ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG NHIỆT KĨ THUẬT ĐẦY ĐỦ

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH & XÃ HỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG
--

PGS. TS CAO HÙNG PHI

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

NHIỆT KỸ THUẬT
Mã học phần: OT 1201

Vĩnh Long – 2017


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................ 7
1.1 HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

7

1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy nhiệt......................................................... 7
1.1.2 Môi chất và hệ nhiệt động...................................................................... 7
1.1.3 Các thông số trạng thái của môi chất ..................................................... 8
1.1.4 Quá trình nhiệt động ............................................................................ 11
1.2 PHƯƠNG TRÌNH ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 12
1.2.1 Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt ..................................................... 12
1.2.2 Năng lượng tồn phần của hệ nhiệt động ............................................ 14
1.2.3 Các loại công........................................................................................ 15
1.2.4 Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất ......................................... 17
CHƯƠNG 2. MÔI CHẤT VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI CỦA
CHÚNG .............................................................................................................. 20

2.1 KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC

20

2.1.1 Sự khác nhau của khí thực so với khí lý tưởng ................................... 20
2.1.2 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và khí thực .......................... 20
2.2 SỰ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT

21

2.2.1 Đồ thị pha ............................................................................................. 21
2.2.2 Sự thăng hoa - ngưng kết, sự nóng chảy - đơng đặc, sự hóa hơi - ngưng
tụ.................................................................................................................... 22
2.3 Q TRÌNH HĨA HƠI CỦA CHẤT LỎNG

23

2.3.1 Q trình hóa hơi đẳng áp .................................................................... 23
2.3.2 Bảng số và đồ thị của các hơi .............................................................. 24
CHƯƠNG 3. CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MƠI CHẤT .......... 27
3.1 CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN

27

3.1.1 Các q trình nhiệt động cơ bản .......................................................... 27
3.1.2 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực ..................................... 34
PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 1

3.2. Q TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI

36

3.2.1 Hỗn hợp của khí lý tưởng .................................................................... 36
3.2.2 Q trình hỗn hợp của khí ................................................................... 37
3.2.3 Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định ........................................................ 39
3.3 Q TRÌNH LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU CỦA KHÍ VÀ HƠI 40
3.3.1 Q trình lưu động của khí và hơi ....................................................... 40
3.3.2 Q trình tiết lưu của khí hoặc hơi ...................................................... 43
3.4 Q TRÌNH NÉN KHÍ TRONG MÁY NÉN

44

3.4.1 Các loại máy nén .................................................................................. 44
3.4.2 Máy nén pittông một cấp ..................................................................... 44
3.4.3 Máy nén pittông nhiều cấp................................................................... 45
CHƯƠNG 4. HƠI NƯỚC ................................................................................. 54
4.1 KHÁI NIỆM

54

4.2 Q TRÌNH HĨA HƠI ĐẲNG ÁP

54

4.3 BẢNG VÀ ĐỒ THỊ HƠI NƯỚC

56

4.3.1 Bảng hơi nước ...................................................................................... 56
4.3.2 Đồ thị hơi nước .................................................................................... 57
4.4 KHƠNG KHÍ ẨM

57

4.4.1 Khái niệm ............................................................................................. 57
4.4.2 Các loại khơng khí ẩm ......................................................................... 58
4.4.3 Các thơng số của khơng khí ẩm ........................................................... 58
4.4.4 Đồ thị của khơng khí ẩm ...................................................................... 59
4.5 CÁC Q TRÌNH CỦA KHƠNG KHÍ ẨM ......................................... 60
CHƯƠNG 5. CÁC CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG .......................................... 65
5.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

65

5.1.1 Định nghĩa chu trình nhiệt động .......................................................... 65
5.1.2 Cơng của chu trình ............................................................................... 65
PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 2


5.1.3 Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt ............................ 65
5.1.4 Hiệu suất exergi ................................................................................... 66
5.1.5 Hiệu suất của chu trình Carnot ............................................................ 67
5.2 CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU (ĐỘNG CƠ NHIỆT)

68

5.2.1 Chu trình chất khí................................................................................. 68
5.2.2 Chu trình của hơi.................................................................................. 76
5.2.3 Chu trình nhiệt - điện ........................................................................... 78
5.3 CHU TRÌNH NGƯỢC CHIỀU

83

5.3.1 Các phương pháp làm lạnh .................................................................. 83
5.3.2 Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt khơng khí ....................................... 83
5.3.3 Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi ......................................... 85
5.3.4 Chu trình máy lạnh điện nhiệt.............................................................. 88
PHẦN THỨ HAI ............................................................................................... 96
TRUYỀN NHIỆT .............................................................................................. 96
CHƯƠNG 6. DẪN NHIỆT ............................................................................... 96
6.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

96

6.1.1 Dẫn nhiệt .............................................................................................. 96
6.1.2 Trường nhiệt độ ................................................................................... 96
6.1.3 Mặt đẳng nhiệt ..................................................................................... 97
6.1.4 Gradian nhiệt độ ................................................................................... 97
6.1.5 Mật độ dòng nhiệt, dòng nhiệt ............................................................. 98
6.1.6 Định luật Fourier về dẫn nhiệt ............................................................. 98
6.1.7 Hệ số dẫn nhiệt..................................................................................... 98
6.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẲNG NHIỆT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN ĐƠN
TRỊ 99
6.2.1 Phương trình vi phân đẳng nhiệt .......................................................... 99
6.2.2 Điều kiện đơn trị .................................................................................. 99

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 3


6.3 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU KHƠNG CĨ NGUỒN NHIỆT BÊN
TRONG
100
6.3.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng .................................................................. 100
6.3.2 Dẫn nhiệt qua vách trụ ....................................................................... 103
6.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG .......... 106
6.4.1 Dẫn nhiệt của một tấm phẳng khi có nguồn nhiệt bên trong ............. 106
6.4.2 Dẫn nhiệt của một thanh trụ khi có nguồn nhiệt bên trong ............... 107
6.5 DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH

108

6.5.1 Dẫn nhiệt khơng ổn định khi đốt nóng ( hoặc làm nguội) một tấm
phẳng ........................................................................................................... 109
6.5.2 Làm nguội (hay đốt nóng) vật hình trụ .............................................. 110
CHƯƠNG 7. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU ............................................... 115
7.1 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU VÀ NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU
115
7.1.1 Trao đổi nhiệt đối lưu ........................................................................ 115
7.1.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu ........................ 115
7.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MIÊU TẢ QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI
NHIỆT ĐỐI LƯU
116

7.2.1 Phương trình vi phân năng lượng ...................................................... 116
7.2.2 Phương trình vi phân chuyển động các hướng x, y, z ....................... 117
7.2.3 Phương trình vi phân liên tục............................................................. 117
7.2.4 Phương trình trao đổi nhiệt ................................................................ 117
7.3 CƠNG THỨC NEWTON VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA
NHIỆT 117
7.3.1 Công thức Newton ............................................................................. 117
7.3.2 Các phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt α ..................................... 118
7.4 MỘT SỐ PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN

121

7.4.1 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên .......................................................... 121

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 4


7.4.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức ...................................................... 122
7.4.3 Chất lỏng chảy ngang qua chùm ống ................................................ 123
7.5 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI CÓ BIẾN ĐỔI PHA

124

7.5.1 Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi............................................................. 124
7.5.2 Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng ....................................................... 126
CHƯƠNG 8. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ ................................................. 130
8.1 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ

130

8.1.1 Trao đổi nhiệt bức xạ ......................................................................... 130
8.1.2 Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua.............................. 130
8.1.3 Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất bức xạ phản xạ
..................................................................................................................... 131
8.2 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT

132

8.2.1 Định luật Planck ................................................................................. 132
8.2.2 Định luật Wien ................................................................................... 132
8.2.3 Định luật Stefan-Boltzmann .............................................................. 132
8.2.4 Định luật Kirchoff .............................................................................. 133
8.3 TÍNH TRAO ĐỔI BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG
TRONG SUỐT
133
8.3.1 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt phẳng đặt song song ............. 133
8.3.2 Trao đổi nhiệt giữa hai bề mặt bọc nhau ........................................... 135
8.4 BỨC XẠ CỦA CHẤT KHÍ

136

8.4.1 Đặc điểm bức xạ của chất khí ............................................................ 136
8.4.2 Năng suất bức xạ của chất khí ........................................................... 137
8.4.3 Tính trao đổi nhiệt bức xạ giữa khối khí và bề mặt bao quanh nó .... 137
CHƯƠNG 9. TRUYỂN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT........ 141
9.1 TRUYỀN NHIỆT

141

9.1.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng ............................................................. 141

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 5


9.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ .................................................................. 143
9.1.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh .......................................................... 145
9.1.4 Tăng cường truyền nhiệt .................................................................... 146
9.1.5 Cách nhiệt - Đường kính cách nhiệt tới hạn ...................................... 147
9.2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

148

9.2.1 Định nghĩa .......................................................................................... 148
9.2.2 Các phương trình cơ bản tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt .................. 148
9.2.3 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình .............................................. 149
9.2.4 Tính nhiệt độ cuối của các chất lỏng ................................................. 152
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 168

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 6


PHẦN THỨ NHẤT
NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI
1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy nhiệt
- Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ và nhóm máy lạnh, bơm nhiệt.
- Động cơ nhiệt (máy hơi nước, turbin hơi, turbin khí, động cơ đốt trong, động cơ
phản lực) làm việc theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng (q trình
cháy nhiên liệu, ...), giãn nở biến một phần nhiệt này thành cơng L0. Sau đó mơi chất
nhả nhiệt phần cịn lại Q2, cho nguồn lạnh (khí quyển, nước làm mát,...). Ở đây ta có
đẳng thức:
L0 = Q1 − Q2 và L0  Q1

- Máy lạnh và bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Máy tiêu hao năng lượng L0 (nhận
công hoặc nhiệt) để môi chất có thể phân nhiệt Q2 từ nguồn lạnh (nhiệt của vật cần làm
lạnh trong buồng lạnh,...) rồi truyền Q2 cùng năng lượng L0 cho nguồn nóng (khí quyển,
...). Ở đây ta có đẳng thức:
L0 = Q1 − Q2

- Máy lạnh sử dụng nhiệt Q2 để làm lạnh một vật, bơm nhiệt sử dụng Q1 để sưởi ấm,
sấy các vật.
- Nhiệt Q, công L đều là các đại lượng phụ thuộc vào q trình (khơng phải là thơng
số trạng thái). Trong phần nhiệt động kỹ thuật ta qui ước dấu của nhiệt và cơng: Nhiệt
do vật nhận có dấu dương (Q >0), nhiệt do vật tỏa ra mang dấu âm (Q <0). Công do vật
sinh ra mang dấu dương (L>0), công mà vật nhận mang dấu âm (L<0).
- Nhiệt và công cùng một năng lượng nên được đo bằng cùng một đơn vị. Đơn vị đo
năng lượng trong hệ đơn vị SI là Jun (J), bội số 1 kJ = 103 J; 1MJ = 103kJ. Ngồi ra cịn
dùng các đơn vị khác cal, kcal, Btu và có qui đổi:
1 cal = 4,18 J;

1 kcal = 4,18 kJ;

1 Btu = 252 cal;

1Btu/h  0,3W

1.1.2 Môi chất và hệ nhiệt động
1.1.2.1 Môi chất
- Môi chất (hay là chất môi giới) là chất dùng để biến đổi giữa nhiệt và công trong
các máy nhiệt. Mơi chất có thể ở một trong ba thể cơ bản: Thể khí (hoặc hơi), thể lỏng,
thể rắn. Trong các máy nhiệt mơi chất thường ở thể khí (hơi) và thể lỏng.
- Mọi khí trong tự nhiên đều là khí thực. Khí thực là khí gồm các phần tử chuyển
động có kích thước bản thân nhất định và có lực tác dụng tương hỗ. Khí lý tưởng là khí
gồm các phân tử chuyển động nhưng chúng khơng có lực tác dụng tương hỗ và khơng
có thể tích bản thân, thực tế các khí: Khơng khí, khí Oxy, khí Nitơ, khí Hydro,... ở áp
suất và nhiệt độ bình thường đều có thể coi là các khí lý tưởng.
PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 7


1.1.2.2 Hệ nhiệt động
- Hệ nhiệt động là một hoặc nhiều vật được tách riêng để nghiên cứu các tính chất
nhiệt động, các vật ngồi hệ là mơi trường.
- Hệ kín là hệ được xem như mơi chất trong hệ không chuyển động, khối lượng của
hệ không thay đổi, hệ khơng có động năng và năng lượng đẩy. Khi bỏ qua động năng,
năng lượng toàn phần của hệ là nội năng.
- Hệ hở là hệ trong đó mơi chất chuyển động ra và vào hệ, hệ có động năng và năng
lượng đẩy. Khi bỏ qua động năng, năng lượng toàn phần của hệ là entanpi.
- Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường.
- Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường.
1.1.3 Các thông số trạng thái của môi chất
- Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một thời điểm

nào đó của một trạng thái xác định.
- Thông số trạng thái là hàm khơng phụ thuộc vào q trình.
a. Thể tích riêng v: Là thể tích của một đơn vị khối lượng
v=

Ở đây:

V
(m3/ kg)
G

(1-1)

V (m3) - thể tích
G (kg) - khối lượng của mơi chất.

- Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng ρ.

=

1 G
=
(kg/m3)
v V

(1-2)

b. Áp suất p: Áp suất là lực tác dụng của các phần tử theo phương pháp tiếp tuyến lên
một đơn vị diện tích thành bình chứa khí hoặc chất lỏng

p=
Ở đây:

F
(N/m2)
S

F (N) - lực tác dụng của phân tử khí.
S(m2) - diện tích thành bình chứa khí.

- Đơn vị đo áp suất thường dùng là N/m2 hay Pa (Pascal),
1 kPa = 103 N/m2; 1MPa = 106 Pa
1 bar = 105 N/m2; 1 at = 0,98 bar
1 at = 14,696 psi; 1 psi = 6894,76 N/m2
1at = 1 kG/cm2
- Để đo giá trị áp suất nhỏ người ta dùng chiều cao cột chất lỏng: Hg, H2O
1 bar = 750 mmHg; 1 at = 10 mH20
- Áp suất thật của chất khí gọi là áp suất tuyệt đối p, áp suất tuyệt đối của khí quyển
ký hiệu p0. Phần áp suất thực lớn hơn áp suất khí quyển gọi là áp suất dư pd:

ptđ = pd + p0
PGS. TS CAO HÙNG PHI

(1-3)
Trang 8


pd = ptđ − p0

(1-4)

- Phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển gọi là độ chân khơng pck:

ptđ = p0 − pck

(1-5)

pck = p0 − ptđ

(1-6)

Trong đó: ptđ - áp suất tuyệt đối
po - áp suất khí trời (đo bằng baromet)
pd - áp suất dư (đo bằng manomet)
pck - áp suất chân không (đo bằng vacumet)
- Dụng cụ đo áp suất gọi chung là áp kế, chỉ số áp kế đo được là pd hoặc pck, từ đó
muốn biến áp suất thực phải tính theo biểu thức (1-3) hoặc (1-5) khi biết áp suất khí
quyển p0 = 750 mmHg.
➢ Theo thuyết động học phân tử:
- Áp suất tuyệt đối bằng 2/3 động năng vận động tịnh tiến trung bình của tất cả các
phân tử trong một đơn vị thể tích.

2
v2
p = nm
3
2
Trong đó:
v - vận tốc tịnh tiến trung bình
m - Khối lượng một phân tử

n - Số lượng phân tử trong một đơn vị thể tích
c. Nhiệt độ
- Nhiệt độ bách phân ký hiệu t, đơn vị 0C
- Nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T, đơn vị 0K
- Quan hệ giữa nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối:

T  273+ t hay t = T – 273

(1-7)

- Cần chú ý là giá trị 10C bằng 10K. Nghĩa là T = t hay dT = dt. Nhiệt độ thấp nhất
là 00K  -2730C.
- Đôi khi dùng thang nhiệt độ Farenheit ký hiệu tF, đơn vị 0F, ta có qui đổi:

tc = ( tk − 273) =

5
( tF − 32 )
9

➢ Theo thuyết động học phân tử:
- Niota độ của chất khí là một đại lượng thống kê tỷ lệ thuận với động năng chuyển
động tịnh tiến trung bình của các phân tử.

w2
BT = nm
2
B: hệ số tỷ lệ; T: nhiệt độ tuyệt đối
PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 9


d. Nội năng: Ký hiệu U (J), u = U/G (J/kg)
- Nội năng là toàn bộ năng lượng bên trong của vật, nhưng ở đây ta chỉ xét tới nội
nhiệt năng là năng lượng của chuyển động các phần tử.
- Nội năng của một vật bao gồm: Nhiệt năng, hóa năng, năng lượng nguyên tử. Đối
với quá trình nhiệt động hóa năng và năng lượng ngun tử khơng thay đổi nên sự thay
đổi nội năng của vật chỉ là sự thay đổi nhiệt năng.
- Nội năng bao gồm: Nội động năng và nội thế năng.
+ Nội động năng sinh ra là do chuyển động tịnh tiến, chuyển động dao động,
chuyển động quay của các phân tử.
+ Nội thế năng sinh ra là do lực tương tác các phân tử.
- Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, biến đổi nội năng của khí lý
tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu thức:

du = cv .dT

(1-8)

u = u2 − u1 = cv (T2 − T1 )
Ở đây:

cv (J/kg.độ) - là nhiệt dung riêng của khối lượng đẳng tích.

e. Năng lượng đẩy: Ký hiệu D (J), d(J/kg)
- Năng lượng đẩy là năng lượng để đẩy khối khí dịch chuyển. Năng lượng đẩy chỉ có
trong hệ hở.
- Biểu thức năng lượng đẩy:

d = p.v

d (d ) = d ( p.v)

f. Entanpi: Ký hiệu i (J/kg), I = Gi (J)

i = u + p.v

d (i) = du + d ( p.v)
- Entanpi có cả trong hệ hở lẫn hệ kín.
- Entanpi của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và biến đổi của chúng trong
mọi quá trình được xác định bằng biểu thức:

di = c p .dT

(1-9)

i = i2 − i1 = c p .(T2 − T1 )
- Ở đây:

cp (J/kg.độ) - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp.

g. Entrôpi: Ký hiệu: s (J/kg.0K); S = G.s (J/0K).
- Biến đổi entrôpi:

ds =
- Ở đây:

dq
dT

(1-10)

dq - nhiệt chất môi giới nhận ở nhiệt độ T

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 10


h. Exergi: Ký hiệu: E (J), e (J/kg)
- Exergi là năng lượng có thể biến đổi hồn tồn thành cơng q trình thuận nghịch.
Với nhiệt năng q (J/kg) ta có thể viết:

q = e+a
Trong đó: e: Exergi;

a: Anergi (phần nhiệt không thể biến thành công).

- Người ta đã chứng minh được các công thức sau:

e = i − io − T ( s − so )
Ở đây:

i, s - entanpi và entropi của mỗi chất ở trạng thái ban đầu

io, so - các thông số của mỗi chất ở trạng thái cuối cân bằng với mơi
trường có po, To khơng đổi.
- Exergy của nhiệt lượng q ở nhiệt độ T:

 T 
eq = q 1 − o 
 T 
Ở đây:

To - nhiệt độ không đổi của môi trường

- Giá trị của exergy có thể mang dấu dương hoặc âm. Độ lớn của exergy là giá trị
tuyệt đối của nó.
1.1.4 Quá trình nhiệt động
- Trạng thái cân bằng là trạng thái trong đó các thơng số trạng thái của mơi chất trong
hệ có giá trị đồng đều và được biểu diễn bằng một điểm trên các đồ thị trạng thái như:
p-v; T-S,...
- Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi các trạng thái của môi chất, nghĩa là lúc
này ít nhất là phải có một thơng số trạng thái thay đổi.
- Quá trình cân bằng là quá trình gồm các trạng thái cân bằng.
- Quá trình thuận nghịch là q trình cân bằng và có thể biến đổi ngược lại để về trạng
thái ban đầu mà hệ và môi trường khơng có sự thay đổi gì. Q trình khơng tn theo
các điều kiện trên gọi là q trình khơng thuận nghịch.
- Mọi quá trình tự nhiên đều là quá trình khơng thuận nghịch, trong kỹ thuật ta cố
gắng càng tiến gần q trình thuận nghịch càng có lợi về cơng và về nhiệt.
- Biến đổi entropi trong q trình thuận nghịch:

ds =

dq
dT

(1-11a)

- Biến đổi entropi trong q trình khơng thuận nghịch:

ds 

dq
T

(1-11b)

- Biến đổi entropi trong quá trình bất kỳ (thuận nghịch và không thuận nghịch):

ds 

dq
T

PGS. TS CAO HÙNG PHI

(1-11c)

Trang 11


- Trong các công thức trên:
ds - biến đổi entropi của môi chất
dq - nhiệt cấp cho môi chất
T - nhiệt độ của mơi chất.
1.2 PHƯƠNG TRÌNH ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
1.2.1 Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt
1.2.1.1 Định nghĩa

- Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt cần để đưa nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật
chất của vật tăng lên một độ trong quá trình nào đó.
1.2.1.2 Phân loại:
- Tùy theo đơn vị đo lượng vật chất mà ta có thể phân loại:
- Nhiệt dung riêng khối lượng: Đơn vị đo lượng vật chất là kg, ký hiệu nhiệt dung
riêng c (J/kg.độ).
- Nhiệt dung riêng kilomol: Đơn vị đo lượng vật chất là kmol, ký hiệu nhiệt dung
riêng cμ (J/kmol.độ).
- Nhiệt dung riêng thể tích: Đơn vị đo lượng vật chất là m3tc (m3 ở điều kiện tiêu
chuẩn), ký hiệu nhiệt dung riêng c’ (J/m3tc.độ).
- Ta có quan hệ giữa 3 loại nhiệt dung riêng kể trên:

c = c '.vtc =

c

(1-12)



Ở đây: vtc (m3tc/kg): Thể tích riêng ở điều kiện tiêu chuẩn (p0 = 760 mmHg, t0 = 00C)
- Tùy theo quá trình cấp nhiệt mà ta có các loại:
+ Nhiệt dung riêng đẳng áp: Là nhiệt dung riêng khi áp suất q trình khơng đổi
ký hiệu cp, cμp,...
+ Nhiệt dung riêng đẳng tích: Là nhiệt dung riêng khi thể tích của q trình khơng
đổi, ký hiệu cv, cμv,...
- Ta có quan hệ giữa hai loại nhiệt dung riêng này:
c p − cv = R hay c p − c v = R

c p = k .cv hay c p = k .c v ;

Ở đây:

cp
cv

(1-13)

=k

(1-14)

k là số mũ đoạn nhiệt

1.2.1.3 Nhiệt dung riêng không phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào nhiệt độ
- Với khí lý tưởng nhiệt dung riêng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định
bằng bảng 1-1.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 12


Bảng1-1: Trị số nhiệt dung riêng của một số khí cơ bản
kcal/kmol.độ

Loại khí

Trị số k

kJ/kmol.độ

Cv

Cp

Cv

Cp

Một nguyên tử

1,6

3

5

12,6

20,9

Hai nguyên tử (O2, N2,...)

1,4

5

7

20,9

29,3

Ba hoặc nhiều nguyên tử

1,3

7

9

29,3

37,7

- Với khí thực nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ, nên ta có khái niệm nhiệt
dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình.
- Nếu biết nhiệt dung riêng thực phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ tuyến tính:

c = a + b.t

(1-15)

- Lúc này nhiệt dung riêng trung bình từ nhiệt độ t1 đến nhiệt độ t sẽ là:

c

t2
t1

= a + b(

t1 + t 2
)
2

(1-16)

- Nghĩa là chỉ việc thay t trong (1-15) bằng (t1+t2)/2 sẽ được (1-16).
Nếu biết nhiệt dung riêng trung bình từ 00C đến t0C theo quan hệ tuyến tính:

ctb = a + b.t

(1-17)

- Lúc này nhiệt dung riêng trung bình từ t1 đến t2 xác định theo:

c

t2
t1

= a + b(t1 + t 2 )
(1-18)

- Nghĩa là chỉ việc thay t trong (1-17) bằng (t1+t2) sẽ được (1-18)
1.2.1.4 Cách tính nhiệt
a. Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng
- Thơng thường nhiệt được tính theo nhiệt dung riêng khối lượng.

- Nếu là q trình đẳng áp ta có:
Q = G.c p .(T2 − T1 )

(1-19)

- Nếu q trình đẳng tích ta có:

Q = G.cv .(T2 − T1 )

(1-20)

- Nếu là quá trình đa biến ta có:

Q = G.cn .(T2 − T1 )
Ở đây:

(1-21)

Q (kJ),
cp (kJ/kg.độ): Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp
cv (kJ/kg.độ): Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
cn (kJ/kg.độ): Nhiệt dung riêng khối lượng đa biến.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 13


b. Tính nhiệt theo entropi
- Trong q trình đẳng nhiệt, nhiệt lượng khơng thể tính theo nhiệt dung riêng (vì

nhiệt dung riêng của q trình đẳng nhiệt là vơ cùng ∞), mà được tính theo entropi:

Q = G.T (s2 − s1 )
- Ở đây:

(1-22)

s (kJ/kg.độ)

T(0K),

1.2.2 Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động
1.2.2.1 Các dạng năng lượng trong hệ nhiệt động
- Ngoại động năng: Là năng lượng chuyển động của vật thể được xác định bằng biểu
thức:

Wd = G
Ở đây:

2

(1-23)

2

G(kg) - Khối lượng của vật
ω (m/s) - Tốc độ của vật

- Ngoại thế năng: Là năng lượng của lực trọng trường, phụ thuộc vào độ cao của vật
so với mặt đất, ký hiệu wt nhưng trong nhiệt động đại lượng này có giá trị rất nhỏ so với

các dạng năng lượng khác nên thường bỏ qua wt  0 .
- Nội năng: ký hiệu U(J).
- Năng lượng đẩy: Chỉ có trong hệ hở, ký hiệu D được xác định:

D = pV
. = G. p.v

(1-24)

1.2.2.2 Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động
- Khi ký hiệu năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động W (J), w (J/kg) và bỏ qua ngoại
thế năng ta có:

W = U + D + Wd
w = u + d + wd = u + d +

(1-25)

2
2

(1-26)

a. Năng lượng tồn phần của hệ kín
- Vì trong hệ kín khơng có năng lượng đẩy d = 0 và khơng có ngoại động năng
nên từ w = u + d +
tồn phần w t

2
2

2
2

=0

ta có năng lượng tồn phần của hệ kín wt và biến đổi năng lượng

wt = u; wt = u = u2 − u1

(1-27)

- Vì vậy năng lượng tồn phần trong hệ kín là nội năng.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 14


b. Năng lượng tồn phần của hệ hở
- Vì trong hệ hở u + d = i , vậy từ w = u + d +

2
2

ta có biểu thức năng lượng và biến

đổi năng lượng toàn phần trong hệ hở:

wh = i +

2
2

wh = i + 

và

2

(1-28)

2

- Thông thường khi tốc độ của dịng mơi chất khơng lớn, thành phần động năng nhỏ
2
2
= 0 , vậy từ wh = i + 
so với entanpi nên ta có thể bỏ qua
lúc này ta thấy năng
2
2
lượng toàn phần trong hệ hở là entanpi.

wh  i và wh = i2 − i1

(1-29)

1.2.3 Các loại cơng
1.2.3.1 Cơng thay đổi thể tích

- Là cơng của môi chất trong hệ sinh ra hoặc thu vào khi thể tích của mơi chất thay
đổi. Cơng thay đổi thể tích được ký hiệu L12 (J), l12 (J/kg) và được xác định bằng biểu
thức:

dl = p.dv

(1-30)

v2

l12 =  p.dv

(1-31)

v1

- Ta nhận thấy khi mơi chất giãn nở (thể tích tăng), cơng thay đổi thể tích mang dấu
dương l12 >0, ngược lại khi mơi chất bị nén (thể tích giảm), cơng có giá trị âm l12 < 0.
- Trên đồ thị p-v cơng thay đổi thể tích của một kg chất khí trong q trình biến đổi
1-2 được biểu diễn bằng điện tích hình 12v1v2 (hình 1.1).
p

1

p
2

dv

v1

v2

v

Hình 1.1: Biểu diễn cơng thay đổi thể tích trên đồ thị p-v

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 15


1.2.3.2 Cơng kỹ thuật
- Là cơng của dịng mơi chất chuyển động (trong hệ hở) thực hiện khi áp suất của
dịng mơi chất thay đổi, cơng kỹ thuật được ký hiệu Lkt (J), lkt (J/kg) và được định nghĩa
bằng biểu thức:

dlkt = −v.dp

(1-32)

p2

lkt =  −v.dp

(1-33)

p1

- Ta nhận thấy công kỹ thuật có dấu dương lkt >0 khi áp suất giảm, ngược lại có dấu

âm lkt <0 khi áp suất tăng.
- Trên đồ thị p-v (hình 1.2) cơng kỹ thuật của một kg dịng mơi chất được biểu thức
bằng diện tích 12p1p2.
p
p1

1

dp

2

p2

v

v

Hình 1.2: Biểu diễn cơng kỹ thuật trên đồ thị p-v
1.2.3.3 Cơng ngồi
- Cơng ngồi là cơng mà hệ đã trao đổi với mơi trường. Đây chính là cơng hữu ích
mà ta nhận được từ hệ hoặc tác dụng của hệ.
- Cơng ngồi được ký hiệu ln (J/kg) và được xác định khi bỏ qua thế năng:
dln = dl − d (d ) − d (

2
2

ln12 = l12 − (d 2 − d1 ) − (

)

(1-34)

22 − 12
2

)

(1-35)

- Với hệ kín: Khơng có năng lượng đẩy d = 0 và khơng có động năng

2
= 0 , nên
2

ngồi cơng trong hệ kín chính là cơng thay đổi thể tích.

ln12 = l12 ; dln = dl = p.dv
PGS. TS CAO HÙNG PHI

(1-36)

Trang 16


- Với hệ hở: d (d ) = d ( p.v) = p.dv + v.dp ;
2
dln = dl − d (d ) − d ( ) ta có:

dl = p.dv nên từ biểu thức

2

 2 
 2 
dln = −v.dp − d 
=
dl
−
d



kt
 2 
 2 

ln12 = lkt12 −

(1-37)

22 − 12

(1-38)

2

- Trong hệ hở (ví dụ turbin, máy nén,...) biến đổi động năng

22 − 12
2

thơng thường

có giá trị rất nhỏ so với cơng kỹ thuật lkt12 nên ta có thể viết:

ln12  lkt12

(1-39)

Nghĩa là khi bỏ qua động năng, cơng ngồi trong hệ hở chính là cơng kỹ thụât.
1.2.4 Phương trình định luật nhiệt động thứ nhất
1.2.4.1 Dạng tổng quát

Q = W + Ln12

(J)

q = w = ln12 (J/kg)
- Ở đây:

(1-40)
(1-41)

Q - Nhiệt lượng
 W - biến đổi năng lượng tồn phần

Ln12 - cơng ngồi của hệ

- Các dạng trên đúng cho cả khí lý tưởng lẫn khí thực, cho mơi chất trong hệ kín lẫn
hệ hở.
1.2.4.2 Phương trình định luật I cho hệ kín và hệ hở
- Từ biểu thức 1-39 qua biến đổi ta thu được kết quả các dạng phương trình định luật
I sau đúng cho khí thực lẫn khí lý tưởng của hệ kín và hệ hở:

dq = du + p.dv

(1-42)

dq = di − v.dp

(1-43)

q = u + l12 ; q = i + lkt12

(1-44)

- Riêng đối với khí lý tưởng phương trình định luật I dạng (1-40), (1-41) có thể viết:
dq = cv .dT + p.dv

(1-45)

dq = c p .dT − v.dp

(1-46)

1.2.4.3 Phương trình định luật I cho dịng khí chuyển động
- Dịng khí chuyển động trong khí là hệ hở và khơng thực hiện cơng ngồi đối với
mơi trường (ln = 0). Vậy từ (1-39) và (1-26), ta có phương trình định luật I cho dịng khí:

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 17


q = i + 

2

(1-47)

2
 2 
dq = dl + d  
 2 

(1-48)

1.2.4.4 Phương trình định luật I cho quá trình hỗn hợp
- Với quá trình hỗn hợp đoạn nhiệt (Q = 0) của các chất khí khi khơng thực hiện cơng
ngồi với mơi trường (Ln =0), từ biểu thức 1-38 ta có phương trình định luật I cho quá
trình hỗn hợp:
W = 0 ;

W1 = W 2

(1-49)

+ W1 - năng lượng toàn phần của hệ trước khi xảy ra quá trình hỗn hợp

+ W2 - năng lượng tồn phần của hệ sau khi xảy ra q trình hỗn hợp.

BÀI TẬP CHƯƠNG 1
Bài 1. Một bình kín có thể tích 500 lít chứa khơng khí, áp suất tuyệt đối 2 bar, nhiệt độ
20 0C. Sau khi lấy ra sử dụng một phần, nhiệt độ không thay đổi, độ chân khơng trong
bình bằng 420 mmHg, áp suất khí quyển bằng 768 mmHg. Biết μ của khơng khí bằng
29, hãy tính khối lượng khơng khí lấy ra sử dụng.
Đáp số: 0,91 kg
Bài 2: Chỉ số Manomet của lò hơi là 0,3 at, chỉ số Baromet ở 0 oC là 785 mmHg. Xác
định áp suất tuyệt đối của hơi trong lò hơi.
Đáp số: 1,367 at hay 1,34 bar
Bài 3: Khí N2 ở điều kiện nhiệt độ 127 0C, áp suất dư 2 bar. Biết áp suất khí quyển là 1
bar. Tính thể tích riêng v bằng bao nhiêu?
Bài 4: Xác định áp suất tuyệt đối của khí trong bình có lắp áp kế. Nếu manomet chỉ 500
mmHg, Baromet chỉ áp suất khí quyển 750mmHg ở 0 0C (ở đây ta coi cột áp của
Manomet ở 0 0C, nghĩa là không cần hiệu chỉnh độ giãn nở của cột áp này).
Đáp số: 1,69 at hay 1,666 bar
Bài 5: Độ chân không trong bình ngưng hơi của tuabin có chỉ số 9,52 mH2O, chỉ số của
baromet thủy ngân là 740 mmHg. Xác định áp suất tuyệt đối của hơi trong bình ngưng.
Đáp số: 0,054 at hay 0,0529 bar

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 18


CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Mơi chất là:
A. Chất dùng để biến đổi giữa nhiệt và công trong các máy lạnh
B. Chất dùng để biến đổi giữa công và nhiệt trong các máy lạnh

C. Chất dùng để biến đổi giữa nhiệt và công trong các máy nhiệt
D. Chất dùng để biến đổi giữa công và nhiệt trong các máy nhiệt
Câu 2: 1 Calo bằng bao nhiêu Jun:
A. 1,18

B. 2,18

C. 3,18

D. 4,18

Câu 3: Nhiệt dung riêng đẳng tích Cv có đơn vị là:
A. j/kg.oK

B. j/Kg.oK

C. J/kg.oK

D. J/Kg.oK

Câu 4: Hằng số chất khí R được xác định bằng biểu thức:
A. R = 8314 + μ

B. R = 8314 + μ

C. R = 8314 . μ

D. R = 8314 / μ

Câu 5: Biểu thức nào dưới đây mêu tả công thay đổi thể tích?

v2

v2

A. l12 =  v.dp

B. l12 =  p.dv

v1

v1

v1

v1

C. l12 =  v.dp

D. l12 =  p.dv

v2

v2

Câu 6: 1 Btu bằng bao nhiêu calo
A. 252

B. 352

C. 452

D. 552

C. J/kg.0K

D. J/0C

C. W, kW

D. kW/h

Câu 7: Entropi S có đơn vị là
A. J/kg

B. J/0K

Câu 8: Đơn vị tính của nội năng U là:
A. J, kJ

B. kW.h

Câu 9: Nhiệt độ Celcius (0C) t được tính theo nhiệt độ Fahrenheit (0F) tF theo công thức:
A. t = 1,8.tF + 32

B. 5/9.tF + 32

C. 5(tF + 32)/9

D. 5(tF - 32)/9

Câu 10: Áp suất của khí thực so với áp suất của khí lý tưởng khi có cùng nhiệt độ và
thể tích:
A. Cao hơn

B. Khi cao hơn, khi thấp hơn tùy theo nhiệt độ

C. Thấp hơn

D. Khi cao hơn, khi thấp hơn tùy theo môi chất

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 19


CHƯƠNG 2. MÔI CHẤT VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI
CỦA CHÚNG
2.1 KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC
2.1.1 Sự khác nhau của khí thực so với khí lý tưởng
2.1.1.1 Lực tác dụng giữa các phần tử
- Khí lý tưởng khơng có lực tác dụng giữa những phần tử. Khí thực có lực tác dụng
giữa những phần tử, tuy nhiên khi khoảng cách giữa những phần tử lớn (khí lỗng) thì
tác dụng này sẽ là nhỏ. Vậy khí thực ở trạng thái lỗng (v →∞) có thể coi là khí lý tưởng.
2.1.1.2 Độ nén
- Độ nén Z là đại lượng khơng có thứ nguyên và được xác định bằng biểu thức:

z=

p.v
R .T

(2-1)

- Với khí lý tưởng Z = 1, với khí thực Z ≠ 1 phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và tính
chất vật lý của khí đó. Khí thực ở áp suất nhỏ và nhiệt độ lớn (có nghĩa thể tích v →∞),
có độ nén (Z →∞) và được coi là khí lý tưởng.
2.1.1.3 Nhiệt dung riêng, nội năng, entanpi
- Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng là hằng số, chỉ phụ thuộc vào bản chất (cấu tạo
phân tử) của chất khí. Với khí thực nhiệt dung riêng ngồi việc phụ thuộc vào bản chất
của khí cịn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí đó.
- Nội năng entanpi của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí đó. Với khí
thực nội năng, entanpi khơng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào áp suất
và thể tích của khí đó.
2.1.1.4 Sự chuyển pha
- Khí lý tưởng khơng có sự chuyển pha, ngược lại khí thực có sự chuyển pha.
2.1.2 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và khí thực
2.1.2.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
- Với 1kg của khí lý tưởng:

p.v = R.T

(2-2)

- Với khối lượng G kg khác với 1 kg chất khí lý tưởng:

p.V = G.R.T
Ở đây:

(2-3)

p - Áp suất thực (hay áp suất tuyệt đối) của chất khí (N/m2, Pa)
V - Thể tích chất khí (m3)
v - Thể tích riêng của chất khí (m3/kg)
G - Khối lượng chất khí (kg)

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 20


T - Nhiệt độ chất khí (oK)
R - Hằng số chất khí và được xác định bằng biểu thức:

R=

8314



(J/kg.độ)

(2-4)

- Ở đây: μ (kg) - Kilomol viết tắt là kmol (có thể gọi là phân tử lượng). Kilomol là
lượng vật chất tính bằng kg có trị số bằng phân tử lượng của chất khí, ví dụ O2, μO2 =
32kg, với khơng khí có thể lấy μkk = 32kg.
- R hằng số chất khí của khơng khí được xác định như sau:
R = 8314/29 = 287 J/kg.độ
2.1.2.2 Phương trình trạng thái của khí thực
- Đến nay bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm người ta chưa tìm được một phương

trình trạng thái đúng cho mọi khí ở mọi trạng thái mà chỉ tìm được những phương trình
trạng thái đúng cho một hoặc một nhóm chất khí ở những khoảng áp suất và nhiệt độ
nhất định.
- Dạng phương trình trạng thái đầu tiên do Wander Walls đề ra năm 1893:

a

 p + 2  . ( v − b ) = R.T
v 

- Ở đây:

(2-5)

a,b - là các hệ số xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào từng chất khí.

- Ngày nay thực nghiệm cho thấy phương trình Wander Walls chỉ đúng cho khí ở áp
suất nhỏ và thể tích riêng lớn (nghĩa là gần khí lý tưởng).
2.2 SỰ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT
2.2.1 Đồ thị pha
- Trong những điều kiện cụ thể về áp suất và nhiệt độ khí thực có thể tồn tại ở các
dạng rắn, lỏng, hơi (khí). Ba trạng thái đó của vật chất gọi là các pha (hay thể).
- Ở đây trục tung là áp suất p, trục hoành là nhiệt độ t. Đường cong OB biểu thị quá
trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi (gọi là sự thăng hoa) và ngược lại từ hơi sang rắn
(gọi là sự ngưng kết). Đường OA biểu thị quá trình từ pha rắn sang pha lỏng (sự nóng
chảy) và ngược lại (sự đông đặc). Đường OK biểu thị quá trình chuyển từ pha lỏng sang
hơi (sự hóa hơi) và ngược lại từ hơi sang lỏng (sự ngưng tụ). Điểm O gọi là điểm 3 pha
(hay 3 thể). Với H2O điểm 3 pha có nhiệt độ t0 = 0,010C, áp suất p0 = 0,00605 at. Vậy
muốn nước đá chuyển ngay thành hơi nước (q trình sấy thăng hoa), vật có chứa nước
phải ở áp suất p < 0,00605 at và nhiệt độ t < 0,010C.

- Khi vật chất chuyển từ pha này sang pha khác cần cung cấp hay thải một lượng nhiệt
gọi là nhiệt chuyển pha.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 21


p
A
H2O
K
Rắn
p

Lỏng
TK

0,00605at

0

Hơi

B
0,010

t

Hình 2.1: Đồ thị pha P-t của nước

2.2.2 Sự thăng hoa - ngưng kết, sự nóng chảy - đơng đặc, sự hóa hơi - ngưng tụ
2.2.2.1 Sự thăng hoa – ngưng kết
- Thăng hoa là sự chuyển từ pha rắn sang pha hơi và ngược lại chuyển từ quá trình
pha hơi sang pha rắn gọi là sự ngưng kết.
- Khi thăng hoa môi chất nhận nhiệt, ngược lại khi ngưng kết môi chất tỏa nhiệt. Nhiệt
này gọi là nhiệt thăng hoa hay ngưng kết, chúng có giá trị tuyệt đối như nhau. Ở áp suất
khoảng 0,006 bar nhiệt thăng hoa của nước đá 2818 kJ/kg. Thăng hoa chỉ có thể xảy ra
ở áp suất nhỏ hơn áp suất của điểm 3 pha.
2.2.2.2 Sự nóng chảy - đơng đặc
- Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ngược lại quá trình chuyển
từ pha lỏng sang pha rắn gọi là sự đông đặc.
- Muốn chuyển từ pha rắn sang pha lỏng (nóng chảy) ta phải cấp nhiệt cho chất rắn,
ngược lại khi chất lỏng thành chất rắn (đông đặc) chất lỏng sẽ bị tỏa nhiệt. Nhiệt chuyển
pha này gọi là nhiệt nóng chảy hay đơng đặc. Với nước ở áp suất nhiệt nóng chảy là 333
kJ/kg. Nóng chảy chỉ có thể xảy ra ở áp suất lớn hơn áp suất của điểm 3 pha.
2.2.2.3 Sự hóa hơi – ngưng tụ
- Hóa hơi là q trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, ngược lại quá trình chuyển
từ pha hơi sang pha lỏng gọi là ngưng tụ.
- Khi hóa hơi chất lỏng nhận nhiệt (phải cấp nhiệt cho chất lỏng) ngược lại khi ngưng
tụ hơi sẽ tỏa nhiệt (phải làm mát hơi). Nhiệt chuyển pha này gọi là nhiệt hóa hơi hay
nhiệt ngưng tụ. Ở áp suất khí quyển nhiệt hóa hơi của nước 2258 kJ/kg. Hóa hơi chỉ xảy
ra ở áp suất lớn hơn áp suất của điểm 3 pha.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 22


2.3 Q TRÌNH HĨA HƠI CỦA CHẤT LỎNG
2.3.1 Q trình hóa hơi đẳng áp

- Hóa hơi là q trình chuyển từ chất lỏng thành hơi, muốn có q trình hóa hơi ta
phải cung cấp nhiệt cho chất lỏng. Quá trình ngược lại gọi là quá trình ngưng tụ (hơi
chuyển thành chất lỏng), muốn có q trình ngưng tụ ta phải làm mát (lấy nhiệt) hơi.
- Hóa hơi có thể thực hiện bằng bay hơi hoặc sôi.
- Bay hơi là sự hóa hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thống của chất lỏng.
- Sơi là q trình hóa hơi khơng chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng mà cịn
xảy ra ngay trong thể tích của chất lỏng tại các bọt hơi. Sôi chỉ xảy ra ở nhiệt độ xác
định (ứng với áp suất đã cho), nhiệt độ này gọi là nhiệt độ sôi ký hiệu ts. Nhiệt độ sôi
phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng ts = f(p). Khi áp suất tăng nhiệt độ sôi tăng và ngược
lại.
- Q trình hóa hơi thường xảy ra ở áp suất khơng đổi (ví dụ hơi nước tạo ra trong lị
hơi ở p = const, hơi mơi chất lạnh được tạo ra trong bình bốc hơi ở p = const,…). Vì đặc
điểm q trình hóa hơi của các chất lỏng giống nhau nên ở đây ta xét đối với nước,
nhưng kết quả đạt được sẽ đúng cho các chất lỏng khác.
- Nếu ta cấp nhiệt cho 1 kg nước ở nhiệt độ ban đầu t0 nhỏ hơi nhiệt độ sôi ts ở áp suất
không đổi ta thu được kết quả sau:
+ Nước (chất lỏng) ở nhiệt độ ban đầu nhỏ hơn nhiệt độ sôi gọi là nước chưa sôi.
+ Nước (chất lỏng) có nhiệt độ bằng nhiệt độ sơi gọi là nước sôi, các thông số của
nước sôi ký hiệu với một dấu phẩy kèm theo: v’, i’, s’,…
+ Hơi bão hịa khơ là hơi có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi, các thông số được ký hiệu
kèm theo hai dấu phẩy: v”, i”, s”,…
+ Hơi quá nhiệt là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sơi.
+ Hơi bão hịa ẩm là hỗn hợp giữa nước sơi và hơi bão hịa khơ, các thơng số của
hơi bão hịa ẩm có thể ký hiệu kèm theo chỉ số x: vx, ix, sx…. Ở đây x gọi là độ khô, độ
khô là lượng hơi bão hịa khơ ứng với 1 kg hơi bão hòa ẩm được xác định:
x=

- Ở đây:

GK

GK + Gn

(2-6)

GK (kg) - lượng hơi bão hịa khơ
Gn (kg) - lượng nước sôi

- Ta nhận thấy với nước sôi ta có x = 0, với hơi bão hịa khơ ta có x = 1, với hơi bão
hịa ẩm 0 < x < 1.
- Nhiệt lượng cần cấp cho nước chưa sôi ở nhiệt độ t0 biến thành hơi quá nhiệt:

q = qn + r + qh (kJ/kg)
q = cn ( ts − t0 ) + r + ( i − i '')
- Ở đây:

q = cn ( t s − t0 ) - Nhiệt cấp cho nước thành nước sôi
cn = 4,18 kJ/kg.độ - Nhiệt dung riêng của nước
ts - Nhiệt độ sôi

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 23


r (kJ/kg) - Nhiệt hóa hơi
qh = i – i” - Nhiệt biến hơi bão hịa khơ thành hơi q nhiệt
i (kJ/kg) - Entanpi của hơi hóa nhiệt
i” (kJ/kg) - Entanpi của hơi bão hịa khơ.
2.3.2 Bảng số và đồ thị của các hơi
2.3.2.1 Bảng số của hơi

a. Bảng nước sơi và hơi bảo hịa khơ theo nhiệt độ
- Bảng này xác định các thông số của nước sôi và của hơi bảo hịa khơ, cột đầu tiên
là nhiệt độ t(0C), tiếp theo là áp suất p (bar) rồi lần lượt các thông số v’, v”, i’, i”… (xem
phụ lục 1: Nước và hơi nước bảo hòa (theo nhiệt độ))
b. Bảng nước sơi và hơi bảo hịa khơ theo áp suất
- Bảng này cũng xác định các thông số của nước sơi và hơi bảo hịa khơ theo hơi áp
suất. Cột đầu là áp suất p (bar), cột sau là nhiệt độ sôi ts (0C), tiếp theo v’, v”, i’, i”…
(xem phụ lục 2: Nước và hơi nước bảo hòa (theo áp suất))
c. Bảng nước và hơi quá nhiệt
- Bảng này cho biết v, i, s của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt theo áp suất p (bar) và
nhiệt độ t (0C), (xem phụ lục 3: Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt)
- Các thông số của hơi bảo hịa ẩm khơng có trong bảng mà được tính theo công thức
sau:

vx = v '+ x ( v ''− v ' )
ix = i '+ x ( i ''− i ')

(2-8)

sx = s '+ x ( s''− s ' )

u x = u '+ x ( u ''− u ' )
- Giá trị nội năng cũng khơng có trong bảng số mà được xác định từ định nghĩa entanpi

i = u + p.v

u = i − p.v
Ở đây:

(2-9)

u (J/kg), i (J/kg), p (N/m2), v(m3/kg).

2.3.2.2 Đồ thị của các hơi
- Dùng bảng số đã trình bày ở trên để tính tốn các q trình của hơi nước có ưu điểm
là đạt được độ chính xác cao, nhưng nhược điểm là tính tốn dài và phức tạp. Để đơn
giản việc tính tốn người ta lập ra các đồ thị của các hơi, ví dụ với hơi nước có đồ thị TS và i-S, với mơi chất lạnh có đồ thị 1gp-i.

PGS. TS CAO HÙNG PHI

Trang 24