Assoc. Prof. NguyÔn V¨n NhËn - Engineering Thermodynamics - 2007
Chương 1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. HỆ NHIỆT ĐỘNG
1.1.1. ĐỊNH NGHĨA
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 (MTXQ). Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn
cách hệ nhiệt động và MTXQ được gọi là ranh giới của HNĐ.
1.1.2. PHÂN LOẠI

Rigid
vessel
System
boundaries
Water
vapor
Liquid
water
Cylinder
System
boundaries
Piston
Pump
Electrical power in
a)b)
c)


a)b)
c)d)
Fig. 1-2. Choice of
System Boundary
Q
out
Q
in
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 5 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
1.2. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MCCT

120
Fig. 1-3. Thermometer

Thang nhiệt độ
• Thang nhiệt độ (
0
C) - (Anders Celsius - 1701 - 1744 - Sweden scientist)
• Thang nhiệt độ Fahrenheit Scale (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686 -
1736 - Gdansk inhabitant) .
• Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824 - 1907 - English Physicist ).
• Thang nhiệt độ Rankine (0R)

)32(
9
5
00
−=FC
;
273
0
−= KC32
5
9
00
+⋅=CF
;
273

A
F
p=
(1.2a)
Theo thuyết động học phân tử :

2
3
m
pn
µ
ω
α
⋅
=⋅⋅
(1.2b)
trong đó : p - áp suất ; F - lực tác dụng của các phân tử ; A - diện tích thành bình chứa
; n - số phân tử trong một đơn vị thể tích ; α - hệ số phụ thuộc vào kích thước và lực
tương tác của các phân tử.
Đơn vị áp suất
1) N/m
2
; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647)
2) Pa (Pascal) ; 6) mm H
2
O
3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch)
4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)
at Pa mm H
2

)
1 at = 2049 psf

1 psi (lbf/in
2
) = 144 psf = 6894,8 Pa
1lbf/ft
2
(psf)

= 47,88 Pa
Phân loại áp suất
• Áp suất khí quyển (p
0
) -
• Áp suất dư (p
d
) - áp suất của lưu chất so với môi trường xung quanh
p
d
= p - p
0

• Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với chân không tuyệt đối.
p = p
d
+ p
0
• Độ chân không (p
ck

d
p
0
p
0
Hg
Vacuum
a)b)Fig. 1-5. Methods used to measure the pressure
a) Barometer , b) Pressure gause
Ghi chú : Khi đo áp suất bằng áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần
được hiệu chỉnh về nhiệt độ 0
0
C.
h
0
= h (1 - 0,000172. t) (1.3)
trong đó : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [
0
C] ; h
0
- chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh
về nhiệt độ 0
0
C ; h - chiều cao cột thủy ngân ở nhiệt độ t
0
C.
1.2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

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. Lượng thay đổi nội
năng của khí lý tưởng được xác định bằng các biểu thức (xem chương 2, 3) :
du = c
v
. dT (1.4a)
∆u = u
2
- u
1
= c
v
. ∆T (1.4b)
1.2.5. ENTHALPY
Enthalpy (I) - là đại lượng được định nghĩa bằng biểu thức :

VpUI
⋅
+
=
[J] (1.5a)
Như vậy, cũng tương tự như nội năng , enthalpy của khí thực là hàm của các
thông số trạng thái. Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và
lượng thay đổi enthalpy của khí lý tưởng trong mọi quá trình được xác định bằng biểu
thức (xem chương 2, 3) :
di = c
p
. dT (1.5b)
∆i = i

Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
1.3. EQUILIBRIUM
Mechanical Equilibrium - by mechanical equilibrium, we mean that there are
no unbalanced forces present, either internal to the system or between the system and
its surroundings.
For example, consider the gas contained within a piston-cylinder arrangement
as shown in Fig. 1-6a. Let the mass of gas be the thermodynamic system. Take the
external pressure applied on the gas to be 30 psia caused by the action of atmospheric
pressure on the topside of the piston, the weight of the piston, and the force F applied
to the piston rod. If the gas pressure is also 30 psia, there will exist a state of
mechanical equilibrium, with no unbalanced forces. If now the external force F is
removed, there will be an unbalanced force across the piston, and the piston will
accelerate upward. During the period of acceleration, the gas pressure and density
throughout the gas volume will not be uniform; for example, there will be a greater
number of molecules near the bottom part of the cylinder than near the accelerating
piston. It is hence impossible to specify a single pressure for the entire system. In fact,
only when there is mechanical equilibrium can a single system pressure be specified.
F
Q
in
A
B
a)b)

Fig. 1-6.

Thermal Equilibrium - Thermal equilibrium means that there is no
temperature imbalance either within the system or between the system and its
surroundings.
For example, suppose that a hot frame is brought into contact with the gas in

If these increments are made infinitesimally small, also implying that the piston
is allowed to move upward infinitesimally slowly in the cylinder, then each state of
the gas can be defined by thermodynamic properties. We will use this quasi-static
process many times throughout the text, but remember that it is an idealization.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 11 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
1.4. KHÍ LÝ TƯỞNG
1.4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
MCCT có thể ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn. Thiết bị năng lượng thông dụng
thường sử dụng MCCT ở trạng thái khí vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rất
lớn nên có khả năng thực hiện công lớn.
Chất khí trong tự nhiên là khí thực, chúng được tạo nên từ các phân tử, mỗi
phân tử chất khí đều có kích thước và khối lượng nhất định, đồng thời chúng tương
tác với nhau. Để đơn giản cho việc nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm khí lý
tưởng.
Khí lý tưởng - chất khí được cấu thành từ các phân tử, nhưng thể tích của bản
thân các phân tử bằng không và không có lực tương tác giữa các phân tử.
Trong thực tế, khi tính toán nhiệt động học với các chất khí như oxy (O

phân tử có trong 1 kmol chất khí ; V
µ
- thể tích của 1 kmol chất khí, [m
3
/kmol].
Thế α và n vào (1.7a) :

Tk
V
N
p ⋅⋅=
µ
µ
(1.7b)

TkNVp ⋅⋅=⋅
µµ
(1.7c)
• Theo Avogadro, 1 kmol của bất kỳ chất khí nào đều có số phân tử :
N
µ
= 6,0228.10
26
.
• Hằng số phổ biến của chất khí :
R
µ
= k. N
µ
= 1,3805. 10

= 8314 J/kmol.deg -
hằng số phổ biến của chất khí ; R = 8341/µ - hằng số của chất khí , [J/kg.deg] ; µ -
khối lượng của 1 kmol khí, [kg/kmol] ; p - áp suất, [N/m
2
] ; T - nhiệt độ tuyệt đối, [K].

Phương trình trạng thái của khí thực
Cho đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chưa tìm được
phương trình trạng thái dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái mà mới chỉ xác định
được một số phương trình trạng thái gần đúng cho một hoặc một nhóm khí ở những
phạm vi áp suất và nhiệt độ nhất định.
• Phương trình Wan der Walls (1893) :

()
2
a
pvbRT
v

+⋅−=⋅


(1.11)
trong đó a và b là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào từng
chất khí.
gas-vapor mixtures, such as moist atmospheric air.
1.4.3.2. GIẢ ĐỊNH
1) Thể tích của khí thành phần trong HHK bằng thể tích của bình chứa.
V
1
= V
2
= V
3
= = V (1.11)
2) Nhiệt độ của khí thành phần bằng nhiệt độ của HHK.
T
1
= T
2
= T
3
= = T (1.12)
3) Phân áp suất ( p
i
)- áp suất của khí thành phần. Tổng phân áp suất của các
khí thành phần bằng áp suất của HHK, tức là áp suất của khí thành phần tuân theo
định luật Dalton.
p
1
+ p
2
+ p
3
+ p

. T
2
→ p
2
. V = m
2
.R
2
. T

(1.14)
p
i
. V
i
= m
i
. R
i
. T
i
→ p
i
. V = m
i
.R
i
. T

p . V = m . R . T

. V
h
từ (1.14) ta có :

'
ii
pVpV
⋅=⋅
(1.17)
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 14 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007

'
i
i
p
VV
p
=⋅
(1.18a)
và
'
1
n
i
i
i

1
1
=
∑
=
n
i
i
g
(1.19b)
2) Thành phần thể tích ( r
i
)

'
i
i
V
r
V
=
(1.20a)
Từ định nghĩa phân thể tích (1.18) ta có :

'
1
11
n
i
nn

i
i
N
r
N
=
(1.21a)

i
i
i
m
N
µ
=
;
1
n
i
i
NN
=
=
∑
→
1
1
=
∑
=

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 15 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
1.4.3.4. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT ĐỘNG CỦA HHK
Khi tính toán HHK, người ta xem HHK như là một chất khí tương đương và
sử dụng các biểu thức như đối với chất khí đơn. Bởi vậy, cần phải xác định được các
đại lượng tương đương của HHK.
1) Phân tử lượng tương đương ( µ)

1
1
=
∑
=
n
i
i
g
→
1
1
n
i
i
i
r
µ
µ

====
⋅
∑∑∑

→
1
1
n
i
i
i
g
µ
µ
=
=
∑
(1.23b)
2) Hằng số chất khí tương đương ( R)
• Xác định theo phân tử lượng tương đương :

8314
R
µ
=
(1.24a)
• Xác định theo thành phần và hằng số chất khí thành phần :

ii
i

VV
==
⋅⋅
⋅⋅
==
∑∑ (1.24b)
Nhân 2 vế phương trình (1.24b) với
V
Tm
⋅
, ta có :

1
n
i
i
i
h
m
RR
m
=
⋅=
∑

→
1
n
ii
i

V
v
mmmm
ρ
ρ
=
=
=
====
⋅
∑
∑
∑

→
1
n
i
i
i
g
v
ρ
=
=
∑
(1.25)
→
1
v


4) Phân áp suất (p
i
)

iiiii
i
mRTNRT
p
VV
µ
⋅⋅⋅⋅⋅
==mRTNRT
p
VV
µ
⋅⋅⋅⋅⋅
==

Chia từng về hai phương trình trên :

iiii
pNR
pNR
µ
µ
⋅⋅

- 17 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
1.5. ĐƠN VỊ
TT Đại lượng Hệ đơn vị quốc tế (SI) Hệ đơn vị Anh Biến đổi
1 Khối lượng Kilogram [kg] Pound Mass [lbm] 1 lbm = 0,454 kg
2 Khoảng cách Meter [m] Foot [ft] 1 ft = 0,305 m
3 Thời gian Second [s] Second [s]
4 Nhiệt độ Degree [
0
C] Degree [
0
F]
5 Lực Newton [N] Pound Force [lbf] 1 lbf = 4,448 N
6

n (nano) 10
- 9
; da (deka) 10
µ (micro) 10
- 6
;

h (hecto) 10
2

m (mili) 10
- 3
; k (kilo) 10


PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 18 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài tập 1.1
Áp suất của không khí trong bình có khả năng đỡ cột thủy ngân cao 500 mm
(HBT.1-3). Xác định áp suất tuyệt đối trong bình. Biết rằng áp suất khí quyển bằng 95
kPa, khối lượng riêng của thủy ngân bằng 13,6.10
3
kg/m3. Bỏ qua ảnh hưởng của
nhiệt độ đến chiều cao cột thủy ngân.
A
BC
p = ?
p
0
G
F
B

= 750 mmHg ở 0
0
C. Xác định :
1) Áp suất dư của oxy tính theo các đơn vị : [bar], [N/m
2
], [mmHg], [mmH
2
O],
[at] ?
2) Nhiệt độ của oxy tính theo
0
F,
0
R và K ?
3) Thể tích riêng và khối lượng riêng của oxy ở trạng thái thực tế (v, ρ) và
trạng thái tiêu chuẩn (v
tc
, ρ
tc
) ?
4) Khối lượng của oxy có trong bình (m) ?
5) Thể tích của oxy ở điều kiện tiêu chuẩn (V
tc
) ?

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 19 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007


và áp suất p = 760 mmHg.
Xác định thành phần thể tích (r
i
), hằng số chất khí (R
KK
), khối lượng phân tử
của không khí (µ
KK
) và phân áp suất của N
2
và O
2
? Coi N
2
, O
2
và không khí là khí lý
tưởng.

Bài tập 1.6
Trong bình A chứa khí O
2
có khối lượng m
O2
= 7,98 kg ở áp suât tuyệt đối p
O2

= 5 at và nhiệt độ t
O2

Ở giữa xylanh kín đặt một piston có thể chuyển động không ma sát (HBT. 1-6).
Bên phải xylanh chứa 1 kg khí H
2
, bên trái chứa 1 kg khí CO
2
. Hãy xác định tỷ số thể
tích của 2 chất khí khi piston ở trạng thái cân bằng. Xem H
2
và CO
2
là khí lý tưởng. HBT. 1-8

H
2
CO
2
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 20 - Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2007
Bài tập 1.9
Trong một bình chứa hai chất khí A và B được ngăn cách bởi một tấm chắn
(HBT. 1-9). Khí A có thể tích V
1
= 0,5 m
3

2
(HBT.1-10). Độ chân không trong bóng đèn khi
nhiệt độ trung bình t
1
= 25
0
C và áp suất khí trời p
0
= 760 mmHg là p
CK
= 200 mmHg.
Khi đóng điện và đạt đến chế độ ổn định thì phần hình cầu của đèn có nhiệt độ t
2A
=
160
0
C, còn phần hình trụ có nhiệt độ t
2B
= 70
0
C.
Coi N
2
là khí lý thưởng. Tính áp suất trong bóng đèn ở chế độ ổn định p
2
?