Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: NHIỆT KỸ THUẬT
NGÀNH/NGHỀ: CƠNG NGHỆ Ơ TƠ
( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)

LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017

1


LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng Nhiệt kỹ thuật được biên soạn theo chương trình đào tạo Cao đẳng
nghề Cơng nghệ ơtơ do Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành.
Bài giảng được biên soạn với nội dung ngắn gọn, dễ hiểu, nhằm trang bị cho
người học những kiến thức cơ bản, cần thiết về nhiệt kỹ thuật trong nghành công
nghệ ô tô để phục vụ cho việc tiếp thu kỹ thuật chuyên môn, rèn luyện tay nghề để
áp dụng vào sản xuất.
Với mong muốn tổng hợp có hệ thống các thông tin tư liệu và những tiêu
chuẩn mới nhất về Nhiệt kỹ thuật nhằm xây dựng một tài liệu học tập và nghiên
cứu cho học sinh, sinh viên nghề công nghệ ơtơ. Trong q trình thực hiện, tác giả
đã cố gắng rất nhiều, song do điều kiện về thời gian nên khơng tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để bài giảng mơn
học Nhiệt kỹ thuật ngày càng được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả biên soạn: Tạ Thị Hoàng Thân

2

MỤC LỤC
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và thông số trạng thái của môi
1. Các khái niệm cơ bản
1.1. Các khái niệm
1.2. Nhiệt và công
2. Hệ nhiệt động và các thông số trạng thái
2.1. Hệ nhiệt động
2.2. Các thông số trạng thái
3. Định luật nhiệt động
3.1. Định luật nhiệt động I
3.2. Định luật nhiệt động II
Chương 2: Môi chất và sự truyền
1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và khí thực
1.1. Khí lý tưởng
1.2. Khí thực
2. Truyền nhiệt
2.1. Khái niệm
2.2. Phân loại
2.2.1. Dẫn nhiệt
2.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
2.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
3. Khái niệm về sự chuyển pha của các đơn chất
3.1. Khái niệm sự chuyển pha
3.2. Phân loại sự chuyển pha
Chương 3: Các quá trình nhiệt động của mơi chất
1. Các q trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng
1.1. Cơ sở lý thuyết để khảo sát một quá trình nhiệt động
1.1.1. Cơ sở để khảo sát

1.1.1. Các quá trình nhiệt động
1.2. Nội dung để khảo sát
1.3. Các q trình có một thơng số bất biến
2. Các q trình nhiệt động của khí thực
2.1. Ứng dụng của hơi nước
2.2.Q trình hóa hơi đẳng áp của nước

3


2.3. Bảng đồ thị của hơi nước
2.4. Tính tốn các quá trình của hơi nước
3. Các quá trình hỗn hợp của khơng khí ẩm.
3.1. Khái niệm
3.2. Các thơng số cơ bản của khơng khí ẩm
3.3. Q trình sấy
Chương 4: Chu trình nhiệt động của động cơ
1. Khái niệm, yêu cầu và phân loại chu trình nhiệt động
1.1. Khái niệm
1.2. Yêu cầu
2. Chu trình nhiệt động của một số thiết bị nhiệt
2.1. Chu trình động cơ đốt trong
2.2. Chu trình thiết bị động lực hơi nước
2.3. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng máy nén khí
2.4. Chu trình thiết bị làm lạnh dùng hơi

4

.

Chương 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA
MÔI CHẤT
Mục tiêu:
- Phát biểu đúng các khái niệm và các thông số trạng thái của môi chất
- Giải thích được các định luật nhiệt động I, định luật nhiệt động II
- Nhận dạng và phân biệt được các thông số trạng thái của môi chất, viết
được các phương trình định luật nhiệt động
- Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực nhiệt kỹ thuật.
1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Các khái niệm
1.1.1. Nguồn nhiệt: là những vật trao đổi nhiệt với mơi chất; nguồn
nhiệt có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp
hơn gọi là nguồn lạnh.
1.1.2. Môi chất: là những chất mà thiết bị dùng để truyền tải và
chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác. Mơi chất có thể là vật
chất ở bất cứ pha nào, nhưng thường dùng pha hơi (khí) vì nó có khả năng co
dãn rất lớn. Mơi chất có thể là đơn cht hoc hn hp.
Yêu cầu kỹ thuật đối với chất môi cht
- Có khả năng sinh công lớn: thể tích thay đổi
áng kể khi nhiệt độ thay đổi.
- Có khả năng truyền tải nhiệt năng lớn: Có
nhiệt dung riêng lớn.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, không ăn mòn thiết bị,
không độc hại cho ng-ời và thiết bị.
- An toàn, không dẽ cháy, dễ nổ.
Trong thực tế không có chất nào đáp ứng đủ nhu
cầu trên, vì vậy tuỳ theo lĩnh vực áp dụng ng-ời ta
chọn ra các chất môi giới trên cơ sở phát huy -u

điểm và hạn chế thấp nhất khut ®iĨm.
1.1.3. Trạng thái: là một tập hợp các thơng số xác định tính chất vật lý
của mơi chất hay hệ ở một thời điểm nào đó. Các đại lượng vật lý đó được gọi
5


là thông số trạng thái.
1.1.4. Thông số trạng thái: là một đại lượng vật lý có một giá trị duy
nhất ở một trạng thái. Thông số trạng thái là một hàm đơn trị của trạng thái.
Nghĩa là độ biến thiên của thơng số trạng thái trong q trình chỉ phụ thuộc vào
điểm đầu và điểm cuối q trình mà khơng phụ thuộc vào quá trình (đường đi)
đạt đến trạng thái đó.
1.1.5. Máy nhiệt: là hệ thống thiết bị dùng để tiến hành q trình
truyền tải, trao đổi và chuyển hóa nhiệt năng, thực hiện sự chuyển hố giữa
nhiệt và cơng nói chung.
Thiết bị nhiệt là những thiết bị trong thực tế ta gặp nhiều như: máy
lạnh, máy điều hòa nhiệt độ, các thiết bị sấy, thiết bị chưng cất, thiết bị nhà
máy điện …..chúng thực hiện việc chuyển hóa nhiệt từ vùng này đến vùng
khác hoặc biến nhiệt thành công.
1.1.6. Động cơ nhiệt: là các loại máy nhiệt tiêu thụ một nhiệt lượng nào
đó để sản sinh cho chúng ta một cơ năng tương ứng sau đó có thể được chuyển
hóa thành các dạng năng lượng khác như điện năng, thế năng.....
Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt này là nhận nhiệt năng từ nguồn
nhiệt chuyển hóa một phần thành cơ năng, phần cịn lại tổn thất ra mơi
trường bên ngồi.
VD: ơ tơ, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v.
Ngày nay người ta cũng đã chế tạo thành công một số động cơ nhiệt
đặc biệt đó là những động cơ biến trực tiếp nhiệt năng thành điện năng như:
pin nhiệt điện, chu trình pin nhiên liệu, động cơ từ thủy động.....
1.1.7. Máy lạnh: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy được để làm

lạnh một vật nào đó.
VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.v. là loại máy lạnh.
1.1.8. Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả ra nguồn
nóng để đốt nóng hoặc sấy, sưởi một vật nào đó.
VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa
đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt.
Máy lạnh và bơm nhiệt là các thiết bị nhiệt có chức năng phạm vi ứng
dụng khác nhau nhưng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau, nhờ năng
lượng hỗ trợ từ bên ngoài nhiệt được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp( nguồn
6


lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao( nguồn nóng), trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp
trong mơi trường nhiệt độ cao hơn( đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì
nhiệt độ cao trong mơi trường nhiệt độ thấp hơn(đối với bơm nhiệt)

L

L

Q1 = L +
Q2
Q2
Q1 = L +
Q2
Q2

Phịng ấm (Td: 300C)

Mơi trường (Td: 50C)

Kho lạnh (Td: -300C)

Sơ đồ nguyên lý và chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt
1.1.9. Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các
trạng thái của hệ do có sự trao đổi nhiệt và cơng với mơi trường.
1.1.10. Nước sơi (nước bão hồ): là nước khi bắt đầu q trình hóa hơi
hoặc kết thúc ngưng tụ; cũng là phần nước cùng tồn tại với hơi.
1.1.11. Hơi bão hịa khơ: là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ hoặc khi
vừa hóa hơi xong, mà cũng là phần hơi khi hai pha hơi và nước (hoặc là hơi
và rắn) cùng tồn tại.
1.1.12. Hơi bão hòa ẩm: là hỗn hợp giữa hơi bão hịa khơ và nước bão
hịa (nước sơi).
1.1.13. Nước chưa sơi: là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở
cùng áp suất hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hịa ở cùng nhiệt độ.
1.1.14. 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 hịa ở cùng nhiệt độ.
1.2. Nhiệt và cơng
Nhiệt và cơng là hai hình thái của năng lượng, đây là các đại lượng đặc
trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi thực hiện
một q trình. Khi mơi chất trao đổi cơng với mơi trường thì kèm thao các
chuyển động vĩ mơ, cịn khi trao đổi nhiệt thì ln tồn tại sự chênh lệch nhit
.
- Hình thái công đ-ợc thể hiện kèm theo sự dịch
chuyển ở dạng vĩ mô(các đại l-ợng vĩ mô là các đại
l-ợng có thể cân đo đong đếm đ-ợc, các đại l-ợng vi
7


mô là các
đ-ợc).

đại

l-ợng

không

thể

cân

đo

đong

đếm

- Hình thái nhiệt đ-ợc thể hiện trong tr-ờng
hợp có sự trêng lệch nhiệt độ giữa các vật; (nếu
không có sự trênh lệch về nhiệt độ thì sẽ không có
sự trao đổi năng l-ợng nh- vậy không suất hiện
nhiệt năng).
1.2.1. Nhit lng:
1.2.1.1.Khỏi nim nhit
Một vật có nhiệt độ khác không thì các phân tử
và nguyên tử của nó sẽ chuyển động hỗn loạn và vật
mang một năng lng gọi là nhiệt năng hay nhit lng(
Nhiệt l-ợng là một đại l-ợng phụ thuộc vào quá
trình)
Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì nội năng của

vật nóng hơn sẽ truyền sang vật lạnh hơn. Quá trình
chuyển nội năng từ vật này sang vật khác gọi là quá
trình truyn nhiệt. Lợng nội năng truyền đợc trong
quá trình đó gọi là nhiệt lợng trao đổi giữa hai
vật.
+ Kí hiệu: Q (J) nu tính cho Gkg, q (J/kg) nếu tính
cho 1kg
+ Qui -íc:

- Nhiệt l-ợng do vật nhận đ-ợc (+)
- Nhiệt l-ợng do vật nhả ra (-)

Trong trờng hợp cân bằng (khi nhiệt độ các vật
bằng nhau), vẫn có thể xẩy ra khả năng truyền nội
năng từ vật này sang vật khác (xem là vô cùng chậm)
ở trạng thái cân bằng động. Điều này có ý nghĩa
quan trọng khi khảo sát các quá trình và chu trình
lí tởng.
1.2.1.2. Nhiệt dung riêng và cách tÝnh nhiƯt
a. NhiƯt dung riªng
8


*) Định nghĩa: Nhit dung riờng ca mt cht l l-ợng nhiệt
cần cấp cho 1 đơn vị vật chất ca vt no ú để làm nhiệt
độ của vật ú tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào
đó.
Nhiệt dung riêng ca mt cht phụ thuộc vào bản chất
, nhiệt độ và áp suất cht khớ ú.
Kí hiệu: C, đơn vị (J/kg0K)

*) Phân loại:
+ Theo nhiệt độ:
- Nhiệt dung riêng thực: là nhiệt dung riêng
đ-ợc xác định tại 1 nhiệt độ nào đó.
dq
C =
q =
dT

t2

Cdt
t1

- Nhiệt dung riêng trung bình: là nhiệt dung
riêng đ-ợc xác định trong khoảng nhiệt độ từ t1
t2.
C

t2
t1

=

q
t

- Nhiệt dung riêng trung bình đ-ợc tính sẵn và
tra bảng số.
+ Phân loại theo đơn vị l-ợng vật chất

- Nhiệt dung riêng khối l-ợng: Khi đơn vị đo
l-ợng môi chất là kg, chúng ta có nhiệt dung riêng
khối l-ợng, ký hiệu

=



(J/kg)



- Nhiệt dung riêng thể tích: Nếu đơn vị đo
l-ợng môi chất là mét khối l-ợng tiêu chun (ký hiệu
là m3 )thì nhiệt dung riêng đ-ợc gọi là nhiệt dung
riêng thể tích, ký hiệu là =




(J/m3 0K)

- Nhiệt dung riêng Kmol: Nếu đơn vị đo khối
l-ợng môi chất là kilomol ( kmol ) nhiệt dung riêng
đ-ợc gọi là nhiệt dung riêng kilomol, ký hiệu lµ
9


𝐶𝜇 =

𝑑𝑄
𝑀𝑑𝑇

(J/Kmol0K)

+ Quan hƯ gi÷a C, C', CM:
Trong q trình nhiệt động nhiệt dung riêng của chất khí khơng đổi
Xét một khối khí có khối lượng là G, thể tích V ( m3tc). Nếu gọi M là
sô kmol của khối khí,  là khối lượng 1kmol khí (kg/kmol) thì nhiệt dung
riêng của khối khí có thể được tính là G.C = Vtc.C’ = M. C
𝐶=
1
𝐺⁄ . 𝐶𝜇
𝑀

ℎ𝑎𝑦 𝐶 = 𝑉𝑡𝑐 . 𝐶 ′ =

1
𝜇

𝑉𝑡𝑐
𝐺

. 𝐶′ =

𝐶𝜇

Vtc - thĨ tÝch riªng của môi chất ở điều kiện
tiêu chuẩn vật lý.
+ Phân loại theo quá trình:

- Nhiệt dung riêng đẳng áp ( CP): Quá trình
nhận nhiệt xẩy ra ở áp suất không đổi, có nhiệt
dung riêng đẳng áp:
CP l nhit dung riờng khối lượng đẳng áp
C'P là nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp
CP là nhiệt dung riêng mol đẳng áp
- NhiÖt dung riêng đẳng tích ( CV): Quá trình
nhận nhiệt xẩy ra ở thể tích không đổi, có nhiệt
dung riêng đẳng tÝch :
CV là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
C'V

là nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích

CV là nhiệt dung riờng mol ng tớch
* Đối với khí lý t-ởng áp dơng c«ng thøc Mayer
CP - CV = R

(1)

Với 1mol chất khí lý tưởng ta có: . Cp - . Cv = . R = R =
8314j/kmol. độ
Trong nhiƯt ®éng cã mèi quan hÖ:

CP
= k
CV

(2)
10

Từ (2) có Cp = k. Cv thay vào ( 1) ta có k. Cv – Cv = R hay Cv (k – 1) =
R
suy ra:

𝐶𝑉 =

𝑅
𝑘−1

𝑣à 𝐶𝑃 =

𝑘
𝑘−1

𝑅

k: sè mũ đoạn nhiệt và k chỉ phụ thuộc vào bản
chất và nhiệt độ của chất khí. Vi khí
lý t-ởng,
trị số k chỉ phụ thuộc vào bản chất( cấu tạo phân
tử ) cđa chÊt khÝ.
Khi cã 1 nguyªn tư: k = 1,6
Khi cã 2 nguyªn tư: k = 1,4
Khi cã 3 nguyên tử: k = 1,3
b. Cách tính nhiệt
+) Tính nhiệt theo nhiƯt dung riªng
Nhiệt lượng Q của chất khí trao đổi với mơi trường khi nhiệt độ của nó
thay đổi từ t1 đến t2 là: Q = G.C.t (J)

Q = Vtc.C'.t

2
1

(J)

dS

Hoặc Q = M. C. t
G - khèi l-ỵng chÊt khí (kg);

Vtc - thể tích ở điều kiện tiêu chuẩnS1( mtc3 );S2
M s kilụmol khớ

Đồ thị T - S

t = t2 - t1
S2

+) TÝnh nhiÖt theo Entropi:

q =

 Tds

S1

q: diện tích S112S2.
Nhiệt l-ợng là một hàm của quá trình.

Dùng đồ thị T - S để xác định q.
1.2.2. Công
Công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa mơi chất
với mơi trường khi có chuyển động vĩ mơ. Khi thực hiện một q trình, nếu
có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dich chuyển trọng tâm khối môi
11

S


chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hố thành cơ năng. Lượng
chuyển biến đó chính là cơng của q trình
Ký hiệu là: l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là J/kg.
L nếu tính cho G kg, đơn vị đo là J.
Qui ước: Nếu l > 0 ta nói vật sinh cơng.
Nếu l < 0 ta nói vật nhận cơng.
Cơng khơng thể chứa trong một vật bất kỳ nào, mà nó chỉ xuất hiện khi có
quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động của vật.
Về mặt cơ học, cơng có trị số bằng tích giữa lực tác dụng với độ dời
theo hướng của lực.
Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp các loại công sau: công thay đổi thể
tích; cơng lưu động (cơng thay đổi vị trí); cơng kỹ thuật (cơng thay đổi áp
suất) và cơng ngồi.
Trong nhiệt động kỹ thuật tồn tại các loại cơng sau: cơng thay đổi thể
tích l (J/kg), cơng lưu động (thay đổi vị trí) cơng kỹ thuật l kt (J/kg) và cơng
ngồi ln (J/kg).
a. Cơng thay đổi thể tích l(J/kg):
Cơng thay đổi thể tích là cơng do mơi chất thực hiện khi có sự thay đổi
thể tích của hệ, cơng này có cả trong hệ kín và hệ hở.

dv
1 kg
P,
v, S dx
P

1

dv

v1

2

v2

12

v


Khi môi chất giãn nở, v2> v1 hệ sinh một công, theo quy ước, đây là
công dương. Ngược lại, khi mơi chất bị nén, v2< v1 thì hệ nhận từ môi trường
một công, theo quy ước, công này là công âm. Cơng thay đổi thể tích là một
hàm của q trình.
Với 1kg mơi chất, khi tiến hành một q trình ở áp suất p, thể tích
thay đổi một lượng dv, thì mơi chất thực hiện một cơng thay đổi thể tích là:
dl = p.dv (1-1)
Khi tiến hành q trình, thể tích thay đổi từ v1 đến v2 thì cơng thay
đổi thể tích được tính là:

l

v2

 p.dv

(1-2)

v1

Từ cơng thức (1-1) ta thấy dl và dv cùng dấu.
Khi dv > 0 thì dl > 0, nghĩa là khi xẩy ra quá trình mà thể tích tăng thì
cơng có giá trị dương, ta nói mơi chất sinh cơng (cơng do mơi chất thực hiện).
Khi dv < 0 thì dl < 0, nghĩa là khi xẩy ra q trình mà thể tích giảm thì
cơng có giá trị âm, ta nói mơi chất nhận cơng (cơng do mơi trương thực hiện).
Cơng thay đổi thể tích không phải là thông số trạng thái, được biểu diễn trên
đồ thị p-v thì l12: diƯn tÝch v112v2
b. Cơng kỹ thuật lkt(J/kg):
Cơng kỹ thuật là cơng của dịng mơi chất chuyển động thực hiện khi áp
suất thay đổi, công kỹ thuật chỉ có trong hệ hở. Mơi chất sinh ra công này thông
qua một thiết bị như tua- bin hay máy nén nên gọi là công kỹ thuật. Từ định
nghĩa có thể thấy, khi dịng mơi chất có áp suất giảm, công kỹ thuật sẽ lấy giá
trị dương và ngược lại, nếu áp suất tăng công kỹ thuật sẽ âm.
Công kỹ thuật cũng là một hàm của quá trình.
dlkt = -vdp (1-3)
Nếu quá trình được tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 thì cơng kỹ
thuật được tính là:
p2

l kt   v.dp (1-4)

p1

Từ công thức (1-4) ta thấy dlkt và dp ngược dấu nên khi dp < 0 thì dlkt>
13


0, nghĩa là áp suất p giảm thì cơng kỹ thuật dương, ta nói mơi chất sinh cơng
và ngược lại.
* Trên đồ thị P - V có lKT12 là diện tÝch P112P2
P
1

P1

P2

2
v

v

c. Cơng ngồi ln (J/kg) cịn gọi là ngoại cơng:
Cơng ngồi là cơng trao đổi giữa hệ và mơi trường trong q trình nhiệt
động. Đây chính là cơng hữu ích chúng ta nhận được hoặc công chúng ta tiêu
tốn cho hệ. Để có cơng trao đổi với mơi trường hệ phải thay đổi thể tích, hoặc
thay đổi năng lượng đẩy, hoặc thay đổi động năng, hoặc thay đổi cả ba dạng
năng lượng đó:
2 
  gdh (1-5)
dln  dl  dllđ  d 

 2 

Vì trong hệ kín, trọng tâm khối khí khơng dịch chuyển do đó khơng có
lực đẩy, khơng có ngoại động năng nên cơng ngồi trong hệ kín bằng chính
cơng thay đổi thể tích. Nói cách khác, chỉ có thể nhận được cơng trong hệ kín
khi cho mơi chất giản nở hay:
dln = dl = pdv (1-6)
Đối với hệ hở, môi chất cần tiêu hao cơng để thay đổi vị trí gọi là cơng
lưu động hay lực đẩy (dln = d(pv)), khi đó cơng ngồi bằng:
2
dln  dl  d  p.v   d 
 2


  gdh


(1-7a)

hay có thể viết:
2
dln  dl  pdv  vdp  d 
 2


2 
  gdh  dlkt  d 
  gdh (1-7b)

 2 

14


Trong thực tế, lượng biến đổi động năng và thế năng ngồi là rất nhỏ so
với cơng kỹ thuật do đó có thể bỏ qua, từ (1-7b) ta có:
dln = dlkt

(1-8)

Từ (1-8) ta thấy cơng kỹ thuật tính gần đúng là cơng có ích nhận được từ
dịng mơi chất (hệ hở) thông qua một thiết bị kỹ thuật (tua- bin):
Đối với một quá trình thì: dln = dlkt ≠ dl
(1-8a)
Đối với một chu trình, vì dlld = 0 nên: dln = dlkt = dl

(1-8b)

2. Hệ nhiệt động và các thông s trng thỏi
2.1. Hệ nhiệt động
Tập hợp tất cả các vật thể liên quan với nhau
về mặt cơ v nhiệt đợc tách ra để nghiên cứu gọi
l hệ nhiệt động, còn những vật khác không nằm
trong hệ nhiệt động gọi l môi trờng xung quanh.
Hay h nhit ng là một vật hoặc nhiều vật
đ-ợc tách ra khối các vật khác để nghiên cứu những
tính chất nhiệt động của chúng. Các vật ngoài hệ
gọi là môi tr-ờng.
Ranh giới giữa hệ nhiệt động v môi trờng có
thể l một bề mặt cụ thể, cũng có thể l bề mặt

tởng tợng do ta qui ớc.
Ví dụ: khi nghiên cứu quá trình đun nớc trong
một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt động l nớc
v hơi trong bình, còn môi trờng xung quanh l
bình v không khí xung quanh. Các vật thể nằm trong
hƯ cã thĨ trao ®ỉi nhiƯt víi nhau và víi môi trờng
xung quanh
Có thể phân hệ nhiệt động thnh hệ cô lập v hệ
đoạn nhiệt, hệ kín v hệ hở.
+ Hệ kín:
l h m trọng tâm ca h không
chuyển động (không có chuyển động vĩ mô) hoặc có
chuyển động nh-ng với tốc độ nhỏ mà ta hoàn toàn có
15


thể bỏ qua động năng của nó. Khối l-ợng của hệ
không đổi và môi chất của hệ không đi qua bề mặt
ranh giới giữa hệ và môi tr-ờng.
Vớ d: Khớ chứa trong một bình kín
+ HƯ hë: Träng t©m cđa hệ có chuyển động(chuyển
động vĩ mô), khối l-ợng của hệ thay đổi và môi chất
đi qua bề mặt ranh giới giữa hệ và môi tr-ờng.
Vớ d: Hi vo vo v ra khỏi tuabin trong nhà máy điện.
Dựa vào định nghĩa trên đây có thể thấy nếu xem tủ lạnh gia đình gồm
máy nén, giàn nóng, van tiết lưu và giàn lạnh là một hệ nhiệt động thì tủ lạnh
là một hệ kín. Ngược lại, nếu chúng ta tách riêng máy nén ra và xem nó là
một hệ nhiệt động thì máy nén là một hệ hở vì mơi chất đi vào và đi ra khỏi
máy nén, nghĩa là môi chất đi qua ranh giới giữa hệ và môi trường. Tương tự
như vậy, nếu xem nhà máy nhiệt điện gồm lò hơi, bộ quá nhiệt, tua bin, bình

ngưng và bơm nước là một hệ thì nhà máy nhiệt điện là một hệ kín. Trong khi
đó, nếu xem riêng tua- bin hoặc tua- bin và bình ngưng là những hệ nhiệt
động thì chỳng l nhng h h.
+ Hệ đoạn nhiệt: l mụi cht không trao đổi nhiệt
với môi tr-ờng.
+ Hệ cô lập: Là hệ m mụi cht không trao đổi nhiệt
và công víi m«i tr-êng.
Trong thực tế khơng có hệ đoạn nhiệt và hệ cơ lập tuyệt đối mà chỉ
có các hệ đoạn nhiệt và cơ lập gần đúng.
Vì vậy, khái niệm hệ nhiệt động mang tính tương đối, phụ thuộc vào
quan im ca ngi kho sỏt.
2.2. Các thông số trạng thái
2.2.1. Kh¸i niƯm:
Trạng thái một tập hợp các thơng số xác định tính chất vật lý của mơi
chất hay của hệ ở một thời điểm nào đó
Thơng số trạng thái lµ các đại l-ợng vật lý có giá trị
xác định ở một trạng thái nào đó. Thông số trạng
thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà không
phụ thuộc vào quá trình. Nếu môi chất biến đổi rồi
16


lại trở về trạng thái ban đầu, giá trị các thông số
trạng thái sẽ không đổi. Các thông số đó đ-ợc gọi
là thông số trạng thái của môi chất.
Hoặc ta có thể định nghĩa thông số trạng
của môi chất nh- sau: Thông số trạng thái của
khí nói chung là thông số vật lý đặc tr-ng
trạng thái của chất khí; nó là hàm đơn trị
trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào tính

quá trình.

thái
chất
cho
của
chất

Trng thỏi cõn bng ca h n cht, một pha được xác định khi biết
hai thông số trang thái độc lập. Trên đồ thi trạng thái, trạng thái c biu
din bng mt im.
Chúng ta chỉ xét các trạng thái cân bằng: Đó là
những trạng thái trong đó các thông số trạng thái
phân bố đồng đều trong toàn bộ hệ thống và cân bằng
với môi tr-ờng. Khi một trạng thái cân bằng bị phá
vỡ thì các thông số trạng thái sẽ thay đổi để đạt
đến một trạng thái cân bằng mới. Các thông số trạng
thái có thể đo đếm trực tiếp đ-ợc gọi là thông số
trạng thái cơ bản còn các thông số trạng thái khác
phải tính toán thông qua các thông số trạng thái cơ
bản gọi là hàm trạng thái.
*

Trong

nhiệt

động,

thờng

dùng

3

thông

số

trạng thái có thể đo đợc trực tiếp l nhiệt độ T,
áp suất p v thể tích riêng v (hoặc khối lợng
riêng ), còn gọi l
bản.

các thông số trạng thái cơ

Ngoi ra, trong tính toán ngời ta còn dùng các
thông số trạng thái khác nh: nội năng U, entanpi I
v entrôpi S, các thông số ny

không đo đợc trực

tiếp m đợc tính toán qua các thông số trạng thái
cơ b¶n.
2.2.2. Các thơng số trạng thái cơ bản
17


2.2.2.1 Thể tích riêng v (m 3/kg): thể tích riêng v là thể tích của 1kg
mơi chất. Do đó, Nếu một vật có G (kg) và thể tích V (m3) thì thể tích riêng v

của nó được xác định bởi tỷ số: v 

V
G

(1-9)

Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng gọi là khối lượng riêng:


1 G

v V (1-10)

2.2.2.2 Áp suất tuyệt đối p(N/m 2): là áp lực của các phần tử môi chất
tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình theo phương pháp tuyến ( trong
nhiƯt ®éng, chủ yếu ta nghiên cứu áp suất của chất
khí và chÊt láng)
p =

F
S

(N/m2)

F: Lùc tác dụng của chất khí theo phương ph¸p tun (N)
S: DiƯn tÝch bề mặt tiếp xúc (m2)
+ Đơn vị đo áp suất

tiờu chun l Pascal

1Pa = 1 N/m2 =10-5 bar (barômet) = 1/0,981. 10-5at(
atmôtphe ký thuật)
= 1/0,981mmH20 (milimet cột nước)
1/133,32 mmHg (milimet cột thủy ngân)
1at = 0,981bar =736mmHg =104 mmH20
1bar = 750mmHg = 105N/m2
Áp suất không khí ngồi trời ( ở trên mặt đất) gọi là áp suất khí quyển:
pk đo bằng baromet.
Một chất khí chứa trong bình kín có áp suất tuyệt đối là p, nếu áp suất
p lớp hơn pk thì hiệu giữa chúng gọi là áp suất dư p d, nếu áp suất p nhỏ hơn
pk thì hiệu giữa chúng gọi là độ chõn khụng pck
+ Các loại áp suất: (Đo bằng áp kế)
- áp suất tuyệt đối của khí quyển (Pkt):
Baromet
- áp suÊt d-: Pd = P - Pkt

18

: Manomet


- áp suất chân không: Pck = Pkt - P
không kÕ

:

Ch©n

2.2.2.3 Nhiệt độ tuyệt đối (T):

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

𝑚𝜔2
3𝑘

T là nhiệt độ tuyệt đối của vật
m khối lượng phân tử
 là vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của cá phân tử
k là hằng số Bonzmam, k = 1,3805. 10-23j/K
Như vậy tốc độ trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng
lớn thì nhiệt độ của vật càng cao.
Trong hệ đo lường SI thường dùng hai thang đo nhiệt độ:
+ Thang nhiƯt ®é bách phân:
- Kớ hiu nhit bỏch phõn l t, đơn vị đo là

0C

( Censius –

Tên nhà bác học sáng lập thang đo)
+ Thang đo nhiƯt ®é tut ®èi (cịn gọi là độ
Kelvin):
- Kớ hiu nhit l T, n vị đo là

0K

( Kelvin – Tên nhà bác

học sáng lập thang đo)
Hai thang đo này có quan hệ với nhau bằng biểu thức sau:
T (0C) = T(0 K) – 273,15
Nghĩa lad 00C tương ứng với với 273,15 0K
Ngoài ra để đo nhiệt độ người ta còn dùng cá dụng cụ khác như nhiệt
kế thủy ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hỏa quang kế...
2.2.2.4 Entropy s (J/kg0K): entropy là một thông số trạng thái được phát
hiện nhờ tốn học.
Khi nghiên cứu chu trình nhiệt động Clausius thấy rằng, nếu gọi dq
19


(J/kg) là mật độ dịng nhiệt vơ cùng nhỏ tham gia trong q trình có nhiệt độ
tuyệt đối T (K) nào đó thì tích phân vịng của tỷ số dq/T cũng bằng không:
dq

T

 0 (1-12)

Clausius cho rằng tỷ số dq/T đóng vai trị là một thơng số trạng thái.
Ơng gọi đó là entropy và kí hiệu là s với 1kg và S với Gkg Như vậy:
ds 

dq
T

(j/kg.0K). (1-13)

Chú ý rằng nhiệt lượng q hay vi phân của nó dq là một hàm số của q
trình nhưng tỷ số của nó với nhiệt độ tuyệt đối dq/T lại là vi phân tồn phần
của hàm số.
Với Gkg thì : dS = G.ds = dQ/T

(j/0K

2.2.3. C¸c hàm trạng thái( xem thêm ở GT)
2.2.3.1 Nội năng: ( xem thờm GT)
Ni nng
chất.

là các năng l-ợng bên trong của vật

+ Ký hiệu: U (J), u (J/kg)
+ Nội năng gồm: nội động năng, nội thế năng
Nội động năng do chuyển động của các nguyên tử,
phân tử gây ra nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nội thế năng do lực tác dụng t-ơng hỗ giữa các
phần tử tạo ra nên nó phụ thuộc vào khoảng cách
giữa các phân tử hay thể tích riêng
Vậy nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích.
u = f(T, v)
- Đối víi khÝ lý t-ëng: (có thể bỏ qua lực tương tác
giữa các phân tử nên nội thế năng bằng 0 do đó nội năng chỉ bao gồm nội
động năng và chỉ phụ thuốc vào nhiệt độ nên nội năng của khí lý tưởng là
hàm đơn trị của nhiệt độ

u = f(T)

- Trong mọi q trình biến đổi của khí lý tưởng nội năng được
xác định bằng công thức :
du = CvdT
20


Cv: nhiệt dung riêng khi lng đẳng tích
V u = u2 – u1 =
2.2.3.2

Cv(T2 - T1)

Năng lượng đẩy d (J/kg):

Năng lượng đẩy hay thế năng áp suất kí hiệu D (J) hoặc d(J/kg)
Ta biết rằng một dịng mơi chất (khí hoặc lỏng) chuyển động ngoài
động năng và thế năng bên ngồi cịn 1 năng lượng nữa để giúp khối khí dịc
chuyển đó chính là năng lượng đẩy.
Năng lượng đẩy của một 1kg mơi chất bằng: d = pv
Vì p và v là các thông số trạng thái nên năng lượng đẩy cũng là một
thông số trạng thái. Năng lượng đẩy chỉ có trong hệ hở ( khi dịng khí
chuyển động năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy
dịng khí chuyển động), cịn trong hệ kín trọng tâm của hệ không chuyển
động nên năng lượng đẩy d = 0
2.2.3.3
Entanpi - nhit hm: là thông số trạng
thái hiển thị sự biến đổi năng l-ợng của chất khí.
+ KÝ hiÖu: I (J); i (J/kg)

i = u + pv - khi tính ứng với 1kg mơi chất
I = U + pV

- ứng với G kg môi chất

Entanpi là một thơng số trạng thái khi đó ta lấy vi phân chính là vi
phân tồn phần
di = du + d(pv)
+ Đối với khí thực entanpi là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông số
trạng thái cơ bản là p,v, T
+ §èi víi khÝ lý t-ëng: thế năng áp suất có thể bỏ qua nên
Entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: i = f (T)
Biến đổi Entanpi trong quá trình được xác định bằng biểu thức
di = CpdT

(Cp: nhiƯt dơng riªng đẳng áp)

+ Sự biến thiên Entanpi:
i = i2 - i1 = Cp(T2 - T1)
2.2.3.4

Execgi:
21


Trong thực tế tất cả các dạng năng lượng ( trừ nhiệt năng) đều có thể
biến hồn tồn thành cơng trong các quá trình thuận nghịch. Ngược lại nhiệt
năng chỉ có thể biến đổi một phần thành cơng trong q trình thuận nghịch vì
chúng cịn bị giới hạn bởi nhiệt mụi trng
Execgi là phn năng l-ợng có thể biến thành công

trong quá trình thun nghch. Ký hiu E (J); e (J/kg)
Phần năng lượng không thể biến thành công được gọi là anecgi . Ký
hiệu là A hoặc a
q = e + a
trong ®ã:

e: Execgi
a: anecgi

Có thể tính execgy e theo biểu thức:
e = (i - i0) - T0(s - s0)
Trong đó:
i, s tương ứng là entanpy và entropy của trạng thái cần xác định
execgy;
T0, i0, s0 tương ứng là nhiệt độ tuyệt đối, entanpy và entropy của môi
trường.
3. Định luật nhiệt động
3.1. Định luật nhiệt động thứ nhất
3.1.1.3. Định luật nhiệt động I
- Ý nghĩa của định luật nhiệt động I : Định luật nhiệt động I cho phép
ta viết phương trình cân bằng năng lượng cho một quá trỡnh nhit ng
Là định luật bảo toàn và biến hóa năng l-ợng vit
cho cỏc quỏ trỡnh nhit ng.
Theo nh lut bảo tồn và biến hóa năng lượng thì năng lượng toàn
phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình ln ln bằng tổng đại số
năng lượng tồn phần ở đầu q trình và tồn bộ năng lượng nhận vào hay
nhả ra trong q trình đó
- Néi dung

22

Nhiệt có thể biến thành công và ng-ợc lại công
có thể biến thành nhiệt.
Một l-ợng nhiệt năng bị tiêu hao thì sẽ có một
l-ợng xác định năng l-ợng khác đ-ợc hình thành và
tổng năng l-ợng của hệ thống không thay ®æi.
- Phát biểu định luật : Nhiệt lượng cấp vào cho hệ một phần dùng để
thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công
dq = du + dl
- Biểu thức :
* Cách 1
Xét 1kg chất khí trong xy lanh có piston di chuyển khơng ma sát, hệ
thống cơ lập hồn tồn với mơi trường bên ngồi. Trong q trình vơ cùng
nhỏ, cấp cho chất khí một nhiệt lượng dq, ta nhân thấy.
- Nhiệt độ thay đổi một lượng dT, tức là nội năng thay đổi một lượng
du
- Thể tích thay đổi một lượng dv, túc là chất khí sinh ra một công là
dl = p.dv
Theo cân bằng năng lượng ta có dq =du + dl =du +p.dv đây chính là
phương trình định luật nhiệt động I
Với 1kg mơi chất
q = u + l
Hay dq = du + pdv
(1)
(p.dv: c«ng thay đổi thể tích)
Với G kg mơi chất: Q = U + L
* Cách 2: Vì theo nh ngha Etanpi i = u + pv
Lấy đạo hàm ta được di = du + d (p.v) hay du = di – pdv – vdp
Với dl = p.dv suy ra dq = di – pdv –vdp + pdv

Hay dq = di –vdp (2)
dq = di + dlkt
(vdp: c«ng kü thuËt)
23


Với khí lý tưởng du = CvdT
di = Cp dT
hay dq = CvdT + pdv
dq = CpdT –vdp
* C¸ch 3: Viết cho dòng khí l-u động nh-ng
không thực hiện công ngoài ra môi tr-ờng xung
quanh.
d 2
dq = di +
2

(3)

: Tốc ®é cđa vËt
3.1.2. Phương trình nhiệt động II
Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo tồn và biến hố năng
lượng viết cho các q trình nhiệt động, nó cho phép tính tốn cân bằng năng
lượng trong các q trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hố
thành cơng hoặc cơng chuyển hố thành nhiệt. Tuy nhiên nó khơng cho ta biết
trong điều kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành cơng và liệu tồn bộ nhiệt có
thể biến đổi hồn tồn thành cơng khơng.
Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá
trình sẽ xẩy ra, chiều hướng xẩy ra và mức độ chuyển hố năng lượng của q
trình. Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và

thiết bị nhiệt.
Theo định luật nhiệt động II thì mọi quá trình tự phát trong tự nhiên
đều xẩy ra theo một hướng nhất định. Ví dụ nhiệt năng chỉ có thể truyền từ
vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn. Nếu muốn quá trình xẩy ra
ngược lại thì phải tiêu tốn năng lượng, ví dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu
tốn công nén hoặc phải cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp
hơn thải ra mơi trường xung quanh có nhiệt độ cao hơn (như ở máy lạnh) thì
phải tiêu tốn một năng lượng nhất định (tiêu tốn một điện năng chạy động cơ,
kéo máy nén).
Định luật nhiệt động II: có hai cách phát biểu.
Cách thứ nhất do Thomson-Planck phát biểu: khơng thể có động cơ
nhiệt có khả năng biến tồn bộ nhiệt lượng cấp cho nó thành cơng mà khơng
24


mất một phần nhiệt lượng truyền cho các vật khác.
Biểu thức: 𝑙 = 𝑞1 − |𝑞2 | (1-24)
Trong đó: q1-lượng nhiệt nguồn nóng.
q2- lượng nhiệt nguồn lạnh.
l - cơng sinh ra.
Cách thứ hai do Các - nôt-clausius phát biểu: nhiệt lượng tự nó chỉ có thể
truyền từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Muốn truyền ngược lại
phải tiêu tốn thêm một năng lượng.
Biểu thức: 𝑙 = |𝑞1 | − 𝑞2

(1-25)

Chương 2
MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT
Mục tiêu:

- Trình bày đúng khái niệm, phương trình trạng thái của khí lý tưởng và
khí thực
- Phân biệt được sự truyền nhiệt của môi chất
- Nhận dạng và phân biệt được sự chuyển pha, khí lý tưởng và khí
25