TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KINH TẾ KỸ THUẬT VINATEX

GIÁO TRÌNH

Mơn học: KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số : MH08
Nghề
: Hóa nhuộm
Trình độ: Cao đẳng nghề

Tài liệu lưu hành nội bộ


1

LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình mơn học” kỹ thuật nhiệt” được rất nhiều tác giả trong và ngồi
nước viết, nói chung nội dung cơ bản là nh nhau. Môn học” Kỹ thuật nhiệt” là
môn học cơ sở tại các trường Đại học, cao đẳng học. Tùy theo chương trình
khung đào tạo của các trường mà môn học được dạy theo nội dung và số tiết học
khách nhau. Giáo trình kỹ thuật nhiệt này được dùng chủ yếu cho sinh viên các
lớp cao đẳng nghề hóa nhuộm. Giáo trình này được biên soạn trên cơ sở sinh
viên phân biệt, hiểu rõ các phần nhiệt học trong chương trình phổ thơng và mơn
học vật lý, tốn học, hóa học qua các chương theo chương trình khung của mơn
học.
Giáo trình gồm 45 giờ: Bao gồm 7 chương
Chương 1: Những khái niệm cơ bản – Nhiệt dung riêng
Chương 2: Định luật nhiệt động I và các q trình nhiệt động cơ bản của chất khí
Chương 3: Định luật nhiệt động II và các chu trình nhiệt động
Chương 4: Quá trình lưu động và tiết lưu của khí và hơi

Chương 5: Hơi nước và khơng khí ẩm
Chương 6: Các phương thức trao đổi nhiệt
Chương 7: Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
Tôi đã cố gắng nghiên cứu, kế thừa kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm của
bản thân, của các bạn đồng nghiệp, cũng nh tham khảo nhiều tài liệu trong q
trình biên soạn, nhưng khó tránh khỏi thiếu sót, những ý kiến đóng góp của bạn
đọc xin gửi về địa chỉ: Bộ mơn cơ khí chế tạo sửa chữa, Khoa cơ khí, Trường
cao đẳng nghề kinh tế kỹ thuật Vinatex Nam Định
Email:
Xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, tháng 10 năm 2011
Giáo viên biên soạn
Bùi Minh Thành


2
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN – NHIỆT DUNG RIÊNG 6
1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN................................................................................ 6
1.1.1. Công và nhiệt....................................................................................... 6
1.1.2. Môi chất và các thông số trạng thái .................................................... 8
1.1.3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng................................... 11
1.1.4. Hỗn hợp khí lý tưởng ........................................................................ 13
1.1.5. Phương trình trạng thái của khí thực ................................................. 13
1.2. NHIỆT DUNG RIÊNG ............................................................................. 14
1.2.1. Định nghĩa ......................................................................................... 14
1.2.2. Phân loại ............................................................................................ 14
1.2.3. Mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ ................................ 15
1.2.6. Các loại công ..................................................................................... 18
CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC Q TRÌNH

NHIỆT ĐƠNG CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ
21
2.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I ................................................................. 21
2.1.1. Những khái niệm cơ bản ................................................................... 21
2.1.2. Phương trình nhiệt động I ................................................................. 21
2.1.3. Ứng dụng của định luật nhiệt động I ................................................. 22
2.2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ LÝ
TƯỞNG ........................................................................................................... 22
2.2.1. Khái niệm chung ............................................................................... 22
2.2.2. Biến thiên nội năng entanpi của khí lý tưởng trong mỗi quá trình ... 23
2.2.3. Quá trình đẳng tích ............................................................................ 23
2.2.4. Q trình đẳng áp .............................................................................. 24
2.2.5. Quá trình đẳng nhiệt .......................................................................... 26
2.2.6. Quá trình đoạn nhiệt .......................................................................... 27
2.2.7. Quá trình đa biến ............................................................................... 28
CHƯƠNG 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II VÀ CÁC CHU TRÌNH
NHIỆT ĐỘNG
32
3.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II ................................................................ 32
3.1.1. Nội dung ............................................................................................ 32
3.1.2. Các cách phát biểu của định luật nhiệt động II ................................. 32
3.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG.................................................................... 33
3.2.1. Khái niệm cơ bản............................................................................... 33
3.2.2. Chu trình Carnot ................................................................................ 34
3.2.3. Chu trình động cơ đốt trong .............................................................. 36
3.2.4. Chu trình thiết bị lạnh........................................................................ 38
3.2.5. Chu trình RANKINE ......................................................................... 39
CHƯƠNG 4: Q TRÌNH LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU CỦA KHÍ VÀ
HƠI
41

4.1. Q TRÌNH LƯU ĐỘNG ....................................................................... 41
4.1.1. Những khái niệm cơ bản ................................................................... 41


3
4.1.2. Các công thức cơ bản về lưu động .................................................... 42
4.2. QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU .......................................................................... 45
4.2.1. Định nghĩa ......................................................................................... 45
4.2.2. Đặc điểm của quá trình tiết lưu ......................................................... 45
4.2.3. Hiệu ứng Joule - Thomson ................................................................ 45
CHƯƠNG 5: HƠI NƯỚC VÀ KHƠNG KHÍ ẨM
47
5.1. HƠI NƯỚC............................................................................................... 47
5.1.1. Khái niệm .......................................................................................... 47
5.1.2. Q trình hóa hơi đẳng áp của hơi nước ........................................... 48
5.2. KHƠNG KHÍ ẨM .................................................................................... 49
5.2.1. Các khái niệm cơ bản ........................................................................ 49
5.2.2. Đồ thị I-d của khơng khí ẩm ............................................................. 53
CHƯƠNG 6: CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ĐỔI NHIỆT
56
6.1. TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG DẪN NHIỆT ................................................ 56
6.1.1. Khái niệm cơ bản .............................................................................. 56
6.1.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng .................................................... 58
6.1.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ ......................................................... 61
6.2. TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG ĐỐI LƯU ..................................................... 61
6.2.1. Khái niệm cơ bản .............................................................................. 61
6.2.2. Công thức Newton về cấp nhiệt ........................................................ 62
6.3. TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG BỨC XẠ NHIỆT.......................................... 63
6.3.1. Khái niệm cơ bản .............................................................................. 63
6.3.2. Các định luật cơ bản về bức xạ ......................................................... 65

CHƯƠNG 7: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
68
7.1. TRUYỀN NHIỆT ..................................................................................... 68
7.1.1. Khái niêm chung ............................................................................... 68
7.1.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng ............................................................. 69
7.1.3. Truyền nhiệt qua vách trụ ................................................................. 70
7.2. THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT .................................................................... 71
1. Định nghĩa ............................................................................................... 71
2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt ............................................................... 71
BẢNG CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
76


4
MƠN HỌC KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số mơn học: MH08
I. Vị trí, tính chất của mơn học
Thuộc nhóm các mơn cơ sở ngành vì vậy phải học trước các mơn chun
ngành và chuyên sâu của ngành. Môn học bao gồm lý thuyết và kiểm tra.
II. Mục tiêu môn học
 Hiểu các kiến thức cơ bản về nhiệt dung riêng, định luật nhiệt, nhiệt động I &
II, các quy luật biến đổi năng lượng trong các quá trình nhiệt, những khái niệm
cơ bản về hơi nước và khơng khí ẩm, q trình lưu động và tiết lưu của khí hoặc
hơi..v..v..
 Vận dụng được các quá trình nhiệt động vào trong thực tế sản xuất tại các nhà
máy nhuộm;
 Tự giác học tập, rèn luyện nâng cao trình độ nhằm đáp ứng được nhu cầu của
doanh nghiệp.

III. Nội dung môn học
Mã
chương

Thời gian
Tên chương/mục

Tổng
số

Lý
thuyết

4

4

6

6

5

4

3

3

MH08-05 Hơi nước và khơng khí ẩm


3

3

MH08-06 Các phương thức trao đổi nhiệt

4

4

Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi
nhiệt

5

4

1

30

28

2

MH08-01

Những khái niệm cơ bản – Nhiệt
dung riêng


Định luật nhiệt động I và các q
trình nhiệt động cơ bản của chất khí
Định luật nhiệt động II và các chu
MH08-03
trình nhiệt động
Quá trình lưu động và tiết lưu của
MH08-04
khí và hơi
MH08-02

MH08-07

Cộng

Thực
hành

Kiểm
tra

1


5
IV. u cầu về đánh giá hồn thành mơn học
Mơn học có thời gian học là 30 giờ, áp dụng hình thức kiểm tra viết hoặc
vấn đáp bằng các câu tự luận hoặc trắc nghiệm gồm: 2 bài kiểm tra định kỳ và 1
bài kiểm tra hết môn, nội dung tập trung vào kiến thức của các chương sau:
- Nội dung bài kiểm tra định kỳ thứ nhất:

+ Các khái niệm cơ bản của các thông số trạng thái, nhiệt dung riêng
+ Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
+ Định luật nhiệt động I, II và phương trình định luật nhiệt động I, II
+ Các bài tập ứng dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng và định
luật nhiệt động I, II
- Nội dung bài kiểm tra định kỳ thứ hai:
+ Các khái niệm và quá trình lưu động và tiết lưu của khí và hơi
+ Các khái niệm về hơi nước và khơng khí ẩm
+ Các phương thức trao đổi nhiệt
+ Truyền nhiệt và các thiết bị trao đổi nhiệt
+ Các bài tập ứng dụng
- Nội dung bài kiểm tra kết thức môn học
+ Các kiến thức về phương trình trạng thái
+ Bài tập ứng dụng của định luật nhiệt động I, II
+ Các kiến thức và bài tập về truyền nhiệt và trao đổi nhiệt


6
CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN – NHIỆT DUNG RIÊNG
Mã chương: MH08-01
Giới thiệu:
Nội dung chương này đề cập đến các vấn đề sau:
- Các khái niệm cơ bản của các thông số trạng thái như: Nhiệt độ, áp suất,
thể tích …Giúp học sinh hiểu và nắm bắt được khái niệm, ý nghĩa và tính chất
của các thơng số.
- Các dạng cơ bản của phương trình trạng thái viết cho khí lý tưởng và khí
thực.
- Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt dung riêng của mơi chất.
Mơc tiªu:
- Trình bày được những khái niệm cơ bản về: công và nhiệt, mơi chất,

thơng số trạng thái, phương trình trạng thái, nhiệt dung riêng..
- Biết được mối liên quan của những khái niệm trên đến q trình sản
xuất nhuộm hồn tất.
Nội dung chớnh
1.1. KHI NIM C BN
1.1.1. Cụng v nhit
- Công và nhiệt là các đại l-ợng vật lý phụ thuộc vào quá trình và là dạng
năng l-ợng. Vì chúng có thể biến đổi một dạng năng l-ợng này sang dạng năng
l-ợng kh¸c.

1kJ = 103 J
1MJ = 106 J
1J = 0,24 cal; 1KJ = 0,24 Kcal
* Nhiệt được ký hiệu là chữ ( Q ) . Nhiệt mà vật nhận vào mang dấu dương Q>0
Nhiệt mà vật nhả ra mang dấu âm Q < 0
* Nhiệt


7

* Công được ký hiệu là chữ ( L ) . Công mà vật sinh ra mang dấu dương L>0
Công mà vật nhận mang dấu âm L < 0
* Quy đổi các đơn vị


8
1kJ = 103 J
1MJ = 106 J
1J = 0,24 cal; 1KJ = 0,24 Kcal; 1kPa = 103 Pa ; 1MPa = 106 Pa
1 Pa= 1 N/m2 = 10-5 bar =


1
105
at =
mmH2O
0.981
0.981

1000 lít = 1 m3
1bar = 750 mm Hg = 105 N/m2
1 at = 0,981 bar = 0,981 105 N/m2
1at = 735,5 mm Hg = 10 m H2O
1.1.2. Môi chất và các thông số trạng thái
a) Môi chất
Là chất dùng để thực hiện những biến đổi giữa nhiệt và công trong các máy
nhiệt. Môi chất thường thể hiện ở 3 thể cơ bản, thể khí, thể rắn, thể lỏng vì
Trong các máy nhiệt môi chất thường dùng ở thể lỏng, thể hơi, Vì chúng có
khả năng co giãn thuận tiện cho việc sinh cơng.
* Khí thực: phân tử của nó có khối lượng, kích thước nhất định, giữa các
phân tử có lực tác dụng tương hỗ.
* Khí lý tưởng. Khối lượng, kích thước phân tử vơ cùng bé, có thể bỏ qua,
giữa các phân tử khơng có lực tác dụng tương hỗ
Trong thực tế. Khơng khí, hydro, oxy.. là khí lý tưởng. Hơi nước, cacbonnic,
amơniac.. là khí thực
Máy nhiệt: là thiết bị thực hiện q trình chuyển hố gữa nhiệt năng và cơ
năng ở hai nguồn nhiệt: Nguồn nóng có nhiệt T1 và nguồn lạnh có nhiệt T2
Máy nhiệt được chia thành hai nhóm
+ Động cơ nhiệt
+ Máy lạnh và bơm nhiệt
Trạng thái


b) Hệ nhiệt động


9
Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tác riêng ra khỏi các vật
khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Những vật ngồi hệ
gọi là môi trường.
Hệ nhiệt động được tác ra làm nhiều loại
- Hệ kín: là hệ trong đó trọng tâm của hệ khơng chuyển động hoặc có
chuyển động nhưng với tốc độ nhỏ mà ta hồn tồn có thể bỏ qua động năng của
chúng.
Ví dụ: Chất khí chứa trong bình kín là một hệ kín vì trọng tâm của khối
khí khơng chuyển động , khối lượng khí khơng đổi và khí khơng thốt ra khỏi
bình.
Hơi nước trong một chu trình động lực hơi nước (hơi nước khơng thốt ra
ngồi).
- Hệ hở: là hệ trong đó trong tâm của hệ có chuyển động, khối lượng của
hệ thay đổi và môi chất đi qua bề mặt ranh giới giữa hệ và mơi trường.
Ví dụ: Tuabin (hơi hoặc khí) , máy nén khí là hệ hở vì lượng khí trong xilanh
thay đổi khi đi vào và ra khỏi xilanh.
- 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.
c) 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
trạng thái nhất định nào đó. Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng
thái mà khơng phụ thuộc vào q trình. Nừu mơi chất biến đổi rồi trở về trạng
thái ban đầu, các giá trị thông số trạng thái sẽ không đổi.
(1) Thể tích riêng
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng

Ký hiệu v và xác định bằng biểu thức
v

V
: m3 / kg
G

Trong đó V - Thể tích của vật thể (m3)
G – Khối lượng của vật (kg)
Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng
Ký hiệu là 


10
(2) áp suất
- áp suất là lực tác dụng của các phân tử theo ph-ơng pháp tuyến lên một đơn
vị diện tích . Thành bình chứa khí hoặc chất lỏng đó.
-áp suất đ-ợc ký hiệu là p
p

F
: N / m2
S

Trong đó F Lực tác dụng của các phân tử khí hoặc chất lỏng (N)
S -Diện tích thành bính ( m2 )
Đơn vị đo áp suất là N/m2 hay Pa (Pasal) vµ bar
Ta cã 1bar = 105 N/m2 ; 1kPa = 103 Pa ; 1MPa = 106 Pa
1bar = 750 mm Hg
1 at = 0,981 bar = 0,981 105 N/m2

1at = 735,5 mm Hg = 10m H2O
Mối quan hệ áp suất pdư = p– p0
Pck = po – p
(3) NhiÖt ®é

Là mức độ trạng thái nhiệt (nóng, lạnh) của vật. Theo thuyết động học
phân tử nhiệt độ là số đo động năng của các phân tử
Dụng cụ đo nhiệt độ gọi chung là nhiệt kế.
Thường dùng hai thang nhiệt độ để xác định nhiệt độ.
- Nhiệt độ bách phân (Celsius) ký hiệu là ( t 0C )
Trong thang độ bách phân 00 C ứng với nhiệt độ nước đá đang tan và 1000
C ứng với nhiệt độ nước sôi. Tất cả đều ở áp suất P = 760 mmHg
- Nhiệt độ tuyệt đối; (Kelvin) (0K) ký hiệu T


11
T = 273,15 + t0 C = 273 + t0C
(4 ) Nội năng
Do các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng, động
năng phân tử phụ thuộc vào vận tốc của phân tử.
Trong nhiệt động lực học người ta gọi tổng nội động năng và nội thế năng của
các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của vật
Nội năng của vật được kớ hiệu bằng chữ đơn vị của nội năng là jun (J).
Nội động năng: Do chuyển động của các phân tử nguyên tử gây ra nên nó phụ
thuộc vào nhiệt độ
Nội thế năng: Do lực tác dụng tương hộ gữa các phân tử tạo ra nên nó phụ
thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử hay thể tích riêng
Vậy nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích u = u (T)
Đối với các khí lý tưởng trong mọi q trình biến đổi nội năng được xác định
bằng biểu thức

du = Cv dT và u = Cv (T2 - T1)
Trong đó Cv Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích
Trong q trình nhiệt động ta chỉ cần biết giá trị biến đổi nội năng u mà không
cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng
(5 ) Entanpi
Entanpi được ký hiệu I (J) i (J/kg) được định nghĩa bằng biểu thức
I = U +pV và i = u + pv
Entanpi có cả trong hệ kín lẫn hệ hở. cần lưu ý tích số pv (hay pV) trong
hệ kín khơng mang ý nghĩa là năng lượng đẩy. Ngược lại trong hệ hở vì D = pV
hay d = pv nên ta có thể viết
I = U+D hay i = u + d
Entanpi cđa c¸c khÝ khí thực cũng giống như nội năng là hàm phụ thuộc
vào hai trong 3 thông số trạng thái cơ bản p, v , T .
Riêng đối với khí lý tưởng entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ : i = f(T) và
biến đổi entanpi trong mọi chu kỳ đều xác định bằng biểu thức
di = Cp . dT ; i = i2 - i1 = Cp . (T2 - T1)
Cp : nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp
1.1.3. Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng được xây dựng trên cơ sở định luật
Bơi-mariốt, Gay-Luyxắc đối với khí lý tưởng
- Phương trình trạng thái viết cho 1 kg khí lý tưởng
pv = RT
p – Áp suất tuyệt đối của môi chất (N/m2)
v – Thể tích riêng của mơi chất (m3/kg)


12
R – Hằng số chất khí nào đó R = 8314/ (J/kg 0K)
 - khối lượng riêng của một kmol chất khí , có giá trị bằng phân tử gam của
chất khí đó (kg/kmol)

- Phương trình trạng thái viết cho G kg khí lý tưởng
pV = GRT
V = v .G – thể tích của G kg khí lý tưởng
- Phương trình trạng thái viết cho 1 kmol khí lý tưởng
pV = RT
V = .v – thể tích của 1 kmol khí lý tưởng (m3/kmol)
R = .R = 8314 (J/ kmol.0K) – Là hằng số phổ biến của mọi môi chất ở điều
kiện tiêu chuẩn.
p0 .V 0 22,4.103.105

 8314 (J/ kmol.0K)
R =
T0
273
- Phương trình trạng thái viết cho M kmol khí lý tưởng
pV = M.RT = 8341 MT
V = M V - Thể tích của M kmol
VD1: Xác định thể tích riêng, khối lượng riêng của khí N2 ở
a) Điều kiện tiêu chuẩn vật lý
b) Điều kiện pdư = 0,2 at , t = 127 0C.
Biết áp suất khí quyển 760 mm Hg
Lời giải:
a) ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý p0 = 760 mm Hg, t0 = 00C, thể tích v0 Từ
p0.v0 = RT0 => v0 

phương trình trạng thái ta có

-Hằng số chất khí được xác định R = R. 
 R = R /  = 8314 / 28. (J/kg 0K)


- T0 = 0 + 273 = 237 0K
- ta biết 1bar = 105 N/m2 = 750 mm Hg
ta có
p0 N/m2
= 760 mm Hg
p0 =
Thể tích riêng: v0 =

760 5
10 N / m 2
750

8314  273
 0,8 m3 / kg
760 5
28.
10
750

Khối lượng riêng  0 

1
1

 1,25 kg / m 3
v0 0,8

b) ở điều kiện pdư = 0,2 at , t = 127 0C
T = 127 + 273 = 400 0K




p.v  RT

RT0
p0


13

760 5
.10  0,2  0,98.105  1,21.105 N/m2
750
(vì 1 at = 0,98 bar)
8314 400
 0,98 m3 / kg
Thể tích riêng : v = RT/p =
5
28  1,21 10
1
1



 1,02 kg / m 3
Khối lượng riêng
v 0,98
Ví dụ 2 Tìm thể tích của 2 Kg khối khí O2 ở áp suất thực p = 4,157 bar, t = 47 0C
Lời giải
p.V =GRT

2  8314 (47  273)
 0,4 m3
 V = GRT/p =
5
32  4,157  10
p = p0 + pd =

1.1.4. Hỗn hợp khí lý tưởng
Trong thực tế thường gặp hỗn hợp có nhiều khí đơn
Ví dụ: - Khơng khí là hỗn hợp của N2, O2
- Sản phẩm cháy là hỗn hợp O2 , CO
Hỗn hợp của khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng nên cũng dùng các phương trình
trạng thái của khí lý tưởng nhưng phải xác định được các đại lượng tương đương
của hỗn hợp
- Phương trình trạng thái viết cho G kg hỗn hợp khí lý tưởng
pV = GRT
Nếu tách hỗn hợp khí theo phân áp suất (pi , T = Ti , V = Vi)
pi V = Gi Ri T
Nếu tách hỗn hợp khí theo phân thể tích (Vi , p = pi , T= Ti)
pVi = Gi Ri T
Các đại lượng có chỉ số “i” là của khí thành phần, khơng có chỉ số là của hỗn
hợp
1.1.5. Phương trình trạng thái của khí thực
Bằng lý thuyết người ta chỉ tìm được phương trình trạng thái của khí lý tưởng ở
các trạng thái cân bằng (như vừa trình bầy ở trên)
Nếu dùng các phương trình trên tính tốn cho khí thực thì tất nhiên có sai số.
Khi sai số này vượt quá giới hạn cho phép trong kỹ thuật, phương trình trạng
thái của khi lý tưởng khơng thể dùng cho khí thực được nữa mà ta phải dùng
phương trình trạng thái viết cho khí thực.
Đến nay bằng lý thuyết và thực nghiệm chúng ta chưa tìm được một phương

trình trạng thái dùng cho mọi khí thực mà chỉ tìm được phương trình đúng cho
một hoặc một nhóm khí ở những khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định
Ví dụ: Phương trình trạng thái đầu tiên của Wan-der-Walls

a

 p  2 (v  b)  RT (1.1.5 -1)
v 



14
Trong đó a, b là hệ số thực nghiệm(phụ thuộc vào từng loại khí )
Thực nghiệm này cho biết phương trình (1.1.5-1) chỉ đúng cho khí ở áp suất nhỏ
, thể tích lớn.
1.2. NHIỆT DUNG RIÊNG
1.2.1. Định nghĩa
- Nhiệt dung riêng của môi chất là nhiệt lượng cần để làm tăng nhiệt độ
của một đơn vị đo lường v ật chất lên một độ trong một q trình nào đó.
ở đây chúng ta nghiên cứu nhiệt dung riêng của môi chất ở dạng khí (hoặc
hơi) Nên nhiệt dung rêng phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất.
Nhiệt dung riêng được ký hiệu là C .
- Vì nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta có thể khái niệm nhiệt
dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình.
* Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng tại một nhiệt độ nào đó.
t

2
dq
C  và q   Cdt

dt
t

(1)

1

* Nhiệt dung riêng trung bình là nhiệt dung riêng trong một khoảng nhiệt độ
t = t2 - t1 nào đó chúng ta có

C

t2
q
q


t1 t2  t1 t

(2)

Từ 1 thay vào 2 ta có

t2 1 t 2
C 
Cdt
t1 t t
1

1.2.2. Phân loại

* Nhiệt dung riêng khối lượng: ký hiệu C (J/kg.0K)
khi đơn vị đo lường môi chất là kg, chúng ta có nhiệt dung riêng khối lượng.
* Nhiệt dung riêng thể tích. ký hiệu là C' (J/m3.0K).
Nếu đơn vị đo lường môi chất là mét khối tiêu chuẩn (ký hiệu m3) thì nhiệt dung
riêng được gọi là nhiệt dung riêng thể tích . mét khối tiêu chuẩn là mét khối ở
điều kiện tiêu chuẩn vật lý (p = 760 mm Hg ; t = 00C)
* Nhiệt dung riêng Kilômol. ký hiệu C = (J/kmol.0K), kilômol ký hiệu 
(kg/mol)
Nếu đơn vị đo lượng môi chất là Kilômol (kmol) nhiệt dung riêng được gọi là
nhiệt dung riêng kilơmol,
Ví dụ phân tử lượng của O2 là 32 vậy kilômol của O2 là o = 32 kg


15
Các mối quan hệ sau: C  C v tc 
'

C



Trong đó vtc - Thể tích riêng của mơi chất ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý (t = 00C ,
p0 = 760 mm Hg ) vtc (m3tc / kg)
* Nhiệt dung riêng đẳng áp. Trong quá trình nhận nhiệt xảy ra ở áp suất
khơng đổi . chúng ta có nhiệt dung riêng đẳng áp.
Cp - Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp
C’p - Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp
Cp - Nhiệt dung riêng kilômol đẳng áp
* Nhiệt dung riêng đẳng tích
Cv - Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích

C’v - Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích
Cv - Nhiệt dung riêng kilơmol đẳng tích
Trong khí lý tưởng C’p - Cv = R
(1.2.1 -1)
R - Hằng số chất khí
Trong nhiệt động thì tỉ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng
đẳng tích được biểu thị

Cp
Cv

K

(1.2.1 -2)

K gọi là số mũ đoạn nhiệt
giá trị của k đối với các khí lý tưởng cho trong bảng 1 .
từ biểu thức (1), (2) ta có Cv 

R
k 1

(1.2.1-3)

R
(1.2.1-4)
k 1
1.2.3. Mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ
Đối với khí lý tưởng, nhiệt dung riêng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ và
được xác định theo bảng 1 sau:

Cp  k

Kcal/kmol.0K
Loại khí

kJ/kmol.oK

Trị số K
Cv

Cp

Cv

Cp

Một nguyên tử

1,6

3

5

12.6

20.9

Hai nguyên tử


1,4

5

7

20.9

29.3

Ba hoặc nhiều nguyên tử

1,3

7

9

29.3

37.7

* Đối với khí thực, nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ . nhiệt dung riêng
trung bình được xác định bằng công thức sau:


16
t0
t
t 2 1 t2

1 2
C   Cdt  (  Cdt   Cdt )
t1 t t1
t t 0
t1

C
t
0

2
ở đây C ,C

t2 1
t
t
 (C 2 .t 2 C 1 .t 1)
t1 t
0
0

(1.2.3-1)

t1
là nhiệt dung riêng trung bình trong một khoảng nhiệt độ từ 0 – t1
0

và 0 – t2 được xác định trong các bảng số của phụ lục.
* Ví dụ1: Tìm nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp trung bình và nhiệt dung
riêng thể tích đẳng tích trung bình từ 2000C đến 8000C của khí N2

Lời giải:
Ta có thể giải bài tốn này theo cơng thức tổng qt tính nhiệt dung riêng trung
bình
t
t
t
1
C 2  (C 2 .t 2 C 1 .t 1)
t1 t
0
0
Từ bảng 2 phần phụ lục, nhiệt dung riêng trung bình phụ thuộc nhiệt độ, đối với
khí N2. ta có

C

t
0

= 1,024 + 0,00008855. t

(kJ/kg.K)

ở đây với t2 = 8000C; t1 = 2000C , ta có

t2
0 = 1,024 + 0,00008855.800 = 1,09484
t
C 1 = 1,024 + 0,00008855.200 = 1,04171
0

C

Vậy ta có:
Cp

t2
1

(1,09484.800  1,04171.200)  1,11255 kJ / kg.K
t1 800  600

Ví dụ 2: Biết nhiệt dung riêng trung bình từ 00C đến 15000C của mơi chất khí
Ctb = 1,024 + 0,00008855 t (kJ/kg.0K). xác định nhiệt dung riêng trung bình của
khí đó trong khoảng nhiệt độ từ 2000C đến 3000C
Lời giải: ta có t = t1 + t2 = 200+300= 5000C vào nhiệt dung riêng trung bình đã
cho
t
Ctb  C 2  1,024  0,00008855(t1  t2 )
t1
= 1,024 +0,00008855 x 500=1,0683 kJ/kg.K


17
1.2.4. Cách tính nhiệt
Nhiệt lượng được tính theo nhiệt dung riêng hoặc theo entropi . Theo
nhiệt dung riêng. Q - Nhiệt lượng (KJ)
- Với quá trình đẳng áp Q = G. Cp. ( t2-t1 )
- Với q trình đẳng tính Q = G. Cv. ( t2-t1 )
- Với quá trình đa biến Q = G. Cn. ( t2-t1 )
G – Khối lượng chất khí (kg)

Cv - NDR khối lượng đẳng tích (kJ/kg.K)
Cp - NDR khối lượng đẳng áp (kJ/kg.K)
Cn - NDR khối lượng đa biến (kJ/kg.K)
t = t2 – t1
Nếu khí đang xét coi là khí lý tưởng, các nhiệt dung riêng là hằng số và
được xác tính từ bảng 1. nếu khí đang xét phải xem là khi thực, các nhiệt dung
riêg trên là nhiệt dung riêng trung bình được xác định theo (1.2.3-1)
1.2.5. Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động
1. Các dạng năng lượng của hệ nhiệt động
Một vật có thể có nhiều dạng năng lượng nhưng trong hệ nhiệt động các quá
trình xảy ra chỉ liên quan tới các dạng năng lượng sau:
a) Ngoại động năng. là năng lượng của chuyển động vĩ mô (chuyển động của
vật thể ) được xác định bằng biểu thức.

Wđ  G

2
(J)

2

Ở đây G - Khối lượng của vật thể (kg)
 - Tốc độ của vật (m/s2 )
b) Ngoại thế năng: Là năng lượng của trong lực trọng trường, nó phụ thuộc
vào chiều cao so với mặt đất , của vật, được xác định bằng biểu thức

Wt  Ggh

(J)


Ở đây H - độ cao của vật so với mặt đất (m)
g - Gia tốc trọng trường (m/s2 )
do Wt rất nhỏ nên khí xét thường coi Wt  0
c) Nội năng U (j)
d) Năng lượng đẩy (chỉ có trong hệ hở) ký hiệu D (j)
D = pV = Gpv
2. Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động
ký hiệu W (J) hoặc w (j/kg)
Khi bỏ qua ngoại thế năng ta có W = U + D + Wđ

2
w=u+d+

2

* Trong hệ kín D = 0, Wđ = 0 nên WK = U và wK = u


18
WK = U = U2 - U1 và wK = u = u2 - u1
* Trong hệ hở U + D = I nên năng lượng toàn phần
I là entanpi
Wh = I + Wđ và wh = i =

2
2

Vậy biến thiên năng lượng toàn phần trong hệ hở sẽ là:
Wh = I + Wđ và wh = i =


 2
2

1.2.6. Các loại cơng
1. Cơng thay đổi thể tích
là cơng do môi chất trong hệ sinh ra (khi giãn nở) hoặc nhận được (khi bị nén)
khi thể tích của mơi chất thay đổi. Cơng thay đổi thể tích ký hiệu L (J) hoặc l
(j/kg)
dl = pdv
v2

l12 =

 pdv

v1

2. Công kỹ thuật
Công kỹ thuật được ký hiệu Lkt (J) hoặc lkt (j/kg)
dlkt = - vdp
p2

l

l kt12

   vdp
p1

3. Cơng ngồi

Cơng ngồi ký hiệu Ln (J) hoặc ln (j/kg)
Đối với hệ kín l n12

 l12

Đối với hệ hở ln12  lkt12 

và dln  dl  pdv

22  12

Công kỹ thuật dạng tổng quát

2

lkt12 l n12 

 2
2

Bài tập
Bài 1. Một bình V = 200 lít chứa 0,2 kg khí N2 , áp suất khí quyển 1 bar
a). Nếu nhiệt độ trong bình là 70 C . Xác định chỉ số chân khơng kế gắn ở nắp
bình
b) Nếu nhiệt độ trong bình là 1270C xác định chỉ số áp kế gắn ở nắp bình


19
Lời giải:
Câu a) khi nhiệt độ trong bình là 70C, áp suất tuyệt đối trong bình p

p.V =GRT
vì V = 200 lít = 200 dm3 = 0,2 m3
ở đây G = 0,2 kg, R = 8314/28, T = 7 +273 = 2800K
0,2.8314.(7  273)
 0,8314.105 N / m 2  0,8314 bar
ta có p = GRT/V =
28.0,2
chỉ số áp kế gắn trên bình
Pck = po – p = 1 – 0,8314 = 0,11686 bar
Câu b) khi nhiệt độ trong bình là 1270C, áp suất tuyệt đối trong bình p
p.V =GRT
0,2  8314 (127  273)
 1,1877.105 N / m 2  1,1877 bar
p = GRT/V =
28  0,2
Chỉ số áp kế gắn trên nắp bình
pdư = p– p0 = 1,1877-1 = 0,1877 bar
Bài 2. Một bình kín thể tích 100 l, chứa 58,2 g khí lý tưởng . Áp kế gắn trên nắp
bình chỉ độ chân khơng 420 mm Hg, nhiệt độ khí trung bình 270C, áp suất khí
quyển 760 mm Hg. Xác định khí trong bình là khí gì?
Lời giải:Ta có phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng.

pV
R

pV = GRT =>
GT
* Áp suất thực trong bình p = pk - pck
pk = áp suất khơng khí p k 


760 5
.10 N/m2
750

pck = áp suất khơng khí pck 

420 5
.10 N/m2
750

760  420 5
.10  0, 4533 105 (N/m2)
750
* Nhiệt độ T = t + 273 = 27 + 273 = 300 (0K )
* Khối lượng G = 58.2 g = 0,0582 (kg)
* Thể tích V = 100 lít = 100 dm3 = 0,1 (m3 )
ta có hằng số chất khí của khí trong bình là
p

pV 0,4533 105  0,1
R

 259,6 (J/kg.K)
GT
0,0582 300

ta có quan hệ R 

R


R



8314



8314



 259,6



 32kg vậy khí trong bình là O2
=>  
R 259,6


20

Câu hỏi ôn tập chương I
Câu 1: Thế nào là mơi chất?
Câu 2: Trìnhbày các cơng thức tính các thơng số trạng thái của mơi chất?
Câu 3: Trình bày các phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng?
Câu 4: Nêu mèi quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ ?
Câu 5: Trình bày cơng thức tính năng lượng tồn phần của hệ nhiệt động?
Câu 6: Trình bày cơng thức tính các loại cơng?

Bài 7. Một bình kín thể tích 200 l, chứa 58,2 g khí lý tưởng . Áp kế gắn trên nắp
bình chỉ độ chân khơng 420 mm Hg, nhiệt độ khí trung bình 270C, áp suất khí
quyển 760 mm Hg. Xác định khí trong bình là khí gì?


21
CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I VÀ CÁC QUÁ TRÌNH
NHIỆT ĐƠNG CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ
Mã chương: MH08-02
Giới thiệu:
Khi đã hiểu và biết mối quan hệ của các thông số trạng thái, chương 2 của
giáo trình sẽ đề cập đến các trường hợp cụ thể, đặc biệt. Nội dung chương 2 các
các kiến thức về định luật nhiệt động I, các quá trình nhiệt động cơ bản như: quá
trình đoạn nhiệt, q trình đẳng áp, q trình đẳng tích... Giúp người học có thể
vận dụng vào những trường hợp cụ thể trong thực tiễn ngành hóa nhuộm.
Mục tiêu:
- Trình bày được những khái niệm cơ bản của định luật nhiệt động I,
phương trình nhiệt động 1, ứng dụng của định luật nhiệt động 1;
- Nhận biết được các quá trình nhiệt động cơ bản và ứng dụng vào trong
sản xuất tại nhà máy nhuộm.
- Hiểu và biết vận dụng các cơng thức của các q trình nhiệt động cơ bản
để áp dung vào các bài toán trong thực tiễn.
Nội dung chính:
2.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I
2.1.1. Những khái niệm cơ bản
Định luật nhiệt động 1 là định luật bảo tồn và biến hóa năng lượng ứng
dụng trong phạm vi nhiệt.
Định luật bảo tồn và biến hóa năng lượng phát biểu: " Năng lượng không
tự nhiên sinh ra và cũng khơng tự nhiên mất đi mà nó chỉ có thể biến đổi từ dạng
này sang dạng khác trong các quá trình vật lý và hóa học"

Định luật nhiệt động 1 đề cập đến việc biến háo giữa nhiệt năng và cơ
năng và được phát biểu: " Nhiệt có thể biến thành công và ngược lại: Sự biến đổi
này tuân theo quan hệ và lượng nhất định"
Ý nghĩa: Định luật nhiệt động I là một trong những định luật cơ bản , nó
là cơ sở để phân tích, tính tốn và lập sự cân bằng về mặt số lượng trong các quá
trình nhiệt động.
2.1.2. Phương trình nhiệt động I
a) Dạng tổng quát
Giả sử môi chất trong hệ nhận được lượng nhiệt Q từ mơi trường, năng lượng
tồn phần của hệ biến đổi một lượng W = W2 - W1 và hệ sinh cơng ngồi Ln12
tác dụng tới mơi trường . Theo định luật bảo tồn và biến đổi hóa năng lượng
chúng ta có phương trình cân bằng sau
Q = W + Ln12
hay q = w + ln12
W - năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động W(J) hoặc w (J/kg)
ln12 - cơng ngồi của hệ


22
Dạng này đúng cho cả khí lý tưởng lẫn khí thực cho cả hệ hở và hệ kín
b) Phương trình định luật cho hệ hở và hệ kín
* Đối với hệ kín (phần năng lương tồn phần ta có) w = u, ln12 = l12
ta có
q = u + l12
dq = du + pdv
Mặt khác i = u + pv nên u=i - pv và du = di - pdv-vdp
ta có
dq = di - vdp
* Đối với hệ hở tương tự như hệ kín ta có
dq = Cv dT + pdv

dq = Cp dT - vdp
c) Phương trình định luật nhiệt động I cho dịng khí
- Dịng khí lưu thơng trong ống là hệ hở khi không thực hiện công ngồi
với mơi trường (Ln12 = 0 . Vậy từ dạng tổng qt phương trình định luật nhiệt
động I ta có
q = w =i +
dq = di + d(

 2
2

2
2

)

 - Tốc độ của dịng khí (m/s )
Các dạng trên của phương trình định luật nhiệt động I đúng cho dịng khí
lưu thơng trong ống.
2.1.3. Ứng dụng của định luật nhiệt động I
- Định luật nhiệt động I dùng để ứng dụng tính lượng nhiệt trong cả hệ hở và hệ
kín, tính vận tốc dịng khí chảy
2.2. CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ LÝ
TƯỞNG
2.2.1. Khái niệm chung
- Các quá trình nhiệt động mà ta xét là các q trình thuận nghịch, chúng
xảy ra trong hệ kín và hệ hở. Môi chất ta xét ở đây là chất khí lý tưởng.
Khi mơi chất (hệ) thực hiện một q trình nhiệt động thì các thơng số trạng thái
(p,T,v) và các hàm trạng thái (thay đổi) đồng thời có trao đổi cơng và nhiệt với
mơi trường

Mục đích khảo sát các q trình nhiệt động là tính tốn sự thay đổi các
thông số p, v, T (u, l, s, q, lv , lkt ) và môi quan hệ giữa các dạng năng lượng
của mơi chất trong q trình nhiệt động, để chon vật liệu , cấu trúc, độ bền, độ
lớn, của thiết bị và mực độ biến hóa năng lượng của quá trình
Nội dung khảo sát gồm các bước.
Định nghĩa và viết phương trình biểu diễn quá trình


23
Tìm mối liên hệ p, v, T ở hai trạng thái khác nhau của q trình
Tính biến thiên của hàm trạng thái của hệ (u, l, s)
Tính cơng và nhiệt của quá trình: q, lv , lkt
Biểu diễn các quá trình trên đồ thị p-v, T-s
Cơ sở để khảo sát các bước trên là dựa vào phương trình trạng thái, đặc
điểm quá trình , phương trình định luật I
2.2.2. Biến thiên nội năng entanpi của khí lý tưởng trong mỗi quá trình
Biến thiên nội năng

U  U 2  U 1  GC v (t 2  t1 )

Biến thiên entanpi I  I 2  I1  GC p (t2
Trong đó U tính theo kJ
I Tính theo kJ
Cv và Cp tính theo kJ/kg.K
t tính theo 0C
G Tính theo kg

 t1 )

2.2.3. Q trình đẳng tích

Qúa trình đẳng tích là q trình xảy ra trong thể tích khơng đổi V=const
và số mũ đa biến n = ±∞ nhiệt dung riêng của q trình Cv . trong q trình này
ta có những quan hệ sau:
* Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất
T2  p2 
 
T1  p1 
* Công thay đổi thể tích

l12  0
* Cơng kỹ thuật

lkt 12  v( p2  p1 )
* Nhiệt của quá trình
Q = G Cv . (t2 - t1 )
* Biến đổi entropi

S  G.Cv ln

T2
T1

Ví dụ:1
Khi đốt nóng đẳng tích (V=const) khí O2 biến thiên entanpi i = 150kJ/kg . xác
định nhiệt đốt nóng đẳng tích trên của 1 kg và 20 kg khí O2
Lời giải:
i = 150kJ/kg
tra bảng 1 số mũ đoạn nhiệt K = 1,4
Nhiệt đốt nóng của 1 kg khí lý tưởng trong q trình đẳng tích



24
qv = Cv (t2 - t1) = u (biến thiên nội năng)
Ngồi ra ta có quan hệ sau với khí lý tưởng
i C p t C p


k
u Cv t Cv

i 150

 107 kJ .kg
K 1,4
Nhiệt đốt nóng đẳng tích G = 1 kg khí O2
Qv = G . qv = 1.107 = 107 kJ
Nhiệt đốt nóng đẳng tích G = 20 kg khí O2
Qv = G . qv = 20.107 = 2140 kJ
2.2.4. Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áp là q trình xảy ra khi áp suất khơng đổi p=const và số mũ đa
biến n = 0 . nhiệt dung riêng của quá trình Cp. trong quá trình này ta có mối
quan hệ
* Quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích
qv = u =

T2 v2

T1 v1
* Cơng thay đổi thể tích


l12  p(v2  v1 )
* Cơng kỹ thuật

lkt  0
* Nhiệt của quá trình
Q = G Cp . (t2 - t1 )
* Biến đổi entropi

S  G.C p ln

T2
T1

Ví dụ 2: (1.18) người ta đốt nóng 1 kg khơng khí trong điều kiện áp suất khơng
đổi p = 2 bar từ nhiệt độ 200C đến nhiệt độ 1100C. Tính thể tích cuối, lượng
nhiệt, cơng thay đổi thể tích , lượng thay đổi nội năng và entropi. Biết hằng số
chất khí của khơng khí R 

8314
( J / kg 0 K )
29

Tóm tắt
Bài tốn đẳng áp p = const
t1 = 200C => T1 = 20+273 = 293 0K
t2 = 1100C => T2 = 110+273 = 383 0K
p1 = p2 = 2 bar = 2.105 N/m2

Tính: v2 , q, l12, u, s