = p ( v2 − v1 )
v1

p2

− Cơng có ích của q trính: l  =  −vdp = 0
p1

− Biến thiên nội năng: u = q − l = c p T − p ( v2 − v1 ) = c p T − RT = ( c p − R ) T = cv T
− Hệ số biến hóa năng lượng:  =

u cv  T cv 1
=
=
=
q c p  T c p k

− Quá trình đẳng áp biểu diễn trên đồ thị p-v là đường thẳng song song với trục hồnh
− Hệ số góc của đường đẳng tích trên đồ thị T-s : tg p =

Ta có: tg v =

dt dt Tdt T
=
=
=
ds dq c p dt c p
T

1
1
 tg p =
. Vậy trên T-s đường cong đẳng tích dốc hơn đường cong đẳng áp
cv
cp

21


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

Hình 3.2: Quá trình đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s
3.3 QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT
− Quá trình đẳng nhiệt là quá trình xảy ra trong điều kiện nhiệt độ khơng đổi
− Phương trình biểu diễn quá trình: T = const  p  v = const
− Mối quan hệ thông số: p1v1 = p2v2
v2

v2

v1

v1

− Công dãn nở của quá trình: l =  pdv =  RT
p2

p2

p1

p1

v
dv

= RT ln 2
v
v1

− Cơng có ích của q trính: l  = −  vdp = −  RT

p
p
dp
= − RT ln 2 = RT ln 1
p
p1
p2

− Biến thiên nội năng: u = cv T = 0
− Biến thiên entalpi: i = c p T = 0
− Nhiệt lượng tham gia quá trình:
q = u + l = i + l  = l = l  = RT ln

v2
p
= RT ln 1 = T ( s2 − s1 )
v1
p2

− Hệ số biến hóa năng lượng:  =

u
=0
q

Vậy nhiệt lượng cấp vào q trình chỉ để sinh cơng
− Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn trên đồ thị p-v là đường cong hypepol p =

RT const
=
v
v

− Trên đồ thị T-s quá trình là đoạn thẳng song song với trục hoành

22


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

Hình 3.3: Quá trình đẳng nhiệt trên đồ thị p-v và T-s
3.4 QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT
− Q trình đoạn nhiệt là q trình mà ở đó chất khí khơng trao đổi nhiệt với bên ngồi
q = 0 hay s = const

− Phương trình biểu diễn quá trình:
dq = du + dl = 0
 dq = cv .dT + p.dv = 0
 cv .d

cp
c
c
cv

cv
pv
c

 c +R 
+ p.dv = v ( p.dv + v.dp ) + p.dv =  v + 1 p.dv + v .v.dp =  v
 p.dv + .v.dp = . p.dv + .v.dp = 0
R
R
R
R
R
R
R
R





 R 
 , ta có:
c
vp
p



Nhân tử và mẫu với 


dv cv dp dv 1 dp
dv dp
+
=
+
= 0 hay k +
=0
v cp p
v k p
v
p

Vậy: k ln v + ln p = 0  pvk = const - đây là phương trình của quá trình đoạn nhiệt.
− Mối quan hệ thơng số:
+ Tính p theo v và ngược lại:
Từ phương trình biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt pv k = const , ta có:
k

1

p v 
v  p k
p1v1k = p2 v2k  1 =  2  hay 2 =  1 
p2  v1 
v1  p2 

+ Tính t theo v và ngược lại:
Từ pv k = const 

RT k
v = Tv k −1 = const  T1v1k −1 = T2v2k −1
v
23


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật
T p 
Vậy: 2 =  1 
T1  p2 

1− k
k

k

p  T 1− k
hay 2 =  1 
p1  T2 

+ Tính T theo p và ngược lại:
k

 RT 
1− k k
1− k k
1− k k
Từ pv = const  p 
 = p T = const  p1 T1 = p2 T2
 p 

k

T v 
Vậy: 2 =  1 
T1  v2 

k −1

1

v  T  k −1
hay 2 =  1 
v1  T2 

− Nhiệt lượng tham gia quá trình: q = 0
− Biến thiên nội năng: u = cv T
− Biến thiên Entalpia: i = c p T
− Cơng dãn nở của q trình:
Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q = u + l  l = −u
Vậy trong quá trình đoạn nhiệt thì cơng sinh ra trong q trình dãn nở là do nội năng giảm
xuống và khi nén thì nội năng tăng lên
− Cơng có ích của q trình:
Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q = i + l   l  = −i
v2

p2

v1

p1

Cũng có thể tính cơng dãn nở l và cơng có ích l  theo định nghĩa l =  pdv và l  = −  vdp
− Hệ số biến hóa năng lượng:  =

u
=
q

− Q trình đoạn nhiệt biểu diễn trên đồ thị p-v là đường cong hypepol nhưng dốc hơn
đường đẳng nhiệt: p =

RT
vk

− Trên đồ thị T-s là đường thẳng song song với trục tung q = 0  ds = 0  s1 = s2 = const

24


Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật

Hình 3.4: Quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị p-v và T-s
3.5 QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
− Q trình đa biến là q trình có hệ số biến hóa năng lượng  bất kỳ
− Phương trình biểu diễn quá trình:
Từ: dq = cdt
Với c : là nhiệt dung riêng trong quá trình đa biến
Và Rdt = d ( pv ) = pdv + vdp , ta có:
 p.dv + v.dp 
dq = c.dt = c 

 và dq = cv .dt + p.dv
R



 p.dv + v.dp 
 c
 = cv .dt + p.dv
R


 c ( p.dv + v.dp ) = cv ( p.dv + v.dp ) + R. p.dv
 c.v.dp + c. p.dv = c.v.dp + ( cv + R ) p.dv
 ( c − cv ) v.dp = ( c p − c ) p.dv

Vậy:
Đặt:

c − cp
c − cv
c − cp
c − cv

. p.dv + v.dp = 0

= n - số mũ đa biến

Chia 2 vế cho (pv) , ta có:
n.

dv dp
+
= 0  n ln v + ln p = const
v
p

Hay: pv n = const - phương trình của quá trình đa biến
Từ

c − cp
c − cv

= n , ta có: c − nc = c p − ncv = ( k − n ) cv

25