1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA: KHOA KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ MÁY ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY ĐỘNG LỰC
ĐỖ VĂN QUÂN – VŨ VĂN HẢI – NGUYỄN THÀNH CÔNG
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
KỸ THUẬT NHIỆT
Số tín chỉ: 2
(Lưu hành nội bộ)
Bài giảng Online: http://www.youtube.com/@quanovan4509
Thái Nguyên-2023
2
PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT .......................................................................... 5
CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ
KHÍ ................................................................................................................................ 5
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ....................................................................... 5
a. Định nghĩa ......................................................................................................... 6
b. Phân loại ............................................................................................................ 6
1.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT ................................................ 6
1.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái .................................................................... 6
1.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất .......................................................... 7
c. Thể tích riêng ................................................................................................... 10
d. Nội năng của chất khí ...................................................................................... 10
e. Năng lượng đẩy ............................................................................................... 10
f. Entanpi - nhiệt hàm .......................................................................................... 11
g. Entropi ............................................................................................................. 11
1.3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ ..................................... 12
1.3.1. Khái niệm .................................................................................................. 12
1.3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Clareyperon). .... 12
1.3.3. Tính toán hỗn hợp khí lý tưởng ................................................................. 13
1.3.4. Phương trình trạng thái của khí thực ......................................................... 16
CHƯƠNG II. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT ............................................. 18
2.1. NHIỆT VÀ CÔNG ........................................................................................... 18
2.1.1. Phương pháp xác định nhiệt ...................................................................... 18
2.1.2. Phương pháp xác định công ...................................................................... 21
2.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG MỘT ................................................................. 24
2.2.1. Ý nghĩa ...................................................................................................... 24
2.2.2. Phát biểu định luật ..................................................................................... 24
2.2.3. Biểu thức ................................................................................................... 24
2.3. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG ................... 24
2.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động ................................................................. 24
2.3.2. Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình nhiệt động .................................... 24
2.3.3. Xét quá trình tổng quát đa biến ................................................................. 25
2.3.4. Một số quá trình nhiệt động cơ bản ........................................................... 25
2.4. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ THỰC – XÉT CỤ THỂ
CHO HƠI NƯỚC .................................................................................................... 32
2.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nước ......................................................... 32
2.4.2. Một số khái niệm ....................................................................................... 34
2.4.3. Bảng, đồ thị của khí thực – xét cụ thể cho hơi nước ................................. 35
2.4.4. Tính toán các quá trình của hơi nước ........................................................ 36
2.5. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM .................................................. 37
2.5.3. Đồ thị I- d của không khí ẩm ..................................................................... 41
a. Đồ thị I-d ......................................................................................................... 41
b. Ứng dụng đồ thị I-d ......................................................................................... 41
CHƯƠNG III. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ CHU TRÌNH CARNOT ................. 46
3.1. Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 ................. 46
3.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ........................................................................... 46
3.2.1. Chu trình thuận chiều ................................................................................ 46
3.2.2. Chu trình ngược chiều ............................................................................... 47
3.3. CHU TRÌNH CARNOT ................................................................................... 48
3.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều .................................................................... 48
a. Giới thiệu chu trình .......................................................................................... 48
3
b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình ..................................................................... 48
c. Hiệu suất nhiệt của chu trình ........................................................................... 48
3.3.2. Chu trình Carnot ngược chiều ................................................................... 49
a. Giới thiệu chu trình ......................................................................................... 49
b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình ..................................................................... 49
c. Hệ số làm lạnh của chu trình ........................................................................... 49
CHƯƠNG IV. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT .......... 51
A. Chu trình thuận chiều ...................................................................................... 51
4.1. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG - XÉT CỤ THỂ CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ...................................................................................... 51
4.1.1. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích .................. 52
4.1.2. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp ..................... 53
4.1.3. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp .................... 54
4.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC ..... 56
4.2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ............................................................................ 56
4.2.2. Chu trình Rankine ..................................................................................... 56
4.2.3. Xác định hiệu suất nhiệt ............................................................................ 56
B. Chu trình ngược chiều .................................................................................... 57
4.3. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN KHÍ .................... 57
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị (Hình 4-6) ........................................................... 57
4.3.2. Chu trình nhiệt động ................................................................................. 57
4.4. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN HƠI .................... 58
4.4.1. Môi chất lạnh ............................................................................................ 58
4.4.2. Yêu cầu kỹ thuật ....................................................................................... 58
4.4.3. Các loại môi chất lạnh .............................................................................. 59
4.4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ............................................................................ 60
4.4.5. Chu trình nhiệt động ................................................................................. 61
4.4.6. Hệ số làm lạnh của chu trình ................................................................... 61
PHẦN 2. TRUYỀN NHIỆT ........................................................................................ 64
Chương I. DẪN NHIỆT ......................................................................................... 64
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN .................................................................... 64
1.1.1. Dẫn nhiệt ................................................................................................... 64
1.1.2. Trường nhiệt độ ........................................................................................ 64
1.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 64
1.1.2.2. Phân loại ................................................................................................ 64
1.1.3. Mặt đẳng nhiệt .......................................................................................... 64
1.1.4. Gradien nhiệt độ ........................................................................................ 64
1.1.5. Mật độ dòng nhiệt ..................................................................................... 65
1.1.6. Định luật Fourier về dẫn nhiệt .................................................................. 65
1.2. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG 66
1.2.1. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng .............................................. 66
1.3.2. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ ................................................... 67
1.3.3. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu .................................................. 68
1.3.4. Bài toán dẫn nhiệt ổn định khi =f(t) ....................................................... 70
Chương II. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU ............................................................ 72
2.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................... 72
2.1.1. Quá trình đối lưu ...................................................................................... 72
2.1.2. Tỏa nhiệt đối lưu ....................................................................................... 72
2.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 72
2.1.2.2. Phân loại ................................................................................................ 72
2.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lưu ............................. 72
2.1.4. Công thức Newton -Rickmman ............................................................... 72
4
2.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT ................................... 72
2.2.1. Phương pháp giải tích (phương pháp lý thuyết) ....................................... 72
2.2.1.1. Hệ phương trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phương trình:........................ 72
2.2.1.2. Điều kiện đơn trị ..................................................................................... 73
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm kết hợp lý luận đồng dạng .............................. 73
Chương III. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ ............................................................. 76
III.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................................... 76
III.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ .............................................................................. 76
III.1.2. Sự phân bố năng lượng trong vật ............................................................ 76
III.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng, năng suất bức xạ hiệu dụng . 76
III.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ .................................................. 78
III.2.1. Định luật Planck ...................................................................................... 78
III.2.2. Định luật Stefan -Boltzmann ................................................................... 78
III.2.3. Định luật Kirshoff ................................................................................... 79
III.3. CÁC BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG
TRONG SUỐT ........................................................................................................ 79
III.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa 2 tấm phẳng đặt song song ........................... 79
III.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt bọc nhau ..................................... 80
Chương IV. TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ...................... 83
IV.1. KHÁI NIỆM .................................................................................................. 83
IV.1.1. Khái niệm truyền nhiệt ............................................................................ 83
IV.1.2. Phương pháp giải bài toán truyền nhiệt ................................................. 83
IV.2. CÁC BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT CƠ BẢN ............................................. 84
IV.2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng .................................................................. 84
IV.2.2. Truyền nhiệt qua vách trụ ....................................................................... 85
IV.2.3. Tăng cường hoặc hạn chế truyền nhiệt ................................................... 86
IV.3. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ...................................................................... 88
IV.3.1. Thiết bị trao đổi nhiệt và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt ....................... 88
IV.3.2. Phương trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt .......................................... 88
a. Phương trình cân bằng nhiệt ............................................................................ 88
b. Phương trình truyền nhiệt ................................................................................ 90
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 108
5
PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Chương I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở
THỂ KHÍ
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 người ta phân thành các nhóm sau:
1.1.2.1. Động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là một loại thiết bị nhiệt, chức năng của nó là biến nhiệt năng
thành năng lượng 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 trường bên ngoài.
Ngày nay người 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 như: 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 nhưng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau; nhờ năng lượng hỗ trợ từ bên
ngoài W0 nhiệt được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp Q2 (nguồn lạnh) tới nơi có nhiệt độ cao
Q1(nguồn nóng); trên cơ sở đó duy trì nhiệt độ thấp trong môi trường nhiệt độ cao hơn
(đối với thiết bị làm lạnh) hoặc duy trì nhiệt độ cao trong môi trường 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 như thiết bị nén khí, thiết bị sấy, điều hoà không khí...
W0
W0
Q1 = W0 + Q2
Q2
Q1 =W0+ Q2
Q2
Phòng sấy (Td: 90 0C)
Kho lạnh (Td: - 30 0C)
Hình 1-1. Nguyên lý và chức năng của máy lạnh và bơm nhiệt