Giáo trình Kỹ thuật nhiệt - môn Công nghệ kỹ thuật nhiệt | Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

MUÏC LUÏC Trang
PHAÀN 1: NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC KYÕ THUAÄT ……… 4
Chöông 1: Nhöõng khaùi nieäm cô baûn, phöông trình
traïng thaùi cuûa chaát khí………………….……………………. 4
1.1 Nhöõng khaùi nieäm cô baûn. ……………………………………………….. 4
1.2 Phöông trình traïng thaùi cuûa chaát khí. ……………………….. 17
1.3 Hoãn hôïp khí lyù töôûng. ……………………………………………………… 20
Baøi taäp. ………………………………………………………………………………………… 24
Chöông 2: Ñònh luaät moät nhieät ñoäng hoïc. ……………………… 29
2.1 Nhieät dung vaø nhieät dung rieâng. ………………………………… 29
2.2 Nhieät löôïng vaø caùch tính. ………………………………………………… 32
2.3 Coâng vaø caùch tính. ………………………………………………………….. 35
2.4 Ñònh luaät 1 nhieät ñoäng hoïc. …………………………………………… 38
Baøi taäp. …………………………………………………………………………………………. 39
Chöông 3: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí
lyù töôûng. ……………………………………………………………….. 44
3.1 Quaù trình ñaúng tích. .…………………………………………………………. 44
3.2 Quaù trình ñaúng aùp. ………………………………………………………….. 47
3.3 Quaù trình ñaúng nhieät. .……………………………………………………. 49
3.4 Quaù trình ñoaïn nhieät. .……………………………………………………. 51
3.5 Quaù trình ña bieán. …………………………………………………………….. 55
Baøi taäp. ..……………………………………………………………………………………… 63
Chöông 4: Caùc quaù trình neùn khí. ……………………………………… 72
4.1 Maùy neùn khí piston lyù töôûng moät caáp. ……………………. 72
4.2 Maùy neùn khí piston lyù töôûng moät caáp coù khoâng
gian cheát. ..…………………………………………………………………………….. 75 1
4.3 Maùy neùn khí piston nhieàu caáp. ..…………………………………. 78
Chöông 5: Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. ………………………….. 84
5.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn. .…………………………………………………… 84
5.2 Chu trình Carnot. …..………………………………………………………… 88
5.3 Ñònh luaät hai nhieät ñoäng hoïc. ……………………………………….. 93
Baøi taäp. …………….…………………………………………………………………………… 94
Chöông 6: Caùc chu trình sinh coâng duøng moâi chaát khí. 98
6.1 Giaû thuyeát, phaân loaïi. ………………………..……………………………. 98
6.2 Chu trình ñoäng cô ñoát trong piston caáp nhieät ñaúng
tích. ………………………………………………………………………………………….. 99
6.3 Chu trình ñoäng cô ñoát trong piston caáp nhieät ñaúng
aùp. …………………………………………………………………………………………… 102
6.4 Chu trình ñoäng cô ñoát trong piston caáp nhieät hoãn
hôïp. ………………………………………………………………………………………….. 105
6.5 Chu trình ñoäng cô ñoát trong tuabin caáp nhieät ñaúng
aùp. …………………………………………………………………………………………….. 110
Baøi taäp. ……………….………………………………………………………………………… 113
Chöông 7: Caùc chu trình tieâu thuï coâng. …………………………..… 124
7.1 Chu trình maùy laïnh moät caáp duøng moâi chaát laø
khoâng khí. …………………………………………………..………………………. 124
7.2 Chu trình maùy laïnh moät caáp duøng moâi chaát laø hôi. 127
Chöông 8: Khoâng khí aåm. ……………………………………………………… 134
8.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn. ……………………………………………………… 134
8.2 Caùc thoâng soá traïng thaùi cuûa khoâng khí aåm. …………… 136
8.3 Ñoà thò H d cuûa khoâng khí aåm. ……………………………………… 136
PHAÀN 2: TRUYEÀN NHIEÄT. …..……………………………………………… 143
Chöông 9: Daãn nhieät. ……………………………………………………………….. 144 2
9.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn. …………………………………………………… 144
9.2 Phöông trình vi phaân daãn nhieät – Ñieàu kieän ñôn trò. 147
9.3 Daãn nhieät oån ñònh khi khoâng coù nguoàn nhieät beân
trong. ……………………………………………………………………………………… 151
Baøi taäp. …………………………………………………………………………………………… 164
Chöông 10: Trao ñoåi nhieät ñoái löu. …………………………………….. 169
10.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn. …………………………………………………. 169
10.2 Lyù luaän ñoàng daïng vaø phöông trình tieâu chuaån. …. 173
10.3 Caùc keát quaû thöïc nghieäm. ..………………………………………… 178
Baøi taäp. ……………………………………………………………………………………………. 183
Chöông 11: Böùc xaï nhieät. ……………………………………………………… 188
11.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn. …………………………………………………… 188
11.2 Moät soá ñònh luaät cô baûn veà böùc xaï. ..……………………….. 190
11.3 Trao ñoåi nhieät baèng böùc xaï giöõa hai vaùch phaúng
song song. ………………………………………………………………………….. 193
11.4 Trao ñoåi nhieät baèng böùc xaï giöõa 2 vaät boïc nhau. … 197
Baøi taäp. …………………………………………………………………………………………… 199
Chöông 12: Thieát bò trao ñoåi nhieät. ……………………………………… 203
12.1 Ñònh nghóa vaø phaân loaïi thieát bò trao ñoåi nhieät. …… 203
12.2 Caùc phöông trình cô baûn ñeå tính toaùn nhieät thieát
bò trao ñoåi nhieät. ……………………………………………………………… 204
12.3 Xaùc ñònh nhieät ñoä trung bình cuûa thieát bò trao ñoåi
nhieät. ………………………………………………………………………………….. 206
12.4 Taêng cöôøng quaù trình trao ñoåi nhieät. ……………………… 208
Baøi taäp. …………………………………………………………………………………………… 209
Taøi lieäu tham khaûo ………………………………………………………………….. 210 3
PHAÀN I: NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC KYÕ THUAÄT
Nhieät ñoäng hoïc laø moân hoïc khoa hoïc nghieân cöùu caùc qui
luaät bieán ñoåi naêng löôïng. Daïng bieán ñoåi quan troïng nhaát maø
nhieät ñoäng hoïc nghieân cöùu laø bieán ñoåi nhieät naêng thaønh cô
naêng. Nhieät ñoäng hoïc tìm caùc phöông phaùp coù lôïi nhaát ñeå
bieán ñoåi nhieät naêng thaønh cô naêng.
Töø laâu ñôøi con ngöôøi ñaõ bieát söû duïng nhieät ñeå phuïc vuï
ñôøi soáng. Nhieät ñoäng hoïc ra ñôøi vaø phaùt trieån nhö moät moân
khoa hoïc vaøo giöõa theá kyû 19 cuøng vôùi söï ra ñôøi vaø phaùt trieån
cuûa ñoäng cô nhieät (ñoäng cô hôi nöôùc, ñoäng cô ñoát trong). CHÖÔNG 1
NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN, PHÖÔNG TRÌNH
TRAÏNG THAÙI CUÛA CHAÁT KHÍ
1.1 Nhöõng khaùi nieäm cô baûn. 1.1.1 Ñònh nghóa
Nhieät ñoäng hoïc nghieân cöùu caùc qui luaät bieán ñoåi nhieät
naêng thaønh cô naêng. Nhieät ñoäng hoïc nghieân cöùu caùc höôùng coù
theå xaûy ra ñöôïc cuûa caùc quaù trình vaät lyù vaø hoùa hoïc.
Neùt ñaëc tröng cuaû nhieät ñoäng hoïc laø nhieät ñoäng hoïc
khoâng xaây döïng cho mình baát kyø moâ hình caáu taïo vaät chaát
naøo, nhieät ñoäng hoïc khoâng coù quan heä tröïc tieáp ñeán caáu truùc
cuûa theá giôùi vi moâ, nhieät ñoäng hoïc chæ quan taâm ñeán theá giôùi
vó moâ. Nhieät ñoäng hoïc söû duïng moâ hình vaät chaát ôû möùc 4
nguyeân töû trong phaân töû, chæ nghieân cöùu caùc heä thoáng coù raát
nhieàu phaân töû (haøng trieäu phaân töû trôû leân), khoâng nghieân cöùu
caùc phaân töû ñôn leû.
Hoùa hoïc xaây döïng moâ hình vaät chaát laø phaân töû, nguyeân töû
cuøng caùc lôùp ñieän töû.
Vaät lyù xaây döïng moâ hình vaät chaát laø caùc haït cô baûn.
Nhieät ñoäng hoïc ñöôïc xaây döïng treân 2 ñònh luaät thöïc
nghieäm cô baûn. Ñònh luaät 1 nhieät ñoäng hoïc thieát laäp moái quan
heä veà maët soá löôïng cuûa caùc quaù trình bieán ñoåi naêng löôïng.
Ñònh luaät 2 nhieät ñoäng hoïc xaùc ñònh moái quan heä veà maët chaát
löôïng caùc quaù trình bieán ñoåi naêng löôïng (chieàu höôùng bieán
ñoåi, möùc ñoä bieán ñoåi).
Phöông phaùp nghieân cöùu nhieät ñoäng hoïc laø phöông phaùp
nghieân cöùu döïa treân 2 ñònh luaät thöïc nghieäm, nghieân cöùu caùc
tính chaát cuûa caùc vaät maø khoâng quan taâm ñeán caáu truùc vi moâ
cuûa caùc vaät ñoù. Do ñoù khi ñaõ bieát tính chaát cuûa moät chaát ta coù
theå suy ra cho caùc chaát töông töï noù. Nhieät ñoäng hoïc ñöôïc
nghieân cöùu baèng phöông phaùp giaûi tích, phöông phaùp thöïc
nghieäm hoaëc keát hôïp caû hai. Nghieân cöùu baèng phöông phaùp
giaûi tích laø öùng duïng caùc ñònh luaät vaät lyù keát hôïp vôùi caùc bieán
ñoåi toaùn hoïc ñeå tìm ra caùc coâng thöùc theå hieän quy luaät cuûa caùc
hieän töôïng, caùc quaù trình nhieät ñoäng. Nghieân cöùu baèng
phöông phaùp thöïc nghieäm laø tieán haønh nhieàu thí nghieäm ñeå
xaùc ñònh caùc thoâng soá thöïc nghieäm, töø ñoù tìm ra caùc quy luaät
vaø coâng thöùc thöïc nghieäm.
Ñeå nghieân cöùu thuaän tieän ngöôøi ta ñöa ra caùc khaùi nieäm
nhö heä thoáng nhieät ñoäng hoïc, moâi tröôøng xung quanh, chaát 5 moâi giôùi.
1.1.2 Heä thoáng nhieät ñoäng hoïc.
- Heä thoáng nhieät ñoäng hoïc: laø taäp hôïp caùc vaät theå coù lieân
quan vôùi nhau veà cô naêng vaø nhieät naêng maø ta ñang
nghieân cöùu baèng phöông phaùp nhieät ñoäng hoïc.
- Moâi tröôøng xung quanh: laø taäp hôïp taát caû caùc vaät theå
khoâng naèm trong heä thoáng nhieät ñoäng hoïc.
- Bieân giôùi: laø beà maët ngaên caùch giöõa heä thoáng nhieät ñoäng
hoïc vaø moâi tröôøng xung quanh. BG H MTXQ
Hình 1: Heä thoáng nhieät ñoäng hoïc.
Ví duï: Ta nghieân cöùu caùc qui luaät, tính chaát bieán ñoåi naêng
löôïng cuûa khoái khí trong xi lanh ñoäng cô ñoát trong thì khoái khí
laø heä thoáng nhieät ñoäng hoïc, xi lanh + piston + khoâng khí beân
ngoaøi laø moâi tröôøng xung quanh, maët trong cuûa xi lanh vaø maët
treân cuûa piston laø bieân giôùi.
Ñeå ñôn giaûn ta goïi heä thoáng nhieät ñoäng hoïc laø heä.
Caùc vaät theå trong heä coù theå trao ñoåi nhieät vôùi nhau vaø vôùi moâi tröôøng xung quanh.
- Caùc vaät cung caáp nhieät löôïng cho heä goïi laø nguoàn noùng. 6
- Caùc vaät nhaän nhieät löôïng töø heä goïi laø nguoàn laïnh.
- Nhieät ñoä cuûa nguoàn noùng vaø nguoàn laïnh theo quy öôùc laø khoâng ñoåi.
Phaân loaïi heä thoáng nhieät ñoäng hoïc
Theo quan heä giöõa heä vôùi moâi tröôøng xung quanh veà trao ñoåi
naêng löôïng vaø vaät chaát: Naêng löôïng Vaät chaát
Hình 2: Phaân loaïi heä nhieät ñoäng.
- Heä coâ laäp: laø heä khoâng trao ñoåi naêng löôïng vaø vaät chaát vôùi moâi tröôøng xung quanh.
- Heä khoâng coâ laäp: laø heä coù khaû trao ñoåi naêng löôïng vaø vaät
chaát vôùi moâi tröôøng xung quanh.
- Heä kín: laø heä khoâng coù trao ñoåi vaät chaát vôùi moâi tröôøng xung quanh.
- Heä hôû: laø heä coù khaû naêng trao ñoåi vaät chaát vôùi moâi tröôøng xung quanh.
- Heä ñoaïn nhieät: laø heä khoâng trao ñoåi nhieät naêng vôùi moâi tröôøng xung quanh.
1.1.3 Chaát moâi giôùi:
Ñeå bieán ñoåi nhieät naêng thaønh cô naêng thöôøng phaûi duøng
moät chaát trung gian ñöôïc goïi laø chaát moâi giôùi, hay moâi chaát
coâng taùc hoaëc goïi taét laø moâi chaát. Thoâng thöôøng moâi chaát laø 7
chaát khí (ví duï: khoâng khí), hoaëc hôi (hôi nöôùc, moâi chaát laøm
laïnh) vì khí vaø hôi coù ñaëc tính laø coù theå thay ñoåi theå tích raát
lôùn khi thay ñoåi nhieät ñoä.
1.1.4 Caùc thoâng soá traïng thaùi:
Thoâng soá cuûa moät vaät ñöôïc xaùc ñònh baèng 1 taäp hôïp caùc
ñaïi löôïng ñaëc tröng cho tính chaát cô, lyù cuûa vaät. Caùc ñaïi löôïng
naøy ñöôïc goïi laø caùc thoâng soá traïng thaùi. ÔÛ moãi traïng thaùi nhaát
ñònh thì caùc thoâng soá traïng thaùi chæ coù moät giaù trò nhaát ñònh.
Caùc thoâng soá traïng thaùi maø ta söû duïng laø:
 Nhieät ñoä tuyeät ñoái: T, K 2
 AÙp suaát tuyeät ñoái: p, Pa (hoaëc N/m ) 3
 Theå tích rieâng(hoaëc maät ñoä):v, m /kg
 Noäi naêng rieâng (hoaëc noäi naêng): u, kJ/kg
 Enthalpy rieâng (hoaëc enthalpy): h (hoaëc i), kJ/kg
 Entropy rieâng (hoaëc entropy): s, kJ/(kg.K)
Ba thoâng soá traïng thaùi T, p, v coù theå ño tröïc tieáp treân vaät
neân ñöôïc goïi laø thoâng soá traïng thaùi, ba thoâng soá traïng thaùi u,
h, s khoâng theå ño tröïc tieáp treân vaät maø phaûi tính thoâng qua caùc
thoâng soá traïng thaùi khaùc neân ñöôïc goïi laø haøm soá traïng thaùi. 1. Nhieät ñoä.
1) Ñònh nghóa: Nhieät ñoä laø thoâng soá ñaëc tröng cho traïng thaùi
nhieät noùng laïnh cuûa vaät theå, bieåu thò giaù trò trung bình
ñoäng naêng chuyeån ñoäng tònh tieán cuûa caùc phaân töû.
Ví duï: Nhieät naêng chæ coù theå töï truyeàn töø vaät noùng hôn
sang vaät laïnh hôn. Nghóa laø töø vaät coù nhieät ñoä cao hôn
sang vaät coù nhieät ñoä thaáp hôn: Chaúng haïn laøm nguoäi caùc
vaät reøn trong khoâng khí,... 8
Nhieät ñoä theo thuyeát ñoäng hoïc phaân töû: Nhieät ñoä cuûa chaát
khí laø moät ñaïi löôïng thoáng keâ tyû leä thuaän vôùi ñoäng naêng
chuyeån ñoäng tònh tieán trung bình cuûa caùc phaân töû theo ñònh luaät: w . m 2 T . k  3 Vôùi: k  3 , 1 805 1 . 0 2
 3 J/ K laø haèng soá Boânzôman (Boltzmann),
T - nhieät ñoä tuyeät ñoái Kenvin (K),
m - khoái löôïng phaân töø khí (kg),
w - vaän toác tònh tieán trung bình cuûa caùc phaân töû khí (m/s)
Nhö vaäy vaän toác chuyeån ñoäng tònh tieán trung bình cuûa caùc
phaàn töû khí caøng lôùn thì nhieät ñoä caøng cao.
2) Caùc thang nhieät ñoä thoâng duïng: goàm thang nhieät ñoä tuyeät
ñoái Kenvin, thang nhieät ñoä baùch phaân Xenziuùt, thang nhieät ñoä Fa-rôn-hait.
Baûng 1: Caùc thang nhieät ñoä thoâng duïng. Thang Thang Thang nhieät ñoä nhieät ñoä nhieät ñoä Fahrenheit (oF) Kelvin (K) Celcius (oC) Thang nhieät T T = t + t  32 T F   2731 , 5 ñoä Kelvin (K) 273,15 8 , 1 Thang nhieät t = T – t t  32 t F  ñoä Celcius 273,15 8 , 1 (oC)
Thang nhieät ñoä tF =1,8(T– tF = 1,8 t tF 9
Fahrenheit (oF) 273,15)+32 +32
 Thang nhieät ñoä tuyeät ñoái Kenvin (Kelvin) ñöôïc söû duïng ñeå
tính toaùn caùc chu trình nhieät ñoäng maø ta seõ nghieân cöùu sau naøy.
 Thang nhieät ñoä Xenziuùt (Celcius) söû duïng phoå bieán ôû nöôùc ta.
 Thang nhieät ñoä Pha-rôn-hai (Fahrenheit) söû duïng roäng raõi ôû Myõ, Anh.
Chuù yù: Chæ coù nhieät ñoä tuyeät ñoái Kelvin môùi laø thoâng soá traïng
thaùi. Ngoaøi 3 thang nhieät ñoä treân coøn coù thang nhieät ñoä
Rankin, song ôû Vieät Nam khoâng phoå bieán. 2. AÙp suaát:
1) Ñònh nghóa: AÙp suaát laø löïc taùc duïng thaúng ñöùng leân beà maët
cuûa moät vaät treân moät ñôn vò dieän tích beà maët vaät ñoù.
AÙp suaát naøy goïi laø aùp suaát tuyeät ñoái.
AÙp suaát theo thuyeát ñoäng hoïc phaân töû: AÙp suaát laø moät ñaïi
löôïng thoáng keâ trung bình, tyû leä thuaän vôùi ñoäng naêng
chuyeån ñoäng tònh tieán trung bình cuûa caùc phaân töû chaát khí. m w . 2 p   . n . 3 Vôùi:
p - aùp suaát tuyeät ñoái [p] = [p 2 a] = 1N/m = 1Pa,
- heä soá tyû leä, phuï thuoäc vaøo kích thöôùc baûn thaân phaân
töû, löïc taùc duïng töông hoå giöõa caùc phaân töû. Khi aùp suaát
caøng nhoû, nhieät ñoä caøng taêng thì
 1. Ñoái vôùi khí lyù töôûng thì =  1.
2) Caùc theå loaïi aùp suaát vaø caùc ñôn vò aùp suaát thoâng duïng 10
 Caùc theå loaïi aùp suaát:
- AÙp suaát do khí quyeån gaây neân ñöôïc kyù hieäu laø pk hoaëc B.
Duïng cuï ño laø baroâmet (barometer).
- Neáu aùp suaát tuyeät ñoái p > pk thì haøm soá pd = p - pk goïi laø
aùp suaát dö. Duïng cuï ño goïi laø manoâmet (manometer hoaëc gauge).
- Neáu aùp suaát tuyeät ñoái p < pk thì hieäu soá pc k = pk - p goïi laø
ñoä chaân khoâng. Duïng cuï ño goïi laø chaân khoâng keá (vacuometer).
Chuù yù: Chæ coù aùp suaát tuyeät ñoái môùi laø thoâng soá traïng thaùi cuûa vaät.
 Caùc ñôn vò ño aùp suaát thoâng duïng: goàm Pa, kPa, Mpa,
aùtmoátphe kyõ thuaät (at, kgf/cm2, kg/cm2), mmH2O, mmHg, psi.
Baûng 2: Caùc ñôn vò aùp suaát. Pa at mmH2O mmHg Pa 1 1,01972. 0,10197 7,5024. 10-5 2 10 -3 at (kgf/cm2, 0,980665. 1 104 735,559 kG/cm2) 105 mmH2O 9,80665 10-4 1 735,559. 10-4 mmHg 133,322 1,35951. 13,5951 1 10-3 1 bar = 105 P a 11 m 4 . 0 5 k 4 g 8 , 9 . 0665 p 1 oundg . 2 N s p 1 si     inch2  5 , 2 c 4  6 , 0 9 0 , 0 6 b 9 ar m 2 cm2
Löu yù: Khi ño aùp suaát baèng chieàu cao coät thuûy ngaân vôùi ñoä
chính xaùc lôùn caàn phaûi qui veà ñieàu kieän nhieät ñoä 0oC vì coù söï
thay ñoåi theå tích cuûa thuûy ngaân theo nhieät. Coâng thöùc qui ñoåi nhö sau:
h(0oC) = h(t). (1- 0,000172.t)
Vôùi h(0oC): chieàu cao coät thuûy ngaân ôû 0oC.
h(t): chieàu cao coät thuûy ngaân ôû nhieät ñoä t (oC). 3. Theå tích rieâng
1) Ñònh nghóa: Theå tích rieâng laø theå tích ñöôïc chieám bôûi 1
ñôn vò khoái löôïng cuûa vaät. V Coâng thöùc: v  , m3/kg G
Vôùi: v laø theå tích rieâng cuûa vaät, thoâng thöôøng ño baèng m3/kg.
V laø theå tích vaät theå (m3)
G laø khoái löôïng rieâng vaät theå (kg) 2) Caùc ñôn vò khaùc:
Ñôn vò ngöôïc vôùi theå tích rieâng laø maät ñoä hoaëc khoái löôïng rieâng  : G 1    , (kg/m3) V v
Ñoâi khi ngöôøi ta coøn söû duïng ñôn vò tyû troïng rieâng cuûa vaät:   g, (N/m3) 12
vôùi g = 9,80665 (m/s2) laø gia toác troïng tröôøng 4. Noäi naêng
Noäi naêng U1 ñöôïc tính theo coâng thöùc sau: U  U  U 1 ñ t ; J Trong ñoù:
 Uñ: naêng löôïng cuûa chuyeån ñoäng quay, chuyeån ñoäng tònh
tieán, dao ñoäng cuûa caùc phaàn töû, naêng löôïng caùc dao ñoäng noäi phaân töû …
 Ut: theá naêng lieân keát caùc phaân töû, noäi phaân töû, noäi nguyeân
töû, naêng löôïng caùc ñaùm maây ñieän töû …
Trong caùc quaù trình maø nhieät ñoäng hoïc nghieân cöùu ta
khoâng quan taâm ñeán giaù trò thöïc cuûa noù maø chæ quan taâm ñeán
ñoä bieán thieân noäi naêng U. Do ñoù ngöôøi ta loaïi boû giaù trò naêng
löôïng khoâng ra khoûi giaù trò noäi naêng vaø tính noäi naêng hoaøn
toaøn theo noäi nhieät naêng:U =U1
Ta seõ goïi noäi naêng laø noäi nhieät naêng, kyù hieäu laø U, [U] =
J, noäi naêng rieâng cho 1kg: U u 
(J/kg) (cuõng ñöôïc goïi laø G noäi naêng cho goïn).
ÔÛ moät soá nöôùc coøn duøng caùc ñôn vò khaùc nhö: Btu (British
thermal unit), Chu (Centigrade heat unit):
1 Btu = 1,055 kJ; 1 kJ = 0,527 Chu; 1 kW.h = 3,6 MJ
1 Btu/h = 0,2931 W = 3,93 x 104 HP (Horse power)
1 Cal = 4,18 J = 3,968 Btu; 1 HP = 745,7 W
ÔÛ moãi traïng thaùi cuûa heä noäi naêng coù giaù trò xaùc ñònh, moãi
thay ñoåi giaù trò cuûa noäi naêng ñeàu laøm cho traïng thaùi cuûa heä
thay ñoåi. Bôûi vaäy noäi naêng laø thoâng soá traïng thaùi thöù tö sau p, 13
v, T. Do khoâng theå ño tröïc tieáp ôû heä neân phaûi xaùc ñònh qua
caùc thoâng soá traïng thaùi khaùc nhö p, v, T neân ta goïi noäi naêng laø haøm soá traïng thaùi.
Caùc tính chaát cuûa noäi naêng:
Söï thay ñoåi noäi naêng khoâng phuï thuoäc vaøo ñaëc ñieåm cuûa
quaù trình nhieät ñoäng hoïc maø chæ phuï thuoäc vaøo traïng thaùi ñaàu vaø cuoái cuûa heä u
  u  u  f(p ,v ,T )  f(p ,v ,T ) 1 2 2 2 2 1 1 1
Ñoái vôùi quaù trình kín ta coù:u  0
Noäi naêng laø moät haøm soá vi phaân toaøn phaàn: du , p v  u    u  dp      dv   p     v  v p d  u , v   u    u T    dv      dT  v   T  T  v  d  u , T p  u    u    dT    dp  T     p T p  
Noäi naêng cuûa heä coù tính coäng ñöôïc, nghóa laø noäi naêng cuûa n
heä baèng toång noäi naêng taát caû caùc vaät thuoäc heä: U  U h  i i 1
vôùi n laø soá vaät thuoäc heä.
Khi nghieân cöùu söï thay ñoåi naêng löôïng giöõa heä vaø moâi
tröôøng xung quanh ta chæ quan taâm ñeán söï thay ñoåi noäi naêng u
 maø khoâng quan taâm ñeán giaù trò tuyeät ñoái cuûa noäi naêng. Do
ñoù ta coù theå qui öôùc choïn moät thoâng soá naøo ñoù cuûa heä laøm goác
tính toaùn, taïi ñoù ta coù u = 0. Thoâng thöôøng choïn goác ôû t =0oC. 14
Nhö vaäy ta coù: u< 0 khi t< 0oC. 5. Enthalpy
Ta coù naêng löôïng toaøn phaàn cuûa vaät E baèng toång ngoaïi
naêng W vaø noäi naêng U cuûa vaät:
E  U  U  W  W  ñ t ñ t
Khi heä ôû moâi tröôøng xung quanh maø moâi tröôøng xung
quanh coù aùp suaát p, heä chieám moät theå tích V thì theo löïc ñaåy
Acsimet, heä phaûi toán moät naêng löôïng baèng p.V ñeå thaéng laïi
aùp suaát cuûa moâi tröôøng xung quanh. Ñaây laø moät thaønh phaàn
cuûa ngoaïi theá naêng Wt. Ña soá caùc tröôøng hôïp maø nhieät ñoäng
hoïc nghieân cöùu coù ngoaïi ñoäng naêng Wñ thay ñoåi khoâng ñaùng
keå (ngoaïi tröø chuyeån ñoäng cuûa doøng khí), do ñoù Wñ = const.
Ngoaïi theá naêng tröôøng haáp daãn thay ñoåi khoâng ñaùng keå
(ngoaïi tröø chuyeån ñoäng cuûa doøng khí), do ñoù Whd  . t const
Do ñoù phaàn thay ñoåi cuûa naêng löôïng toaøn phaàn E laø p.V+U.
Do ta chæ quan taâm ñeán phaàn thay ñoåi cuûa E trong caùc quaù
trình nhieät ñoäng hoïc neân ta coù theå vieát E = U + p.V, J
Toång treân ñöôïc goïi laø enthalpy, kyù hieäu H (hoaëc I) ñôn vò
ño J, enthalpy rieâng (thöôøng ñöôïc goïi ngaén goïn laø enthalpy): H h   u  v . p , J/kg G
YÙ nghóa vaät lyù cuûa enthalpy:
Tích p.V laø naêng löôïng beân ngoaøi cuûa heä. Enthalpy laø
naêng löôïng toaøn phaàn cuûa heä.
ÔÛ moãi traïng thaùi cuûa heä h chæ coù moät giaù trò xaùc ñònh, moãi
thay ñoåi giaù trò cuûa enthalpy ñeàu laøm cho heä thay ñoåi traïng 15
thaùi, enthalpy laø thoâng soá thöù naêm cuûa heä sau p, v, T, u. Do
khoâng theå xaùc ñònh h tröïc tieáp ôû heä maø phaûi xaùc ñònh qua p, v,
T, u neân h ñöôïc goïi laø haøm soá traïng thaùi. Tính chaát cuûa enthanpy
Söï thay ñoåi cuûa h khoâng phuï thuoäc vaøo quaù trình nhieät
ñoäng hoïc maø chæ phuï thuoäc vaøo thoâng soá ñaàu vaø thoâng soá cuoái
cuûa heä H H f(p ,v ,T ,u )f(p ,v ,T,u ) 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1
Enthalpy laø 1 haøm vi phaân toaøn phaàn n
Enthalpy cuûa heä coù tính coäng ñöôïc:H  H h  i vôùi n laø i1 soá vaät thuoäc heä.
Choïn ñieåm goác tính toaùn: ñieåm goác cuûa enthalpy ñöôïc
choïn tuøy yù, thoâng thöôøng nhö ñieåm goác cuûa noäi naêng u: h(t=0oC)=0 J/kg,
ñoái vôùi caùc saûn phaåm laïnh ñoâng ñieåm goác thöôøng laáy laø t = - 40oC: h(t=-40oC)=0 J/kg, 6. Entropy
Khi tính toaùn caùc chu trình nhieät, caùc quaù trình nhieät
ñoäng hoïc ngöôøi ta hay gaëp tyû soá Q vôùi Q laø nhieät löôïng caáp T
cho heä. Ñeå thuaän tieän cho tính toaùn ngöôøi ta ñöa ra moät ñaïi
löôïng môùi laø entropy ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc: dQ dS  T (J/ñoä)
Vôùi dQ laø nhieät löôïng nguyeân toá caáp cho heä ôû nhieät ñoä T 16 Ta coù dQ S  S S 2  1   T 12
Entropy cho 1 kg tính theo coâng thöùc sau: S J s  ; . G kg K .
YÙ nghóa vaät lyù: Haøm entropy laø haøm xaùc suaát toàn taïi cuûa heä,
trò soá S caøng cao thì khaû naêng toàn taïi cuûa heä caøng lôùn
Goác tính toaùn: Tuyø choïn, thoâng thöôøng hay choïn cuøng goác cuûa h vaø u ôû 0oc
Entropy laø thoâng soá thöù saùu cuûa heä sau p, v, t, u, h.
Caùc tính chaát cuûa haøm soá traïng thaùi entropy nhö h vaø u.
1.2 Phöông trình traïng thaùi cuûa chaát khí:
1.2.1 Phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng:
a) Ñònh nghóa: Khí lyù töôûng laø chaát khí ñöôïc caáu taïo bôûi caùc phaân töû coù:
- Theå tích caùc phaân töû baèng 0, khoái löôïng phaân töû taäp trung vaøo moät chaát ñieåm.
- Khoâng coù caùc löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû vôùi nhau,
ngoaïi tröø löïc va ñaäp theo ñònh luaät ñaøn hoài tuyeät ñoái.
b) Phöông trình traïng thaùi: Phöông trình Clapeâroân (Clapeyron). V M G  P T R 7
Hình 3: Phöông trình traïng thaùi.
 Phöông trình traïng thaùi cuûa heä: p.V=G.R.T=MRT Vôùi: 3
- V laø theå tích chaát khí (m ).
- p laø aùp suaát chaát khí (Pa).
- G laø khoái löôïng chaát khí (kg).
- R laø haèng soá chaát khí (cho 1 kg); (J/(kg.ñoä)).
- T laø nhieät ñoä chaát khí (K).
- M laø soá kmol cuûa heä, kmol.
- R laø haèng soá phoå bieán chaát khí (cho 1 kmol); (J/(kmol.ñoä)).
Ta coù: R=8314J/(kmol.ñoä)=2kCal/(kmol.ñoä); R=R/; M=G/.
-  laø khoái löôïng 1kmol, kg/kmol
 Phöông trình traïng thaùi cho 1 kg: p.v=R.T
 Phöông trình traïng thaùi cho 1 kmol: V . p  (J/kmol).  R T .  8314 T . Vôùi: V 3
 laø theå tích 1 kmol chaát khí (m /kmol).
1.2.2 Phöông trình traïng thaùi khí thöïc:
a) Ñònh nghóa: Khí thöïc laø chaát khí ñöôïc caáu taïo bôûi caùc phaân töû coù:
- Theå tích caùc phaân töû Vp > t 0.
- Giöõa caùc phaân töû coù caùc löïc töông taùc raát phöùc taïp.
b) Phöông trình traïng thaùi:
Do khí thöïc khaùc vôùi khí lyù töôûng neân khi aùp duïng phöông
trình Clapeâroân- Meñeânleâev seõ coù sai soá, trong nhieàu tröôøng 18
hôïp caùc sai soá khaù lôùn.
Naêm 1887 Vanñecvan (Van der Waals) ñöa ra phöông
trình traïng thaùi cho khí thöïc döïa treân phöông trình traïng thaùi
cuûa khí lyù töôûng. Nhöõng khaùc bieät cuûa khí thöïc so vôùi khí lyù
töôûng ñöôïc Vanñecvan tính ñeán baèng caùch ñöa vaøo phöông
trình traïng thaùi khí lyù töôûng caùc ñaïi löôïng hieäu chænh.
Phöông trình traïng thaùi khí thöïc Vanñecvan cho 1 kg ñöôïc vieát nhö sau:  a        T  Trong ñoù:
a-heä soá hieäu chænh aûnh höôûng do löïc töông taùc giöõa caùc
phaân töû. Do coù löïc töông taùc neân löïc va ñaäp vaø soá laàn va
ñaäp giaûm, aùp suaát khí thöïc nhoû hôn aùp suaát khí lyù töôûng.
Ñaïi löôïng giaûm aùp naøy tyû leä thuaän vôùi soá phaân töû huùt vaø bò
huùt, nghóa laø tyû leä vôùi bình phöông maät ñoä: 2 a p   . a   2 v
b- heä soá hieäu chænh cho theå tích baûn thaân caùc phaân töû, b laø
theå tích caùc phaân töû coù trong 1 kg chaát khí öùng vôùi traïng
thaùi maø caùc phaân töû naøy coù theå ôû gaàn nhau nhaát.
Giaù trò cuûa a,b cho trong caùc soå tay kyõ thuaät ñoái vôùi caùc chaát khí thoâng duïng.
Töø phöông trình traïng thaùi khí thöïc treân ta suy ra: khi aùp
suaát p thaáp, T cao thì v lôùn, do ñoù a  0, b  0  v-b  v. v v
Phöông trình traïng thaùi khí thöïc chuyeån daàn veà phöông trình 19
traïng thaùi khí lyù töôûng. Do ñoù ôû caùc vuøng p thaáp, T cao ta
duøng phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng ñeå tính cho khí thöïc.
1.2.3 Phöông trình traïng thaùi khí thöïc gaàn vuøng 2 pha
(phöông trình traïng thaùi hôi):
Nhöõng vuøng gaàn traïng thaùi 2 pha xaûy ra hieän töôïng
phaân ly vaø keát hôïp cuûa caùc phaàn töû khí (loûng  hôi). Do ñoù
phöông trình Vanñecvan aùp duïng cho vuøng naøy seõ gaëp sai soá.
Naêm 1939 M.P Vukaloâvich- I.L Noâvickoáp ñöa ra
phöông trình traïng thaùi khí thöïc gaàn ñuùng 2 pha nhö sau:  a   , p  v  b  R T .  m 1 1 .  c T . 5 2  v  Vôùi:
a, b laø caùc heä soá hieäu chænh Vanñecvan
c, m laø caùc heä soá boå sung, xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm cho töøng loaïi khí.
Ñoái vôùi hôi nöôùc thì phöông trình Vukanoâvich- Noâvickoâp ñeán nay laø chính xaùc nhaát.
1.3 Hoãn hôïp khí lyù töôûng:
1.3.1 Khaùi nieäm ñôn chaát vaø hoãn hôïp:
- Ñôn chaát laø chaát ñöôïc caáu taïo töø caùc phaân töû gioáng heät nhau.
- Hoãn hôïp laø taäp hôïp cuûa moät soá ñôn chaát, caùc ñôn chaát naøy
khoâng tham gia caùc phaûn öùng hoaù hoïc vôùi nhau.
1.3.2 Caùc tính chaát cô baûn cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng:
1) Khoái löôïng cuûa hoãn hôïp Gh baèng toång khoái löôïng caùc ñôn 20