21 22 HK1 BG KTN ch1 những khái niệm cơ bản của nhiệt động học BG

MỞ ĐẦU
Hệ nhiệt động hay hệ thống nhiệt động còn được gọi tắt là “HỆ” là đối
tượng nghiên cứu của nhiệt động lực học hay còn được gọi tắt là nhiệt động học.
Bài này giới thiệu những khái niệm cơ bản về hệ nhiệt động giúp ta hiểu và có
cơ sở bản chất ban đầu để nghiên cứu các hiện tượng nhiệt, quy luật chuyển hóa,
biến đổi năng lượng nhiệt khi hệ thực hiện một quá trình nhiệt động xác định.
Nghiên cứu những khái niệm cơ bản về nhiệt động học là người học được
trang bị những kiến thức ban đầu về khoa học nhiệt động. Những khái niệm
được giới thiệu trong bài sẽ là những công cụ cơ bản giúp ta tiếp tục nghiên cứu
bản chất của các hiện tượng, quá trình nhiệt xảy ra trong kỹ thuật và đời sống.
Phần I
HỆ NHIỆT ĐỘNG
I. KHÁI NIỆM HỆ NHIỆT ĐỘNG
A. ĐỊNH NGHĨA

Hệ nhiệt động (hệ thống nhiệt động) là tập hợp các phần tử được tách riêng
ra để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt.
- Các phần tử trong hệ nhiệt động có các thuộc tính xác định (vật chất, năng
lượng, không gian và thời gian).
- Hệ nhiệt động luôn có mơi trường bao quanh và được ngăn cách với mơi
trường bằng mặt bao (ranh giới). Mặt bao có tính chất lý tưởng xác định (mặt
thật hoặc mặt giả định). Hệ và môi trường trao đổi vật chất và năng lượng với
nhau thơng qua mặt bao.
- Các tính chất nhiệt động của mơi trường được lý tưởng hóa và giả thiết là
không đổi.
B. PHÂN LOẠI

1. Theo sự trao đổi vật chất giữa hệ và mơi trường
+ Hệ kín: Hệ khơng trao đổi vật chất với môi trường.
+ Hệ hở: Hệ có sự trao đổi vật chất với mơi trường.
2. Theo sự trao đổi năng lượng với môi trường

+ Hệ đoạn nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt năng với môi trường.
+ Hệ đoạn công (đoạn cơ): Hệ không trao đổi cơ năng (công) với môi trường.
* Hệ cô lập là hệ kín và khơng trao đổi bất kỳ một dạng năng lượng nào với
môi trường.
3. Theo trạng thái tồn tại vật chất trong hệ (pha vật chất)
+ Hệ đồng thể (đồng pha): Các phần tử trong hệ cùng một dạng thể vật chất.
+ Hệ dị thể (dị pha): Các phần tử trong hệ tồn tại ở nhiều dạng thể vật chất
khác nhau.
1


C. Ý NGHĨA CỦA KHÁI NIỆM HỆ NHIỆT ĐỘNG

- Hệ nhiệt động là đối tượng nghiên cứu của kỹ thuật nhiệt.
- Hệ nhiệt thực tế rất phức tạp. Sử dụng khái niệm hệ nhiệt động sẽ cho phép
lý tưởng hóa các hệ thực thành những hệ đơn giản để giải những vấn đề cơ bản.
- Khái niệm “Hệ nhiệt động” cho phép Nhiệt động học nghiên cứu các hiện
tượng và quá trình nhiệt của các đối tượng trên nền tảng của sự bảo toàn năng
lượng theo quan niệm nhiệt động.
- Thường gặp hệ nhiệt động là mơi chất, nguồn nóng, nguồn lạnh hoặc là tổ
hợp mơi chất nguồn nóng và nguồn lạnh; máy nhiệt như động cơ đốt trong, động
cơ phản lực, súng pháo v.v.. là hệ nhiệt động thực tế.
II. MƠI CHẤT
A. ĐỊNH NGHĨA

Mơi chất là chất mơi giới để biến đổi hoặc (và) truyền tải năng lượng.
Môi chất có thể là đơn chất hoặc hỗn hợp. Hệ đơn chất thường khó có đủ
các tính chất nhiệt động thỏa mãn yêu cầu của thiết bị nhiệt nên trên thực tế
người ta thường dùng môi chất là hỗn hợp những đơn chất khác nhau với những
tỷ lệ xác định để thỏa mãn được các tính chất cần thiết cho thiết bị nhiệt.

B. MƠI CHẤT LÝ TƯỞNG

Mơi chất thực có các tính chất nhiệt động phức tạp chịu nhiều tương tác cơ
nhiệt giữa hệ và mơi trường. Việc tính tốn trở lên phức tạp, trong nghiên cứu lý
thuyết người ta lý tưởng hóa mơi chất thực thành mơi chất lý tưởng có tính chất
lý tưởng xác định. Mơi chất lý tưởng có thể ở pha khí, pha lỏng, pha rắn hoặc
hỗn hợp các pha. Mơi chất lý tưởng điển hình là khí lý tưởng.
Khí lý tưởng là khí được giả thiết là bỏ qua ảnh hưởng của thể tích bản thân
các phân tử chiếm chỗ trong tồn bộ thể tích của khí và bỏ qua ảnh hưởng của
lực tương tác giữa chúng.
C. Ý NGHĨA KHÍ LÝ TƯỞNG

Trong thực tế khơng có khí hồn tồn lý tưởng mà chỉ có khí thực. Tuy
nhiên ở điều kiện thông thường với một số chất khí có thể giả thiết là khí lý
tưởng. Sử dụng chất khí lý tưởng sẽ nhận được giá trị giới hạn cần thiết làm cơ
sở so sánh hiệu quả của môi chất thực trong điều kiện làm việc khác nhau.
III. NGUỒN NHIỆT VÀ NGUỒN CÔNG

- Nguồn nhiệt là nơi mà hệ nhiệt động trao đổi nhiệt năng với chúng.
Nguồn nhiệt có:
+ Nguồn nóng là nguồn có nhiệt độ cao.
+ Nguồn lạnh là nguồn có nhiệt độ thấp hơn.
Trong kỹ thuật nhiệt người ta giả thiết nhiệt dung của nguồn nhiệt là vơ
cùng lớn nên có thể coi nhiệt độ của nguồn là khơng thay đổi trong q trình
trao đổi nhiệt.
- Nguồn công là nơi mà hệ trao đổi công với chúng.
2


Phần II

TRẠNG THÁI NHIỆT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRẠNG THÁI VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
A. TRẠNG THÁI NHIỆT ĐỘNG

1. Định nghĩa trạng thái nhiệt động
Trạng thái nhiệt động là trạng thái tồn tại ở dạng vĩ mơ của hệ nhiệt động
với các tính chất nhiệt động xác định.
Ở một thời điểm xác định hệ có các thuộc tính về khơng gian, vật chất và
năng lượng xác định, hệ ở một trạng thái nhiệt động xác định.
2. Phân loại trạng thái nhiệt động
- Trạng thái cân bằng là trạng thái mà ở đó mọi thơng số nhiệt động của hệ
đều không thay đổi theo thời gian nếu hệ khơng tương tác gì với mơi trường.
Khi đó hệ khơng tồn tại những biến đổi vĩ mơ của hệ thống (khơng có truyền
nhiệt và khuếch tán, khơng có phản ứng hóa học, ...), mặc dù ln tồn tại chuyển
động của các phần tử vi mô.
Ở trạng thái cân bằng giá trị của các thông số trạng thái ở mọi nơi trong hệ
là như nhau và nó đặc trưng cho thông số trạng thái của hệ.
- Trạng thái không cân bằng: Trong thực tế không tồn tại trạng thái cân
bằng tuyệt đối mà đều là trạng thái không cân bằng.
Nhiệt động kỹ thuật chỉ nghiên cứu những trạng thái cân bằng để làm cơ sở
cho việc nghiên cứu các trạng thái thực tế của hệ thống nhiệt động. Trạng thái
cân bằng là một khái niệm lý tưởng.
B. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

1. Định nghĩa thông số trạng thái
Thông số trạng thái là những đại lượng vật lí của hệ ở một trạng thái cân
bằng nhất định.
Thông số trạng thái là những đại lượng vĩ mơ đặc trưng cho tính chất nhiệt
động của hệ thống (đặc trưng cho toàn hệ thống) ở một trạng thái xác định.
2. Phân loại thông số trạng thái

a) Theo khả năng đo
- Thông số trạng thái cơ bản là những thơng số có thể đo trực tiếp được
bằng các dụng cụ đo. Ví dụ như nhiệt độ tuyệt đối (T), áp suất tuyệt đối (p), thể
tích riêng (v).
- Hàm trạng thái là những thơng số không đo trực tiếp được mà phải xác
định thông qua thơng số trạng thái cơ bản. Ví dụ như nội năng (u), entanpi (i),
entropi (s), execgy (e).
b) Theo sự phụ thuộc vào lượng vật chất:
- Thông số chỉ mức là những thông số không phục thuộc vào lượng vật chất
của hệ. Ví dụ như nhiệt độ (T), áp suất (p).
- Thông số mở rộng là những thông số phụ thuộc vào lượng vật chất của hệ.
Ví dụ như thể tích (V), nội năng (U), entalpy (I), entropi (S).
3


II. CÁC THƠNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HỆ KHÍ LÝ TƯỞNG
A. NHIỆT ĐỘ TUYỆT ĐỐI

1. Định nghĩa
Nhiệt độ là đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh của vật.
2. Thang nhiệt độ
- Nhiệt độ có thể được đo bởi nhiều thang nhiệt độ khác nhau như thang
nhiệt độ Kenvin, kí hiệu là T (K) còn gọi là thang nhiệt độ tuyệt đối; thang nhiệt
độ Celcius, kí hiệu là t (oC) còn gọi là thang nhiệt độ bách phân; thang nhiệt độ
Fahrenheit tF (oF) và thang nhiệt độ Rankin TR (oR).
- Thang nhiệt độ động học là thang nhiệt độ tuyệt đối. Theo thuyết động
học phân tử giá trị nhiệt độ tuyệt đối xác định theo biểu thức:
1
T
m02

3K

23
Ở đây: K  1,3804.10 (J/K) là hằng số Boltzmann; m0 là khối lượng một
phân tử;  là tốc độ chuyển động tịnh tiến trung bình của các phân tử.
- Giữa các thang nhiệt độ có quan hệ với nhau:
5
5
t  T  273,15  (t F  32)  TR  273,15
9
9
o
t  30 C ứng với T  303 K, t F  86 oF và TR  544,7 oR
Ví dụ:
Chú ý: Khi đo nhiệt độ có thể dùng những thang nhiệt độ khác nhau nhưng
chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái.
B. ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI

1. Định nghĩa
- Theo quan điểm cơ học: Áp suất là lực tác dụng theo phương vng góc
lên một đơn vị diện tích bề mặt.
P
p  ; N/m2
F
Ở đây: P là lực tác dụng vng góc lên bề mặt có diện tích F.
- Theo thuyết động học phân tử: Áp suất tuyệt đối là áp lực va đập của
những phân tử chuyển động hỗn loạn với bề mặt kiểm tra.
1
p  n 0m02 ; Pa.
3

Ở đây: n0 là số phân tử vật chất chứa trong một đơn vị thể tích, m0 là khối
lượng một phân tử,  là tốc độ chuyển động tịnh tiến trung bình của các phân tử.
2. Các loại áp suất tương đối
- Áp suất dư (pd) là phần áp suất lớn hơn áp suất khí quyển (pkq).
- Áp suất chân không (pck) là phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, cịn
gọi là độ chân khơng.
Giữa áp suất tuyệt đối và các loại áp suất tương đối có quan hệ:
và
p  pkq  pd
p  pkq  pck
4


p

pd

p > pmt

pmt

p < pmt

p

pmt

pck

p

Chú ý:
1. Áp suất khí quyển là áp suất tuyệt đối.
2. Chỉ có áp suất tuyệt đối là một thông
số trạng thái của hệ.
 Các đơn vị đo áp suất: Trong quá trình
phát triển của kỹ thuật nhiệt, áp suất được đo
bằng những đơn vị khác nhau: atmotphe vật lí
(atm), atmotphe kỹ thuật (at), bar, milimet
thủy ngân (mmHg), milimet cột nước (mH2O),
pascal và các bội số của nó là decapascal
(DPa) và megapascal (MPa). Giữa các đơn vị
đo có mối quan hệ trong bảng sau:

0

Quan hệ giữa các loại áp suất

Đơn vị

Pa

bar

KG/cm2

1 Pa = 1 N/m2

1

105

1,02.105 0,987.105 7,5.103 0,102.103

1 bar

105

1

1,02

0,987

750

10,2

1 at = 1 KG/cm2

9,81.104

0,981

1

0,968

735,6

10

1 atm

1,013.105

1,013

1,0332

1

760

10,3

1 mmHg

133,32

1

13,6.103

at vật lí

1,333.103 1,359.103 1,31.103

torr

mH2O

Chú ý: Trong bảng trên các giá trị áp suất được qui đổi với đơn vị mmHg ở
0 C, khi đo áp suất chiều cao cột thủy ngân (ht) ở nhiệt độ (t) cần qui về chiều
cao (h0) ở 0oC theo công thức:
h 0  h t (1  0,000172.t)
o

C. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

1. Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng trong hệ
V
v
; m3/kg
m
2. Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích của hệ
m 1

 ; kg/m3
V v
Khối lượng riêng là đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng.
D. NỘI NĂNG

1. Định nghĩa
Nội năng là năng lượng bên trong hệ, u (J/kg).
Nội năng bao gồm nội động năng (uđ) là năng lượng do chuyển động của
các phân tử và nội thế năng (ut) là năng lượng do lực tương tác giữa các phân tử.
u  u®  ut
5

2. Tính chất
- Nội năng phụ thuộc nội động năng và nội thế năng. Nội động năng phụ
thuộc chuyển động của các phân tử, tức là phụ thuộc nhiệt độ T. Nội thế năng
phụ thuộc lực tương tác giữa các phân tử, tức là phụ thuộc khoảng cách các phân
tử hay phụ thuộc thể tích riêng v. Vậy nội năng là một hàm trạng thái.
u  u(T,v)
Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ vì khí lý tưởng bỏ
qua thể tích bản thân các phân tử, bỏ qua nội thế năng, nội năng khí lý tưởng là
nội động năng.
- Biến thiên nội năng trong quá trình nhiệt động chỉ phụ thuộc trạng thái
đầu và trạng thái cuối khơng phụ thuộc tính chất q trình.
2

u  u2  u1   du
1

Với chu trình kín:

 du  0

- Nội năng phụ thuộc vào lượng vật chất chứa trong hệ. Vậy Nội năng là
một thông số trạng thái mở rộng. Nội năng của hệ chứa m kg là U (J).
U  mu
3. Lượng biến đổi nội năng
- Mỗi trạng thái có một giá trị nội năng. Trong tính tốn kỹ thuật khơng địi
hỏi xác định giá trị tuyệt đối của nội năng mà phải xác định lượng biến thiên nội
năng trong quá trình. Trong kỹ thuật thường chọn khi t  0 oC hệ có u  0.
- Biến thiên nội năng của khí lý tưởng:
du  CvdT  Cvdt

u  u2  u1  Cv (T2  T1 )  Cv (t2  t1 ) ; J/kg
U  mCv (T2  T1 )  mCv (t2  t1 ) ; J
E. ENTANPI

1. Định nghĩa
Entanpi là tổng nội năng và thế năng áp suất, i (J/kg).
i  u  pv
2. Tính chất
- Entanpi phụ thuộc nội năng, tức là phụ thuộc nhiệt độ T và phụ thuộc thể
tích riêng v. Entanpi còn phụ thuộc vào thế năng áp suất, tức là còn phụ thuộc
vào áp suất. Vậy entanpi là một hàm trạng thái.
i  i(T,p,v)
- Biến thiên entanpi trong quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và
trạng thái cuối, khơng phụ thuộc tính chất q trình.
2

i  i2  i1   di
1

6


Với chu trình kín:

 di  0

- Entanpi phụ thuộc vào lượng vật chất chứa trong hệ. Vậy entanpi là một
thông số trạng thái mở rộng. Entanpi của hệ chứa m kg là I (J).
I  mi
3. Lượng biến đổi entanpi

- Mỗi trạng thái có một giá trị entanpi. Trong tính tốn kỹ thuật khơng địi
hỏi xác định giá trị tuyệt đối của entanpi mà phải xác định lượng biến thiên
entanpi trong quá trình. Trong kỹ thuật thường chọn khi t  0 oC hệ có i  0.
- Biến thiên entanpi của khí lý tưởng:
di  CpdT  Cp dt
i  i2  i1  Cp (T2  T1 )  Cp (t2  t1 ) ; J/kg
I  mCp (T2  T1 )  mCp (t2  t1 ) ; J
F. ENTROPI

1. Định nghĩa
Entropi là một thông số có vi phân ds 

dq
; J/(kg.K).
T

2. Tính chất
- Entropi phụ thuộc nhiệt độ. Như vậy, entropi là một hàm trạng thái.
- Biến thiên của nó chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối, khơng
phụ thuộc tính chất q trình. Biến thiên entropi theo chu trình kín bằng khơng.
2

s  s2  s1   ds
1

Với chu trình kín:

 ds  0

- Entropi phụ thuộc vào lượng vật chất chứa trong hệ. Vậy entropi là một

thông số trạng thái mở rộng. Entropi của hệ chứa m kg là S (J).
S  ms
3. Lượng biến đổi entropi
Mỗi trạng thái có một giá trị entropi đặc trưng. Trong kỹ thuật phải xác định
lượng biến thiên entropi trong quá trình, thường chọn khi T  0 K hệ có s  0.
dq
ds 
T
2
2
dq
; J/(kg.K)
s  s2  s1   ds  
T
1
1
2

dq
; J/K
T
1

S  ms  m 

7


Phần III
PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT

I. KHÁI NIỆM CHUNG

Định nghĩa: Phương trình trạng thái là phương trình liên hệ giữa các thông
số trạng thái ở một trạng thái xác định của hệ nhiệt động.
Phương trình trạng thái có thể được xác định bằng lý thuyết hoặc bằng thực
nghiệm. Cho đến nay mới chỉ có phương trình trạng thái khí lý tưởng được xác
định bằng lý thuyết theo thuyết động học phân tử. Kết quả lý thuyết phù hợp với
định luật thực nghiệm của Boyle-Mariotte (trong điều kiện đẳng nhiệt) và của
Gay-Lussac (trong điều kiệm đẳng tích).
II. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA HỆ KHÍ LÝ TƯỞNG

- Phương trình trạng thái cho 1 kg khí lý tưởng:
pv  RT
p  RT
hay

(1)

Ở đây: p, v,  và T là áp suất, thể tích riêng, khối lượng riêng và nhiệt độ
tuyệt đối; R là hằng số chất khí, phụ thuộc vào bản chất của từng chất khí.
- Phương trình trạng thái cho m kg khí lý tưởng:
Nhân cả hai về của phương trình (1) với khối lượng m, nhận được:
pV  mRT
(2)
- Phương trình cho 1 kmol khí lý tưởng:
Nhân cả hai vế của phương trình (1) với khối lượng của một 1 kmol khí lý
tưởng, ta nhận được:
pv  RT
Đặt R  R gọi là hằng số chất khí phổ biến. Mặt khác v  v là thể
tích của 1 kmol khí. Vậy: ta nhận được:

pv  RT

(3)

Suy ra hằng số chất khí phổ biến:
pv
R  
T
Theo định luật Avogađro, thể tích 1 kmol khí lý tưởng ở điều kiện tiêu
chuẩn 0oC và 760 mmHg là v  22,4 m3/kmol, nhận được hằng số chất khí phổ
biến R  8314 J/(kmol.K).
- Phương trình trạng thái cho M kmol khí lý tưởng Nhân cả hai về phương
trình (3) với số kmol M, ta nhận được:
Mpv  MRT

8

pV  MRT

(4)


Hằng số chất khí R được xác định như sau: So sánh (2) với (4), nhận được:
mR  MR


R

R R 8314
J/(kg.K)



m


M

III. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA HỆ KHÍ THỰC
A. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI TỔNG QUÁT

pv
Z
RT
Ở đây: Z được gọi là độ nén (hay hệ số nén).
Khí thực có lực tương tác và thể tích bản thân các phân tử nên phương trình
trạng thái sai khác với phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Phương trình
trạng thái khí lý tưởng tương ứng với trường hợp khi Z  1 , khi Z  1 là
phương trình trạng thái khí thực. Với mỗi khí thực, độ nén Z phụ thuộc vào bản
chất và trạng thái của mơi chất, có giá trị xác định bằng thực nghiệm.
B. MỘT SỐ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ THỰC ĐIỂN HÌNH

Cho đến nay đã có hàng trăm phương trình nhưng chưa có phương trình
trạng thái thuần túy lí thuyết dùng hồn tồn chính xác cho khí thực. Thường
dựa trên phương trình trạng thái của khí lý tưởng, đưa thêm vào các hệ số hiệu
chỉnh xác định bằng thực nghiệm.
1. Phương trình Van Der Waals
 p  a  v  b  RT




v2 

Ở đây: a, b là những hệ số xác định bằng thực nghiệm về trạng thái tới hạn.
1 RT
27 R 2TK
; b . K,
a .
64 pK
8 pK
Trong đó: TK và pK là nhiệt độ và áp suất của môi chất ở trạng thái tới hạn.
2. Phương trình Beattie - Bridgman
b 
c
a

pv  RT v  B0 1  1  3   A0 1  
v 
vT 
V



Ở đây: a, b, c, A0 và B0 là những hệ số xác định bằng thực nghiệm.
3. Phương trình virian D. Mayer - N. Gogolioubov
n

k k 
pv  RT1  

 k 1 k  1 vk 

Ở đây: k là những hệ số virian chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, được xác định
bằng thực nghiệm.
Cho đến nay phương trình này được coi là có độ chính xác nhất.

9


Phần IV
QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG
I. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
A. ĐỊNH NGHĨA

Hệ biến đổi liên tiếp từ một trạng thái ban đầu tới trạng thái cuối theo một
đặc tính nhiệt động nào đó tạo ra một q trình nhiệt động.
B. PHÂN LOẠI

1. Theo tính cân bằng của trạng thái nhiệt động
- Quá trình cân bằng là quá trình hệ nhiệt động biến đổi qua tất cả các trạng
thái cân bằng.
- Q trình khơng cân bằng là q trình hệ nhiệt động biến đổi mà có ít
nhất một trạng thái không cân bằng.
Thực tế khi hệ đi từ trạng thái này sang trạng thái khác tính cân bằng ở mỗi
trạng thái bị sai lệch và quá trình nhiệt động thực tế sẽ đi qua những trạng thái
không cân bằng và q trình thực tế là q trình khơng cân bằng.
* Ý nghĩa của quá trình cân bằng: Giả thiết q trình chuyển trạng thái xảy
ra vơ cùng chậm chạp đến nỗi mỗi thời điểm lại thiết lập một trạng thái cân
bằng. Như vậy, quá trình cân bằng là tập hợp của các trạng thái cân bằng. Chỉ có
trạng thái cân bằng mới biểu diễn được trên đồ thị, do đó chỉ có q trình cân
bằng mới biểu diễn được trên đồ thị.
2. Theo tính thuận nghịch của quá trình nhiệt động

- Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng mà khi thực hiện quá trình
theo chiều ngược hệ đều đi qua tất cả các trạng thái của q trình thuận nhưng
theo thứ tự ngược lại mà khơng làm thay đổi trạng thái của hệ và môi trường.
- Q trình khơng thuận nghịch là q trình khơng thỏa mãn điều kiện của
quá trình thuận nghịch.
* Ý nghĩa của quá trình thuận nghịch: Quá trình thuận nghịch là quá trình
lý tưởng xảy ra vơ cùng chậm chạp, cơng sinh ra trong quá trình thuận nghịch là
cực đại. Quá trình thực tế là q trình khơng thuận nghịch, q trình không
thuận nghịch phải tiêu tốn công để khắc phục ma sát, xốy và truyền nhiệt, cơng
sinh ra trong q trình không thuận nghịch nhỏ hơn công sinh ra trong quá trình
thuận nghịch tương ứng.
Phần cơng tiêu tốn để khắc phục ma sát, xốy và truyền nhiệt biến thành
nhiệt nung nóng hệ, có thể xem q trình khơng thuận nghịch như là q trình
thuận nghịch có thêm nhiệt truyền từ mơi trường vào hệ để nung nóng hệ.
II. NHIỆT DUNG RIÊNG
A. ĐỊNH NGHĨA

Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt tính trên một đơn vị vật chất của hệ nhiệt
động trao đổi với môi trường để hệ thay đổi một độ.
10


B. PHÂN LOẠI

1. Theo nhiệt độ
- Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng tại một giá trị nhiệt độ nào đó.
dq
C
dt
- Nhiệt dung riêng trung bình là giá trị nhiệt dung riêng trong một khoảng

nhiệt độ nào đó.
T

2
C1

q
q
1 2



Cdt
t2  t1 t t T1
q
2
3

q2
1

q1

1



2
t1

t2

t

Biểu diễn NDR thực và NDR trung bình
Nhiệt dung riêng thực là giới hạn của nhiệt dung riêng trung bình.
2. Theo đơn vị đo vật chất
- Nhiệt dung riêng khối lượng là nhiệt dung riêng của 1 kg vật chất, được kí
hiệu là C, có đơn vị là J/(kg.K).
- Nhiệt dung riêng thể tích là nhiệt dung riêng của 1 m 3tc vật chất, được kí
hiệu là C , có đơn vị là J (m3tc .K) .
- Nhiệt dung riêng kilomol là nhiệt dung riêng của 1 kmol vật chất, được kí
hiệu là C, có đơn vị là J/(kmol.K).
Với khí lý tưởng, giữa nhiệt dung riêng khối lượng, nhiệt dung riêng thể
tích và nhiệt dung riêng kilomol có mối quan hệ:
C
C
C 
và C  C .v  

22,4
Ở đây:  là khối lượng tính bằng kg của 1 kmol chất khí, 22,4 là thể tích
tính bằng m3 của 1 kmol chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn.
3. Theo đặc tính của q trình
- Nhiệt dung riêng đẳng tích là nhiệt dung riêng theo q trình đẳng tích (v
= const), Cv ,Cv ,Cv .
11


- Nhiệt dung riêng đẳng áp là nhiệt dung riêng theo quá trình đẳng áp (p =

const), Cp ,Cp ,Cp .
Với khí lý tưởng, giữa nhiệt dung riêng đẳng tích và nhiệt dung riêng đẳng
áp có mối quan hệ:
Cp
 k và
Cp  Cv  R
Cv
Ở đây: k là số mũ đoạn nhiệt, với khí lý tưởng k là hằng số phụ thuộc số
nguyên tử tạo thành phân tử, khí thực k còn phụ thuộc nhiệt độ; R là hằng số
chất khí.
Từ k và R nhận được:
R
kR
Cv 
và Cp 
k 1
k 1
C. TÍNH CHẤT

1. Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ mà
chỉ phụ thuộc vào bản chất của mơi chất.
Nhiệt dung riêng của khí lí thưởng
Cp
Cv
[kJ/(kmol.K)] [kJ/(kmol.K)]

Loại khí

k

Khí một nguyên tử (He, ...)

1,67

20,9

12,6

Khí hai nguyên tử (O2, N2, khơng khí, ...)

1,4

29,3

20,9

Khí ba ngun tử trở lên (CO2, hơi H2O, ...)

1,3

37,7

29,3

2. Nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc nhiệt độ, ít phụ thuộc áp suất.
- Nhiệt dung riêng thực của khí thực thường được biểu diễn bằng hàm số sau:
C  a0  a1t  a2 t2  ...  an tn
Ở đây: a0, a1, a2, ... , an là các hệ số xác định bằng thực nghiệm; n là số mũ
tự chọn, khi n càng lớn thì nhiệt dung riêng được xác định càng chính xác.
Khi n = 0, ta có nhiệt dung riêng của khí lý tưởng khơng phụ thuộc vào

nhiệt độ.
Khi n = 1, ta có nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ theo
quan hệ bậc nhất.
C  a0  a1t
- Nhiệt dung riêng trung bình của khí thực cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Trường hợp 1: Khi biết nhiệt dung riêng thực có dạng C  a  bt
t2

Ta có:

t2

t2

q   Cdt   (a  bt)dt   adt   btdt
t1

12

t2

t1

t1

t1


b t
b

b
t
q  at t12  t2 t12  a(t2  t1 )  (t22  t12 )  (t2  t1 ) a  (t2  t1 )
2
2
2


q
t t
t
 a  b. 1 2
 C t12 
t2  t1
2
+ Trường hợp 2: Khi biết nhiệt dung riêng thực trung bình từ 0oC đến
một giá trị nhiệt độ nào đó.
q  q12  q02  q01
Ta có thể viết:
Trong đó:
+ q12 là nhiệt lượng của quá trình từ trạng thái 1 có nhiệt độ t1 đến
trạng thái 2 có nhiệt độ t2;
+ q01 là nhiệt lượng của quá trình từ trạng thái có nhiệt độ t  0 oC đến
trạng thái có nhiệt độ t1;
+ q02 là nhiệt lượng của q trình từ trạng thái có nhiệt độ t  0 oC đến
trạng thái có nhiệt độ t2.
t
t
q01  C 01 (t1  0)  C 01 t1
Ta có:



t

t

q02  C 02 (t2  0)  C 02 t2
t

t

 q  C 02 t2  C 01 t1
Nếu cho nhiệt dung riêng trung bình của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ
trong khoảng từ 0oC đến 1500oC có dạng Ctb  a  bt , ta có:
q  (a  bt2 )t2  (a  bt1 )t1  a(t2  t1 )  b(t22  t12 )


t

C t12  a  b(t1  t2 )

Nếu cho nhiệt dung riêng trung bình của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ
trong khoảng từ 0 oC đến nhiệt độ t dưới dạng tra bảng, ta có:
t
t
C 02 t2  C 01 t1
t2
C t1 
t2  t1

3. Nhiệt dung riêng phụ thuộc tính chất vật chất và tính chất q trình
nhiệt động.
Q trình đẳng áp có nhiệt dung riêng đẳng áp Cp, q trình đẳng tích có
nhiệt dung riêng đẳng tích Cv.
KẾT LUẬN
1. Hệ nhiệt động là đối tượng nghiên cứu của kỹ thuật nhiệt. Nghiên cứu hệ
nhiệt động là nghiên cứu cấu trúc, thuộc tính và q trình biến đổi trạng thái,
năng lượng của hệ.
2. Trong giới hạn nghiên cứu của kỹ thuật nhiệt, hệ nhiệt động được xem xét
là một hệ lý tưởng mà điển hình là hệ khí lý tưởng với các thuộc tính lý tưởng.
Các khái niệm lý tưởng có ý nghĩa là cơ sở, là căn cứ để khảo sát tính khơng
thuận nghịch của các hiện tượng và q trình nhiệt động xảy ra trong thực tế.
13


HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU
1. Khái niệm về hệ nhiệt động.
2. Trạng thái và thơng số trạng thái.
3. Phương trình trạng thái.
4. Quá trình nhiệt động và nhiệt dung riêng.
Ngày 30 tháng 7 năm 2021
NGƯỜI BIÊN SOẠN

GIÁO VIÊN

Đại tá, TS, Nguyễn Trung Định

14