NHA TRANG UNIVERSITY
Faculty of Mechanical Engineering
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận
Engineering Thermodynamics
(Textbook Compiled for Students
at the Faculty of Mechanical Engineering) NHA TRANG - 2008 - 2 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Our modern technological society is based largely on the replacement of
human and animal labor by animate, power-producing machinery. Examples of such
machinery are steam power plants that generate electricity, locomotives that pull

An understanding of thermodynamics and the limitations it imposes on the
conversion of energy from one to another is very relevant to what is going on in the
world today. With limited supplies of conventional energy resources of oil and gas,
and with increased demands for an improved standard of living and an accompanying
increased demand for energy, it is important that we obtain the maximum utilization
of our oil, gas, and coal reserves. Conversion of the chemical energy available in these
fuels to usable form should be done as efficiently as possible. Further, we must
examine the potential of new sources of energy, such as the sun and the oceans.
Again, thermodynamics will be used to evaluate new energy sources and methods of
converting the available energy to useful form.
- 3 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
REFERENCE
1. Bùi Hải, Trần Thế Sơn (2002), Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội
2. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (2003), Bài tập cơ sở Kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo
dục.
3. Trần Quang Nhạ, Bùi Hải, Hoàng Đình Tín, Ng. Hoài Văn (1978), Bài tập Nhiệt
kỹ thuật, NXB Đại học và THCN.
4. William L. Haberman, James E. A. John, Engineering Thermodynamics with
Heat Transfer, ISBN 0-205-12076-8.


1
)
High-temperature reservoir (T
1
)
KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. THIẾT BỊ NHIỆT
Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh. Động cơ
nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ
phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ
năng. Máy lạnh có chức
năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ :
khí quyển).
1
3
4
2
Q
out
Q
in
W
outLow-temperature reservoir (T
2
)

in
H. 1.1-2. Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt
dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi
1- Giàn lạnh, 2- Máy nén, 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu
- 5 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008

1.2. HỆ NHIỆT ĐỘNG
Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật
khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài
HNĐ được gọi là môi trường xung quanh. Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ
nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.
Hệ nhiệt độ
ng được phân loại như sau :

Rigid
vessel
System
boundaries
Water
vapor
Liquid
water
Cylinder
System
boundaries
Gases
Piston

khi các thông số trạng thái có giá trị khác nhau trong HNĐ được gọi là trạng thái
không cân bằng.
Trạng thái của MCCT được biểu diễn bằng một điểm trên hệ trục tọa độ trạng
thái gồm các trục là các thông số trạng thái độc lập bất kỳ. Trạng thái cân bằng của
HNĐ đơn chất, một pha được xác định khi biế
t hai thông số trạng thái độc lập bất kỳ.
1.3.1. NHIỆT ĐỘ
• Khái niệm
Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái nhiệt của vật. Theo thuyết động học phân tử,
nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử .

2
.
3
m
kT
µ
ω
⋅
=
(1.3-1)
trong đó : m
µ
- khối lượng phân tử ; ω - vận tốc trung bình của các phân tử ; k -
hằng số Bonzman , k = 1,3805 . 10
5
J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối.
• Nhiệt kế
Nhiệt kế hoạt động dựa trên sự thay đổi một số tính chất vật lý của vật thay đổi
theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v.

00
+⋅= CF
;
273
0
+= CK

KR
5
9
0
=
;
RK
0
9
5
=

0
R =
0
F + 459,67
1.3.2. ÁP SUẤT
• Khái niệm
Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến
lên một đơn vị diện tích thành chứa.

A
F

C)
1 at 1 9,80665.10
4
1.10
4
735,559
1 Pa 1,01972.10
-5
1 0,101972 7,50062.10
-3
1 mm H
2
O 1.10
-4
9,80665 1 73,5559.10
-3
1 mm Hg 1,35951.10
-3
133,322 13,5951 1

1 atm = 760 mm Hg (at 0
0
C) = 10,13 . 10
4
Pa = 2116 psf (lbf/ft
2
)
1 at = 2049 psf
1 psi (lbf/in
2

) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển.
p
ck
= p
0
- p
p
p
0
p
d
p
p
0
p
ckH. 1.3-2. Các loại áp suất
• Áp kế

p
p
d
p
0
p
0
Hg
Vacuum

m
V
v =
[m
3
/kg]
• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật độ - của một chất
là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó :
V
m
=
ρ
[kg/m
3
]
1.3.4. NỘI NĂNG
Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của
các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng.
Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (u
d
) và nội thế năng (u
p
). Nội động
năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của
vật. Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử nên nó phụ thuộc vào
khoảng cách giữa các phân tử. Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích
riêng : u = u (T, v)
Đối với khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Lượ
ng thay đổi nội
năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức :

P
⋅
=
⋅⋅=

trong đó : m - khối lượng [kg] ; g - gia tốc trọng trường, [m/s
2
] ; z - độ cao so với
mặt phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N].
1.4.2. NGOẠI ĐỘNG NĂNG (E
k
) - là năng lượng có được do chuyển động vĩ
mô của vật.

2
2
ω
⋅= mE
K
; trong đó ω là vận tốc của vật.
1.4.3. NỘI NHIỆT NĂNG (U) - (xem 1.3.4).
1.4.4. HÓA NĂNG (E
C
) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa các
nguyên tử trong phân tử.
1.4.5. NGUYÊN TỬ NĂNG (E
A
) - năng lượng tích trữ trong các liên kết giữa
các hạt tạo nên hạt nhân của nguyên tử.
1.4.6. ĐIỆN NĂNG (E

Sun
Q
a)
Earth

H. 1.4-2. Các hình thức truyền nhiệt
- 11 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
1.4.7.2. NHIỆT DUNG VÀ NHIỆT DUNG RIÊNG
Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra
để nhiệt độ của nó thay đổi 1
0
.

dt
dQ
C =
[J/deg] (1.4-1)
Nhiệt dung riêng (NDR) - còn gọi là Tỷ nhiệt - là lượng nhiệt cần cung cấp
hoặc tỏa ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi 1
0
.
• Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất :
1) Nhiệt dung riêng khối lượng :
C
c
m
=

c
c
tc
==
(1.4-3)
• Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động :
1) NDR đẳng tích : c
v
, c'
v
, c
µ
.
2) NDR đẳng áp : c
p
, c'
p
, c
µ
.
• Công thức Maye :
c
p
- c
v
= R (1.4-4a)

c
µp
- c

p
⋅
−
=
1
(1.4-6)
• Nhiệt dung riêng của khí thực :
NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá
trình nhiệt động :
c = f(T, p, quá trình).
- 12 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Trong phạm vi áp suất thông dụng, áp suất có ảnh hưởng rất ít đến NDR. Bởi
vậy có thể biểu diễn NDR dưới dạng một hàm của nhiệt độ như sau :
c = a
0
+ a
1
. t + a
2
. t
2
+ + a
n
. t
n

(1.4-7)

1
∑
=
⋅=
n
i
ii
crc
1
''
∑
=
⋅=
n
i
ii
crc
1
µµ
1.4.7.2. TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH
a) Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t
1
÷ t
2
khi biết NDR trung
bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :
• NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :

(1.4-9)
001

)
00
1
0
2
000
12122
1
−⋅−−⋅=−= tctcqqq
ttttt
t

1
0
2
0
12
tctc
tt
⋅−⋅=
(1.4-10b)
• Từ (1.4-10a) và (1.4-10b) ta có :

(
21
2
1
21
00
0121

12
2
1
2
1
tt
dtc
c
t
t
t
t
−
⋅
=
∫
=
12
2
1
110
2
2
120
22
tt
t
ata
t
ata

+
⋅+=
(1.4-12)

1.4.7.3. CÁC CÁCH TÍNH NHIỆT LƯỢNG
1) Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

(1.4-12a)
()
12
2
1
2
1
| ttcdtcq
t
t
t
t
−⋅=⋅=
∫
2) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 1

q = ∆u + w (1.4-12b)
3) Tính nhiệt lượng theo định luật nhiệt động 2

(1.4-12c)
∫
⋅=
2

nhiệt, diện tích giới hạn bởi trục hoành, đường
biểu diễn quá trình và hai đường thẳng đứng đi
qua hai điểm đầu và cuối của quá trình thể hiện
nhiệt lượng tham gia trong quá trình.
Nhiệt năng không phải là thông số trạng
thái của MCCT. Lượng nhiệt cấp cho MCCT ph
ụ
thuộc vào đường đi của quá trình.
Qui ước : Nhiệt truyền vào HNĐ mang
d
ấu (+), nhiệt do HNĐ nhả ra mang dấu (-).
H. 1.4-3. Biểu diễn quá trình nhiệt động trên đồ thị nhiệt

- 14 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
1.4.8. CÔNG (W)
1.4.8.1. KHÁI NIỆM
Công - còn gọi là cơ năng - là dạng năng lượng hình thành trong quá trình biến
đổi năng lượng trong đó có sự dịch chuyển của lực tác dụng. Về trị số, công bằng tích
của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển.
W = (F. cosθ). S
S
θ
F

H. 1.4-4.
Đơn vị
Công là một dạng năng lượng nên đơn vị của công là đơn vị của năng lượng.

2) Công kỹ thuật (W
kt
) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện
khi áp suất của chất khí thay đổi.
Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức :
dw
kt
= - v . dp ∫
⋅−=
2
1
p
p
kt
dpvw
1.4.8.2. ĐỒ THỊ CÔNG

V
1
2
0
p
p
V
4
3
0

- 16 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1) Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh thông dụng ?
2) Định nghĩa, phân loại và cho các ví dụ về hệ nhiệt động ?
3) Định nghĩa MCCT, trạng thái và thông số trạng thái của MCCT ?
4) Định nghĩa và phân loại nhiệt độ, thang nhiệt độ ?
5) Định nghĩa và phân loại áp suất ? Liệt kê các đơn vị đo áp suất và quan hệ giữa
các đơn vị đo áp suấ
t ?
6) Định nghĩa nội năng (U), enthalpy (I), entropy (S) ?
7) Định nghĩa nhiệt năng (Q) và các đơn vị đo nhiệt năng ? Mô tả các phương thức
truyền nhiệt năng ?
8) Định nghĩa và phân loại nhiệt dung riêng (NDR) ? Lập công thức xác định NDR
trung bình trong khoảng nhiệt độ t
1
÷ t
2
khi biết NDR trung bình trong khoảng
nhiệt độ 0 ÷ t (
) và NDR thực (c = a
taac
t
⋅+=
100

B
50 mm H
2
0
180 mm Hg HBT. 1-1 HBT. 1-2

- 17 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Bài tập 1.2 : Chỉ số áp suất dư trong phòng (A) là 50 mm H
2
O (HBT. 1-2).
Trong phòng A đặt bình đo áp suất (B) có độ chân không là 180 mm Hg. Áp suất
ngoài trời là 750 mm Hg ở nhiệt độ 30
0
C. Xác định áp suất tuyệt đối của bình đo áp
suất . Bài tập 1.3 : Một bình kín có thể tích V = 625 dm
3
chứa oxy có áp suất tuyệt
đối p = 23 bar và nhiệt độ t = 280
0
C. Áp suất khí quyển p
0

= 0,7272 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg]
0
|
t
v
c

0
|
t
p
c
= 1,0240 + 0,00008855. t [kJ/kg.deg]
Xác định NDR trung bình đẳng tích và đẳng áp của N
2
trong khoảng nhiệt độ
từ t
1
= 200
0
C đến t
2
= 800
0
C ? Bài tập 1.5 : Một bình kín chứa m = 1,05 kg không khí (µ
k
= 28,9) với áp suất