ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HC S SNG
BÀI GING
HC PHN CH2000
Phn III:
H thống đơn vị, bn cht các đi lưng
vt lý và ng dng
ĐẶNG TH TUYT NGÂN
Ngan.dangthituyet@hust.edu.vn
Phiên bn V1- 18.09.2021
1
MC LC
MC LC ...................................................................................................................... 1
MC TIÊU BÀI GING/Learning objectives .......................................................... 2
3. H THỐNG ĐƠN VỊ, BN CHẤT CÁC ĐẠI LƯỢNG VT NG
DNG ............................................................................................................................. 3
3.1. H đơn vị SI ......................................................................................................... 3
3.1.1. Các đơn vị cơ bản ......................................................................................... 3
3.1.2. Các đơn vị dn xut ...................................................................................... 3
3.1.1. Chuyển đổi đơn vị trong h SI ................................................................ 4
3.1.4. Chuyển đổi đơn vị gia các h ..................................................................... 5
3.1.5. Quy tc đng nht th nguyên ................................................................ 6
3.2. Quá trình và các đại lưng biu din quá trình ................................................. 7
3.2.1. Khi lưng, th tích, khi lưng riêng, th tích riêng .................................. 7
3.2.2. S mol ........................................................................................................... 9
3.2.3. Áp sut .......................................................................................................... 9
3.2.4. Nhit đ ...................................................................................................... 10
3.2.5. Lưu lượng ............................................................................................. 11
3.3. Mt s chun s quan trng trong công ngh hóa hc ................................... 11
3.3.1. Chun s ..................................................................................................... 11
3.3.2. Mt s chun s quan trng trong công ngh hóa hc ............................... 11
TÀI LIU THAM KHO ........................................................................................ 14
2
MC TIÊU BÀI GING/Learning objectives
Sau bài ging này, sinh viên có th:
Kiến thc (theo phân loại tư duy của Bloom)
Biết các h đơn vị và cách chuyển đổi gia các h đơn v khác nhau
Nắm được quy tc đồng nht th nguyên áp dng quy tắc này để tìm đơn vị
cho các s hạng trong phương trình.
Nm đưc mt s chun s thưng gp và ý nghĩa của các chun s này
Áp dng cách biến đổi đơn vị khi tính toán
K năng (theo phân loi k năng ca Harow)
Thun thc trong vic chuyển đổi đơn v
Thái đ
Chun bị, đọc tài liệu trước tham gia bài ging
Tp trung nghe ging trên lp và tích cc tham gia tho lun
Làm bài tp đầy đủ
3
3. H THỐNG ĐƠN VỊ, BN CHẤT CÁC ĐẠI LƯỢNG VT
LÝ VÀ NG DNG
3.1. H đơn vị SI
Trong tính toán các quá trình thiết b trong CNHH cần đến nhng s liu v
tính cht vật như đ nht, khối lượng riêng,…và nhng thông s trạng thái như áp
sut, nhit đ, vn tốc,…của vt chất. Các đại lượng y được đo bng nhng h đơn
v khác nhau ph thuc vào tng khu vc.
Vic s dng các h đơn vị khác nhau gây nhiều khó khăn khi giao dịch hàng
hóa giữa các nước. Hơn nữa, các b phn ca nhiu sn phẩm được sn xut ti các
nước khác nhau. vy Hi ngh đo ng Quc tế ln th 11 (10/1960) t chc Pháp
đã thông qua h đơn vị quc tế SI. Đây là hệ đơn vị được s dng rng rãi nht trên thế
gii.
Vit Nam, ngày 15-8-2007, Chính ph đã ban hành Ngh định s
134/2007/NĐ-CP quy đnh v đơn vị đo lường chính thc ca Vit Nam, ch yếu da
trên cơ sở ca h SI, ch b sung và thay đi mt s điểm cho phù hp vi tình hình c
th ca Vit Nam. Vì vy, trong phn này s ch yếu gii thiu h đơn vị SI.
3.1.1. Các đơn vị cơ bản
Các đại lượng bản bao gm: độ dài, khối lượng, thời gian, ờng độ dòng điện, nhit
độ, cường độ ánh sáng, lượng vt cht. Các đơn vị cơ bản của các đại lượng cơ bản này
trong h SI được th hin trong bng 3.1 sau đây.
Bảng 3.1. Các đơn vị cơ bản của các đại lượng cơ bản này trong h SI
Đại lượng cơ bản
Ký hiu
Đơn vị cơ bản
Ký hiu
Độ dài
l, x, r
Mét
m
Khi lưng
m
Kilogam
kg
Thi gian
t
giây
s
ờng độ dòng điện
I, i
ampe
A
Nhit đ
T
Kenvin
K
ờng độ ánh sáng
I
v
Candela
Cd
ng vt cht
n
Mole
mol
3.1.2. Các đơn vị dn xut
Các đơn vị dn xut trong h đơn vị SI đưc th hin trong bng 3.2.
4
Bảng 3.2. Các đơn vị dn xut trong h đơn vị SI
Đại lưng
Đơn vị
Din tích
m
2
Th tích
m
3
Vn tc
m/s
Gia tc
m/s
2
Khi lưng riêng
kg/m
3
Th tích riêng
m
3
/kg
Nồng độ khi lưng
kg/m
3
Lưu lượng khi lưng
kg/s
Tn s
1/s
Lc
m.kg/s
2
, N
Năng lưng
m
2
.kg/s
2
, N.m
Nhit dung
m
2
/(s
2
.K), J/(kg.K)
Công sut
m
2
kg/s
3
, J/s
Áp sut
N/m
2
, Pa
3.1.1. Chuyển đổi đơn vị trong h SI
Bng 3.3. Các tin t trong h SI
Tin t
Ký hiu
Tera
T
Giga
G
Mega
M
Kilo
K
Hecto
H
Deca
Da
Deci
D
Centi
C
Milli
M
5
Micro
µ
Nano
N
Pico
P
3.1.4. Chuyển đổi đơn vị gia các h
Phân bit các h SI, h CGS và h Anh.
Bảng 1. Các đơn v cơ bản trong ba h đo lường
H đơn vị
Khi lưng
Độ dài
Thi gian
Nhit đ
CGS
g
cm
s
o
C
SI
kg
m
s
K
Anh
lb
m
ft
s
o
F
Các h s chuyển đổi được s dụng để chuyển đổi tương đương giữa h đơn vị SI và h
đơn vị Anh được trình bày trong bng 3.4.
Bng 3.4 . Chuyển đổi đơn vị trong h SI h đơn v Anh cùng các h s chuyn
đổi gia các h
Đại lưng
H đơn vị SI
H đơn vị Anh
H s chuyn đi
Độ dài
1m = 100 cm
1 ft = 12 in
1 ft = 0,3048 m
1cm = 10 mm
1 dm = 5280 ft
1 dm = 1,609344 km
1 km = 1000 m
Khối lượng
1 kg = 1000 g
1 lb = 16 oz
1 lb = 0,45392 kg
Th tích
1 m
3
= 1000 L
ft
3
1 ft
3
= 28,317 L
Nhit đ
K =
o
C + 273
R =
o
F + 460
o
C = 5/9 (
o
F - 32)
ng cht
1 kg mol =
1000 mol
1 lbmol = 453,6 mol
Khối lượng
riêng
1 kg/m
3
= 1000
g/L
1 lb/in
3
= 144 lb/ft
3
1 kg/m
3
= 0,06243 lb/ft
3
Lưu lượng
khi lưng
1 kg/s = 3600
kg/gi
1 lb/s = 3600 lb/gi
1 lb/s = 0,453592 kg/s
Độ nht
1 P = 0,1
kg/(m.s)
lb/(ft.s)
1 lb/(ft.s) = 14,88163 P
1 P = 100 cP
6
Lc
N
lbf
1 lbf = 4,4482 N
Năng
ng
J = 0,23884 cal
BTU
1 BTU = 1.055,056 J
Nhit dung
J/(kg.K)
BTU/(lb.R)
1 BTU/(lb.R) = 4,184
J/(kg.K)
Công sut
J/s (W)
1 hp = 0,706787
BTU/s
1 BTU/s = 1.055,056 W
Áp sut
Pascal (Pa),
N/m
2
psi
1 psi = 6894,75 Pa
1 atm = 14,69 psi
1 atm = 760 mmHg
(0
o
C)
1 Bar = 100.000 Pa
3.1.5. Quy tắc đồng nht th nguyên
Phân biệt đơn vị và th nguyên:
- Mi đi lưng vt lý bt k đều bao gm phn s và phần đơn vị.
- Th nguyên là mt tính cht có th đo được như: độ dài (L), thi gian (T), nhit
độ󰇛󰇜, khối lượng (M) hoặc được tính bng cách nhân hoc chia các th nguyên
khác như độ dài/thi gian (vn tc), L
3
(th tích), M/L
3
(khi lượng riêng),…
- Đơn vị là các giá tr c th ca th nguyên.
VD: Vi th nguyên là độ dài; đơn vị có th là m, dm, cm,…
Các phương trình tả đúng các hiện ng vt phi tuân theo các quy tắc đồng nht
th nguyên sau:
- Hai đại lượng có th được cng hoc tr cho nhau ch khi chúng có cùng đơn vị.
- Các giá tr s cùng các đơn vị tương ứng ca chúng luôn có th kết hp vi nhau
bng phép nhân hoc phép chia. C th:
o Nếu đại lưng C là tích ca hai đi lưng A và B thì th nguyên ca C là
tích th nguyên ca A và B.
o Nếu đại lưng C là t s giữa đại lượng A và đại lượng B thì th nguyên
ca C là t s th nguyên ca A và B.
o Nếu đại lượng C lũy tha bc n của đại lượng A thì th nguyên ca C
là lũy tha bc n th nguyên ca A.
VD: 2 m/5 s = 0,4 m/s
3 N x 4 m = 12 N.m
- logX và a
X
ch có ý nghĩa khi X không có thứ nguyên.
VD1: Trong phương trình 
, a.b phi có cùng đơn v vi 
.
7
VD2: Trong phương trình

, y không có đơn vị. Do đó  phi không có
đơn vị.
- s thun nht v th nguyên trong các công thức, phương trình toán hc.
Điều đó có nghĩa là th nguyên ca hai vế phi ging nhau
VD1: s = s0+v.t
VD2: D(ft) = 3t(s) + 4
(a) Nếu phương trình trên đúng, thứ nguyên ca các hng s 3 và 4 là gì?
(b) Nếu phương trình trên có đơn vị không đổi, đơn vị ca 3 và 4 là gì?
(c) Đưa ra phương trình trong đó D có đơn v là m và t có đơn vị là phút?
Đáp án
c. D(m) = 55t(phút) + 1,22
VD3:
S ph thuc ca k vào nhit đ đưc biu din theo phương trình sau:


 
󰇛


󰇜
Trong đó: đơn v ca 20.000 là cal/mol, T (K).
Hỏi đơn vị ca  
?
Đáp án:
- Đơn vị ca 1,2 x 10
5
: cùng đơn v vi k
- Đơn vị ca 1,987: cal/(mol.K)
3.2. Quá trình và các đại lượng biu din quá trình
Đại ng vt lý là du hiu có th đo được ca mt tính cht vt lý.
Các đại lượng vt lý ph biến như khối lượng, th tích, khối lượng riêng, s mol, áp
sut, nhiệt độ, lưu lưng s được trình bày chi tiết dưi đây.
3.2.1. Khối lượng, th tích, khi ng riêng, th tích riêng
Khi lưng riêng ca mt vt là khi lưng một đơn vị th tích ca vt đó:
Quá trình
Đại lượng
đầu vào
Đại lượng
đầu ra
8
Vi:
m: khi lưng ca vt, kg
V: th tích ca vt, m
3
- Đối vi vt rn: nhìn chung khối ng riêng ca vt rn không ph thuc o
nhiệt độ th đo bằng cách nhúng vt rắn đã biết khối lượng vào trong cht lng
và đo thể tích ca phn cht lng b thay thế.
- Đối vi cht lng: khi lưng riêng ca hn hp lỏng được tính như sau:

Trong đó:
: khi lưng riêng ca các cu t trong hn hp, kg/m
3
: nồng độ phn khi lưng ca các cu t trong hn hp.
- Đối vi cht khí:

Vi: P áp sut, V th tích, n s mol, m khối lượng, R hng s khí
ng và T là nhit đ.
Hoc cũng có th tính khi lưng riêng ca mt cht khí bt k theo công thc sau:


Trong đó:
M khi lưng mol ca khí, kg/kmol
T nhit đ tuyệt đi ca khí, K

khối ng riêng ca khí điều kin tiêu chun (0
o
C 760 mmHg),
kg/m
3

: áp sut ca k điều kin làm việc điu kin tiêu chuẩn, đo bng cùng
mt h đơn vị.
Khi lượng riêng tương đối: là t s gia khi lưng riêng ca mt cht nào đó và
khi lưng riêng ca cht ly làm tiêu chun (thường là nưc).
Ví d 1:
Khối lượng riêng của nước 20
o
C
1 kg/L. Biu din khối lượng riêng của c
theo: (a) kg/m
3
; (b) lb/ft
3
Li gii:
9
(a)





(b)





󰇛

󰇜




3.2.2. S mol
Vi:
n là s mol ca mt cht, mol
m: khi lưng chất đó, g
M: khi lưng phân t ca cht đó, g/mol
1 mol gm  

phân t hay nguyên t.
Ví dụ: 1 mol nước gm  

phân t nước và có khi lưng xp x 18 g.
S dng s mol thay cho khối lượng trong các trường hp phn ng hóa hc giúp
cho việc tính toán được đơn giản hơn nhiều.
3.2.3. Áp sut
Hình 3.1. Áp sut cht lng trong thùng cha và trong ng dn
Áp sut ca mt cht lng tác dng lên mt b mt chính là áp lc tác dng lên mt
đơn vị b mt đó.
Trong đó:
F là lc tác dng vuông góc vi b mt, N
S: din tích b mt, m
2
Đơn vị ca áp sut trong h SI là Pa: 1 Pa = 1 N/m
2
Đơn vị thưng gp nht ca áp sut là atm hoc bar: 1 bar = 0,98693 atm.
10
Phân bit áp sut khí quyn, áp sut tuyt điáp suất dư.
P
tuyệt đối
= P
+ P
khí quyn
Trong h đơn vị Anh: psia (áp sut tuyt đi); psig (áp suất tương đi)
  󰇛 󰇜
Ví d 2: Đi 50 psia sang (a) mmHg và (b) atm
Li gii:
(a) 





(b) 



3.2.4. Nhiệt độ
Nhit đ là đại lượng đặc trưng cho mức đ nóng lnh ca vt th.
Đơn vị ca nhit đ trong h SI là độ Kenvin (K).
Đơn vị ca nhit đ trong h đơn vị Anh là độ Farrenheit (F)
S chuyển đổi đơn v gia các h:
K =
o
C + 273
o
C = 5/9(
o
F - 32)
R =
o
F + 460
Ví d 1: Đổi 50
o
C sang độ R
Li gii:
Ta có:
o
C = 5/9(
o
F - 32)
Suy ra:
o
F = 9/5(
o
C + 32)
Do đó: 
󰇡
 
󰇢
󰆚

󰇛 󰇜

Ví d 2: Cho T
1
= 20
o
F; T
2
= 80
o
F
a. Xác đnh T
1
, T
2
theo
o
C?
b. Xác định ΔT theo
o
C?
Đáp s:
a. T
1
= -6,7
o
C; T
2
= 26,6
o
C
b. ΔT = 33,3
o
C
11
3.2.5. Lưu lượng
- Lưu lượng = Lượng/thi gian
- Lưu lượng khi lưng (khi lưng/thời gian) và lưu lượng th tích (th tích/thi
gian)
- Có th chuyển đối giữa lưu lượng khối lượng và lưu lượng th tích da vào khi
ng riêng ca cht lng:
d: Lưu lượng khối lượng ca n hexan = 0.659 g/cm
3
) trong mt ng 6,59
g/s. Xác định lưu lượng th tích ca hexan?
3.3. Mt s chun s quan trng trong công ngh hóa hc
3.3.1. Chun s
Khi so sánh các đại ợng đặc trưng hay các nhóm đại ợng đặc trưng cùng th
nguyên ca mt h ta s thu được các đại lượng đặc trưng không thứ nguyên gi là các
chun s đồng dng (chun s).
Thông thường, ba loi chun s đồng dạng đặc trưng tương ng vi ba cách hình
thành chun s:
- Loi chun s th nht (Chun s đồng dạng đơn giản): hình thành bng cách so sánh
các đi lưng cùng th nguyên
- Loi chun s th hai: hình thành bng cách so sánh các thành phần trong phương
trình bo toàn dòng vi nhau
- Loi chun s th ba: hình thành bng cách nhân chia các chun s loi th hai vi
nhau.
3.3.2. Mt s chun s quan trng trong công ngh hóa hc
3.3.2.1. Chun s Reynolds
Có th xem là t s gia lc quán tính và lc ma sát
12

Trong đó:
W: vn tc của lưu thể, m/s
: khi lưng riêng của lưu thể, kg/m
3
: đ nhớt động lc, kg/(m.s)
l: kích thước hình hc đặc trưng ca h, m
Kích thước hình học đặc trưng của h có th là chiu cao h nếu là tường phng,
hoc có th là đường kính tương đương

ca mt cắt mà lưu thể đi qua.
Đường kính tương đương bng bn ln bán kính thy lc:



Bán kính thy lc t s gia din tích mt ct f ca dòng vi chu vi thấm ướt
ca dòng đó:

Chun s Re cho cho phép xác định chế độ chuyển động của lưu thể:
Re<2300: chế độ chy dòng
2300<Re<10.000: chế độ chảy quá độ
Re>10.000: chế độ chy xoáy
Ví d 1: xác định đường kính tương đương của ng dn trong mt s trưng hp
c th:
- Lưu thể chuyển động trong ng dn hình tròn
- Lưu thể chuyển động trong không gian hình vành khăn
- Lưu thể chuyển động trong ng ch nht kích thước a x b
Ví d 2: xác đinh chun s Re trong mt s trưng hp c th
3.3.2.2. Chun s Nusselt
Đặc trưng cho quá trình cấp nhit b mt phân gii.
Th hin t s gia ờng độ cp nhiệt ờng độ dn nhit ca một u thể
qua lp biên:

Vi:
: h s cp nhit, W/(m
2
.K)
: kích thước hình hc đặc trưng của h, m (Ví d: đưng kính ống,…)
: h s dn nhit ca lưu thể, W/(m.K)
13
3.3.2.3. Chun s Sherwood
Chun s Sh tương tự chun s Nu trong cp nhit được hình thành dng h
s cp khi không th nguyên:

Vi:
: h s cp khi, W/(m
2
.K)
: kích thước hình hc đặc trưng, m (Ví d: đưng kính ống,…)
D: h s khuếch tán, m
2
/s.
3.3.2.4. Chun s Prandtl
Đặc trưng cho sự liên quan gia đc tính dn nhit đ và đc tính dẫn động lượng:

Vi:
: nhit dung riêng ca cht lng, J/(kg.K)
: đ nhớt động lc, kg/(m.s) hoc Pa.s
: h s dn nhit ca cht lng, W/(m.K)
3.3.2.5. Chun s Froude
Có th được xem là t s gia lc quán tính và lc trọng lưng:

󰇛󰇜

Vi:
: vn tc của lưu thể, m/s
: gia tc trọng trường, m/s
2
: kích thưc đặc trưng của h, m
Chun s Froude thường được dùng để kho sát cht lng chuyển đng trên b
mt t do.
14
TÀI LIU THAM KHO
1. Chemical and Bioprocess Engineering_ Fundamental Concepts for First-Year
Students-Ricardo Simpson, Sudhir K. Sastry (auth.)-Springer-Verlag New
York (2013)
2. Introduction to Chemical Engineering Processes-Adrian Duncan -Global Media
(2009)
3. Introduction to Chemical Engineering Tools for Today and Tomorrow-Kenneth
A. Solen, John N. Harb - Wiley (2011)
4. Elementary Principles of Chemical Processes, 4th Edition-Richard M. Felder,
Ronald W. Rousseau, Lisa G. Bullard - Wiley (2015)
5. Introduction to Chemical Processes_ Principles, Analysis, Synthesis - Regina
Murphy (2005).
6. Introduction to chemical engineering_ for chemical engineers and students-P,
Uche Nnaji(Contributor) - Wiley-Scrivener (2019)
7. Chemical Engineering An Introduction (Cambridge Series in Chemical
Engineering) by Morton Denn
DANH MC CÁC T KHOÁ
Tiếng Viêt
Tiếng Anh
Đơn vị
Unit
Thứ nguyên
Dimension
Hệ đơn vị
Unit system
Chuẩn số
Dimensionless number

Preview text:

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CH2000 Phần III:
Hệ thống đơn vị, bản chất các đại lượng
vật lý và ứng dụng
ĐẶNG THỊ TUYẾT NGÂN Ngan.dangthituyet@hust.edu.vn
Phiên bản V1- 18.09.2021 MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
MỤC TIÊU BÀI GIẢNG/Learning objectives .......................................................... 2 3.
HỆ THỐNG ĐƠN VỊ, BẢN CHẤT CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ỨNG
DỤNG ............................................................................................................................. 3
3.1. Hệ đơn vị SI ......................................................................................................... 3
3.1.1. Các đơn vị cơ bản ......................................................................................... 3
3.1.2. Các đơn vị dẫn xuất ...................................................................................... 3 3.1.1.
Chuyển đổi đơn vị trong hệ SI ................................................................ 4
3.1.4. Chuyển đổi đơn vị giữa các hệ ..................................................................... 5 3.1.5.
Quy tắc đồng nhất thứ nguyên ................................................................ 6
3.2. Quá trình và các đại lượng biểu diễn quá trình ................................................. 7
3.2.1. Khối lượng, thể tích, khối lượng riêng, thể tích riêng .................................. 7
3.2.2. Số mol ........................................................................................................... 9
3.2.3. Áp suất .......................................................................................................... 9
3.2.4. Nhiệt độ ...................................................................................................... 10 3.2.5.
Lưu lượng ............................................................................................. 11
3.3. Một số chuẩn số quan trọng trong công nghệ hóa học ................................... 11
3.3.1. Chuẩn số ..................................................................................................... 11
3.3.2. Một số chuẩn số quan trọng trong công nghệ hóa học ............................... 11
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 14 1
MỤC TIÊU BÀI GIẢNG/Learning objectives
Sau bài giảng này, sinh viên có thể:
Kiến thức (theo phân loại tư duy của Bloom)
• Biết các hệ đơn vị và cách chuyển đổi giữa các hệ đơn vị khác nhau
• Nắm được quy tắc đồng nhất thứ nguyên và áp dụng quy tắc này để tìm đơn vị
cho các số hạng trong phương trình.
• Nắm được một số chuẩn số thường gặp và ý nghĩa của các chuẩn số này
• Áp dụng cách biến đổi đơn vị khi tính toán
Kỹ năng (theo phân loại kỹ năng của Harow)
• Thuần thục trong việc chuyển đổi đơn vị Thái độ
• Chuẩn bị, đọc tài liệu trước tham gia bài giảng
• Tập trung nghe giảng trên lớp và tích cực tham gia thảo luận
• Làm bài tập đầy đủ 2
3. HỆ THỐNG ĐƠN VỊ, BẢN CHẤT CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG
3.1. Hệ đơn vị SI
Trong tính toán các quá trình và thiết bị trong CNHH cần đến những số liệu về
tính chất vật lý như độ nhớt, khối lượng riêng,…và những thông số trạng thái như áp
suất, nhiệt độ, vận tốc,…của vật chất. Các đại lượng này được đo bằng những hệ đơn
vị khác nhau phụ thuộc vào từng khu vực.
Việc sử dụng các hệ đơn vị khác nhau gây nhiều khó khăn khi giao dịch hàng
hóa giữa các nước. Hơn nữa, các bộ phận của nhiều sản phẩm được sản xuất tại các
nước khác nhau. Vì vậy Hội nghị đo lường Quốc tế lần thứ 11 (10/1960) tổ chức ở Pháp
đã thông qua hệ đơn vị quốc tế SI. Đây là hệ đơn vị được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.
Ở Việt Nam, ngày 15-8-2007, Chính phủ đã ban hành Nghị định số
134/2007/NĐ-CP quy định về đơn vị đo lường chính thức của Việt Nam, chủ yếu dựa
trên cơ sở của hệ SI, chỉ bổ sung và thay đổi một số điểm cho phù hợp với tình hình cụ
thể của Việt Nam. Vì vậy, trong phần này sẽ chủ yếu giới thiệu hệ đơn vị SI.
3.1.1. Các đơn vị cơ bản

Các đại lượng cơ bản bao gồm: độ dài, khối lượng, thời gian, cường độ dòng điện, nhiệt
độ, cường độ ánh sáng, lượng vật chất. Các đơn vị cơ bản của các đại lượng cơ bản này
trong hệ SI được thể hiện trong bảng 3.1 sau đây.
Bảng 3.1. Các đơn vị cơ bản của các đại lượng cơ bản này trong hệ SI
Đại lượng cơ bản Ký hiệu Đơn vị cơ bản Ký hiệu Độ dài l, x, r Mét m Khối lượng m Kilogam kg Thời gian t giây s Cường độ dòng điện I, i ampe A Nhiệt độ T Kenvin K Cường độ ánh sáng Iv Candela Cd Lượng vật chất n Mole mol
3.1.2. Các đơn vị dẫn xuất
Các đơn vị dẫn xuất trong hệ đơn vị SI được thể hiện trong bảng 3.2. 3
Bảng 3.2. Các đơn vị dẫn xuất trong hệ đơn vị SI Đại lượng Đơn vị Diện tích m2 Thể tích m3 Vận tốc m/s Gia tốc m/s2 Khối lượng riêng kg/m3 Thể tích riêng m3/kg Nồng độ khối lượng kg/m3 Lưu lượng khối lượng kg/s Tần số 1/s Lực m.kg/s2, N Năng lượng m2.kg/s2, N.m Nhiệt dung m2/(s2.K), J/(kg.K) Công suất m2kg/s3, J/s Áp suất N/m2, Pa
3.1.1. Chuyển đổi đơn vị trong hệ SI
Bảng 3.3. Các tiền tố trong hệ SI Hệ số Tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 109 Giga G 106 Mega M 103 Kilo K 102 Hecto H 101 Deca Da 10-1 Deci D 10-2 Centi C 10-3 Milli M 4 10-6 Micro µ 10-9 Nano N 10-12 Pico P
3.1.4. Chuyển đổi đơn vị giữa các hệ
Phân biệt các hệ SI, hệ CGS và hệ Anh.
Bảng 1. Các đơn vị cơ bản trong ba hệ đo lường Hệ đơn vị Khối lượng Độ dài Thời gian Nhiệt độ CGS g cm s oC SI kg m s K Anh lbm ft s oF
Các hệ số chuyển đổi được sử dụng để chuyển đổi tương đương giữa hệ đơn vị SI và hệ
đơn vị Anh được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4 . Chuyển đổi đơn vị trong hệ SI và hệ đơn vị Anh cùng các hệ số chuyển đổi giữa các hệ Đại lượng Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Anh
Hệ số chuyển đổi Độ dài 1m = 100 cm 1 ft = 12 in 1 ft = 0,3048 m 1cm = 10 mm 1 dặm = 5280 ft 1 dặm = 1,609344 km 1 km = 1000 m Khối lượng 1 kg = 1000 g 1 lb = 16 oz 1 lb = 0,45392 kg Thể tích 1 m3 = 1000 L ft3 1 ft3 = 28,317 L Nhiệt độ K = oC + 273 R = oF + 460 oC = 5/9 (oF - 32) Lượng chất 1 kg mol = 1 lbmol = 453,6 mol 1000 mol
Khối lượng 1 kg/m3 = 1000 1 lb/in3 = 144 lb/ft3 1 kg/m3 = 0,06243 lb/ft3 riêng g/L
Lưu lượng 1 kg/s = 3600 1 lb/s = 3600 lb/giờ 1 lb/s = 0,453592 kg/s khối lượng kg/giờ Độ nhớt 1 P = 0,1 lb/(ft.s) 1 lb/(ft.s) = 14,88163 P kg/(m.s) 1 P = 100 cP 5 Lực N lbf 1 lbf = 4,4482 N Năng J = 0,23884 cal BTU 1 BTU = 1.055,056 J lượng Nhiệt dung J/(kg.K) BTU/(lb.R) 1 BTU/(lb.R) = 4,184 J/(kg.K) Công suất J/s (W)
1 hp = 0,706787 1 BTU/s = 1.055,056 W BTU/s Áp suất Pascal (Pa), psi 1 psi = 6894,75 Pa N/m2 1 atm = 14,69 psi 1 atm = 760 mmHg (0oC) 1 Bar = 100.000 Pa
3.1.5. Quy tắc đồng nhất thứ nguyên
Phân biệt đơn vị và thứ nguyên:
- Mỗi đại lượng vật lý bất kỳ đều bao gồm phần số và phần đơn vị.
- Thứ nguyên là một tính chất có thể đo được như: độ dài (L), thời gian (T), nhiệt
độ (𝜃), khối lượng (M) hoặc được tính bằng cách nhân hoặc chia các thứ nguyên
khác như độ dài/thời gian (vận tốc), L3 (thể tích), M/L3 (khối lượng riêng),…
- Đơn vị là các giá trị cụ thể của thứ nguyên.
VD: Với thứ nguyên là độ dài; đơn vị có thể là m, dm, cm,…
Các phương trình mô tả đúng các hiện tượng vật lý phải tuân theo các quy tắc đồng nhất thứ nguyên sau:
- Hai đại lượng có thể được cộng hoặc trừ cho nhau chỉ khi chúng có cùng đơn vị.
- Các giá trị số cùng các đơn vị tương ứng của chúng luôn có thể kết hợp với nhau
bằng phép nhân hoặc phép chia. Cụ thể:
o Nếu đại lượng C là tích của hai đại lượng A và B thì thứ nguyên của C là
tích thứ nguyên của A và B.
o Nếu đại lượng C là tỷ số giữa đại lượng A và đại lượng B thì thứ nguyên
của C là tỷ số thứ nguyên của A và B.
o Nếu đại lượng C là lũy thừa bậc n của đại lượng A thì thứ nguyên của C
là lũy thừa bậc n thứ nguyên của A. VD: 2 m/5 s = 0,4 m/s 3 N x 4 m = 12 N.m
- logX và aX chỉ có ý nghĩa khi X không có thứ nguyên.
VD1: Trong phương trình 𝑄 = 𝑎. 𝑏 + 𝑐2, a.b phải có cùng đơn vị với 𝑐2. 6
VD2: Trong phương trình 𝑦 = 𝑥𝑎𝑏/𝑐, y không có đơn vị. Do đó 𝑎𝑏/𝑐 phải không có đơn vị.
- Có sự thuần nhất về thứ nguyên trong các công thức, phương trình toán học.
Điều đó có nghĩa là thứ nguyên của hai vế phải giống nhau VD1: s = s0+v.t VD2: D(ft) = 3t(s) + 4
(a) Nếu phương trình trên đúng, thứ nguyên của các hằng số 3 và 4 là gì?
(b) Nếu phương trình trên có đơn vị không đổi, đơn vị của 3 và 4 là gì?
(c) Đưa ra phương trình trong đó D có đơn vị là m và t có đơn vị là phút? Đáp án c. D(m) = 55t(phút) + 1,22 VD3:
Sự phụ thuộc của k vào nhiệt độ được biểu diễn theo phương trình sau: 𝑚𝑜𝑙 20.000 𝑘 ( ) = 1,2 × 105𝑒𝑥𝑝(− ) 𝑐𝑚3. 𝑠 1,987𝑇
Trong đó: đơn vị của 20.000 là cal/mol, T (K).
Hỏi đơn vị của 1,2 × 105 và 1,987? Đáp án:
- Đơn vị của 1,2 x 105: cùng đơn vị với k
- Đơn vị của 1,987: cal/(mol.K)
3.2. Quá trình và các đại lượng biểu diễn quá trình
Đại lượng Đại lượng Quá trình đầ u vào đầu ra
Đại lượng vật lý là dấu hiệu có thể đo được của một tính chất vật lý.
Các đại lượng vật lý phổ biến như khối lượng, thể tích, khối lượng riêng, số mol, áp
suất, nhiệt độ, lưu lượng sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.
3.2.1. Khối lượng, thể tích, khối lượng riêng, thể tích riêng
Khối lượng riêng 𝜌 của một vật là khối lượng một đơn vị thể tích của vật đó: 7 𝑚 𝜌 = 𝑉 Với:
m: khối lượng của vật, kg
V: thể tích của vật, m3
- Đối với vật rắn: nhìn chung khối lượng riêng của vật rắn không phụ thuộc vào
nhiệt độ và có thể đo bằng cách nhúng vật rắn đã biết khối lượng vào trong chất lỏng
và đo thể tích của phần chất lỏng bị thay thế.
- Đối với chất lỏng: khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng được tính như sau: 1 𝑥 𝑥 = 1 + 2 + ⋯ 𝜌ℎℎ 𝜌1 𝜌2 Trong đó:
𝜌1, 𝜌2, …: khối lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp, kg/m3
𝑥1, 𝑥2, …: nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp. - Đối với chất khí: 𝑚 𝑃. 𝑀 𝜌 = = 𝑉 𝑅. 𝑇
Với: P là áp suất, V là thể tích, n là số mol, m là khối lượng, R là hằng số khí lý
tưởng và T là nhiệt độ.
Hoặc cũng có thể tính khối lượng riêng của một chất khí bất kỳ theo công thức sau: 𝑇 𝑀 273. 𝑝 𝜌 = 𝜌 0. 𝑝 0. = . 𝑇. 𝑝0 22,4 𝑇. 𝑝0 Trong đó:
M – khối lượng mol của khí, kg/kmol
T – nhiệt độ tuyệt đối của khí, K 𝑀 𝜌0 =
– khối lượng riêng của khí ở điều kiện tiêu chuẩn (0oC và 760 mmHg), 22,4 kg/m3
𝑝, 𝑝0: áp suất của khí ở điều kiện làm việc và điều kiện tiêu chuẩn, đo bằng cùng một hệ đơn vị.
Khối lượng riêng tương đối: là tỉ số giữa khối lượng riêng của một chất nào đó và
khối lượng riêng của chất lấy làm tiêu chuẩn (thường là nước). Ví dụ 1:
Khối lượng riêng của nước ở 20oC là 1 kg/L. Biểu diễn khối lượng riêng của nước theo: (a) kg/m3; (b) lb/ft3 Lời giải: 8 𝑘𝑔 1000 𝐿 𝑘𝑔 (a) 𝜌 = 1 ∗ = 1000 𝐿 1 𝑚3 𝑚3 𝑘𝑔 1 𝑙𝑏 1000 𝐿 (0.438)3𝑚3 𝑙𝑏 (b) 𝜌 = 1 ∗ ∗ ∗ = 62 𝐿 0,453592 𝑘𝑔 1 𝑚3 1 𝑓𝑡3 𝑓𝑡3 3.2.2. Số mol 𝑚 𝑛 = 𝑀 Với:
n là số mol của một chất, mol
m: khối lượng chất đó, g
M: khối lượng phân tử của chất đó, g/mol
1 mol gồm 6,022 × 1023 phân tử hay nguyên tử.
Ví dụ: 1 mol nước gồm 6,022 × 1023 phân tử nước và có khối lượng xấp xỉ 18 g.
Sử dụng số mol thay cho khối lượng trong các trường hợp có phản ứng hóa học giúp
cho việc tính toán được đơn giản hơn nhiều. 3.2.3. Áp suất
Hình 3.1. Áp suất chất lỏng trong thùng chứa và trong ống dẫn
Áp suất của một chất lỏng tác dụng lên một bề mặt chính là áp lực tác dụng lên một đơn vị bề mặt đó. 𝐹 𝑝 = 𝑆 Trong đó:
F là lực tác dụng vuông góc với bề mặt, N
S: diện tích bề mặt, m2
Đơn vị của áp suất trong hệ SI là Pa: 1 Pa = 1 N/m2
Đơn vị thường gặp nhất của áp suất là atm hoặc bar: 1 bar = 0,98693 atm. 9
Phân biệt áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đốiáp suất dư.
Ptuyệt đối = Pdư + Pkhí quyển
Trong hệ đơn vị Anh: psia (áp suất tuyệt đối); psig (áp suất tương đối)
𝑝𝑠𝑖𝑎 = 𝑝𝑠𝑖𝑔 + 14,7 (1 𝑎𝑡𝑚 = 14,7 𝑝𝑠𝑖𝑎)
Ví dụ 2: Đổi 50 psia sang (a) mmHg và (b) atm Lời giải: 1 𝑎𝑡𝑚 760 𝑚𝑚𝐻𝑔 (a) 50 𝑝𝑠𝑖𝑎 ∗ ∗ = 2580 𝑚𝑚𝐻𝑔 14,7 𝑝𝑠𝑖𝑎 1 𝑎𝑡𝑚 1 𝑎𝑡𝑚 (b) 50 𝑝𝑠𝑖𝑎 ∗ = 3,4 𝑎𝑡𝑚 14,7 𝑝𝑠𝑖𝑎 3.2.4. Nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của vật thể.
Đơn vị của nhiệt độ trong hệ SI là độ Kenvin (K).
Đơn vị của nhiệt độ trong hệ đơn vị Anh là độ Farrenheit (F)
Sự chuyển đổi đơn vị giữa các hệ: K = oC + 273 oC = 5/9(oF - 32) R = oF + 460
Ví dụ 1: Đổi 50oC sang độ R Lời giải: Ta có: oC = 5/9(oF - 32) Suy ra: oF = 9/5(oC + 32)
Do đó: 50𝑜𝐶 = (9 ∗ 50 + 32) 𝑜𝐹 = 122𝑜𝐹 = (122 + 460)𝑜𝑅 = 582𝑜𝑅 5 ⬚
Ví dụ 2: Cho T1 = 20oF; T2 = 80oF
a. Xác định T1, T2 theo oC? b. Xác định ΔT theo oC? Đáp số: a. T1 = -6,7oC; T2 = 26,6oC b. ΔT = 33,3 oC 10 3.2.5. Lưu lượng
- Lưu lượng = Lượng/thời gian
- Lưu lượng khối lượng (khối lượng/thời gian) và lưu lượng thể tích (thể tích/thời gian)
- Có thể chuyển đối giữa lưu lượng khối lượng và lưu lượng thể tích dựa vào khối
lượng riêng của chất lỏng:
Ví dụ: Lưu lượng khối lượng của n – hexan (ρ = 0.659 g/cm3) trong một ống là 6,59
g/s. Xác định lưu lượng thể tích của hexan?
3.3. Một số chuẩn số quan trọng trong công nghệ hóa học 3.3.1. Chuẩn số
Khi so sánh các đại lượng đặc trưng hay các nhóm đại lượng đặc trưng có cùng thứ
nguyên của một hệ ta sẽ thu được các đại lượng đặc trưng không thứ nguyên gọi là các
chuẩn số đồng dạng (chuẩn số).
Thông thường, có ba loại chuẩn số đồng dạng đặc trưng tương ứng với ba cách hình thành chuẩn số:
- Loại chuẩn số thứ nhất (Chuẩn số đồng dạng đơn giản): hình thành bằng cách so sánh
các đại lượng cùng thứ nguyên
- Loại chuẩn số thứ hai: hình thành bằng cách so sánh các thành phần trong phương
trình bảo toàn dòng với nhau
- Loại chuẩn số thứ ba: hình thành bằng cách nhân chia các chuẩn số loại thứ hai với nhau.
3.3.2. Một số chuẩn số quan trọng trong công nghệ hóa học
3.3.2.1. Chuẩn số Reynolds
Có thể xem là tỉ số giữa lực quán tính và lực ma sát 11 𝑤. 𝜌. 𝑙 𝑅𝑒 = 𝜇 Trong đó:
W: vận tốc của lưu thể, m/s
𝜌: khối lượng riêng của lưu thể, kg/m3
𝜇: độ nhớt động lực, kg/(m.s)
l: kích thước hình học đặc trưng của hệ, m
Kích thước hình học đặc trưng của hệ có thể là chiều cao h nếu là tường phẳng,
hoặc có thể là đường kính tương đương 𝑑𝑡đ của mặt cắt mà lưu thể đi qua.
Đường kính tương đương bằng bốn lần bán kính thủy lực: 𝑑𝑡đ = 4𝑟𝑡𝑙
Bán kính thủy lực là tỉ số giữa diện tích mặt cắt f của dòng với chu vi thấm ướt 𝑈 của dòng đó: 𝑓 𝑟𝑡𝑙 = 𝑈
Chuẩn số Re cho cho phép xác định chế độ chuyển động của lưu thể:
Re<2300: chế độ chảy dòng
2300Re>10.000: chế độ chảy xoáy
Ví dụ 1: xác định đường kính tương đương của ống dẫn trong một số trường hợp cụ thể:
- Lưu thể chuyển động trong ống dẫn hình tròn
- Lưu thể chuyển động trong không gian hình vành khăn
- Lưu thể chuyển động trong ống chữ nhật kích thước a x b
Ví dụ 2: xác đinh chuẩn số Re trong một số trường hợp cụ thể
3.3.2.2. Chuẩn số Nusselt
Đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt ở bề mặt phân giới.
Thể hiện tỉ số giữa cường độ cấp nhiệt và cường độ dẫn nhiệt của một lưu thể qua lớp biên: 𝛼. 𝑙 𝑁𝑢 = 𝜆 Với:
𝛼: hệ số cấp nhiệt, W/(m2.K)
𝑙: kích thước hình học đặc trưng của hệ, m (Ví dụ: đường kính ống,…)
𝜆: hệ số dẫn nhiệt của lưu thể, W/(m.K) 12
3.3.2.3. Chuẩn số Sherwood
Chuẩn số Sh tương tự chuẩn số Nu trong cấp nhiệt và được hình thành ở dạng hệ
số cấp khối không thứ nguyên: ℎ 𝑆ℎ = 𝐷. 𝑙 𝐷 Với:
ℎ𝐷: hệ số cấp khối, W/(m2.K)
𝑙: kích thước hình học đặc trưng, m (Ví dụ: đường kính ống,…)
D: hệ số khuếch tán, m2/s.
3.3.2.4. Chuẩn số Prandtl
Đặc trưng cho sự liên quan giữa đặc tính dẫn nhiệt độ và đặc tính dẫn động lượng: 𝐶 𝑃𝑟 = 𝑝𝜇 𝜆 Với:
𝐶𝑝: nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/(kg.K)
𝜇: độ nhớt động lực, kg/(m.s) hoặc Pa.s
𝜆: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, W/(m.K)
3.3.2.5. Chuẩn số Froude
Có thể được xem là tỉ số giữa lực quán tính và lực trọng lượng: 𝑤 𝐹𝑟 = (𝑔. 𝑙)0,5 Với:
𝑤: vận tốc của lưu thể, m/s
𝑔: gia tốc trọng trường, m/s2
𝑙: kích thước đặc trưng của hệ, m
Chuẩn số Froude thường được dùng để khảo sát chất lỏng chuyển động trên bề mặt tự do. 13
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Chemical and Bioprocess Engineering_ Fundamental Concepts for First-Year
Students-Ricardo Simpson, Sudhir K. Sastry (auth.)-Springer-Verlag New York (2013)
2. Introduction to Chemical Engineering Processes-Adrian Duncan -Global Media (2009)
3. Introduction to Chemical Engineering Tools for Today and Tomorrow-Kenneth
A. Solen, John N. Harb - Wiley (2011)
4. Elementary Principles of Chemical Processes, 4th Edition-Richard M. Felder,
Ronald W. Rousseau, Lisa G. Bullard - Wiley (2015)
5. Introduction to Chemical Processes_ Principles, Analysis, Synthesis - Regina Murphy (2005).
6. Introduction to chemical engineering_ for chemical engineers and students-P,
Uche Nnaji(Contributor) - Wiley-Scrivener (2019)
7. Chemical Engineering An Introduction (Cambridge Series in Chemical Engineering) by Morton Denn
DANH MỤC CÁC TỪ KHOÁ Tiếng Viêt Tiếng Anh Đơn vị Unit Thứ nguyên Dimension Hệ đơn vị Unit system Chuẩn số Dimensionless number 14