Tải bản đầy đủ

Giao trinh ky thuat nhiet chuan in nam 2018

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA: KHOA KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ MÁY ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT
Số tín chỉ: 3
(Lƣu hành nội bộ)

Thái Nguyên, năm 2018

1


ĐỖ VĂN QUÂN – VŨ VĂN HẢI

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT
Số tín chỉ:3

(Lƣu hành nội bộ)

Thái Nguyên, ngày 2 tháng 10 năm 2018
Phó Trƣởng bộ môn

ThS.GVC. Đỗ Văn Quân

2

Trƣởng khoa Kỹ thuật ô tô & MĐL

PGS.TS. Lê Văn Quỳnh


MỤC LỤC ................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
ĐỀ CƢƠNG MÔN HỌC KỸ THUẬT NHIỆT........................................................ 6
PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT ........................................................................ 12
CHƢƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ
KHÍ ............................................................................................................................. 12
A. LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 12
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN .................................................................... 12
a. Định nghĩa ....................................................................................................... 14
b. Phân loại ......................................................................................................... 14
1.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT .............................................. 14
1.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái .................................................................. 14
1.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất ........................................................ 14
c. Thể tích riêng .................................................................................................. 17
d. Nội năng của chất khí ..................................................................................... 18
e. Năng lƣợng đẩy ............................................................................................... 18
f. Entanpi - nhiệt hàm ......................................................................................... 18
g. Entropi ............................................................................................................ 19
1.3. PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KH Í.................................... 19
1.3.1. Khái niệm .................................................................................................. 19
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng (phƣơng trình Clareyperon). .... 20
1.3.3. Tính toán hỗn hợp khí lý tƣởng ................................................................ 21
1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực ........................................................ 24
CHƢƠNG II. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT ............................................ 25
A. LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 26
2.1. NHIỆT VÀ CÔNG .......................................................................................... 26
2.1.1. Phƣơng pháp xác định nhiệt ..................................................................... 27


2.1.2. Phƣơng pháp xác định công ...................................................................... 30
2.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG MỘT ................................................................ 32
2.2.1. Ý nghĩa ...................................................................................................... 32
2.2.2. Phát biểu định luật .................................................................................... 32
2.2.3. Biểu thức ................................................................................................... 33
2.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động ................................................................ 33
2.3.2. Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình nhiệt động .................................... 33
2.3.3. Xét quá trình tổng quát đa biến ................................................................. 33
2.3.4. Một số quá trình nhiệt động cơ bản .......................................................... 34
2.4. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ THỰC – XÉT CỤ THỂ
CHO HƠI NƢỚC ................................................................................................... 41
2.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nƣớc ......................................................... 41
2.4.2. Một số khái niệm ...................................................................................... 43
2.4.3. Bảng, đồ thị của khí thực – xét cụ thể cho hơi nƣớc ................................ 44
2.4.4. Tính toán các quá trình của hơi nƣớc........................................................ 45
2.5. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM .................................................. 46
2.5.3. Đồ thị I- d của không khí ẩm .................................................................... 50
a. Đồ thị I-d ......................................................................................................... 50
b. Ứng dụng đồ thị I-d ........................................................................................ 50
CHƢƠNG III. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ CHU TRÌNH CARNOT ................ 54
3.1. Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 ................. 55
3.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG .......................................................................... 55
3.2.1. Chu trình thuận chiều ................................................................................ 55
3.2.2. Chu trình ngƣợc chiều............................................................................... 56
3.3. CHU TRÌNH CARNOT .................................................................................. 57
3


3.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều .................................................................... 57
a. Giới thiệu chu trình.......................................................................................... 57
b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình ..................................................................... 57
c. Hiệu suất nhiệt của chu trình ........................................................................... 57
3.3.2. Chu trình Carnot ngƣợc chiều ................................................................... 58
a. Giới thiệu chu trình.......................................................................................... 58
b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình ..................................................................... 58
c. Hệ số làm lạnh của chu trình ........................................................................... 58
CHƢƠNG IV. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT .......... 59
A. LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 60
Chu trình thuận chiều .............................................................................................. 60
4.1. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG - XÉT CỤ THỂ CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ....................................................................................... 60
4.1.1. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích ................... 61
4.1.2. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp ..................... 62
4.1.3. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp .................... 63
4.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƢỚC ..... 65
4.2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ............................................................................ 65
4.2.2. Chu trình Rankine ..................................................................................... 65
4.2.3. Xác định hiệu suất nhiệt ............................................................................ 65
Chu trình ngƣợc chiều ............................................................................................. 66
4.3. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN KHÍ .................... 66
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị (Hình 4-6) ........................................................... 66
4.3.2. Chu trình nhiệt động .................................................................................. 66
4.4. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN HƠI .................... 68
4.4.1. Môi chất lạnh ............................................................................................. 68
4.4.2. Yêu cầu kỹ thuật ........................................................................................ 68
4.4.3. Các loại môi chất lạnh ............................................................................... 68
4.4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ............................................................................ 70
4.4.5. Chu trình nhiệt động .................................................................................. 70
4.4.6. Hệ số làm lạnh của chu trình .................................................................... 71
PHẦN 2. TRUYỀN NHIỆT ........................................................................................ 73
Chƣơng I. DẪN NHIỆT .......................................................................................... 73
4.1.4. Công thức Newton – Rickmann .................................................................... 73
Giảng ....................................................................................................................... 73
A. LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 73
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ..................................................................... 73
1.1.1. Dẫn nhiệt ................................................................................................... 73
1.1.2. Trƣờng nhiệt độ ......................................................................................... 73
1.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 73
1.1.2.2. Phân loại ................................................................................................. 74
1.1.3. Mặt đẳng nhiệt ........................................................................................... 74
1.1.4. Gradien nhiệt độ ........................................................................................ 74
1.1.5. Mật độ dòng nhiệt ..................................................................................... 75
1.1.6. Định luật Fourier về dẫn nhiệt................................................................... 75
1.2. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG 75
1.2.1. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng .............................................. 75
1.3.2. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ .................................................... 77
1.3.3. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu ................................................... 78
1.3.4. Bài toán dẫn nhiệt ổn định khi =f(t) ........................................................ 79
Chƣơng II. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU ............................................................. 81
A. LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 81
4


2.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................... 81
2.1.1. Quá trình đối lƣu ...................................................................................... 81
2.1.2. Tỏa nhiệt đối lƣu ....................................................................................... 81
2.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 81
2.1.2.2. Phân loại ................................................................................................ 81
2.1.3. Các nhân tố ảnh hƣởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lƣu ............................. 81
2.1.4. Công thức Newton -Rickmman ............................................................... 81
2.2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT  ................................... 82
2.2.1. Phƣơng pháp giải tích (phƣơng pháp lý thuyết) ...................................... 82
2.2.1.1. Hệ phƣơng trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phƣơng trình: ....................... 82
2.2.1.2. Điều kiện đơn trị .................................................................................... 82
2.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ........................................................................ 83
Chƣơng III. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ ............................................................ 85
3.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau ................................................. 85
III.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN................................................................... 85
III.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ .............................................................................. 85
III.1.2. Sự phân bố năng lƣợng trong vật ............................................................ 86
III.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng, năng suất bức xạ hiệu dụng . 86
III.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ .................................................. 87
III.2.1. Định luật Planck...................................................................................... 87
III.2.2. Định luật Stefan -Boltzmann .................................................................. 88
III.2.3. Định luật Kirshoff ................................................................................... 88
III.3. CÁC BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ TRONG MÔI TRƢỜNG
TRONG SUỐT ....................................................................................................... 89
III.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa 2 tấm phẳng đặt song song .......................... 89
III.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt bọc nhau ..................................... 90
Chƣơng IV. TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ...................... 92
4.2.3.2. Phƣơng trình truyền nhiệt .......................................................................... 92
A. LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 92
IV.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................. 92
IV.1.1. Khái niệm truyền nhiệt ........................................................................... 92
IV.1.2. Phƣơng pháp giải bài toán truyền nhiệt ................................................. 92
IV.2. CÁC BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT CƠ BẢN ............................................. 93
IV.2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng.................................................................. 93
IV.2.2. Truyền nhiệt qua vách trụ ....................................................................... 94
IV.2.3. Tăng cƣờng hoặc hạn chế truyền nhiệt ................................................... 95
IV.3. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ...................................................................... 97
IV.3.1. Thiết bị trao đổi nhiệt và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt ...................... 97
IV.3.2. Phƣơng trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ......................................... 97
a. Phƣơng trình cân bằng nhiệt ........................................................................... 97
b. Phƣơng trình truyền nhiệt ............................................................................... 99
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 118

5


ĐỀ CƢƠNG MÔN HỌC KỸ THUẬT NHIỆT
1. Tên học phần : Kỹ thuật nhiệt ; BAS0301 ; Học phần bắt buộc
2. Số tín chỉ: 3
3. Trình độ sinh viên : Năm thứ 2
4. Phân bổ thời gian trong học kỳ:
- Lý thuyết: 40 tiết chuẩn
- Thí nghiệm: 05 tiết
5. Các học phần học trƣớc: Toán cao cấp, vật lý, hóa học
6. Học phần thay thế, học phần tƣơng đƣơng: Không
7. Mục tiêu của học phần:
Sau khi học xong học phần sinh viên phải nắm cơ bản về các quá trình nhiệt
động của môi chất và các phƣơng pháp trao đổi nhiệt.
8. Mô tả vắn tắt nội dung học phần
Môn học Kỹ Thuật Nhiệt là một môn học thuộc khối kiến thức cơ sở chuyên ngành
đƣợc giảng dạy hầu hết cho sinh viên các ngành thuộc khối kỹ thuật nhằm mục đích cung
cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về nhiệt động học, truyền nhiệt và ứng dụng các
kiến thức này vào việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số thiết bị nhiệt.
9. Nhiệm vụ của sinh viên:
9.1. Đối với học phần lý thuyết:
1) Dự lớp ≥ 80 % tổng số thời lƣợng của học phần.
2) Chuẩn bị thảo luận.
9.2. Đối với học phần thí nghiệm: 05 tiết thí nghiệm.
10. Tài liệu học tập:
* Sách, giáo trình chính:
[1]; Đỗ Văn Quân, Vũ Văn Hải, Lê Văn Trang; Kỹ thuật nhiệt; Trƣờng ĐH Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
[2]; Đỗ Văn Quân, Lê Văn Trang, Vũ Văn Hải; Giáo trình Kỹ thuật nhiệt; NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà nội 2010.
[3]; Bùi Hải và Trần Thế Sơn ; Kỹ thuật nhiệt ; NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội
2003.
[4]; Phạm Lê Dần và Đặng Quốc Phú; Cơ sở kỹ thuật nhiệt ; NXB giáo dục, Hà nội
2001.
* Sách tham khảo:
[1]; Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú; Truyền nhiệt; NXB giáo dục, Hà nội
1989.
[2]; Bùi Hải, Dƣơng Đức Hồng, Hà Mạnh Thƣ; Thiết bị trao đổi nhiệt; NXB Khoa học
và Kỹ thuật; Hà nội 2003.
[3]; Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ; Kỹ thuật lạnh cơ sở ; NXB giáo dục, Hà nội
1989.
[4]; Phạm Lê Dần, Nguyễn Công Hân; Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt; NXB Khoa học
và Kỹ thuật, Hà nội 2000.

6


[5]; Michael A.Boles ; Thermodynamics engineering approach, department of
mechanical and aerospace engineering NC state university Raleigh; NC 2795 – 7910.
[6]; John H.Lienhard IV, John H.Lienhard V; a heat transfer textbook, 3rd Edit.
11. Các tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm:
11.1 Các học phần lý thuyết:
* Tiêu chuẩn đánh giá:
1) Thảo luận, bài tập, chuyên cần, ý thức học tập.
2) Kiểm tra giữa học phần.
3) Thi kết thúc học phần.
* Thang điểm:
+ Điểm đánh giá bộ phận chấm theo thang điểm 10 với trọng số nhƣ sau:
- Điểm kiểm tra giữa học phần: 40%.
+ Điểm thi kết thúc học phần: 60 %.
+ Điểm học phần: Là điểm trung bình chung có trọng số của các điểm đánh giá
bộ phận và điểm thi kết thúc học phần làm tròn đến một chữ số thập phân.
11.2. Các học phần thí nghiệm: Không có.
12. Nội dung chi tiết học phần:
Tuần
thứ

1

Nội dung
Phần 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Chƣơng I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ
TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ
1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1. Thiết bị nhiệt
1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt
1.1.3. Hệ thống nhiệt
1.1.4. Chất môi giới
1.1.5. Nguồn nhiệt
1.2. Thông số trạng thái của môi chất
1.2.1. Khái niệm thông số trạng thái của môi chất
1.2.2. Các thông số trạng thái
1.2.2.1. Nhiệt độ
1.2.2.2. Áp suất
1.2.2.3. Thể tích riêng
1.2.2.4. Nội năng
1.2.2.5. Entanpi
1.2.2.6. Entropi
1.3. Phƣơng trình trạng thái của chất khí
1.3.1. Khái niệm phƣơng trình trạng thái của chất khí
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng
1.3.2.1. Khái niệm khí lý tƣởng

Tài liệu học
tập và tham
khảo

Hình
thức
học

[1]

Giảng

7


1.3.2.2. Các dạng phƣơng trình của khí lý tƣởng
1.3.3. Hỗn hợp khí lý tƣởng
1.3.3.1. Khái niệm hỗn hợp khí lý tƣởng
1.3.3.2. Thành phần hỗn hợp
1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực
1.3.4.1. Khái niệm khí thực
1.3.4.2. Một số phƣơng trình thực nghiệm

2

3

8

Chƣơng II. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 1 VÀ CÁC
QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CHẤT
KHÍ
2.1. Nhiệt và công các phƣơng pháp xác định
2.1.1. Phƣơng pháp xác định nhiệt
2.1.1.1. Xác định nhiệt theo nhiệt dung riêng
2.1.1.2. Xác định nhiệt theo biến thiên entropi
2.1.2. Phƣơng pháp xác định công
2.1.2.1. Công lƣu động
2.1.2.2. Công giãn nở
2.1.2.3. Công kỹ thuật
2.2. Định luật nhiệt động 1
2.2.1. Ý nghĩa của định luật nhiệt động 1
2.2.2. Nội dung của định luật nhiệt động 1
2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý
tƣởng
2.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động
2.3.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản
2.3.2.1. Quá trình đa biến
2.3.2.2. Quá trình đẳng áp
2.3.2.3. Quá trình đẳng tích
2.3.2.4. Quá trình đẳng nhiệt
2.3.2.5. Quá trình đoạn nhiệt
2.4. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực
2.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nƣớc
2.4.2. Một số khái niệm
2.4.2.1. Hiện tƣợng bay hơi
2.4.2.2. Hiện tƣợng sôi
2.4.2.3. Nhiệt ẩn hoá hơi
2.4.2.4. Hơi bão hoà
2.4.2.5. Hơi quá nhiệt
2.4.3. Bảng và đồ thị của hơi nƣớc
2.4.3.1. Bảng số
2.4.3.2. Đồ thị
2.4.4. Các quá trình nhiệt động của khí thực
2.4.4.1. Quá trình đẳng áp
2.4.4.2. Quá trình đẳng tích
2.4.4.3. Quá trình đẳng nhiệt
2.4.4.4. Quá trình đoạn nhiệt
2.5. Các quá trình của không khí ẩm
2.5.1. Khái niệm không khí ẩm
2.5.2. Phân loại không khí ẩm
2.5.3. Các thông số cơ bản của không khí ẩm

G
I

[1]
G
Giảng

[1]

G
Giảng


2.5.3.1. Áp suất không khí ẩm
2.5.3.2. Thể tích không khí ẩm
2.5.3.3. Khối lƣợng không khí ẩm
2.5.3.4. Nhiệt độ không khí ẩm
2.5.3.5. Độ ẩm tuyệt đối
2.5.3.6. Độ ẩm tƣơng đối
2.5.3.7. Độ chứa ẩm
2.5.3.8. Nhiệt độ đọng sƣơng
2.5.3.9. Entanpi của không khí ẩm
2.6. Đồ thị I - d của không khí ẩm
2.6.1. Đồ thị I-d
2.6.2. Ứng dụng đồ thị I-d
2.6.2.1. Quá trình sấy đẳng áp
2.6.2.2. Quá trình hỗn hợp đẳng áp
4

5

Thảo luận và chữa bài tập chƣơng I, II
[1],[2],[3],[4]
Chƣơng III. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ
CHU TRÌNH CARNOT
3.1. Ý nghĩa và nội dung của định luật nhiệt động 2
3.1.1. Ý nghĩa
3.1.2. Nội dung
3.2. Chu trình nhiệt động
3.2.1. Khái niệm chu trình nhiệt động
3.2.2. Phân loại chu trình nhiệt động
3.2.2.1. Chu trình thuận chiều
3.2.2.2. Chu trình ngƣợc chiều
3.3. Chu trình Carnot thuận nghịch
3.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều
3.3.2. Chu trình Carnot ngƣợc chiều
[1]
Chƣơng IV. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT
SỐ THIẾT BỊ NHIỆT

Giảng

4.1. Chu trình thuận chiều của khí lý tƣởng – Chu
trình động cơ đốt trong
4.1.1. Khái niệm động cơ đốt trong
4.1.2. Phân loại động cơ đốt trong
4.1.3. Các thông số đặc trƣng của động cơ đốt trong
4.1.4. Động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích
4.1.5. Động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp
4.1.6. Động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp

6

4.2. Chu trình thuận chiều của khí thực - Chu
trình thiết bị động lực hơi nƣớc
4.2.1. Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nƣớc
4.2.2. Chu trình Rankine
4.3. Chu trình ngƣợc chiều của khí lý tƣởng - Chu
trình làm lạnh dùng máy nén khí

[1]

Giảng

9


7
8

9

10

10

4.4. Chu trình ngƣợc chiều của khí thực - Chu trình
làm lạnh dùng máy nén hơi
4.4.1. Môi chất lạnh
4.4.2. Yêu cầu kỹ thuật của môi chất lạnh
4.4.3. Đồ thị lgp-i của môi chất lạnh
4.4.4. Chu trình làm lạnh khô
Thảo luận và chữa bài tập chƣơng III, IV
[1],[2],[3],[4]
KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ
Phần 2. CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT
Chƣơng I. DẪN NHIỆT
1.1. Một số khái niệm cơ bản
1.1.1. Dẫn nhiệt
1.1.2. Trƣờng nhiệt độ
1.1.3. Mặt đẳng nhiệt
1.1.4. Gradien nhiệt độ
1.1.5. Định luật Furier về dẫn nhiệt
1.2. Một số bài toán dẫn nhiệt ổn định khi không
có nguồn nhiệt bên trong
1.2.1. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng
[1]
1.2.2. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ
1.2.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu
1.2.4. Dẫn nhiệt ổn định khi =f(t)
Chƣơng II. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU
2.1. Một số khái niệm cơ bản
2.1.1. Quá trình đối lƣu
2.1.2. Toả nhiệt đối lƣu
2.1.3. Các nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình toả nhiệt
đối lƣu
II.1.4. Công thức Newton – Rickmann
2.2. Các phƣơng pháp xác định hệ số toả nhiệt 
2.2.1. Phƣơng pháp lý thuyết
2.2.1.1. Phƣơng trình vi phân
2.2.1.2. Điều kiện đơn trị
2.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm
2.2.2.1. Cơ sở nghiên cứu
2.2.2.2. Định lý đồng dạng
2.2.2.3. Các tiêu chuẩn đồng dạng
2.2.2.4. Phƣơng trình tiêu chuẩn và các bƣớc giải một
bài toán toả nhiệt đối lƣu
Chƣơng III. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ
[1]
3.1. Một số khái niệm cơ bản
3.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ
3.1.2. Sự phân bố năng lƣợng trong vật
3.1.3. Dòng bức xạ toàn phần
3.1.4. Dòng bức xạ đơn sắc
3.1.5. Năng suất bức xạ
3.1.6. Cƣờng độ bức xạ
3.1.7. Năng suất bức xạ hiệu quả
3.2. Các định luật bức xạ cơ bản
3.2.1. Định luật Plank
3.2.2. Định luật WIEN

Giảng

Giảng


11

12

13

3.2.3. Định luật Stephan-Bonzmann
3.2.4. Định luật Kiecshopp
3.3. Một số bài toán trao đổi nhiệt bức xạ cơ bản
3.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng đặt
song song
3.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau
Thảo luận, chữa bài tập chƣơng I, II, III
[1],[2],[3],[4]
Chƣơng IV. TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO
ĐỔI NHIỆT
4.1. Truyền nhiệt
4.1.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng
4.1.2. Truyền nhiệt qua vách trụ
4.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh
[1]
4.2. Thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.1. Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.3.1. Phƣơng trình cân bằng nhiệt
4.2.3.2. Phƣơng trình truyền nhiệt
Thảo luận, chữa bài tập chƣơng IV và tổng kết
[1],[2],[3],[4]
môn học

Giảng

11


PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Chƣơng I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở
THỂ KHÍ
* Mục tiêu, nhiệm vụ
+ Mục tiêu: Giúp sinh viên hiểu rõ trạng thái của môi chất, các thông số trạng thái của
chất môi chất, phương trình trạng.
+ Nhiệm vụ của sinh viên: Chuẩn bị bài trước khi lên lớp, tham gia đầy đủ thời gian
trên lớp.
+ Đánh giá: Sinh viên nắm được khái niệm về trạng thái, các thông số trạng thái của
môi chất, phương trình trạng thái của khí lý tưởng, hỗn hợp khí lý tưởng và khí thực.
* Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ

Nội dung
1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1. Thiết bị nhiệt
1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt
1.1.3. Hệ thống nhiệt
1.1.4. Chất môi giới
1.1.5. Nguồn nhiệt
1.2. Thông số trạng thái của môi chất
1.2.1. Khái niệm thông số trạng thái của môi chất
1.2.2. Các thông số trạng thái
1.2.2.1. Nhiệt độ
1.2.2.2. Áp suất
1.2.2.3. Thể tích riêng
1.2.2.4. Nội năng
1.2.2.5. Entanpi
1.2.2.6. Entropi
1.3. Phƣơng trình trạng thái của chất khí
1.3.1. Khái niệm phƣơng trình trạng thái của chất khí
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng
1.3.2.1. Khái niệm khí lý tƣởng
1.3.2.2. Các dạng phƣơng trình của khí lý tƣởng
1.3.3. Hỗn hợp khí lý tƣởng
1.3.3.1. Khái niệm hỗn hợp khí lý tƣởng
1.3.3.2. Thành phần hỗn hợp
1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực
1.3.4.1. Khái niệm khí thực
1.3.4.2. Một số phƣơng trình thực nghiệm

Hình thức học
Giảng

A. LÝ THUYẾT
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1.1. Khái niệm thiết bị nhiệt
Thiết bị nhiệt là những thiết bị dùng để tiến hành quá trình truyền tải, trao đổi và
chuyển hoá nhiệt năng.
1.1.2. Phân loại thiết bị nhiệt
Theo nguyên lý làm việc ngƣời ta phân thành các nhóm sau:
1.1.2.1. Động cơ nhiệt
12


Động cơ nhiệt là một loại thiết bị nhiệt, chức năng của nó là biến nhiệt năng
thành năng lƣợng khác: cơ năng, điện năng ...
Nguyên lý làm việc của thiết bị nhiệt là nhận nhiệt năng từ nguồn nhiệt chuyển hoá
một phần thành cơ năng, phần còn lại tổn thất ra môi trƣờng bên ngoài.
Ngày nay ngƣời ta cũng đã chế tạo thành công một số động cơ nhiệt đặc biệt đó là
những động cơ biến trực tiếp nhiệt năng thành điện năng, cụ thể nhƣ: động cơ từ thuỷ
động, pin nhiệt điện, pin nhiệt điện tử, chu trình pin nhiên liệu...
1.1.2.2. Máy lạnh, bơm nhiệt
Máy lạnh và bơm nhiệt là các thiết bị nhiệt có chức năng phạm vi ứng dụng khác
nhau nhƣng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau; nhờ năng lƣợng hỗ trợ từ bên
ngoài nhiệt đƣợc đƣa từ nơi có nhiệt độ thấp (nguồn lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao
(nguồn nóng); trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp trong môi trƣờng nhiệt độ cao hơn (đối
với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì nhiệt độ cao trong môi trƣờng nhiệt độ thấp hơn (đối
với bơm nhiệt).
Sơ đồ mô tả chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt (Hình1-1).
1.1.2.3. Nhóm các thiết bị khác
Đó là các thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị làm việc theo chu trình không
khép kín nhƣ thiết bị nén khí, thiết bị sấy, điều hoà không khí...
Phòng ấm (Td: 30 0C)
Q1 = L + Q2
L

Q2

Môi trƣờng ( Td: 5 0C)

Q1 = L + Q2
L
Q2

Kho lạnh (Td: - 30 0C)

Hình 1-1. Nguyên lý và chức năng của thiết bị lạnh và bơm nhiệt
1.1.3. Khái niệm về môi chất (chất môi giới)
1.1.3.1. Định nghĩa
Để truyền tải, trao đổi, chuyển hoá nhiệt năng ngoài hệ thống thiết bị nhất thiết
phải có một chất trung gian mang nhiệt gọi là chất môi giới hay môi chất. Về nguyên
tắc mọi chất đều có thể dùng làm chất môi giới nhƣng để có hiệu quả cao nhất ngƣời ta
yêu cầu chất môi giới phải có những đặc tính kỹ thuật nhất định.
1.1.3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với chất môi giới
- Có khả năng sinh công lớn: thể tích thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi.
- Có khả năng truyền tải nhiệt năng lớn: có nhiệt dung riêng lớn.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, không ăn mòn thiết bị, không độc hại cho ngƣời và môi trƣờng.
- An toàn, không cháy nổ.
Trong thực tế, không thể có chất nào đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên. Vì vậy, tuỳ
theo từng lĩnh vực áp dụng cụ thể, ngƣời ta chọn ra các chất môi giới trên cơ sở phát
huy ƣu điểm và hạn chế thấp nhất nhƣợc điểm.
Ví dụ trong các động cơ nhiệt chất môi giới là không khí, hơi nƣớc; các thiết bị lạnh là
Freôn, NH3 ...
13


1.1.4. Nguồn nhiệt
Nguồn nhiệt là các đối tƣợng trao đổi nhiệt trực tiếp với chất môi giới. Nguồn có
nhiệt độ thấp gọi là nguồn lạnh; nguồn có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng.
Giả thiết các nguồn nhiệt là vô cùng lớn để khi tiến hành trao đổi nhiệt với chất môi
giới nhiệt độ của nó không thay đổi.
1.1.5. Hệ thống nhiệt động
a. Định nghĩa
Hệ thống nhiệt động là tập hợp các đối tƣợng đƣợc tách ra để nghiên cứu về tính
chất nhiệt động của chúng, phần còn lại gọi là môi trƣờng. Giữa hệ thống nhiệt và môi
trƣờng có một giới hạn; giới hạn đó có thể là bề mặt thật (nhƣ hệ thống xylanh piston)
mà cũng có thể là bề mặt tƣởng tƣợng.
b. Phân loại
- Hệ thống kín: Hệ thống mà trọng tâm của hệ không chuyển động, nếu có
chuyển động cũng chuyển động ở dạng vi mô có thể bỏ qua. Ví dụ nhƣ khí chứa trong
một bình kín.
- Hệ thống hở: ngƣợc lại với hệ thống kín, ví dụ nhƣ hơi vào và ra khỏi tuabin
trong nhà máy nhiệt điện.
- Hệ thống đoạn nhiệt: Hệ thống mà môi chất không trao đổi nhiệt với môi
trƣờng.
- Hệ thống cô lập: Hệ thống mà môi chất không trao đổi cả nhiệt và công với
môi trƣờng.
1.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT
1.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái
Ở một trạng thái nhất định môi chất có những thông số vật lý có trị số hoàn toàn
xác định. Các thông số này là hàm đơn trị của trạng thái; độ biến thiên của chúng chỉ
phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào tính chất quá
trình. Các thông số đó đƣợc gọi là các thông số trạng thái của môi chất.
Hoặc ta có thể định nghĩa thông số trạng thái của môi chất nhƣ sau: Thông số
trạng thái của chất khí nói chung là các thông số vật lý đặc trƣng cho trạng thái của chất
khí; nó là hàm đơn trị của trạng thái; độ biến biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào
trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào tính chất quá trình.
Chúng ta chỉ xét các trạng thái cân bằng: đó là những trạng thái trong đó các
thông số trạng thái phân bố đồng đều trong toàn bộ hệ thống và cân bằng với môi
trƣờng. Khi một trạng thái cân bằng bị phá vỡ thì các thông số trạng thái sẽ thay đổi để
đạt đến một trạng thái cân bằng mới. Các thông số trạng thái có thể đo đếm trực tiếp
đƣợc gọi là thông số trạng thái cơ bản còn các thông số trạng thái khác phải tính toán
thông qua các thông số trạng thái cơ bản gọi là hàm trạng thái.
1.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất
a. Nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lƣợng biểu thị mức độ nóng lạnh của vật chất; theo thuyết động
học phân tử nhiệt độ biểu thị mức độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử vật chất.
Để đo nhiệt độ trƣớc tiên ta phải xây dựng thang đo nhiệt độ. Thông thƣờng ta
hay dùng hai thang đo nhiệt độ: nhiệt độ bách phân và nhiệt độ tuyệt đối.
- Thang đo nhiệt độ bách phân
Ký hiệu nhiệt độ bách phân là t, đơn vị đo là 0C (Cellcious- Tên nhà bác học
sáng lập thang đo).
Chọn chất để xây dựng thang đo: Nhà bác học Cellcious đã chọn nƣớc nguyên chất ở áp
suất tiêu chuẩn (p = 760 mm Hg).
14


Ở trạng thái băng tan của nƣớc nguyên chất, ấn định là 00C
Ở trạng thái nƣớc sôi, ấn định là 1000C.
Trong khoảng (0100) ta chia làm 100 phần bằng nhau mỗi phần là 10C
Sau khi đã có thang đo ngƣời ta mới chế tạo các loại nhiệt kế để đo nhiệt độ.
Nhận xét
Trị số t0C không phản ánh mức độ chuyển động của các phân tử mà nó phụ
thuộc vào chất dùng để xây dựng thang đo.
- Thang đo nhiệt độ tuyệt đối (thang đo nhiệt độ nhiệt động, thang đo nhiệt độ Kelvin)
Theo thang đo này ngƣời ta ký hiệu nhiệt độ là T, đơn vị đo 0K ( K - viết tắt của
Kelvin - tên nhà bác học sáng lập thang đo).
Cơ sở để xây dựng thang đo: dựa vào mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ chuyển
động trung bình của nguyên tử, phân tử vật chất.
mω 2
(1-1)
T
3k
 - tốc độ chuyển động của phân tử trong vật chất

ω

 ωi N i

(1-2)
N
i- vận tốc trung bình của Ni phân tử trong tổng N phân tử
m - khối lƣợng của một phân tử
k - hằng số Bonzman; k = 1,3805.10-23 (J/độ)
Nhƣ vậy, ta thấy trị số T0K hoàn toàn phản ánh chuyển động của nguyên tử, phân tử nên
trong các công thức tính toán động học của chất khí ngƣời ta dùng trị số T0K chứ không
dùng trị số t0C.
Từ công thức trên ta thấy T = 00K khi  = 00C - điều này không thể xảy ra. Vì vậy, 00K
đƣợc gọi là không độ lý tƣởng.
Quan hệ giữa thang đo bách phân và Kelvin: để xây dựng mối quan hệ giữa hai thang
đo ngƣời ta chọn một trạng thái làm mốc đó là trạng thái băng tan. Ở trạng thái này
t = 00C và T = 2730K . Vì 10C và 10K có độ lớn nhƣ nhau cho nên ta có thể biểu diễn
hai trục nhiệt độ nhƣ sau:
-273oC

0oC

toC

toC

0oK

273oK

ToK

ToK

Nhƣ vậy, ta có quan hệ: ToK = toC + 273
- Thang đo nhiệt độ Rankine (0R) và thang đo nhiệt độ Faranhiet (0F ). Thang đo độ 0R
do nhà bác học Rankine tìm ra còn thang đo 0F do nhà bác học Faranhiet. Tất cả các
thang đo đều lấy hai trạng thái làm mốc; trạng thái nƣớc đá đang tan và trạng thái nƣớc
sôi ở áp suất tiêu chuẩn.
1
Độ lớn của 10C bằng độ lớn của 10K bằng
khoảng cách giữa hai điểm mốc.
100
15


1
khoảng cách giữa hai điểm mốc.
180
5
5
Độ lớn 10F bằng độ lớn 10R bằng
độ lớn của 10C và bằng độ lớn 10K
9
9
1
1
5
(
:
 )
100 180 9
Nhƣ vậy, ở trạng thái nƣớc đá đang tan t = 00C, T = 2730K, T = 320F = 4620R
Công thức quan hệ giữa các thang đo.
5
5
(1-3)
t o C  T o K  273  t o F  32  T 0 R  273
9
9
Bảng 1-1. Những điểm mốc nhiệt độ

Độ lớn của 10R bằng độ lớn của 10F bằng



Điểm mốc



Nhiệt độ
(oC)
-182,97
0,01
100,00

Điểm mốc

Nhiệt độ
(oC)
444,6
960,8
1063

Điểm sôi của oxy
Điểm sôi của lƣu huỳnh
Điểm ba pha của nƣớc
Điểm đông đặc của bạc
Điểm sôi của nƣớc
Điểm đông đặc của vàng
b. Áp suất chất khí
- Khái niệm
Áp suất của chất khí (còn gọi là áp suất tuyệt đối) là lực tác dụng của chất khí
theo phƣơng vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc.
Biểu thức xác định:
F
(1-4)
p
A
F - Lực tác dụng của chất khí, đơn vị đo là N (Newton)
A - Diện tích bề mặt tiếp xúc, đơn vị đo là (m2).
N
N
Vậy đơn vị cơ bản của áp suất là 2 ; vì trị số của 1 2 rất nhỏ cho nên trong thực tế
m
m
N
ngƣời ta dùng các hệ đo là bội số của 2 .
m
- Hệ thống đơn vị đo áp suất
N
+ Hệ thống Pascal: ký hiệu là 1Pa  1 2 , 1KilôPascal 1Kpa = 103Pa, Mêgapaxcal
m
3
6
1MPa = 10 KPa = 10 Pa;
N
+ Hệ thống Barơ ký hiệu là bar: 1Bar  105 [ 2 ]=0,1MPa : ;
m
+ Hệ thống Atmosphere (at): Theo đơn vị này ngƣời ta lấy áp suất trung bình của khí
quyển làm đơn vị đo; 1atmosphere ký hiệu là 1at; 1 at = 1 kG/cm2 = 0,981 bar;
+ Các hệ thống đơn vị khác
Minimét cột thuỷ ngân, ký hiệu là mmHg.
Minimét cột nƣớc, ký hiệu là mmH2O.
Công thức liên hệ giữa các đơn vị đo:
1
1
1
N
(1-5)
1 2   1Pa  10 5 Bar 
.10 5 at 
mmHg 
mmH 2 O
0,981
133,32
9,81
m 
- Đo áp suất
16


Đo áp suất ngƣời ta dùng một dụng cụ gọi là áp kế, nguyên lý và cấu tạo của áp
kế rất đa dạng nhƣng ở đây ta phân loại theo công dụng. Để chuyên môn hoá dụng cụ
đo nhằm tăng độ chính xác ngƣời ta chế tạo các loại áp kế sau:
Barômét - là loại áp kế chuyên dùng để đo áp suất khí trời, số chỉ của Barômét ký hiệu
là pkt .
pkt

pkt

Hình 1-2. Mô tả một loại Baromét đơn giản nhất
Manômét - là loại áp kế chuyên dùng để đo phần áp suất của chất khí lớn hơn áp suất
khí trời. Số chỉ của nó ngƣời ta gọi là áp suất thừa hoặc áp suất dƣ, ký hiệu là pt.
Chân không kế - là loại áp kế đo phần nhỏ hơn áp suất khí trời của áp suất chất khí (đo
phần không có gì), ký hiệu pck.
Xác định áp suất chất khí (áp suất tuyệt đối)
- Trƣờng hợp áp suất chất khí lớn hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp kế là Baromét
và Manomét, khi đó áp suất chất khí:
p = pkt + pt
(1-6)
- Trƣờng hợp áp suất chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp kế là Baromét
và Chân không kế, khi đó áp suất chất khí:
p = pkt - pck
(1-7)

pck
pkt

pt
p

p

pkt

Hình 1-3
Chú ý
Khi đo áp suất theo chiều cao cột thuỷ ngân ở t0C nào đó thì chiều cao cột thuỷ
ngân ứng với 00C sẽ là:
h0 = ht.( 1 - 0,000172.t )
(1-8)
h0- chiều cao cột thuỷ ngân ở 00C
ht- chiều cao cột thuỷ ngân ở t0C.
c. Thể tích riêng
Thể tích riêng của chất khí là thể tích của một đơn vị chất khí, ở đây ta xét cho
V
một kg. Ký hiệu thể tích riêng là v thì ta có: v  [ m3/kg].
(1-9)
G

17


Đại lƣợng nghịch đảo của v ta ký hiệu là , chính là khối lƣợng riêng, với chất khí ta
1 G
còn gọi là mật độ phân tử:    [kg/m3].
(1-10)
v V
d. Nội năng của chất khí
Nội năng của môi chất là tổng nội động năng và nội thế năng của các phân tử.
Nội thế năng do lực tác dụng tƣơng hỗ giữa các phân tử tạo ra nên nó phụ thuộc vào
khoảng cách giữa các phân tử hay thể tích riêng, nội động năng do chuyển động của các
nguyên tử, phân tử gây ra nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Vậy nội năng là hàm của nhiệt
độ và thể tích:
u = f(t,v)
(1-11)
Đối với khí lí tƣởng, có thể bỏ qua lực tƣơng tác giữa các phân tử, nên nội thế
năng bằng 0. Do đó nội năng chỉ bao gồm nội động năng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
nên nội năng của khí lí tƣởng là hàm đơn trị của nhiệt độ: u = f(T)
Đối với khí lí tƣởng trong mọi quá trình biến đổi, nội năng luôn đƣợc xác định
bằng biểu thức:
du = CvdT và u = u2 - u1 = Cv(T2-T1)
(1-12)
Trong đó:
Cv - nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng tích.
Đơn vị của nội năng cũng giống nhƣ đơn vị của các dạng năng lƣợng khác, thƣờng dùng
kJ, Kw.h, Kcal, kg.m...Một số nƣớc còn dùng đơn vị Btu, Chu...
Quan hệ giữa các đơn vị:

1kJ 

1
Kcal  0,948Btu  0,527Chu
4,1868

(1-13)

Chú ý:
Trên đây nội năng của môi chất đƣợc tính cho 1 (kg) môi chất kí hiệu là u (J/kg).
Khi tính cho G (kg) môi chất ta sẽ có U = G.u (J ).
e. Năng lƣợng đẩy
Năng lƣợng đẩy hay thế năng áp suất kí hiệu là D (J) hoặc d (J/kg ).
Ta đã biết rằng với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng
của nó bên ngoài còn một năng lƣợng nữa để giúp khối khí dịch chuyển đó chính là
năng lƣợng đẩy:
D = pV hay d = pv
(1-14)
Các biểu thức trên ở dạng vi phân sẽ là:
d(D) = d(pV) hay d(d) = d(pv)
Năng lƣợng đẩy cũng là thông số trạng thái và cần chú ý rằng năng lƣợng đẩy chỉ có
trong hệ hở, khi dòng khí chuyển động năng lƣợng đẩy thay đổi và tạo ra công lƣu động
để đẩy dòng khí chuyển động.
f. Entanpi - nhiệt hàm
Trong khi tính toán và phân tích về nhiệt, ta thƣờng gặp biểu thức: (u + pv) để
đơn giản ngƣời ta thay bằng i hoặc h và gọi là entanpi;
i = u + pv, (J/kg) - khi tính ứng với 1 (kg) môi chất
I = U +pV, ( J) - khi ứng với G (kg) môi chất
Entanpi là thông số trạng thái, khi đó ta lấy vi phân chính là vi phân toàn phần:
di = du + d(pv)
(1-15)
Entanpi của khí thực cũng giống nhƣ nội năng là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông
số trạng thái cơ bản p,v,T.
18


Riêng đối với khí lí tƣởng thế năng áp suất có thể bỏ qua nên entanpi chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ i = f(T ) và biến đổi entanpi trong mọi quá trình đều đƣợc xác định
bằng biểu thức:
di = CpdT ; i = i2- i1 = Cp (T2-T1 )
(1-16)
Trong đó:
Cp - nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp.
Trong nhiệt động kỹ thuật cũng giống nhƣ nội năng ta chỉ cần tính độ biến thiên của
entanpi i nên có thể chọn tuỳ ý điểm gốc mà tại đó entanpi có giá trị bằng 0, ví dụ
thƣờng chọn i = 0 ở 0oK hoặc ở điểm ba thể nhƣ đối với nội năng.
g. Entropi
Xem một hệ gồm các phân tử một chất khí đang ở nhiệt độ thấp, nếu ta đốt nóng
hệ tức là cung cấp một nhiệt lƣợng q vào, các phân tử khí sẽ gia tăng chuyển động, có
sự xáo trộn hay mất trật tự nhiều trong hệ so với trƣớc khi cung cấp nhiệt lƣợng q. Nhiệt
lƣợng q càng nhiều thì sự xáo trộn càng lớn, tức sự biến thiên xáo trộn tỉ lệ thuận với
nhiệt lƣợng q đƣợc cung cấp vào hệ.
Nếu cùng một lƣợng nhiệt q nhƣng nếu cung cấp vào hệ trên đang ở nhiệt độ cao, thì sự
biến thiên xáo trộn sẽ ít hơn so với lúc hệ đang ở nhiệt độ thấp.
Nhƣ vậy sự biến thiên xáo trộn tỉ lệ nghịch với nhiệt độ T.
Ngƣời ta dùng một hàm số trạng thái để đo mức độ xáo trộn hay độ tự do của
một hệ. Ðó là hàm số entropi S mà trong một biến đổi nhỏ đƣợc cho bởi:
q
; [kJ/kg.oK].
(1-17)
ds 
T
Trong đó:
∂q - Nhiệt lƣợng của quá trình; (J/kg)
T - Nhiệt độ của chất khí trong quá trình (0K)
Chú ý:
Ở trên ta mới nêu công thức để xác định độ biến thiên nội năng, entanpi và
entropi. Để xác định nội năng, entanpi và entropi tại một trạng thái nào đó ngƣời ta quy
ƣớc ở 00C: u = u0 = 0, i = i0 = 0, s = s0 = 0.
Ví dụ: Xác định Entanpi của chất khí ở t0C (it) biết rằng nhiệt dung riêng đẳng áp của
chất khí là Cp ?
Ta có it = (i)0  t = it - i0 = Cp(t-0) = Cp.t [kJ/kg].
1.3. PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KH Í
1.3.1. Khái niệm
Ta biết rằng một trạng thái của môi chất đƣợc xác định bởi các thông số trạng
thái. Vậy phƣơng trình trạng thái là biểu thức toán học mô tả mối quan hệ giữa các
thông số trạng thái ở một trạng thái xác định. Dƣới đây chúng ta xét phƣơng trình trạng
thái chỉ đối với trạng thái cân bằng.
Định luật Gibbs
Định luật Gibbs cho biết có bao nhiêu thông số trạng thái để xác định đƣợc một
trạng thái của chất khí. Với hệ thống không có phản ứng hoá học số thông số độc lập để
xác định một trạng thái đƣợc xác định nhƣ sau:
= e+2-
(1-18)
Trong đó:
 - Số pha cùng tồn tại trong hệ;
e - Số thành phần trong hệ (môi chất đơn e = 1).
Ví dụ:
19


Một môi chất đơn e = 1, hệ thống một pha  =1 thì  = 2. Vậy nếu có 2 thông số
độc lập thì ta có thể xác định đƣợc một trạng thái của môi chất đơn; Chẳng hạn hai
thông số p, v xác định một trạng thái. Thông số thứ 3 là T đƣợc xác định T = f(p, v).
Vậy dạng tổng quát của phƣơng trình trạng thái là: F(p, v, T) = 0.
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng (phƣơng trình Clareyperon).
Phƣơng trình đƣa ra trên cơ sở lý luận và thực nghiệm (dựa trên các định luật
Bôi -Mariôt, Gay-Luyxăc và định luật Avôgađrô).
Đối với 1 kg chất khí ta có: pv = RT
(1-19)
Trong đó:
p - áp suất của chất khí, [N/m2]
v - thể tích riêng, [m3/kg]
T - nhiệt độ tuyệt đối, [0K]
R - hệ số tỷ lệ, nó là hằng số với mọi trạng thái và chỉ phụ thuộc vào bản chất
của chất khí nghĩa là với mỗi chất khí R chỉ có một trị số. R đƣợc gọi là hằng số chất
khí, đơn vị của R là [J/kg.oK];
Đối khối khí với G kg:
Gpv = GRT; pV = GRT
(1-20)
Đối với 1 kilomol chất khí:
Khái niệm kilômol chất khí: một kilômol chất khí nào đó là lƣợng khí có khối lƣợng
bằng  kg - trong đó  là trị số phân tử lƣợng của chất khí đó.
Từ công thức pv = RT ta có: pv = RT
Ta ký hiệu R = R; Mặt khác v là thể tích của một kilômol chất khí ta ký hiệu
là V. Vậy phƣơng trình trạng thái của một kilômol chất khí là:
p.V = RT
(1-21)
Trong đó:
V - Thể tích của 1 kilômol chất khí. Theo định luật Avôgadrô: ở điều kiện nhƣ
nhau thể tích 1 kilômol của tất cả các chất khí có trị số nhƣ nhau; ở điều kiện tiêu chuẩn

m 3tc
].
Kmol
Nếu áp điều kiện tiêu chuẩn vào phƣơng trình trạng thái cho 1 kilômol ta có:
760
760
p0 = 760 mmHg =
[bar] =
.105 [N/m2]
750
750
3
0
Vo = 22,4 [m ]; T0 = 273 [ K]. (chỉ số “o”ký hiệu thông số ở điều kiện tiêu
chuẩn). Từ công thức:
p0V0=RT0
760
.10 5.22,4
750
(1-22)
R 
 8314 [J/Kmol.oK].
273
Vậy với mọi trạng thái và mọi chất khí R  luôn bằng hằng số. Vì vậy R  đƣợc gọi là
hằng số phổ biến: R = 8314 [J/Kmol.oK].
Mặt khác ta biết: .R = R .
Vậy ta có thể xác định đƣợc hằng số chất khí:
8314
[J/kg.oK]
(1-23)
R

Ví dụ:
(p =760 mmHg, t = 00C) thể tích đó bằng 22,4 [

20


Với khí Nitơ: R N 2 

8314
[J/kg.oK] ;
 N2

1.3.3. Tính toán hỗn hợp khí lý tƣởng
Trong thực tế chúng ta cần phải tính toán hỗn hợp gồm nhiều chất khí đƣợc coi
là khí lý tƣởng. Những hỗn hợp này đƣợc gọi là hỗn hợp khí lý tƣởng.
a. Định nghĩa
Hỗn hợp khí lý tƣởng bao gồm ít nhất từ hai đơn chất khí lý tƣởng kết hợp với
nhau, chúng đƣợc coi là một đơn chất khí lý tƣởng tƣơng đƣơng khi giữa chúng chỉ kết
hợp với nhau về mặt cơ học mà không có các phản ứng hoá học xảy ra.
b. Thành phần của hỗn hợp
 Thành phần khối lƣợng của chất khí
Thành phần khối lƣợng của một chất khí i trong hỗn hợp là tỷ số giữa khối
lƣợng của chất khí đó (Gi) với khối lƣợng của hỗn hợp.
G
(1-24)
gi  i
G
Trong đó:
n

G - Là khối lƣợng của hỗn hợp: G = G1 + G2 + ... + Gn =  G i
i 1

Ta suy ra:
g1 + g2 + g3 + ...gi... + gn = 1
Với 1 (kg) hỗn hợp thì thành phần khối lƣợng của một chất chính là khối lƣợng của chất
khí đó.
 Thành phần thể tích của chất khí
Thành phần thể tích của một chất khí trong hỗn hợp là tỷ số giữa phân thể tích
của chất khí đó Vi với thể tích của hỗn hợp V. Ta ký hiệu thành phần thể tích là ri.
V
(1-25)
ri  i
V
Vi - Phân thể tích của chất khí i trong hỗn hợp. Đó là thể tích của chất khí i khi
ta tƣởng tƣợng tách riêng nó ra khỏi hỗn hợp mà vẫn giữ áp suất và nhiệt độ nhƣ của
hỗn hợp.
V - Thể tích của hỗn hợp, nó là thể tích chung của các chất khí thành phần hoặc
có thể xác định theo công thức: V = Vi .
Phân thể tích của khí a và khí b đƣợc mô tả trên hình vẽ:
p, T, G, V
Chất khí a: o
Chất khí b: x

o x o x o x
x o x o x o

o o o
o o o
p, T, Ga, Va

x x x
x x x
p, T, Gb, Vb
Hình 1- 4
21




Thành phần mol (kilômol)
Thành phần mol của một chất khí trong hỗn hợp là tỷ số giữa số mol hoặc kilômol
của chất khí đó với số mol hoặc kilômol của hỗn hợp. Ta có thể chứng minh đƣợc trị số
của thành phần mol bằng trị số thành phần thể tích cho nên thành phần mol của chất khí i
cũng đƣợc ký hiệu là ri.
m
V
(1-26)
ri  i  i
m
V
Trong đó:
mi - Số kilômol của khí i trong hỗn hợp;
m - Số kilômol của hỗn hợp; m có thể đƣợc xác định theo công thức:
m = mi
Thật vậy:
Vi=mi.Vi
V=m.V
Theo Định luật Avogadro ở cùng áp suất và nhiệt độ thì V i= V.
Vì vậy:
m
V
(1-27)
ri  i  i
m
V
 Áp suất của hỗn hợp khí lý tƣởng
Theo định luật Dantol: Trong điều kiện không có phản ứng hoá học, áp suất của hỗn
hợp gồm nhiều chất khí bằng tổng phân áp suất của các chất khí thành phần.
Biểu thức định luật: p = p1 + p2 +…+ pi +… + pn
n

p   pi
i 1

Trong đó:
p - áp suất hỗn hợp;
p1, p2,.. pi, … pn - phân áp suất của các chất khí thành phần.
- Khái niệm phân áp suất
Phân áp suất của một chất khí trong hỗn hợp là áp suất của chất khí đó khi ta
tƣởng tƣợng tách riêng nó ra khỏi hỗn hợp mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ và thể tích nhƣ
của hỗn hợp.
Khái niệm phân áp suất của chất khí a và chất khí b đƣợc mô tả trên hình 1-5
p, T, G, V
Chất khí a: o
Chất khí b: x

o x o x o x
x o x o x o

o o o
o o o
pa, T, Ga, V

x x x
x x x
pb , T, Gb, V
Hình 1-5

22


- Thành phần áp suất
Viết phƣơng trình trạng thái của khí a theo phân thể tích ta có:
pVa = Ga.Ra.T;
Theo phân áp suất ta có:
pa.V = Ga.Ra.T
V p
Ta có thể suy ra : p.Va = pa.V; a  a  ra .
V
p
Nhƣ vậy, tổng quát ta có thành phần mol, thành phần thể tích, thành phần áp suất của
m
V p
chất khí i có thể đƣợc xác định nhƣ sau: ri  i  i  i
(1-28)
m
V
p
- Quan hệ giữa các thành phần
Trong tính toán nhiệt nhiều khi ta phải tính đổi từ thành phần này sang thành
phần khác. Dƣới đây là công thức quy đổi từ thành phần thể tích sang thành phần khối
lƣợng và ngƣợc lại.
m
G
m
g i  i  n i i ; chia cả tử và mẫu của phân số cho m, với lƣu ý là ri  i ;
G
m
 mii
i 1

ta có: g i 

Gi
r
 ni i
G
 ri  i

(1-29)

i 1

Xác định ri theo gi nhƣ sau: ri 

Vi
G /
 n i i chia cả tử và mẫu của phân số cho G,
V
 G i / i
i 1

G
với lƣu ý là : g i  i ;
G
g /
ta có: ri  n i i
 gi / i

(1-30)

i 1

- Phân tử lƣợng của hỗn hợp khí lý tƣởng
Để có thể coi hỗn hợp khí lý tƣởng là một chất khí lý tƣởng tƣơng đƣơng nhất
thiết ta phải xác định hằng số của hỗn hợp khí lý tƣởng R. Điều đó có nghĩa là ta phải
xác định trị số phân tử lƣợng của hỗn hợp khí lý tƣởng ;
Xác định  theo thành phần thể tích ri:
n

G
Từ công thức G = m.  ta suy ra   
m

Xác định  theo thành phần khối lƣợng gi:
G
Từ công thức G = m.  ta suy ra   
m

G
i 1

n

i



m

m 

G
n

G
i 1

i

i

i 1

n

  ri  i

m


/ i

i

(1-31)

i 1

1
n

g
i 1

i

(1-32)
/ i

- Hằng số chất khí của hỗn hợp khí lý tƣởng
Ở trên ta đã xác định đƣợc trị số phân tử lƣợng của hỗn hợp, để xác định hằng số
chất khí của hỗn hợp ta áp dụng công thức nhƣ đối với đơn chất:
23


8314
[J/kg.oK]. Trong đó  - trị số phân tử lƣợng của hỗn hợp.

1.3.4. Phƣơng trình trạng thái của khí thực
Thực tế, với độ chính xác cho phép ta có thể coi không khí và một số khí hai
nguyên tử khác, thậm chí cả hơi nƣớc (trong một số trƣờng hợp đặc biệt) là khí lý tƣởng
và áp dụng công thức tính toán của khí lý tƣởng.
Đối với khí thực cho đến nay chƣa có một phƣơng trình nào đƣợc xây dựng từ
phƣơng pháp giải tích một cách chính xác. Để tính toán khí thực ngƣời ta vẫn sử dụng
phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng và đƣa vào các hệ số hiệu chỉnh về thể tích bản
thân phân tử và lực tƣơng tác giữa các phân tử để giảm sai số trong tính toán. Trên cơ sở
đó ngƣời ta đƣa ra phƣơng trình trạng thái cho từng chất cụ thể hoặc từng nhóm các chất
khác nhau.
- Với đa số các chất khí ngƣời ta áp dụng phƣơng trình do nhà bác học Vander Walls
đƣa ra năm 1893.
a
(1-33)
(p  2 )(v  b)  RT
v
a, b là những hằng số xác định bằng thực nghiệm.
- Với hơi nƣớc và một số các chất khác ngƣời ta áp dụng phƣơng trình của hai nhà bác
học Vucalôvich và Novicôp.
- Với môi chất lạnh ngƣời ta dùng phƣơng trình Webb-Rubin, đặc biệt là phƣơng trình
a
của Redlich-Krong.
(1-34)
(p  n
)(v  b)  RT
T v( v  b)
R

Trong đó:
p: áp suất
T: nhiệt độ
R: hằng số chất khí
v: thể tích riêng
a và b: hằng số thực nghiệm
n: hệ số hiệu chỉnh đƣợc xác định theo từng môi chất.
B. THẢO LUẬN
1. Phân biệt thông số trạng thái của môi chất và các thông số vật lý của một vật, một
hiện tƣợng vật lý thông thƣờng?.
2. Phân biệt khí lý tƣởng và khí thực?. Khi nào ta có thể coi một chất khí là khí lý
tƣởng?.
3. Khái niệm phƣơng trình trạng thái và cơ sở để xây dựng phƣơng trình trạng thái của
chất khí?.
C. NGÂN HÀNG CÂU HỎI, BÀI TẬP
1. Xác định khối lƣợng riêng và thể tích riêng của không khí ở điều kiện nhiệt độ t =
27oC, áp suất p =1 bar.
2. Khí CO2 đƣợc bơm vào bình chứa với thể tích V =3m3 bằng máy nén. Chỉ số áp kế
gắn với nắp bình chứa trƣớc và sau khi nén là 0, 3at và 3at nhiệt độ tăng từ 45oC đến
70oC. Xác định lƣợng CO2 đƣợc bơm vào bình biết áp suất khí quyển bằng 700mmHg.
3. Một bình kín thể tích là 100 lít chứa 2kg O2 ở nhiệt độ 47oC. Biết áp suất khí quyển
po=1bar. Xác định chỉ số đồng hồ áp kế gắn trên nắp bình.
4. Một hỗn hợp khí gồm H2 và O2. Thành phần khối lƣợng H2 là 10%. Xác định hằng
số chất khí của hỗn hợp, thể tích riêng của hỗn hợp ở điều kiện tiêu chuẩn.

24


5. Một kg không khí gồm O2 và N2 có thành phần thể tích rO2=21%, rN2=79%. Xác định
phân tử lƣợng  của hỗn hợp, hằng số chất khí của hỗn hợp và phân áp suất của O2 và
N2 trong hỗn hợp khi áp suất của hỗn hợp là 10 bar.
6. Một quả cầu chứa 0,288 (kg) khí hydrô (H2) ở áp suất pd = 1,5 bar và nhiệt độ 27ºC.
Nếu áp suất khí quyển là 750 mmHg thì đƣờng kính của quả cầu là bao nhiêu?.
7. Một bình Gas có thể tích 0,866 m3 chứa khí mêtan (CH4) ở áp suất 18 bar và nhiệt độ
27ºC. Nếu mỗi ngày sử dụng hết 0,5 (kg) để đun nấu thì bình Gas đó sử dụng đƣợc bao
lâu?.
8. Một bình hình trụ có đƣờng kình 1000m chứa 5 (kg) khí oxy (O2) ở áp suất pd = 2,5
bar và nhiệt độ 65ºC. Nếu áp suất khí quyển là 750 mmHg thì chiều cao của bình chứa
khí oxy là bao nhiêu?.
9. Một bình có thể tích 2 m3 chứa khí Nitơ (N2) ở nhiệt độ 27ºC và có áp suất bằng áp
suất khí quyển (750 mmHg). Sau khi sử dụng hết 1kg trong khi nhiệt độ bình không
thay đổi thì độ chân không trong bình bằng bao nhiêu?.
10. Một bình chứa 4 (kg) khí Oxy (O2) , sau khi sử dụng hết 900 (g) thì nhiệt độ trong
bình là 25ºC còn áp suất trong bình là pd = 0,5 bar. Thể tích của bình chứa là bao
nhiêu?. Biết áp suất của khí quyển là 750 mmHg.
11. Một bình chứa khí CO2 có thể tích là 1,06 m3 ở áp suất 2,5 bar và nhiệt độ 27ºC. Sau
khi đƣợc nạp thêm 1,7 kg khí CO2 thì áp suất trong bình là 3,5 bar. Nhiệt độ của bình
khí CO2 sau khi nạp thêm có giá trị bằng bao nhiêu?.
12.* Một bơm hút không khí trong một bình chứa có thể tích V=20m3, với lƣu lƣợng thể
tích hút 0,25(m3/phút). Nếu không khí ban đầu ở áp suất khí quyển và coi nhiệt độ
không khí trong bình không đổi thì thời gian để áp suất trong bình giảm còn ¼ so với áp
suất ban đầu bằng bao nhiêu?.
13. Cho 5(kg) hỗn hợp khí ở áp suất 1,013(bar), nhiệt độ 300K, thành phần khối lƣợng
của từng chất khí lần lƣợt là 80%N2, 18%O2, 2%CO2. Xác định khối lƣợng phân tử của
hỗn hợp, hằng số chất khí tƣơng đƣơng, nhiệt dung riêng của hỗn hợp.
Chƣơng II. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
* Mục tiêu, nhiệm vụ
+ Mục tiêu: Sinh viên nắm được bản chất và nội dung của định luật nhiệt động 1. Công
thức tính độ biến thiên nội năng , công và nhiệt lượng của các quá trình nhiệt động cơ
bản của khí lý tưởng và khí thực. Các ứng dụng của của không khí ẩm và hơi nước
trong đời sống và trong kỹ thuật.
+ Nhiệm vụ của sinh viên: Chuẩn bị bài trước khi lên lớp, tham gia đầy đủ thời gian
trên lớp.
+ Đánh giá: Sinh viên nắm được các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng và
khí thực.
* Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ
Nội dung
Hình thức học
2.1. Nhiệt và công các phƣơng pháp xác định
2.1.1. Phƣơng pháp xác định nhiệt
2.1.1.1. Xác định nhiệt theo nhiệt dung riêng
2.1.1.2. Xác định nhiệt theo biến thiên entropi
2.1.2. Phƣơng pháp xác định công
2.1.2.1. Công lƣu động
2.1.2.2. Công giãn nở
2.1.2.3. Công kỹ thuật
2.2. Định luật nhiệt động 1
2.2.1. Ý nghĩa của định luật nhiệt động 1
2.2.2. Nội dung của định luật nhiệt động 1
2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tƣởng

Giảng

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×